生物医学光子学研究作者：徐正红女士) - 教育部生物医学光子学网上.pdfVIP

生物医学光子学研究 The Research on Biomedical Photonics 本文作者徐正红女士，西安交通大学生命科学与技术学院生物医学工程研究所博士生；张 镇西先生，西安交通大学生命科学与技术学院副院长、博士、教授、博士生导师。 关键词：光子学 激光 生物医学 一、 引言 生命科学是当今世界科技发展的热点之一。而光子学是随着近代科学技术发展而日益蓬勃 发展的学科。近年来一个以光子学与生命科学相互融合和促进的学科新分支――生物医学 光子学（Biomedical Photonics）也随着激光技术、光谱技术、显微技术以及光纤技术的 发展而飞速发展起来，它将开拓生命科学的新领域，成为本世纪的研究热点。 生物医学光子学可以分为生物光子学和医学光子学两个部分，分属生物学和医学领域，但 二者存在相互交叠的范围，并无严格的分界。也可以根据应用目的的不同，将生物医学光 子学划分位光子诊断医学技术和光子治疗医学技术两个领域。前者以光子作位信息的载 体，后者是以光子作为能量的载体。 由于激光具有单色性好、高亮度，高密度、辐射方向性强的特点，无论光诊断还是光治疗 技术，多以激光为光源。随着激光器的不断发展，光子技术在生物医学领域的应用也层出 不穷。 二、 光子诊断医学技术 1． 概念 生物光子学就是以研究生物体辐射的光子特性来研究生物体自身的功能和特性的学科。在 光子学产生初期，充满活力的生命科学就和光子学相互交叉渗透，促进了这一学科的发 展。它以生物系统的超微弱光子辐射（BPE）的发现和研究为基础的。 从1923年前苏联科学家Burwitch等人首次发现BPE现象到70年代后的研究表明，BPE现象是 自然界普遍存在的一种现象，是生物体的一种固有功能。除了少数原生生物和藻类等低级 生物外，绝大多数动植物都能产生BPE。 BPE的光谱很宽，从紫外、可见光到红外波段。 奇妙的是，BPE的值和生物进化程度成正比，进化程度越高，其BPE值越大，辐射的波长越 向红外扩展。另外BPE具有高度的相关性，是生物体梁子效率及低的一种低水平化学发 光。 80年代以来各国科学家进一步对BPE现象进行研究发现DNA是BPE的辐射源之一；BPE在细胞 形态分裂前和死亡前强度会增大。另外，癌细胞的BPE高于正常细胞。 这些研究表明：生物的自发超弱发光与生物体的氧化代谢、细胞的分裂和死亡、癌变、生 长调控、光化学反应等许多基本的生命过程有着密切的内在联系。有关BPE的研究也正向 细胞、亚细胞和分子水平深入。与之相关的理论和测试技术也在不断发展。 2． 应用 由于生物超弱发光与生物体的生理及病理有着密切的关系，所以生物光子学在临床诊断、 农作物遗传性诊断及环境检测等领域可以有重要的应用。 ● 生物超弱发光的成像 利用高灵敏度的探测和成像技术，结合数据融合技术，在可见和近红外波段获得生物体超 弱发光的而二维图像，用于人体代谢功能与抗氧化、抗衰老机体防御功能的测量和研究。 亦可用于疾病的诊断。例如，日本研制成第一台能探测大脑癫间病灶区的激光仪器，用很 弱的近红外激光照射病人头部而得到大脑皮层的二维图像。通过分析这些图象，可以了解 癫间期大脑活动类型，有助于医生发现病灶。和传统的打开头盖骨插入电极测量和用放射 性同位素测定的方法相比，可以减少对病人的痛苦和伤害。此外，波士顿儿童医院利用在 组织内的光的吸收和氧的浓度有关这一特性，采用近红外光谱来监视婴儿脑细胞氧含量。 ● 生物系统的诱导发光 生物体在外界强光的短暂照射下可诱导生物系统的光子发射。这种随时间衰弱的诱导发光 的强度远大于生物体自发光强度。可以用于疾病诊断和食品质量的检测。由于肿瘤患者和 健康人相比，其血液和病变器官与组织的发光光子强度升高，在癌症的诊断方面有很好的 应用，可以在肿瘤早期找出其存在位置，实现肿瘤的早期诊断和治疗。目前有两种方法： 1． 外加光敏物质诊断 根据荧光物质与肿瘤组织有很好的亲和力这一特点，可让患者静脉注射或口服光敏剂后 （48～72小时），再接受光照，记录荧光光谱特性曲线，可以确定肿瘤位置。这种方法由 于受到其他组织荧光和自体荧光的干扰，容易引起误诊，且需要寻求更有效且无毒副作用 的光敏剂。在现阶段，新型光敏剂的发展是通过荧光对早期肿瘤检测方法的最有前途的改 进。 经研究表明靛青绿衍生物比未改变的靛青绿更能提高药物代谢动力并获得更高的收效。为 了对新型光敏剂进行体内检测，LMTB在与西门子医药公司的合作中研制了一台近红外成像 器，它由一个740nm的二极管激光器（1.5瓦）和一个冷却CCD照相机组成。动物试验中， 完整老鼠身体的近红外荧光可被成像，不同的滤光器设置