綜述光電子技術(shù)在醫(yī)學(xué)與生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

陳靜

摘 要： 本文從基于生物系統(tǒng)的超微弱光子輻射（BPE）為出發(fā)點(diǎn)，淺談了光電子技術(shù)在醫(yī)學(xué)與生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。在生物學(xué)領(lǐng)域，首先，基于華僑大學(xué)生物工程系、新疆大學(xué)粒子束生物工程中心和浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室三個(gè)研究單位，綜述光電子技術(shù)在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用；其次，針對(duì)激光育種的工作原理和物理機(jī)理進(jìn)行了簡(jiǎn)短分析。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，首先基于南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院激光美容中心和浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬兒童醫(yī)院三個(gè)研究單位，綜述光電子技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用；其次，針對(duì)激光手術(shù)刀，分析其在醫(yī)學(xué)方面的優(yōu)勢(shì)；最后對(duì)新研制的陶瓷基激光手術(shù)刀進(jìn)行簡(jiǎn)介。經(jīng)過(guò)分析，光電子技術(shù)在醫(yī)學(xué)與生物學(xué)領(lǐng)域的未來(lái)值得期待。

關(guān)鍵詞： BPE；激光育種；激光手術(shù)刀

1 引言

本文探討光電子技術(shù)在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)中的應(yīng)用，醫(yī)學(xué)研究與人類息息相關(guān)，人類又是生物種群中之一，所以光電子在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用應(yīng)該是相通的。其應(yīng)用原理要從基于生物系統(tǒng)的超微弱光子輻射（BPE）[1]開(kāi)始說(shuō)起，從50年代被科學(xué)家提起后，至今已有開(kāi)啟了一門(mén)新興學(xué)科—生物光子學(xué)。本文主要從4個(gè)方面簡(jiǎn)略闡述BPE的特點(diǎn)，首先，BPE是生物體固有的一種功能，除極少數(shù)得低級(jí)生物（原生生物、藻類植物）外，大多數(shù)動(dòng)植物均能產(chǎn)生BPE，并且生物的進(jìn)化程度越高，BPE值越大。其次，BPE的光譜范圍從紫外線、可見(jiàn)波段到紅外線，且服從進(jìn)化程度越高，譜線越靠近紅外的規(guī)律。然后，BPE具有相干性，相干性是波所具有的一種性質(zhì)，能夠更好的發(fā)生波之間的干涉，具有泊松相干的特征[2]。最后，BPE是生物體量子效率極低的低水平化學(xué)發(fā)光，發(fā)光極其微弱。由于以上特點(diǎn)，光子及其光電子技術(shù)在生物學(xué)、臨床診斷、農(nóng)作物遺傳學(xué)等交叉領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

2 生物學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用

2.1研究成果綜述

由于本文主要探討生物學(xué)領(lǐng)域中光電子技術(shù)的應(yīng)用，所以此處主要分析激光育種的物理機(jī)理分析。通過(guò)查閱資料發(fā)現(xiàn)[3]，在激光育種方面的文獻(xiàn)大量存在，其中典型較權(quán)威的研究如下表所示。華僑大學(xué)生物工程系使用Nd：YAG激光器，以連續(xù)式和脈沖式輻照方式對(duì)植酸酶的黑曲霉進(jìn)行誘變[4]；新疆大學(xué)粒子束生物工程中心闡述了激光誘變育種激勵(lì)的研究進(jìn)展，相應(yīng)的應(yīng)用和得成果[5]；浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在研究中概述了生物組織的光熱響應(yīng)過(guò)程，對(duì)其的溫度場(chǎng)常用的測(cè)量技術(shù)進(jìn)行比較[6]。

2.2激光育種

激光輻射在農(nóng)作物育種方面已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用，目前主要運(yùn)用在小麥、玉米、大豆、蠶豆等農(nóng)作物中。研究表明[7]，激光的輻射有打破種子休眠狀態(tài)、提高種子活力、改善形態(tài)結(jié)構(gòu)、激活生理代謝過(guò)程、促進(jìn)植株生長(zhǎng)發(fā)育等作用。激光育種操作方便允許批量生產(chǎn)，同時(shí)經(jīng)濟(jì)實(shí)，所以目前實(shí)用性較強(qiáng)。

查閱文獻(xiàn)資料，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證明[8]- [9]，農(nóng)作物發(fā)育的過(guò)程主要分為幼穗期、分化期、完全葉、減數(shù)分裂期、花粉母細(xì)胞、不定根期[10]，激光育種的作用時(shí)間段主要為幼穗的減數(shù)分裂期。如下圖所示，細(xì)胞在進(jìn)行減數(shù)分裂時(shí)，染色體數(shù)目減半，這個(gè)時(shí)期配子的遺傳性較強(qiáng)，故激光作用于此時(shí)期能較高效率的改變子代遺傳性能。

3 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用

3.1研究成果綜述

激光除了在生物學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域同樣有卓越的貢獻(xiàn)。目前國(guó)內(nèi)比較具有代表性的課題如下表所示。南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院研究的多組份玻璃光纖在醫(yī)學(xué)的應(yīng)用，其中包括醫(yī)學(xué)治療儀器和檢測(cè)儀器，并發(fā)表論文《光纖在激光醫(yī)學(xué)治療上的應(yīng)用》[11]；上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院激光美容中心則著力研究激光技術(shù)在醫(yī)學(xué)美容中的應(yīng)用，發(fā)表論文《激光醫(yī)學(xué)與美容領(lǐng)域的新進(jìn)展》[12]，簡(jiǎn)述了新型美容治療儀“皮秒級(jí)Q開(kāi)關(guān)激光治療儀”的制造原理及其應(yīng)用；浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬兒童醫(yī)院則傾向于研究圖像重建的應(yīng)用，他們提出將壓縮感知理論引入到激光醫(yī)學(xué)圖像的重建思想，可以比較完整的還原圖像，并發(fā)表論文《壓縮感知理論在激光醫(yī)學(xué)圖像重建中的應(yīng)用研究》[13]。

3.2 激光手術(shù)刀

縱觀手術(shù)刀的發(fā)展[14]，從最初的固體手術(shù)刀到現(xiàn)在的激光手術(shù)刀，主要利用了激光能量集中。激光手術(shù)刀的一大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)生物組織有熱凝固效應(yīng)，所以它可以封閉切開(kāi)的小血管，減少出血。一般與心臟、血管相關(guān)的手術(shù)都會(huì)選擇使用激光手術(shù)刀，隨著激光手術(shù)刀的發(fā)展，目前將激光手術(shù)刀與光學(xué)纖維結(jié)合起來(lái)使用，更加方便了手術(shù)的進(jìn)行。

3.3歲 陶瓷基激光手術(shù)刀

莫斯科物理技術(shù)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)與俄羅斯科學(xué)院應(yīng)用物理研究所的科學(xué)家合作開(kāi)發(fā)出一款價(jià)格便宜、功能強(qiáng)大的陶瓷基激光手術(shù)刀[15]。

在激光器材的制造領(lǐng)域中，陶器可以說(shuō)是新型的一類器件，但是也是非常有市場(chǎng)的一類介質(zhì)。俄科學(xué)家聯(lián)合研發(fā)的這款可輻射出紅外區(qū)域激發(fā)能量的“泵浦”激光器，本身由氧化镥和銩離子添加物以及特殊工藝融合而成的稀土元素化合物構(gòu)成。其輻射能量轉(zhuǎn)化效率超過(guò)50%，目前激光手術(shù)刀主要是固態(tài)激光器，由激光原理的知識(shí)知道，該轉(zhuǎn)化效率高于固態(tài)激光發(fā)射器。且新研制的激光手術(shù)刀激光束波長(zhǎng)在最適合于醫(yī)療應(yīng)用的1966-2064nm范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

光電子技術(shù)在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，本文淺談了激光育種和激光手術(shù)刀的應(yīng)用，在武漢國(guó)家光電實(shí)驗(yàn)室召開(kāi)的第六屆國(guó)際光子與光電子會(huì)議（POEM 2013）暨第十一屆生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)與成像技術(shù)國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)中[16]，更是對(duì)光電子技術(shù)未來(lái)的發(fā)展給予了肯定，對(duì)光子治療/診斷與儀器、多模式與混合生物醫(yī)學(xué)成像、光學(xué)分子成像等四個(gè)議題進(jìn)行了探討。未來(lái)，光電子技術(shù)不僅將在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域作出卓越貢獻(xiàn)，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)也會(huì)有突出成功。

參考文獻(xiàn)

[1]朱延彬，王孝力.生物光子學(xué)與光子生物學(xué)[J].光電子激光，1997，8（2）：67-71.

[2]李淼.生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的發(fā)展前景[J].光電子激光，2010，6（02）：23-25.

[3]嚴(yán)寒.激光農(nóng)業(yè)應(yīng)用[J].中國(guó)光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)文摘，2007，（01）：28.

[4]彭益強(qiáng)，張燕，莊月娥，方柏山，張文珍.激光誘變?cè)跓岱€(wěn)定植酸酶篩選中的應(yīng)用[J].激光生物學(xué)報(bào)，2006，（04）：405-408.

[5]陳恒雷，徐輝，呂長(zhǎng)武，呂杰，曾憲賢，張軍.激光誘變育種的研究概況[J].激光生物學(xué)報(bào)，2006，（04）：436-440.

[6]楊洪欽，爐慶洪，謝樹(shù)森，陸祖康.生物組織光熱響應(yīng)及其實(shí)驗(yàn)研究[J].激光生物學(xué)報(bào)，2006，（03）：228-231.

[7]朱家健.激光技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用及其展望[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009，31（04）：222-225.

[8]張俊國(guó)，張三元，張學(xué)臣，宋林森，李占國(guó)，林秀云.水稻激光育種的研究——Ⅰ.種子及減數(shù)分裂期幼穗激光處理誘發(fā)變異分析[J].吉林農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，（02）：17-20.

[9]朱新軍，岳明.激光對(duì)植物的作用及其機(jī)理[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2006，（04）：182-184.

[10]葛磊，譚克輝，種康，許智宏.水稻花發(fā)育基因調(diào)控的研究進(jìn)展[J].科學(xué)通報(bào)，2007，（09）：45-48.

[11]江源，陳莉，朱云青，殷志東.光纖在激光醫(yī)學(xué)治療上的應(yīng)用[J].激光雜志，2007（04）：9-11.

[12]周國(guó)瑜. 激光醫(yī)學(xué)與美容領(lǐng)域的新進(jìn)展[C].上海：上海市激光學(xué)會(huì)：2015：1.

[13]林升梁.壓縮感知理論在激光醫(yī)學(xué)圖像重建中的應(yīng)用研究[J].激光雜志，2016，37（04）：88-91.

[14]王錦航，董福生，董玉英.現(xiàn)代手術(shù)刀的研究進(jìn)展[J].醫(yī)學(xué)理論與實(shí)踐，2015，28（04）：447-449.

[15]俄科學(xué)家研制出一款質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的激光手術(shù)刀[J].稀土，2016，37（06）：145.

[16]唐江，周軍，胡彬，施華，董煒蔚，肖曉春.第六屆國(guó)際光子與光電子學(xué)會(huì)議（POEM2013）暨第十一屆生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)與成像技術(shù)國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)（PIBM2013）成功舉行[J].光學(xué)與光電技術(shù)，2013，11（04）：1-8.