醫(yī)學(xué)光子技術(shù)分類及醫(yī)學(xué)成像技術(shù)詳解

醫(yī)學(xué)光子技術(shù)分為兩大類：光子診斷醫(yī)學(xué)技術(shù)與光子治療醫(yī)學(xué)技術(shù)，前者是以光子作為信息載體，后者則以光子作為能量載體。 目前，無論是光診斷還是光治療技術(shù)，多以激光為光源。如果著眼于人體應(yīng)用為對象，這兩種技術(shù)則歸屬于激光醫(yī)學(xué)范疇。激光醫(yī)學(xué)是醫(yī)學(xué)光子技術(shù)的一個特有的重要應(yīng)用領(lǐng)域，也是近多年來迅猛興起的一個新學(xué)科分支。

根據(jù)國際、國內(nèi)的發(fā)展情況，以下諸點(diǎn)是醫(yī)學(xué)光子技術(shù)的主要研究內(nèi)容：

醫(yī)學(xué)光譜技術(shù)

激光光譜以其極高的光譜和時間分辨率、靈敏度、精確度以及無損、安全、快速等優(yōu)點(diǎn)而成為醫(yī)學(xué)光子學(xué)的重要研究領(lǐng)域。隨著激光光譜技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用研究的深入開展，一門有發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的“醫(yī)學(xué)光譜學(xué)”逐漸形成。

1.生物組織的自體熒光與藥物熒光光譜

已對激光誘導(dǎo)生物組織自體熒光和藥物熒光診斷動脈粥樣斑塊和惡性腫瘤進(jìn)行了臨床前的研究。內(nèi)容涉及光敏劑的吸收譜、激發(fā)與發(fā)射熒光譜以及各種波長激光激發(fā)下正常組織與病變組織內(nèi)源性熒光基團(tuán)特征光譜等。在此基礎(chǔ)上還研究了用于癌瘤診斷和定位的實(shí)時熒光圖像處理系統(tǒng)。

激光熒光光譜診斷腫瘤技術(shù)的研究一直倍受關(guān)注，光譜檢驗(yàn)法的靈敏度很高，如能找到腫瘤細(xì)胞的特征熒光峰，來診斷癌細(xì)胞的存在，則對腫瘤的早期診斷和治療將起巨大作用。但至今該技術(shù)在臨床上無法單獨(dú)作為癌細(xì)胞檢測的依據(jù)，關(guān)鍵原因是尚未找到癌細(xì)胞真正的特征熒光峰?，F(xiàn)在人們所謂的特征熒光峰實(shí)際上只是卟啉分子的熒光峰?？陀^和科學(xué)地判斷激光熒光光譜對腫瘤的診斷標(biāo)準(zhǔn)是十分必要的。

目前，某些癌瘤的藥物熒光診斷已進(jìn)入臨床試用，自體熒光的應(yīng)用尚處于摸索之中。需要開展激光激發(fā)生物組織和細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的機(jī)理研究，探討激光誘發(fā)組織自體熒光與癌組織病理類型的相關(guān)性以及新型光敏劑的熒光譜、熒光產(chǎn)額和最佳激發(fā)波長等方面的研究，以期獲得極其穩(wěn)定、可靠的特征數(shù)據(jù)，為診斷技術(shù)的發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

2.生物組織的喇曼光譜

近年來，喇曼光譜技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)中已顯示出它在靈敏度、分辨率、無損傷等方面的優(yōu)勢，克服了熒光光譜技術(shù)區(qū)分病變組織是由于生物大分子熒光帶較寬、易于重疊對準(zhǔn)確診斷帶來的影響。目前，這一研究領(lǐng)域尚處于起步階段，應(yīng)加緊開展以下研究工作：其一，對重要醫(yī)學(xué)物質(zhì)的喇曼光譜進(jìn)行研究，并建立其光譜數(shù)據(jù)庫(包括分子組分與結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的敏感特征譜線及其強(qiáng)度等);其二，研究疾病的喇曼光譜，分析從正常到病變過程中生物組分的變化與發(fā)病機(jī)理;其三，開發(fā)小型、高效、適用于體表與體內(nèi)的醫(yī)用喇曼光譜儀和診斷儀。

3.生物組織的超快時間分辨光譜

超快時間分辨光譜比穩(wěn)態(tài)光譜在技術(shù)上更靈敏、更客觀和更具有選擇性。因此，將脈寬為ps、fs量級的超短激光脈沖光源用于醫(yī)學(xué)受到廣泛重視，其一，應(yīng)發(fā)展超快時間分辨熒光光譜技術(shù)，用于測量生物組織及生物分子的熒光衰變時間，分析癌組織分子馳豫動力學(xué)性質(zhì)等，為進(jìn)一步研究自體熒光法診斷惡性腫瘤提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù);其二，應(yīng)發(fā)展超快時間分辨漫反射(透射)光譜技術(shù)。以時域的角度測量組織的漫反射，從而間接確定組織的光學(xué)特征。這是一種全新的、適用于活體的、無損和實(shí)時的測量方法，為確知光與生物組織的相互作用，解決醫(yī)學(xué)光子學(xué)中基礎(chǔ)測量問題開辟一條新徑。應(yīng)抓緊開展原理與技術(shù)的研究，以獲得有價值的活體光學(xué)參數(shù)，為光診斷與光治療技術(shù)的發(fā)展提供依據(jù)。

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)

人們致力的目標(biāo)是：發(fā)展無輻射損傷、高分辨率的生物組織光學(xué)成像方法與技術(shù)，同時應(yīng)具有非侵入式、實(shí)時、安全、經(jīng)濟(jì)、小型、且能監(jiān)測活體組織內(nèi)部處于自然狀態(tài)化學(xué)成分的特點(diǎn)。目前研究工作主要集中在以下幾個方面：

1.時間分辨成像技術(shù)，它以超短脈沖激光作為光源，根據(jù)光脈沖在組織內(nèi)傳播時的時間分辨特性，使用門控技術(shù)分離出漫反射脈沖中未被散射的所謂早期光，進(jìn)行成像。正在研究的典型時間門有條紋照相機(jī)、克爾門、電子全息等。該項(xiàng)技術(shù)是光學(xué)層析(斷層)造影(OT)技術(shù)中最主要的一種;

2.相干分辨成像技術(shù)(OCT)。它采用的是弱相干光光源(如，弱相干脈沖激光或?qū)拵У姆窍喔晒夤庠?，其相干長度很短(如20μm)。利用光源的低相干性能通過散射介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)成像，實(shí)現(xiàn)手段有干涉儀、全息術(shù)等;

3.漫射光子密度波成像技術(shù)。透過生物組織的漫射光占相當(dāng)大的比例，也可利用它進(jìn)行醫(yī)學(xué)成像。高頻調(diào)制的光射入生物組織，被漫射后的光子在生物組織內(nèi)部呈周期分布，形成漫射光子密度波。這種光子密度波以一定的相速度和振幅衰減系數(shù)在生物組織中傳播，又被折射、衍射、色散、散射，因而使之出射光攜帶生物組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。測量其振幅和相位，再經(jīng)過計算機(jī)數(shù)據(jù)處理便能夠得到生物組織的有關(guān)圖像。

4.圖像重建技術(shù)。生物散射介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征信息隱含在漫射光中。若能找到描述光在介質(zhì)中遷徙規(guī)律，通過測試漫射光的有關(guān)參數(shù)，在眼光的散射路徑逆向追溯，則應(yīng)能重建散射介質(zhì)結(jié)構(gòu)圖像。如采用鎖摸激光器作光源，條紋相機(jī)測試散射體周圍的漫射光的時間分辨參量，再用逆問題算法進(jìn)行圖像重建。目前，逆問題算法大體有兩類：一類為蒙特卡羅法，采用這種方法，圖像重建精度高，但是計算復(fù)雜;另一類是基于光的傳輸方程，采用優(yōu)化算法，根據(jù)測試周圍時間分辨率漫射光的信號進(jìn)行圖像重建。

除了上面四種技術(shù)外，近年來還發(fā)展了其它一些生物組織成像技術(shù)，如空間選通門成像技術(shù)、時間分辨熒光成像、受激喇曼散射成像以及光聲醫(yī)學(xué)成像技術(shù)等。目前，國際上光學(xué)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)尚處于初始研究階段，離實(shí)用化還有相當(dāng)距離，但人們已經(jīng)看到它初露曙光。

醫(yī)用半導(dǎo)體激光及其應(yīng)用技術(shù)

由于半導(dǎo)體激光器具有體積小、效率高、壽命場合多種波長可供選擇等一系列顯著優(yōu)點(diǎn)，所以它在激光診斷醫(yī)療技術(shù)中有逐漸取代其他多種激光器的趨勢，從而有可能成為激光醫(yī)用儀器的最主要光源。目前的狀況是：低功率半導(dǎo)體激光器，波長為800nm~900nm，功率為3~10mW，已逐漸替代He-Ne激光器作照射治療和光針療法，以及作各種指示光源;中功率器件，波長652nm~690nm，功率1~5W，已逐漸替代染料激光用于光動力療法，可治療較深部的腫瘤;高功率半導(dǎo)體激光器，也有可能替代Nd：YAG激光治療機(jī)。如波長為800nm~900，功率為30W的高功率半導(dǎo)體激光，穿透組織深，適用于Nd：YAG激光所能治療的大部分病種。

其它醫(yī)用激光技術(shù)發(fā)展動向

近年來，值得注意的研究動向還有：其一是新工作波長激光醫(yī)療儀器的開拓;其二是Ho：YAG和Er：YAG激光手術(shù)刀走向?qū)嵱没?其三是腔內(nèi)治療適用的光纖內(nèi)窺式激光醫(yī)療技術(shù)的開發(fā);其四是激光醫(yī)療設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化。