綜述光電子技術在醫(yī)學與生物學領域的應用

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，淺談了光電子技術在醫(yī)學與生物學領域的應用。在生物學領域，首先，基于華僑大學生物工程系、新疆大學粒子束生物工程中心和浙江大學現(xiàn)代光學儀器國家重點實驗室三個研究單位，綜述光電子技術在生物學領域的應用；其次，針對激光育種的工作原理和物理機理進行了簡短分析。

在醫(yī)學領域，首先基于南京玻璃纖維研究設計院、上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院激光美容中心和浙江大學醫(yī)學院附屬兒童醫(yī)院三個研究單位，綜述光電子技術在醫(yī)學領域的應用；其次，針對激光手術刀，分析其在醫(yī)學方面的優(yōu)勢；最后對新研制的陶瓷基激光手術刀進行簡介。經(jīng)過分析，光電子技術在醫(yī)學與生物學領域的未來值得期待。

關鍵詞： BPE；激光育種；激光手術刀

1 引言

本文探討光電子技術在醫(yī)學和生物學中的應用，醫(yī)學研究與人類息息相關，人類又是生物種群中之一，所以光電子在醫(yī)學和生物學領域的應用應該是相通的。其應用原理要從基于生物系統(tǒng)的超微弱光子輻射（BPE）[1]開始說起，從50年代被科學家提起后，至今已有開啟了一門新興學科—生物光子學。本文主要從4個方面簡略闡述BPE的特點，首先，BPE是生物體固有的一種功能，除極少數(shù)得低級生物（原生生物、藻類植物）外，大多數(shù)動植物均能產(chǎn)生BPE，并且生物的進化程度越高，BPE值越大。其次，BPE的光譜范圍從紫外線、可見波段到紅外線，且服從進化程度越高，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發(fā)光，發(fā)光極其微弱。由于以上特點，光子及其光電子技術在生物學、臨床診斷、農(nóng)作物遺傳學等交叉領域應用廣泛。

2 生物學領域應用

2.1研究成果綜述

由于本文主要探討生物學領域中光電子技術的應用，所以此處主要分析激光育種的物理機理分析。通過查閱資料發(fā)現(xiàn)[3]，在激光育種方面的文獻大量存在，其中典型較權威的研究如下表所示。華僑大學生物工程系使用Nd：YAG激光器，以連續(xù)式和脈沖式輻照方式對植酸酶的黑曲霉進行誘變[4]；新疆大學粒子束生物工程中心闡述了激光誘變育種激勵的研究進展，相應的應用和得成果[5]；浙江大學現(xiàn)代光學儀器國家重點實驗室在研究中概述了生物組織的光熱響應過程，對其的溫度場常用的測量技術進行比較[6]。

2.2激光育種

激光輻射在農(nóng)作物育種方面已經(jīng)有廣泛的應用，目前主要運用在小麥、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、激活生理代謝過程、促進植株生長發(fā)育等作用。激光育種操作方便允許批量生產(chǎn)，同時經(jīng)濟實，所以目前實用性較強。

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

3 醫(yī)學領域應用

3.1研究成果綜述

激光除了在生物學領域有廣泛的應用，在醫(yī)學領域同樣有卓越的貢獻。目前國內(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計院研究的多組份玻璃光纖在醫(yī)學的應用，其中包括醫(yī)學治療儀器和檢測儀器，并發(fā)表論文《光纖在激光醫(yī)學治療上的應用》[11]；上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院激光美容中心則著力研究激光技術在醫(yī)學美容中的應用，發(fā)表論文《激光醫(yī)學與美容領域的新進展》[12]，簡述了新型美容治療儀“皮秒級Q開關激光治療儀”的制造原理及其應用；浙江大學醫(yī)學院附屬兒童醫(yī)院則傾向于研究圖像重建的應用，他們提出將壓縮感知理論引入到激光醫(yī)學圖像的重建思想，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)學圖像重建中的應用研究》[13]。

3.2 激光手術刀

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

3.3歲 陶瓷基激光手術刀

莫斯科物理技術學院的研究團隊與俄羅斯科學院應用物理研究所的科學家合作開發(fā)出一款價格便宜、功能強大的陶瓷基激光手術刀[15]。

在激光器材的制造領域中，陶器可以說是新型的一類器件，但是也是非常有市場的一類介質(zhì)。俄科學家聯(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成。其輻射能量轉(zhuǎn)化效率超過50%，目前激光手術刀主要是固態(tài)激光器，由激光原理的知識知道，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刀激光束波長在最適合于醫(yī)療應用的1966-2064nm范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

光電子技術在生物學、醫(yī)學領域的應用廣泛，本文淺談了激光育種和激光手術刀的應用，在武漢國家光電實驗室召開的第六屆國際光子與光電子會議（POEM 2013）暨第十一屆生物醫(yī)學光子學與成像技術國際學術研討會中[16]，更是對光電子技術未來的發(fā)展給予了肯定，對光子治療/診斷與儀器、多模式與混合生物醫(yī)學成像、光學分子成像等四個議題進行了探討。未來，光電子技術不僅將在生物學、醫(yī)學領域作出卓越貢獻，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)也會有突出成功。

參考文獻

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

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

[3]嚴寒.激光農(nóng)業(yè)應用[J].中國光學與應用光學文摘，2007，（01）：28.

[4]彭益強，張燕，莊月娥，方柏山，張文珍.激光誘變在熱穩(wěn)定植酸酶篩選中的應用[J].激光生物學報，2006，（04）：405-408.

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

[6]楊洪欽，爐慶洪，謝樹森，陸祖康.生物組織光熱響應及其實驗研究[J].激光生物學報，2006，（03）：228-231.

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

[8]張俊國，張三元，張學臣，宋林森，李占國，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，2005，（02）：17-20.

[9]朱新軍，岳明.激光對植物的作用及其機理[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，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)控的研究進展[J].科學通報，2007，（09）：45-48.

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

[12]周國瑜. 激光醫(yī)學與美容領域的新進展[C].上海：上海市激光學會：2015：1.

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

[14]王錦航，董福生，董玉英.現(xiàn)代手術刀的研究進展[J].醫(yī)學理論與實踐，2015，28（04）：447-449.

[15]俄科學家研制出一款質(zhì)優(yōu)價廉的激光手術刀[J].稀土，2016，37（06）：145.

[16]唐江，周軍，胡彬，施華，董煒蔚，肖曉春.第六屆國際光子與光電子學會議（POEM2013）暨第十一屆生物醫(yī)學光子學與成像技術國際學術研討會（PIBM2013）成功舉行[J].光學與光電技術，2013，11（04）：1-8.