综述光电子技术在医学与生物学领域的应用

陈静

摘 要： 本文从基于生物系统的超微弱光子辐射（BPE）为出发点，浅谈了光电子技术在医学与生物学领域的应用。在生物学领域，首先，基于华侨大学生物工程系、新疆大学粒子束生物工程中心和浙江大学现代光学仪器国家重点实验室三个研究单位，综述光电子技术在生物学领域的应用；其次，针对激光育种的工作原理和物理机理进行了简短分析。

在医学领域，首先基于南京玻璃纤维研究设计院、上海交通大学医学院附属第九人民医院激光美容中心和浙江大学医学院附属儿童医院三个研究单位，综述光电子技术在医学领域的应用；其次，针对激光手术刀，分析其在医学方面的优势；最后对新研制的陶瓷基激光手术刀进行简介。经过分析，光电子技术在医学与生物学领域的未来值得期待。

关键词： BPE；激光育种；激光手术刀

1 引言

本文探讨光电子技术在医学和生物学中的应用，医学研究与人类息息相关，人类又是生物种群中之一，所以光电子在医学和生物学领域的应用应该是相通的。其应用原理要从基于生物系统的超微弱光子辐射（BPE）[1]开始说起，从50年代被科学家提起后，至今已有开启了一门新兴学科—生物光子学。本文主要从4个方面简略阐述BPE的特点，首先，BPE是生物体固有的一种功能，除极少数得低级生物（原生生物、藻类植物）外，大多数动植物均能产生BPE，并且生物的进化程度越高，BPE值越大。其次，BPE的光谱范围从紫外线、可见波段到红外线，且服从进化程度越高，谱线越靠近红外的规律。然后，BPE具有相干性，相干性是波所具有的一种性质，能够更好的发生波之间的干涉，具有泊松相干的特征[2]。最后，BPE是生物体量子效率极低的低水平化学发光，发光极其微弱。由于以上特点，光子及其光电子技术在生物学、临床诊断、农作物遗传学等交叉领域应用广泛。

2 生物学领域应用

2.1研究成果综述

由于本文主要探讨生物学领域中光电子技术的应用，所以此处主要分析激光育种的物理机理分析。通过查阅资料发现[3]，在激光育种方面的文献大量存在，其中典型较权威的研究如下表所示。华侨大学生物工程系使用Nd：YAG激光器，以连续式和脉冲式辐照方式对植酸酶的黑曲霉进行诱变[4]；新疆大学粒子束生物工程中心阐述了激光诱变育种激励的研究进展，相应的应用和得成果[5]；浙江大学现代光学仪器国家重点实验室在研究中概述了生物组织的光热响应过程，对其的温度场常用的测量技术进行比较[6]。

2.2激光育种

激光辐射在农作物育种方面已经有广泛的应用，目前主要运用在小麦、玉米、大豆、蚕豆等农作物中。研究表明[7]，激光的辐射有打破种子休眠状态、提高种子活力、改善形态结构、激活生理代谢过程、促进植株生长发育等作用。激光育种操作方便允许批量生产，同时经济实，所以目前实用性较强。

查阅文献资料，通过大量的实验证明[8]- [9]，农作物发育的过程主要分为幼穗期、分化期、完全叶、减数分裂期、花粉母细胞、不定根期[10]，激光育种的作用时间段主要为幼穗的减数分裂期。如下图所示，细胞在进行减数分裂时，染色体数目减半，这个时期配子的遗传性较强，故激光作用于此时期能较高效率的改变子代遗传性能。

3 医学领域应用

3.1研究成果综述

激光除了在生物学领域有广泛的应用，在医学领域同样有卓越的贡献。目前国内比较具有代表性的课题如下表所示。南京玻璃纤维研究设计院研究的多组份玻璃光纤在医学的应用，其中包括医学治疗仪器和检测仪器，并发表论文《光纤在激光医学治疗上的应用》[11]；上海交通大学医学院附属第九人民医院激光美容中心则着力研究激光技术在医学美容中的应用，发表论文《激光医学与美容领域的新进展》[12]，简述了新型美容治疗仪“皮秒级Q开关激光治疗仪”的制造原理及其应用；浙江大学医学院附属儿童医院则倾向于研究图像重建的应用，他们提出将压缩感知理论引入到激光医学图像的重建思想，可以比较完整的还原图像，并发表论文《压缩感知理论在激光医学图像重建中的应用研究》[13]。

3.2 激光手术刀

纵观手术刀的发展[14]，从最初的固体手术刀到现在的激光手术刀，主要利用了激光能量集中。激光手术刀的一大优点是对生物组织有热凝固效应，所以它可以封闭切开的小血管，减少出血。一般与心脏、血管相关的手术都会选择使用激光手术刀，随着激光手术刀的发展，目前将激光手术刀与光学纤维结合起来使用，更加方便了手术的进行。

3.3岁 陶瓷基激光手术刀

莫斯科物理技术學院的研究团队与俄罗斯科学院应用物理研究所的科学家合作开发出一款价格便宜、功能强大的陶瓷基激光手术刀[15]。

在激光器材的制造领域中，陶器可以说是新型的一类器件，但是也是非常有市场的一类介质。俄科学家联合研发的这款可辐射出红外区域激发能量的“泵浦”激光器，本身由氧化镥和铥离子添加物以及特殊工艺融合而成的稀土元素化合物构成。其辐射能量转化效率超过50%，目前激光手术刀主要是固态激光器，由激光原理的知识知道，该转化效率高于固态激光发射器。且新研制的激光手术刀激光束波长在最适合于医疗应用的1966-2064nm范围内。

4 结束语

光电子技术在生物学、医学领域的应用广泛，本文浅谈了激光育种和激光手术刀的应用，在武汉国家光电实验室召开的第六届国际光子与光电子会议（POEM 2013）暨第十一届生物医学光子学与成像技术国际学术研讨会中[16]，更是对光电子技术未来的发展给予了肯定，对光子治疗/诊断与仪器、多模式与混合生物医学成像、光学分子成像等四个议题进行了探讨。未来，光电子技术不仅将在生物学、医学领域作出卓越贡献，在农业、工业也会有突出成功。

参考文献

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