新型光學成像技術及其在生物醫(yī)學中的應用

1、50激光雜志1999年第20卷第2期LASER JOURNAL (Vol 120,No 211999 2成鵬1激光生物刺激作用的最新研究1醫(yī)用激光研究與臨床,1992, (1 :4-6射時間的關系, 及皮膚受損傷時的溫度曝光時間曲線來正確地選擇激光的功率密度和照射時間等。例如, 對于功率較小的激光(如He -Ne 激光 我們可以增加照射時間或適當?shù)剡M行聚集照射以達到最佳的刺激, 對于功率較大的激光(如CO 2激光 , 則可以進行擴束照射或相應地縮短照射時間等。激光的擴束照射, 不但可以增大照射面積, 而且還可以提高治療速度。此外, 我們可以利用激光刺激作用的積累效應分多次照射, 三、五天為一個

2、療程, 一個療程后停照三天左右再進行第二個療程, 以增加刺激效果, 還可以根據(jù)皮膚溫升與激光參數(shù)的關系, 以皮膚的溫升為控制量, 由計算機來控制激光器所輸出激光功率密度和激光照射時間等, 從而使治療自動化, 并獲得最佳效果。由于在推導時, 我們作了一系列的近似處理, 因而所得的結(jié)果與實際有些誤差, 因此, 實際應用時, 所取的參數(shù)可比理論計算值稍大。然而, 如果考慮各種熱量的損失, 9-11合。因此, 文1激光針刺1國外激光,1988, (11 :27-303J 1W 1Roy ;Laser Focus ,1986,22(5 :78-914徐國祥1弱激光的生物效應應用及其在理療和針灸的臨床應用

3、與展望, 激光醫(yī)學在中國1中華醫(yī)學會,79-835李峻享, 梁宏主編1激光醫(yī)學激光在生物醫(yī)學中的應用1北京:科學出版社,19896A. J. Welch 1The Thermal Res ponse of Laser Irradiated Tissue 1IEEEJournal of Quntum Electronics ,1984,Q E 220(12 :1471-14807T. F. Deutsch ,Medical Application of Laser ,Physics Today ,1988,41(10 :56-638王書波等. He -Ne 激光照射穴位治療遺尿癥. 中國激光,1

4、986,13(5 :3179鄭玉紅, 弱激光臨床治療觀察的體會. 醫(yī)用激光雜志,1994,8(3 :51-5310李忠明, 陳五高. , 應用激光,1995,15(6 -27811施秋順等He -. 中國激光醫(yī)學雜,74 :26312. -, 激,1998,19(3 :63-64作者簡介:李忠明, 男,23歲, 副教授, 畢業(yè)于華中師大,現(xiàn)在咸寧師專從事激光經(jīng)濟的研究。新型光學成像技術及其在生物醫(yī)學中的應用沈彬1李加2張彥軍2李寧2(天津職工醫(yī)學院1, 天津300052 (南開大學光子學中心2, 天津300071提要:本文介紹了在生物醫(yī)學中有廣泛應用前景的共焦掃描光學顯微鏡、掃描近場光學顯微術

5、和光學相干微術三種新型成像技術的基本原理和應用。關鍵詞:共焦掃描光學顯微鏡, 掃描近場光學顯微術, 光學相干顯微術, 成像N e w image technologies and their applications in biomedical f ieldS hen B in 1L i Jia 2Zhang Yanjun 2L i N ing 2(Tianjin Medical College of Health Workers , Tianjin 300052 (Photonics Center ,Nankai University , Tianjin 300071Abstract :Th

6、is paper presents the basic principles of confocal scanning optical microscope ,scanning nearing 2field optical microscopy and optical coherence microscopy and their application ,they have enormous potential in biomedical field.K ey w ords :con focal scanning optical microscope ,scanning near 2field

7、 optical microscopy ,optical coherence microsco py ,image生命科學是21世紀科技發(fā)展的最大熱點之一, 而光與生命有不解之緣。早期的光學顯微鏡就為生命科學的研究提供了十分有用的工具。但由于生物組織的極度不均勻性, 形成了對光波的強烈的散射作用, 加之生物組織對光波的強烈吸收, 致使光波無法深入到生物組織, 也就不能從生物組織中取出清晰的圖像。隨著光子學的驟然興起, 近年來科學家們研制了一系列光學與光子學取像方法, 本文對此做簡要介紹。Microscope ,CSOM 具有許多常規(guī)顯微鏡所沒有的特性。它只允許由處在焦平面上的樣品薄層的反射光通

8、過目鏡而被觀察和記錄, 因此得到的是樣品中一個薄層圖象。圖像具有高的對比度和高的分辨率。共焦掃描光學顯微鏡的共焦特性可以由圖1來說明。在圖1(a 中, 系統(tǒng)被精密調(diào)準時, 由光源通過光闌孔射出的光, 經(jīng)物鏡形成受衍射限制的光點, 此光點照射位于物鏡焦平面上的樣品中的一點, 由此點反射回來1998年6月18日收稿1共焦掃描光學顯微鏡1(Confocal Scanning Optical 共焦掃描光學顯微鏡1998年9月10日收到修改稿激光雜志1999年第20卷第2期LASER JOURNAL (Vol 120,No 211999 的光線再次通過物鏡及其后的觀察孔光闌被其后的探測器所探測, 即可獲

9、得共焦圖像。被光源照射的光闌起點光源作用, 觀察孔光闌及其后的探測器起點探測器作用。如果當觀察樣品的對象移出焦平面, 其反射光線來自物鏡的焦平面的上方或下方的物體的反射, 這些反射光線經(jīng)物鏡后不能被聚焦到觀察孔光闌里去, 而被散焦到其孔光闌之外, 如圖1(b 所示。使此孔光闌后面的探測器上的接收信號的幅值將迅速的減小, 從而使獲得的 圖像具有好的對比度和高的分辨率。51Microscopy ,SNOM 是在近場探測原理的基礎上發(fā)展起來的一種光學掃描探針技術, 其分辨率突破了光學衍射極限, 可達10200nm 。SNOM 原理是采用一亞波長尺寸的光學探針作為光源和探測器。當一個亞波長孔徑的微小光

10、源在物體的近場范圍內(nèi)照射時, 照射光斑的面積只和孔徑大小有關而與波長無關。把探針置于物體的近場區(qū)域(<100nm , 反射光或投射光中將攜帶物體亞波長尺寸結(jié)構(gòu)的信息, 通過掃描采集樣品中各點的信號光即可得到分辨率小于半波長的樣品的近場圖像。實驗裝置圖如圖3所示。SNOM 的分辨率理論上可獲得10nm 或更小。除具有高的分辨率外, 它還有快捷、低廉及對生物樣品的低損傷等特點。SNOM , 如反射、, 使得對生物樣, 特別是為生物 。圖1共焦掃描光學顯微鏡光路示意圖(a 掃描對象位于物鏡焦平面上(b 掃描對象位于物鏡焦平面外共焦掃描光學顯微鏡特別適用于生物組織的研究, 因為它可以消除用普通顯

11、微鏡觀察時出現(xiàn)的模糊。模糊的典型誘因是觀察的焦平面之外的樣品的掃描光線引起的。共焦掃描顯微鏡產(chǎn)生的圖像不接收所有焦平面之外的光線, 這樣就消除了模糊。此外由于共焦顯微鏡能對細胞和組織做光學上的切片, 這樣獲得的圖像就能消除表面熒光對焦點圖像的干擾, 用于揭示細胞所標記的免疫熒光信息能夠被清楚地顯示出來。圖2(b 為普通顯微鏡下的白血細胞熒光圖像, (a 為共焦顯微鏡下的熒光圖像 。圖3近場掃描光學顯微儀實驗裝置圖21994年中國韓濤等人獲得黑鯉魚鱗片的SNOM圖2白血細胞圖象(a 共焦顯微鏡下的熒光圖像(b 普通顯微鏡下的熒光圖像2掃描近場光學顯微術掃描近場光學顯微術(Scanning Nea

12、r 2field Optical圖像。從中觀察到鱗片中的有序排列結(jié)構(gòu)和深層的介觀物質(zhì)(這些介觀物質(zhì)的光學、力學特性與周圍物質(zhì)不同 , 并證明了魚鱗片中生物全息現(xiàn)象的存在。近年來盡管已初步了解了葉綠體中幾個孤立蛋白復合物如捕光復合物(L HC 、光學反應中心I (PSI 、光的晶體結(jié)構(gòu), 但不知道類囊體膜學反應中心(PS L HC 、PSI 、PS 的相對位置及其分布。1995年美國Pa 2cific Northwests 實驗室把SNOM 技術與熒光標示和光子計數(shù)器結(jié)合, 獲得分離自萊因衣藻(Chlamydomonas reinhardtii C2突變株的葉綠體的完整類囊膜的韌致力熒光圖和近場

13、熒光圖像, 測得其捕光復合物(L HC 3壽命。他們使用C 2突變株缺少PSI 、PS 和核心天線及富含L HC 捕光復合物。測得的類囊體膜的m ×113m 的韌致力圖顯示出膜厚度為615×113915nm (已知的雙分子膜厚67nm , 表明SNOM 測得的是一完整的雙分子層膜。同時得到的近場熒光圖像顯示出的膜的熒光發(fā)射呈各相同性, 與Kuhlbrandt 等提出的L HC 是由三個對稱單體的多個三聚體構(gòu)成的近似堆積分布的結(jié)論相一致。利用SNOM 技術, 他們還獲得由6個生色團組成的單個的別藻藍素(APC 三52激光雜志1999年第20卷第2期LASER JOURNAL

14、(Vol 120,No 211999 者直接指定的測量點。聚體的近場熒光圖像, 再次顯示出SNOM 在納米水平上單個蛋白質(zhì)分子的探測和定位能力。1995年美國密西根大學利用SNOM 的透射技術獲得風干的豚鼠耳蝸毛細胞的近場圖像和風干的溶血紅細胞的近場圖像4。SNOM 透射光法結(jié)合熒光技術, 獲得用分子探針TO TO -1標記的-噬菌體DNA 的環(huán)形近場熒光圖。預計今后SNOM 將會在基因圖譜、細胞內(nèi)膜系統(tǒng)、生物大分子結(jié)構(gòu)、生物膜結(jié)構(gòu)與功能等多方面的研究中做出更大貢獻。3光學相干顯微術隨著分子生物學和醫(yī)學的進展, 人們迫切需要了解活體組織的情況, 如胚胎在發(fā)育過程中的變化, 動物各組織的生理、病

15、理變化過程等。為了適應上述領域發(fā)展的需要, 人們開發(fā)了一系列從生物組織中成像的光子學方法。但從探測深度、合評定, 光學相干顯微術(OCM 圖4光相干層析儀示意圖 OCT 和OCM 非常適宜于對活體組織內(nèi)部進行分層探測。, 。在林影像中, 高的分辨。影像與樣品相應的組織結(jié), 并保持了原體內(nèi)的取向。一種新技術。m , 顯微鏡結(jié)合在一起, 目前已實現(xiàn)的空間分辨率為4探測深度達12mm 。O CM 的高性能的成像本領是通過下述二點實現(xiàn)的:一是利用靈敏的外差探測, 二是離開焦點的散射光不被探測器探測。光學相干層析術(Optical Coherence Tomography , OCT 和OCM 的原理和

16、結(jié)構(gòu)是相同的, 僅是物鏡的數(shù)值孔徑不一樣。Joseple A. 等人的OCM 系統(tǒng)由單膜光纖邁克爾遜干涉儀和帶寬為30nm 的波長為830nm 的二極管光源等組成, 如圖4。干涉儀樣品臂組成一個掃描共焦顯微鏡, 其中光纖作用為入射光和反射光的光闌。參考臂中的反射鏡可以軸向移動, 且由壓電陶瓷控制使之產(chǎn)生小振幅調(diào)制反射臂長度, 此調(diào)制頻率為光電信號的外差探測提供多普勒頻移。此多普勒頻移也可以用壓電陶瓷引起的光纖應力感生的折射率變化來實現(xiàn)。當參考臂的長度與到樣品散射點的距離匹配到光源的相干長度之內(nèi)時, 樣品散射光就與參考臂上返回的光產(chǎn)生相干信號。通過掃描參考臂的位置和探測干涉信號包跡, 測量后向散

17、射光與樣品深度的關系。通過固定參考臂長度, 橫向掃描樣品臂或橫向移動樣品 , 獲得焦平面處的樣品反射內(nèi)部圖像。沿樣品臂光軸方向移動樣品并相應掃描參考臂長度使兩者在相干長度之內(nèi), 即可獲得樣品中不同深度斷層處的圖像。信號探測可通過在多普勒頻移上解調(diào)探測器的輸出完成。這種光外差探測提供的后向散射光靈敏度大于100dB 。它與光掃描外差顯微鏡類似。圖4中的瞄準激光用于操作圖5人胃壁標本OCT 圖像(上圖 和對應的組織學圖像(下圖利用這種技術已實現(xiàn)在心血管、胃腸道等組織深部微米分辨率的成像。在活體胃腸組織的OCM 圖中, 隱窩腔、上皮細胞和固有層之間的后向散射振幅之間的差異清楚可見。圖5(a 為人胃壁

18、OCT 圖像,5(b 為對應的組織學圖像。OCT 圖像中(左側(cè) 粘膜層和粘膜下層正常結(jié)構(gòu)清晰, 而脂肪組織囊(圖像中黑色 和入侵癌破壞了組織正常形態(tài)(右側(cè) 5。借助內(nèi)窺鏡, OCT 圖像可用于診斷淺表組織層中早期的胃腸道癌, 達到可完全治愈水平。在心血管系統(tǒng)中,OCT 圖像可以鑒別動脈粥樣硬化。圖6為活體蛙心臟跳動OCT 圖像6。利用這種技術還可以對活體眼睛進行成像, 測量視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu), 拍攝黃斑疾病等。 激光雜志1999年第20卷第2期LASER JOURNAL (Vol 120,No 211999 53參考文獻1G ordon S. K et al. ,Physics Today ,Sept

19、. 19892韓濤, 中國激光11995,A22,NO 173R. C. Dunn et al. ,J. Phys. Chem ,1994,98,30944E. Monson et al. ,Ultramicroscopy ,1995,57,2575Joseph A. IZatt et al. ,Optcs &photonics News. 1997,8(5 :416E. A. Swanson et al. ,Opt. Lett ,1993,18(21 :1864A B C圖6活體蛙的心臟跳動的OCT 圖像總之這種技術在活體生物組織內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的測量和疾病診斷等方面有重要的應用價值。作者

20、簡介:沈彬,1970年畢業(yè)于天津醫(yī)學院。天津職工醫(yī)學院院長, 主任醫(yī)師。曾獲八五立功獎章, 發(fā)表論文20余篇。虞樂華121唐建民1(1, (重慶市第九人民醫(yī)院2, 重慶400700提要:-HT 、D YN 參與鎮(zhèn)痛的機制。He -Ne 激光(劑量55、110、165J/cm 2 輻照單側(cè)大鼠足三里穴, 應用熒光分光光度法及放射免疫分析技術分別測定脊髓5-HT 、5-HIAA 及222D YN 功能片段DynAl -含量。結(jié)果:與自身基礎痛閾比較,55J/cm 組痛閾升高不明顯,110J/cm ,165J/cm 組痛閾升高分別為顯著和非常顯著(P <0105、P <0101 。165

21、J/cm 2組DynA1-13明顯增多(P <0105 , 各劑量組5-HT 、5-HIAA 均無顯著變化。關鍵詞:He -Ne 激光, 鎮(zhèn)痛,5-HT ,D YNExpcerimental study of spinal neurochemical mechanism on H e -N e laser analgesiaY u lehua 1W u L anshun 2Chen Tti nren 1W u S hi ngmi ng 1(Department of Rehabilitation Xinqiao Hospital 1, Chongqing 400037Abstract :

22、To study thc analgesic mechanism on spinal 5-HT ,D YN transmitters due to low dose He -Ne laser irradiation on Zu SonLi acupoint. Methods :lateralZu Son Li point of rat was exposed to He -Ne laser (dose :55、110、165J/cm 2 and rat tailflick model was ap 2plied in this study to measure the animal s pai

23、n threshold. Spinal DynA1-13(activity part of D YN content was detected with radioimmu 2nassay (RIA ,while those of 5-HT 、5HIAA were determinated with spectrophoto -fluorometry. Results :55J/cm 2laser did not show any analgesia. 110、165J/cm 2laser analgesic effect became significant and more remarked respectively (P <0. 05、P <0. 01 . 165J/cm 2laser could induce the increase of spinal DynAl -13Content (P <0. 05 . otherwise ,the changes of 5-HT 、5-HIAA Concentrations were not evident in various dose laser. Conclusion :With55、110、165J/cm 2He -Ne laser irradiation o