生物醫(yī)學工程學的基礎(chǔ)理論

1、心臟興奮與相應(yīng)的心電圖波形心臟興奮與相應(yīng)的心電圖波形 腦電圖信號腦電圖信號Biomedical Photonics 所謂光子學是指研究光和其他輻射能（以光子為量所謂光子學是指研究光和其他輻射能（以光子為量子單位）的產(chǎn)生與利用的科學。子單位）的產(chǎn)生與利用的科學。 光子學的研究范圍包括能量的產(chǎn)生、探測、傳輸與光子學的研究范圍包括能量的產(chǎn)生、探測、傳輸與信息處理。信息處理。 將光子學應(yīng)用于生物醫(yī)學領(lǐng)域，運用光子學的理論將光子學應(yīng)用于生物醫(yī)學領(lǐng)域，運用光子學的理論和方法解決生物技術(shù)與醫(yī)學中遇到的基礎(chǔ)理論與應(yīng)和方法解決生物技術(shù)與醫(yī)學中遇到的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)等方面的問題，即成為用技術(shù)等方面的問題，即成為

2、生物醫(yī)學光子學生物醫(yī)學光子學。 生物醫(yī)學光子學主要服務(wù)于人類疾病的診斷、預(yù)防、生物醫(yī)學光子學主要服務(wù)于人類疾病的診斷、預(yù)防、監(jiān)護、治療以及保健、康復(fù)等。監(jiān)護、治療以及保健、康復(fù)等。 生物發(fā)光（生物發(fā)光（Bioluminescence）是光生物物理學的主）是光生物物理學的主要問題之一，是廣泛存在于自然界的一種自然現(xiàn)象。要問題之一，是廣泛存在于自然界的一種自然現(xiàn)象。 生物體不停地與外界進行物質(zhì)、能量和信息的交換，生物體不停地與外界進行物質(zhì)、能量和信息的交換，其中光的吸收和發(fā)射是重要的交換方式。其中光的吸收和發(fā)射是重要的交換方式。 生物系統(tǒng)的超微弱發(fā)光是任何生物體或細胞自發(fā)地生物系統(tǒng)的超微弱發(fā)光是任

3、何生物體或細胞自發(fā)地向外界輻射光子流的現(xiàn)象。向外界輻射光子流的現(xiàn)象。 生物超微弱發(fā)光通常包括兩種類型：生物超微弱發(fā)光通常包括兩種類型： 一種是一種是自發(fā)自發(fā)的生物化學發(fā)光，與生物體的氧化代謝有關(guān)，的生物化學發(fā)光，與生物體的氧化代謝有關(guān)，稱為稱為自發(fā)超微弱發(fā)光自發(fā)超微弱發(fā)光。 另一種是另一種是外因誘發(fā)外因誘發(fā)的發(fā)光，取決于光、電離輻射、超聲、的發(fā)光，取決于光、電離輻射、超聲、化學藥物等外界因素的作用，稱為化學藥物等外界因素的作用，稱為誘導(dǎo)超微弱發(fā)光誘導(dǎo)超微弱發(fā)光（又稱（又稱延遲發(fā)光）。延遲發(fā)光）。 生物的細胞、組織和體液中，普遍存在著自發(fā)和誘生物的細胞、組織和體液中，普遍存在著自發(fā)和誘發(fā)的超微弱

4、發(fā)光。發(fā)的超微弱發(fā)光。 誘發(fā)的超微弱發(fā)光比自發(fā)的超微弱發(fā)光要強得多，誘發(fā)的超微弱發(fā)光比自發(fā)的超微弱發(fā)光要強得多，它隨時間呈指數(shù)衰減，但對于不同的生物系統(tǒng)衰減它隨時間呈指數(shù)衰減，但對于不同的生物系統(tǒng)衰減速率不同。速率不同。 生物系統(tǒng)生物系統(tǒng)超微弱超微弱發(fā)光發(fā)光的基本特征的基本特征 普遍性普遍性 幾乎所有的被測生命體樣品都產(chǎn)生超微弱發(fā)光，研究發(fā)現(xiàn)種子、幾乎所有的被測生命體樣品都產(chǎn)生超微弱發(fā)光，研究發(fā)現(xiàn)種子、動物的肝臟、癌癥患者的血液、人的手指等都是超微弱發(fā)光的產(chǎn)動物的肝臟、癌癥患者的血液、人的手指等都是超微弱發(fā)光的產(chǎn)生者。生者。 強度極弱強度極弱 超微弱發(fā)光的強度為幾個超微弱發(fā)光的強度為幾個幾千個

5、光子幾千個光子/cm2 S ，生物體的等級越，生物體的等級越高，發(fā)光強度也越大。高，發(fā)光強度也越大。 光譜較寬光譜較寬 光譜分布從紅外延伸到紫外波段，最短達光譜分布從紅外延伸到紫外波段，最短達200nm ，而且隨著生物，而且隨著生物等級的提高，輻射譜發(fā)生一定的紅移。等級的提高，輻射譜發(fā)生一定的紅移。 非線性非線性 超微弱發(fā)光具有非線性的特征，例如切割成塊的種子比完整的種超微弱發(fā)光具有非線性的特征，例如切割成塊的種子比完整的種子光強大子光強大23 倍。倍。 相干性相干性 經(jīng)典相干性研究結(jié)果表明，其相干時間至少具有幾分鐘的量級。經(jīng)典相干性研究結(jié)果表明，其相干時間至少具有幾分鐘的量級。 反映細胞的新

6、陳代謝反映細胞的新陳代謝 許多實驗證實，細胞的繁殖、增生、死亡等過程中發(fā)光的強弱有許多實驗證實，細胞的繁殖、增生、死亡等過程中發(fā)光的強弱有很大變化，說明生物超微弱發(fā)光是細胞新陳代謝的一種體現(xiàn)。很大變化，說明生物超微弱發(fā)光是細胞新陳代謝的一種體現(xiàn)。 對氧有依賴性對氧有依賴性 氧在超微弱發(fā)光中扮演重要角色，在斷氧的情況下，任何動、植氧在超微弱發(fā)光中扮演重要角色，在斷氧的情況下，任何動、植物組織的超微弱發(fā)光都會停止，而且生物體對氧的依賴性是非線物組織的超微弱發(fā)光都會停止，而且生物體對氧的依賴性是非線性的。性的。 對溫度的依賴性對溫度的依賴性 生物超微弱發(fā)光與環(huán)境溫度的關(guān)系存在高溫和低溫的臨界點，在生

7、物超微弱發(fā)光與環(huán)境溫度的關(guān)系存在高溫和低溫的臨界點，在此范圍內(nèi)是線性變化此范圍內(nèi)是線性變化;超過臨界點后，發(fā)光逐漸減弱超過臨界點后，發(fā)光逐漸減弱;當溫度過高當溫度過高或過低，生物瀕臨死亡時，發(fā)光又增強?；蜻^低，生物瀕臨死亡時，發(fā)光又增強。 化學物質(zhì)對超微弱發(fā)光有明顯影響化學物質(zhì)對超微弱發(fā)光有明顯影響 目前，利用激光可以醫(yī)治包括眼科、婦科、皮膚科、目前，利用激光可以醫(yī)治包括眼科、婦科、皮膚科、內(nèi)科、外科、腫瘤科在內(nèi)的內(nèi)科、外科、腫瘤科在內(nèi)的200多種疾病。多種疾病。 激光對組織的生物效應(yīng)激光對組織的生物效應(yīng) 激光對組織的生物效應(yīng)一般是指光作用于生物體后產(chǎn)生的激光對組織的生物效應(yīng)一般是指光作用于生

8、物體后產(chǎn)生的物理、化學或生物學的反應(yīng)。物理、化學或生物學的反應(yīng)。 激光的生物效應(yīng)既與激光的生物效應(yīng)既與激光的性能激光的性能有關(guān)，又與有關(guān)，又與生物組織的性生物組織的性質(zhì)質(zhì)有關(guān)，還與有關(guān)，還與作用時間作用時間和和作用方式作用方式有關(guān)。有關(guān)。 激光對組織的生物效應(yīng)主要包含激光對組織的生物效應(yīng)主要包含熱效應(yīng)熱效應(yīng)、光化學效應(yīng)光化學效應(yīng)、壓壓強作用強作用、電磁場效應(yīng)電磁場效應(yīng)和和生物剌激效應(yīng)生物剌激效應(yīng)。 壓強作用和電磁場效應(yīng)主要由中等功率以上的激光所產(chǎn)生。壓強作用和電磁場效應(yīng)主要由中等功率以上的激光所產(chǎn)生。 光化學效應(yīng)在低功率激光照射時特別重要。光化學效應(yīng)在低功率激光照射時特別重要。 熱效應(yīng)存在于所

9、有的激光照射。熱效應(yīng)存在于所有的激光照射。 生物剌激作用則只發(fā)生在弱激光照射時。生物剌激作用則只發(fā)生在弱激光照射時。 激光診療技術(shù)激光診療技術(shù) 用于用于檢驗和診斷檢驗和診斷的技術(shù)主要有：激光熒光光譜技術(shù)、激光的技術(shù)主要有：激光熒光光譜技術(shù)、激光拉曼光譜分析技術(shù)、激光全息術(shù)、激光散斑分析技術(shù)、激拉曼光譜分析技術(shù)、激光全息術(shù)、激光散斑分析技術(shù)、激光多普勒測速技術(shù)、激光流動式細胞分析技術(shù)、激光干涉光多普勒測速技術(shù)、激光流動式細胞分析技術(shù)、激光干涉技術(shù)、激光透照技術(shù)和激光偏振技術(shù)等等，分別用來測量技術(shù)、激光透照技術(shù)和激光偏振技術(shù)等等，分別用來測量血液、尿液和人體其他組織的成分、微量元素的含量等，血液、尿液和人體其他組織的成分、微量元素的含量等，以及識別和分辨細胞是否病變或癌變等。以及識別和分辨細胞是否病變或癌變等。 激光治療激光治療的適應(yīng)癥現(xiàn)在已經(jīng)涉及臨床所有各科，大體可分的適應(yīng)癥現(xiàn)在已經(jīng)涉及臨床所有各科，大體可分為激光手術(shù)治療、激光非手術(shù)治療、激光光動力學治療和為激光手術(shù)治療、激光非手術(shù)治療、激光光動力學治療和激光介入性治療等。激光介入性治療