无损伤激光光疗的探索
作者：孟继武 任新光
单位：箕市中国科学院长春物理研究所(130021)
关键词：
中国激光医学杂志980315 在X-CT和MRI技术已经成熟并广泛应用于临床诊断的今天，对人体组织的静态与动态光学特性进行无损检测，又为医学成象开拓了广阔的前景。研究近红外光子在浑浊媒介中的扩散成为近期学术界的焦点。它的应用范围非常广泛，从脉冲血氧定量到细胞组织检定，包括脉冲血氧计、胎儿监护仪的应用；从乳腺癌与脑瘤成象到血流测定，乃至脑功能图象研究等，无不受益于近代半导体激光器以及固体探测器的发展。这些固体探测器具有反应时间快及灵敏度高等特性。近红外光散射成象技术具有无损伤、造价低、响应时间快和光学对比高等优点。
人体细胞组织对于700 nm～900 nm波段内的光子近似“透明”(吸收系数 ～0.1/cm)。这使得(1)光子能穿透较长的深度( ～6 cm)；(2)由于主要吸收物为有氧和无氧血红蛋白，且两者具有完全不同的吸收谱特性，因而能广为利用。例如通过测得两个不同波长的吸收值，可以确定细胞组织的氧饱和度。另一方面，因为人体组织对于近红外光子是一个高散射系统(散射系数约为100/cm)，光子不是直线传播，而是遵循扩散理论，所以信号分析比传统X射线扫描更为复杂。但在研究者们的共同努力下，已经取得不少进展，如英国伦敦大学、美国宾久法尼亚大学等的学者，已在实验基础上积累了大量散射光谱数据，而且理论上也已取得了重大进展。如质量波在人体内的传播理论、图象组织理论等等。最近，波士顿(光学)仪器公司、美国Tufts大学磁光电中心和哈佛大学医学院等根据上述有关原理，联合研制出可用于脑血管病早期预警研究的连续波成象系统。不同波长的半导体激光通过光纤引导到大脑的某一部位，反散射光子通过两维光纤阵列采集并传送到探测器。在这个系统中，光纤间距从1 cm到7 cm均匀分布。对人脑模型实验的结果表明，该系统能通过两维扫描给出模型深层血氧变化的三维图象和定量分析。该系统造价低，使用轻便，可连续实时监测，因而可以成为病房和家庭监护预警的设备。
, 百拇医药
图1 角质层透射光谱
图2 角质层的激发光谱和荧光光谱
——荧光波长417 nm，……激发光波长320 nm
图3 血液的吸收光谱
由图3可以看到血液的光吸收主要来源于血红蛋白和血清。血红蛋白在近紫外光和可见光主要有578 nm、540 nm、416 nm和342 nm四条谱带，而416 nm的吸收强度比其他几条谱带高10倍以上。在生物分子中，能引起近紫外和可见光吸收的主要是π电子的跃迁，血红蛋白的最强烈光吸收主要是由血红素引起的。软组织中具有共轭结构的生物分子主要是蛋白质。光透过皮肤软组织进入血管内，其光吸收主要来源于以上几种生物分子。图4给出人手食指和中指间软组织的透射光谱及荧光光谱和激发光谱。由图2、图3和图4可以看到软组织的光吸收主要来源于血清蛋白和血红蛋白等蛋白质。目前我国临床上大多采用He-Ne激光器输出的632.8 nm激光[3]，即红色光作为光疗的治疗谱线。由图4可以看到浅表皮软组织在橙红光区有10%的光透过，若采用红色光作为光疗的治疗谱线，完全可以采用无损伤的方法，即针头不必刺入血管，将针头固定在肘静脉的皮肤表面即可。关于剂量和照射时间，尚待进一步临床实验方能得到结论。
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图4 软组织的透射光谱、荧光光谱和激发光谱
——荧光波长342 nm， ……激发光波长292 nm，------透射率
参 考 文 献
1.刘筑闻.关于弱激光血管内壁照射疗法的几个问题.激光生物学，1996，5：849.
2.孟继武，侯尚公，徐叙容，等.人胃组织的荧光.发光学报，1981，6：341.
3.徐清，成柏华，朱雅芬，等.血管内照射(He-Ne)对人外周血T淋巴亚群及NK细胞的影响.激光生物学，1996，5：817., 百拇医药
单位：箕市中国科学院长春物理研究所(130021)
关键词：
中国激光医学杂志980315 在X-CT和MRI技术已经成熟并广泛应用于临床诊断的今天，对人体组织的静态与动态光学特性进行无损检测，又为医学成象开拓了广阔的前景。研究近红外光子在浑浊媒介中的扩散成为近期学术界的焦点。它的应用范围非常广泛，从脉冲血氧定量到细胞组织检定，包括脉冲血氧计、胎儿监护仪的应用；从乳腺癌与脑瘤成象到血流测定，乃至脑功能图象研究等，无不受益于近代半导体激光器以及固体探测器的发展。这些固体探测器具有反应时间快及灵敏度高等特性。近红外光散射成象技术具有无损伤、造价低、响应时间快和光学对比高等优点。
人体细胞组织对于700 nm～900 nm波段内的光子近似“透明”(吸收系数 ～0.1/cm)。这使得(1)光子能穿透较长的深度( ～6 cm)；(2)由于主要吸收物为有氧和无氧血红蛋白，且两者具有完全不同的吸收谱特性，因而能广为利用。例如通过测得两个不同波长的吸收值，可以确定细胞组织的氧饱和度。另一方面，因为人体组织对于近红外光子是一个高散射系统(散射系数约为100/cm)，光子不是直线传播，而是遵循扩散理论，所以信号分析比传统X射线扫描更为复杂。但在研究者们的共同努力下，已经取得不少进展，如英国伦敦大学、美国宾久法尼亚大学等的学者，已在实验基础上积累了大量散射光谱数据，而且理论上也已取得了重大进展。如质量波在人体内的传播理论、图象组织理论等等。最近，波士顿(光学)仪器公司、美国Tufts大学磁光电中心和哈佛大学医学院等根据上述有关原理，联合研制出可用于脑血管病早期预警研究的连续波成象系统。不同波长的半导体激光通过光纤引导到大脑的某一部位，反散射光子通过两维光纤阵列采集并传送到探测器。在这个系统中，光纤间距从1 cm到7 cm均匀分布。对人脑模型实验的结果表明，该系统能通过两维扫描给出模型深层血氧变化的三维图象和定量分析。该系统造价低，使用轻便，可连续实时监测，因而可以成为病房和家庭监护预警的设备。
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图1 角质层透射光谱
图2 角质层的激发光谱和荧光光谱
——荧光波长417 nm，……激发光波长320 nm
图3 血液的吸收光谱
由图3可以看到血液的光吸收主要来源于血红蛋白和血清。血红蛋白在近紫外光和可见光主要有578 nm、540 nm、416 nm和342 nm四条谱带，而416 nm的吸收强度比其他几条谱带高10倍以上。在生物分子中，能引起近紫外和可见光吸收的主要是π电子的跃迁，血红蛋白的最强烈光吸收主要是由血红素引起的。软组织中具有共轭结构的生物分子主要是蛋白质。光透过皮肤软组织进入血管内，其光吸收主要来源于以上几种生物分子。图4给出人手食指和中指间软组织的透射光谱及荧光光谱和激发光谱。由图2、图3和图4可以看到软组织的光吸收主要来源于血清蛋白和血红蛋白等蛋白质。目前我国临床上大多采用He-Ne激光器输出的632.8 nm激光[3]，即红色光作为光疗的治疗谱线。由图4可以看到浅表皮软组织在橙红光区有10%的光透过，若采用红色光作为光疗的治疗谱线，完全可以采用无损伤的方法，即针头不必刺入血管，将针头固定在肘静脉的皮肤表面即可。关于剂量和照射时间，尚待进一步临床实验方能得到结论。
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图4 软组织的透射光谱、荧光光谱和激发光谱
——荧光波长342 nm， ……激发光波长292 nm，------透射率
参 考 文 献
1.刘筑闻.关于弱激光血管内壁照射疗法的几个问题.激光生物学，1996，5：849.
2.孟继武，侯尚公，徐叙容，等.人胃组织的荧光.发光学报，1981，6：341.
3.徐清，成柏华，朱雅芬，等.血管内照射(He-Ne)对人外周血T淋巴亚群及NK细胞的影响.激光生物学，1996，5：817., 百拇医药