试论光电子技术在生物医学中的应用

试论光电子技术在生物医学中的应用

卞满云

汉口学院机电工程学院湖北省武汉市430212

摘要：光学作为自然科学的一部分，与许多专业知识有着紧密的联系，为现代科技发展提供着不可或缺的推动作用，具有广泛研究与应用价值。自1997年光学工程成为一级学科，已经出现了大量的优秀科学家和研究成果。近年来光学发展速度迅猛，至今已在各个领域有了广泛的运用，本文要阐述的是光学在生物医学中的应用，即生物医学光学，本文将从光学探测技术，光学成像技术以及辅助治疗三方面进行介绍。借此探求光学的发展。

关键词：红外光谱荧光检测光学传感光学显微镜

1.光学检测技术

1.1红外光谱

红外光谱技术是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息进行分子结构和鉴别的方法。红外光谱和病理学图像有着高度的一致性，可以研究图谱与疾病不同阶段的联系，其优点在于对组织有着良好的穿透性，有着高度的分辨本领，不会破坏标本，且可以进行大规模数据验证。在细胞水平上，通过红外光谱技术可以快速获得单位细胞的光学特征，这些特征与蛋白质有着密切联系，可借以研究细胞的分化。将干细胞光谱图按时间分化，识别细胞分化过程中光谱的变化，通过比较，可以对人工培养的胚胎干细胞进行实时监测。不同组织相应的红外光谱图像特征存在较大的差异，联合数字成像技术还可以提取组织彩色的红外光谱图像。这项研究起到了分析细胞分化，预测组织的病理状态的作用，并且为为医学发展提供了大量数据资料。这些成果在传统的医学技术中是很难实现的。

1.2荧光检测

荧光技术已经被研究了很多年，荧光技术可以应用于每一个层面，从微小的分子层面到完整的有机层。最初的方法是将有机染料的小分子与各种抗体连接起来，以研究各种目标蛋白质，这种方法较为复杂，需要研究细胞的固定和透明化操作。在后来的发展中，某些细胞器、核酸分子或某些离子的荧光标记物可以直接标记在活细胞中。使得荧光蛋白技术成为了研究非侵入性的活体细胞成像的基础，对活体细胞中的目标蛋白进行定位，可研究其表达情况，活性状态、蛋白质寿命等。

1.3拉曼检测

拉曼成像利用激光和化学键的相互作用发生的散射引起激光能量波动，获得光谱。在医学中最广泛的运用是聚焦光显微镜。在分子水平诊断上，拉曼光谱比荧光光谱更为有效，因为荧光检测被限制在300μm以内的深度，大约只有20个生物分子产生荧光，而拉曼检测技术检测深度可达1mm左右，认识到将拉曼检测技术和荧光检测技术的优势，将其结合起来可更准确的研究细胞新陈代谢的变化，准确的判断组织活性。目前拉曼光谱仪器已经开始运用于动脉硬化和各种癌症的检查。

1.4光学传感器

光学传感器种类多样，可以分为物理传感器，化学传感器，生物传感器，一般由敏感元件、转换元件和电子线路组成。物理传感器分为压力传感器和温度传感器，压力传感器利用光纤终端膜片，通过测量颅内压力，心内压力和血管压力获得反馈。温度传感器是利用光纤终端的液晶膜，温度变化时，观测液晶膜的移动现象。化学传感器则利用光纤上的反应物，光源照射到反应物上时，反应物和待测目标发生反应导致光学特征变化，利用这种变化制作的检测仪器，读取光信号。

2.光学成像技术

2.1光声显微系统

光声显微系统是光声成像的一种主要形式，该系统使用聚焦光束激发光声信号，其分辨率达到微米级别，达到光学聚焦的量级，所以叫做光声显微镜。光声显微镜在医学中运用于微血管成像，内窥镜成像和淋巴结成像。与传统血管内超声成像和相干层析成像相比，不仅可以对血管内壁的形态结构进行成像，还可以针对生物组织成分差异或特异性进行成像。光纤的初射光线在聚焦透镜处汇集，经棱镜反射，照射在血管内壁上，激发出光声信号波，再使用超声波接收仪器接收信号，制作出血管内壁的光声图像。此项技术可用于对血管内壁脂质成分进行检测，为诊断提供信息。

2.2共聚焦显微镜

共聚焦显微镜的原理是从一个点光源发射的探测光通过透镜聚焦到被观测物体上，当物体处于焦点上，那么反射光通过原透镜再汇聚回到光源，形成共聚焦，简称共焦。共焦显微镜在反射光的光路上加上了一块半反半透镜，将已经通过透镜的反射光折向挡板成像。利用共聚焦技术扫描成像，可以制作出细胞的光学切片图像，用于观察。共聚焦显微镜利用很小的激光就可以获得清晰的细胞图像，且对细胞造型的损伤非常小，可以用于长时间的观测【5】。共聚焦显微镜并不是最近的研究成果，却因为其实用性在生物医学中存在不可改变的地位。

2.3光学频谱成像

无论荧光的还是无标记成像，都是单次照射，单次成像，而光学频谱成像可以连续时间内以很高的帧率捕捉事件，但是由于使用的近红外波长的光，所以分辨率达不到那么高，只能用于观测不同细胞的状态，寻找特殊细胞。

3.光学辅助治疗手段

3.1反射透射光谱辅助手术

反射透射光谱辅助手术主要用于肝癌切除手术，肝癌复发率极高，并且手术时偶尔出血量极大。很难分辨分离区域大小。然而正常肝脏的光学性质比较稳定，且体积大表面光滑，比其他器官更容易测定反射透射光谱。由光谱变化测定此区域是否病变从而辅助分离术。

3.2光镊技术

光镊的原理就是将光聚焦到非常小的点，在小范围内产生巨大的光强梯度，改变光的传播方向，导致受到由此产生的力，带动物体移动。这个方法被广泛用于生物领域，用于精确地控制，移动，研究细胞等微小对象，常被用于研究和操作DNA、蛋白质、酶甚至是单个分子。

研究活体细胞生长跃迁以及蛋白质的相互作用，对医学有着重大意义，2013年利用光镊技术首次实现对活体内血红细胞进行了实时观察和操控。实验将小鼠耳朵毛细血管内的红细胞进行操作，利用光阱力聚集了多个红细胞，引起毛细血管的堵塞，又用光镊将其疏通，证实了此项技术的实用性。

4.结语

本文主要研究了光学技术在医学中的应用其中：

（1）光学技术应用于医学检测方向，其优势在于无损高效，有着实时性和准确性。但同时也存在无法忽视的不足，得到的是红外光谱图像而不是直观图像，在观察时可能产生线重叠谱干扰和不均匀效应，导致观测误差。在红外光谱检测皮肤病时，不能从得到的光谱图像直接判断出病症，需要做大量数据对比，且难以从复杂环境中判断出皮肤组织病症。在荧光检测中，制作样本时可能因为外界环境，如温度湿度等都是导致误差的可能性。

(2)光学技术的发展：近些年来光学技术的发展速度远超其他科学，带动着各行各业的发展。文中提到的运用只是医学光学中的一小部分，值得讨论的成果还有很多。但已经能够充分展示光学技术在生物医学领域的实际应用能力，不管是检测，成像还是辅助治疗都有着不可代替的功效。目前，光学技术仍存在巨大市场潜力，有着重要的社会，经济意义。随着更多人才的投入和新材料的发现，将会出现更为先进的设备与技术，攻破旧技术的局限，使信息传递更为便捷，娱乐更加多彩，也让治疗绝症成为可能。广阔的前景值得期待，更值得我们为之奋斗。

参考文献:

[1]MartinMJ等.纤维光学与光学传感器在医学上的应用.国外医学生物医学工程分册.1983.

[2]张瑞，黄玉广，裴应玫，党昱东等.生物医学光学中NADH荧光检测技术的发展.激光生物学报.2016.

[3]林日强，冷吉，陈敬钦，刘成波等.生物医学光学成像技术.面向临床应用的光声成像技术.2018.

[4]李银妹，李迪，龚雷等.光镊技术的研究现状.中国激光.2015.

[5]赵亮,三维全息影像成像原理和产品探析.2011.