飛秒激光技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究

1、飛秒激光技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究王康 孫楠(德州學(xué)院物理與電子信息學(xué)院，山東德州253023)摘 要：通過(guò)探討飛秒激光及其在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，揭示激光技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)上的發(fā)展前景。從飛秒激光的產(chǎn)生和特點(diǎn)出發(fā)，探討飛秒激光技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。飛秒激光是過(guò)去20年間由激光科學(xué)發(fā)展起來(lái)的最有力的新工具之一，是人類目前在實(shí)驗(yàn)室條件下所能獲得的最短脈沖的技術(shù)手段。也是目前人類觀察發(fā)現(xiàn)微觀世界，揭示超快運(yùn)動(dòng)過(guò)程的重要手段。醫(yī)學(xué)以及其他科學(xué)技術(shù)的研究因此獲得了突破性發(fā)展。飛秒激光技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上有廣闊的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：飛秒激光；醫(yī)學(xué)領(lǐng)域；應(yīng)用。1緒論 隨著近代物理學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的迅速發(fā)展，人們對(duì)生命現(xiàn)象的

2、認(rèn)識(shí)逐步深入，醫(yī)學(xué)的各分支學(xué)科已愈來(lái)愈多地把他們的理論建立在精確的物理科學(xué)基礎(chǔ)上，物理學(xué)的技術(shù)和方法，在醫(yī)學(xué)研究和醫(yī)療實(shí)踐中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。隨著蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的X射線解析和DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，開始了以分子生物學(xué)為核心的現(xiàn)代生物學(xué)的時(shí)代，對(duì)遺傳信息載體核酸和生命功能的執(zhí)行者蛋白質(zhì)的研究成了生命科學(xué)的主要內(nèi)容。與生物技術(shù)相同，激光技術(shù)的發(fā)展也非常迅速。1981年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的R.L.Fork等報(bào)道了脈沖碰撞鎖模激光器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將激光脈沖寬度推進(jìn)到飛秒量級(jí)。 隨著飛秒激光技術(shù)的發(fā)展，近紅外飛秒激光在生物學(xué)上的應(yīng)用日益增多。飛秒時(shí)間尺度正好處在基本的化學(xué)反應(yīng)和分子內(nèi)電子和原子核運(yùn)動(dòng)的特征

3、時(shí)間范圍，因此可以用來(lái)研究化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。大多數(shù)細(xì)胞在近紅外波段是透明的，因此近紅外飛秒激光對(duì)細(xì)胞的穿透深度深，并且當(dāng)飛秒激光聚焦于透明材料時(shí)，聚焦處的光強(qiáng)非常高，足以引起非線性吸收，但聚焦處的附近的熱影響非常小，對(duì)鄰近細(xì)胞幾乎沒有破壞。飛秒激光還可以應(yīng)用于顯微成像，其特點(diǎn)是在生物體內(nèi)的完整組織中可以得到高的熒光分辨率。而且材料對(duì)激光能量的吸收導(dǎo)致在其內(nèi)部產(chǎn)生亞微米尺度的等離子區(qū)，隨后這些能量以熱和沖擊波的形式傳遞給其他分子。整個(gè)過(guò)程應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)中的切割細(xì)胞結(jié)構(gòu)。本文綜述飛秒激光在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。2飛秒激光的相關(guān)知識(shí)2.1飛秒激光的定義激光曾被視為神秘之光，并已被人類廣泛使用。近年來(lái)，

4、科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)了一種更為奇特的激光飛秒激光，飛秒也叫毫微微秒，簡(jiǎn)稱fs，是標(biāo)衡時(shí)間長(zhǎng)短的一種計(jì)量單位，飛秒激光是人類目前在實(shí)驗(yàn)室條件下所能獲得最短脈沖的技術(shù)手段。飛秒激光在瞬間發(fā)出的巨大功率比全世界發(fā)電總功率還大，目前已有所應(yīng)用，科學(xué)家預(yù)測(cè)飛秒激光將為下世紀(jì)新能源的產(chǎn)生發(fā)揮重要作用。2.2飛秒激光的產(chǎn)生自1960年T.H.Maiman研制成功第一臺(tái)激光器紅寶石激光器以后，關(guān)于短（超短）激光的脈沖就開始了。1961年，Hellwarth提出了調(diào)Q的概念用以實(shí)現(xiàn)脈沖激光的輸出。同年，利用被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)在紅寶石激光器上首次實(shí)現(xiàn)了脈沖寬度為幾十個(gè)納秒的短激光脈沖輸出。2.3飛秒激光的性質(zhì)特點(diǎn)1981年,

5、美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的Fox等報(bào)道了脈沖碰撞鎖模(CPM)激光器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將激光脈沖寬度推進(jìn)到飛秒(10-15)量級(jí)，使脈沖激光器進(jìn)入飛秒時(shí)代。飛秒染料激光標(biāo)志性指標(biāo)是：激光器直接輸出的光脈沖寬度小于30fs，單脈沖能量在pJ量級(jí)；放大的光脈沖經(jīng)光譜展寬后再經(jīng)脈沖壓縮，獲得最窄脈寬為6fs，最大單脈沖能量為幾十J；經(jīng)光學(xué)頻率變換的光譜范圍覆蓋紫外到近紅外。盡管飛秒染料激光器已顯示出誘人的特性，但這類激光器必備的染料循環(huán)系統(tǒng)，給激光器的使用帶來(lái)諸多不便，加之染料的毒副作用，影響了飛秒激光的廣泛使用。以摻鈦藍(lán)寶石為代表的優(yōu)質(zhì)固體激光工作物質(zhì)的出現(xiàn)及克爾透鏡自鎖模(KLM)技術(shù)的提出和應(yīng)用，克服了飛秒染

6、料激光器的缺點(diǎn)，提高了飛秒激光器運(yùn)轉(zhuǎn)性能。目前，嗎、飛秒固體激光標(biāo)志性指標(biāo)是：輸出的光脈沖寬度小于10fs，單脈沖能量在nJ量級(jí)；光脈沖經(jīng)光譜展寬后再經(jīng)脈沖壓縮，獲得最窄脈寬為5fs；經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)脈沖放大獲得的最大單脈沖能量可達(dá)焦耳量級(jí)。峰值功率達(dá)皮瓦(1015W)；經(jīng)光學(xué)頻率變換的光譜范圍覆蓋紫外到近紅外。飛秒激光是我們?nèi)祟惸壳霸趯?shí)驗(yàn)條件下能夠獲得的最短脈沖，它的精確度是±5微米；飛秒激光有非常高的瞬間功率，它的瞬間功率可達(dá)百萬(wàn)億瓦，比目前全世界的發(fā)電總功率還要多出上百倍；物質(zhì)在飛秒激光的作用下會(huì)產(chǎn)生非常奇特的現(xiàn)象，氣態(tài)的物質(zhì)、液態(tài)的物質(zhì)、固態(tài)的物質(zhì)瞬間都會(huì)變成等離子體；飛秒激光具有精

7、確的靶向聚焦定位特點(diǎn)，能夠聚焦到比頭發(fā)的直徑還要小的多的超細(xì)微空間區(qū)域；用飛秒激光進(jìn)行手術(shù)，沒有熱效應(yīng)和沖擊波，在整個(gè)光程中都不會(huì)有組織損傷。2.4飛秒激光的用途 飛秒激光有什么用途呢？眾所周知，物質(zhì)是由分子和原子組成的，但是它們不是靜止的，都在快速地運(yùn)動(dòng)著，這是微觀物質(zhì)的一個(gè)非常重要的基本屬性。飛秒激光的出現(xiàn)使人類第一次在原子和電子的層面上觀察到這一超快運(yùn)動(dòng)過(guò)程。基于這些科學(xué)上的發(fā)現(xiàn)，飛秒激光在物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)控制反應(yīng)、光通訊等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。特別值得提出的是，由于飛秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病變?cè)缙谠\斷、醫(yī)學(xué)成象和生物活體檢測(cè)、外科醫(yī)療及超小型衛(wèi)星的制造上都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)

8、和不可替代的作用。物質(zhì)在高強(qiáng)度飛秒激光的作用下會(huì)出現(xiàn)非常奇特的現(xiàn)象：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)的物質(zhì)瞬息間變成了等離子體。這種等離子體可以輻射出各種波長(zhǎng)的射線的激光。高功率飛秒激光與電子束碰撞能夠產(chǎn)生硬X射線飛秒激光，產(chǎn)生射線激光，產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)。高功率飛秒激光在醫(yī)學(xué)、超精細(xì)微加工、高密度信息儲(chǔ)存和記錄方面都有著很好的發(fā)展前景。高功率飛秒激光還可以將大氣擊穿，從而制造放電通道，實(shí)現(xiàn)人工引雷，避免飛機(jī)、火箭、發(fā)電廠因天然雷擊而造成的災(zāi)難性破壞。利用飛秒激光能夠非常有效地加速電子，使加速器的規(guī)模得到上千倍的壓縮。高功率飛秒激光與物質(zhì)相互作用，能夠產(chǎn)生足夠數(shù)量的中子，實(shí)現(xiàn)激光受控核聚變的快速點(diǎn)火。從而為人類實(shí)

9、現(xiàn)新一代能源開辟一條嶄新的途徑。2.5飛秒激光的生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)飛秒激光在生物組織中傳播及與目標(biāo)互作用時(shí)表現(xiàn)出的特殊規(guī)律，是fs激光在生物醫(yī)學(xué)中廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。一束飛秒激光入射到生物組織，一部分被吸收,大部分被散射。光的散射服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。若生物組織確定，散射概率是和生物組織結(jié)構(gòu)及入射光波長(zhǎng)有關(guān)的確定值，如圖1所示。根據(jù)散射理論，透過(guò)生物組織的光分彈道光(直行光)，蛇行光和漫射光。彈道光是未被散射的光，傳播方向與入射光相同，保持入射光的特性，攜帶生物組織的信息最多，通過(guò)生物組織的光程最短,存在的幾率最小。因此，彈道光最先出射生物組織，光強(qiáng)最弱。蛇行光經(jīng)歷較少次散射，仍保持入射光的特性，攜帶生物組織內(nèi)

10、部結(jié)構(gòu)的信息，傳播軌跡蜿蜒狀如蛇行，在生物組織的光程長(zhǎng)于彈道光，遲于彈道光出射，強(qiáng)度強(qiáng)于彈道光。漫射光是被生物組織多次散射的光子，占透射光的大部分，基本失去入射光的相干性，仍隱含著生物組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。生物組織的背向散射光也由3部分組成：?jiǎn)未伪诚蛏⑸涔?，和彈道光相似；幾?jīng)散射的背向散射光，和蛇行光相似；背向漫射光和透過(guò)漫射光相似。圖1短脈沖進(jìn)入高散射介質(zhì)后的散射飛秒激光極短的光脈沖寬度和極小的單脈沖能量，與目標(biāo)相互作用可獲得極高的空間(小于1m)和極高的時(shí)間(fs量級(jí))分辨率，可進(jìn)行細(xì)胞或亞細(xì)胞的操作；飛秒激光脈沖峰與基底上之比可達(dá)106，應(yīng)用時(shí)可獲極高的信噪比；飛秒激光極高的峰值功率，與生

11、物組織外源性或內(nèi)源性物質(zhì)進(jìn)行多光子互作用，產(chǎn)生高階非線性過(guò)程。為生物醫(yī)學(xué)的示蹤、診斷與治療提供獨(dú)特光子技術(shù)手段。3飛秒激光在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用3.1時(shí)間選通門掃描成像技術(shù)近年來(lái)，創(chuàng)造出多種時(shí)間選通門掃描成像技術(shù)，對(duì)深藏在散射介質(zhì)或生物組圖2飛秒激光互相關(guān)時(shí)間選通門掃描成像裝置織內(nèi)物體成像。圖2為時(shí)間選通門掃描成像裝置示意圖。裝置以飛秒激光為光源，采用二次諧波強(qiáng)度相關(guān)作為時(shí)間選通門，將彈道光和部分蛇行光從漫射光中分離出來(lái)作為成像的信號(hào)光。因?yàn)椴捎蔑w秒激光為光源，縱向分辨率小于30m，橫向分辨率在幾十m。方法采用二次諧波強(qiáng)度相關(guān)技術(shù)，可對(duì)信號(hào)光進(jìn)行時(shí)間、強(qiáng)度、偏振和傳播方向進(jìn)行選通。因此，可對(duì)深藏在散射

12、介質(zhì)或生物組織內(nèi)物體成像，也可對(duì)癌變組織進(jìn)行鑒別。3.2雙光子熒光診斷與治療雙光子熒光是指基態(tài)的熒光物質(zhì)吸收兩個(gè)光子的能量后躍遷到較高的激發(fā)態(tài)，隨后輻射熒光直接回到基態(tài)，因而雙光子熒光波長(zhǎng)都較激發(fā)光波長(zhǎng)短。照射光越強(qiáng)，被激發(fā)到激發(fā)態(tài)的分子數(shù)越多，產(chǎn)生的熒光越強(qiáng)，測(cè)量時(shí)靈敏度越高。80年代，外源HPD熒光診治癌癥用于臨床，常用的光源為高壓汞燈和氪離子激光、氬離子激光等。由于使用的光源波長(zhǎng)與HPD的激發(fā)波長(zhǎng)的峰值(405 nm)不匹配，因此熒光效率不高，診治靈敏度不理想。我們研制的自鎖模鈦寶石激光器輸出的飛秒激光脈沖作激發(fā)光源，如圖3所示。鈦寶石激光器輸出波長(zhǎng)為810 nm， HPD分子經(jīng)雙光子吸

13、收后，產(chǎn)生熒光；自鎖模鈦寶石激光器輸出光脈沖寬度為飛秒量級(jí)，雖然單脈沖能量很小，但峰值功率很高，可產(chǎn)生強(qiáng)熒光；飛秒光脈沖對(duì)病變周圍正常組織損傷性小。方法有望成為癌癥診斷和治療有效的方法之一。圖3飛秒雙光子熒光實(shí)驗(yàn)裝置3.3光鑷及細(xì)胞手術(shù)系統(tǒng)80年代中期，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Arthur Ashkin發(fā)現(xiàn)，一束連續(xù)波低功率(1W以下)激光能“捕捉”單個(gè)細(xì)菌和原生動(dòng)物。他和他的合作者證明，整個(gè)細(xì)胞和細(xì)胞器能用激光抓住并移動(dòng)。對(duì)于特定頻率的激光，足夠小的透明物體會(huì)折射入射的光束，使路徑偏折，折射的結(jié)果是動(dòng)量從激光傳遞給了目標(biāo)。如果激光光束與目標(biāo)的幾個(gè)關(guān)系布置正確，傳遞給目標(biāo)的動(dòng)量就會(huì)把目標(biāo)向著入射的光束拉動(dòng)

14、，從而激光就能把目標(biāo)移動(dòng)。激光抓住物體，是動(dòng)量守恒基本物理定律決定的。如圖4所示，在光束內(nèi)的任何一對(duì)對(duì)稱的光線( A和B)會(huì)產(chǎn)生力Fa和Fb，是目標(biāo)對(duì)光線動(dòng)量變化的反應(yīng)造成的。如果焦點(diǎn)位于目標(biāo)中心前，任何一對(duì)力的合力就會(huì)把目標(biāo)拉向焦點(diǎn)；在目標(biāo)中心之后的焦點(diǎn)會(huì)對(duì)目標(biāo)施加一個(gè)推力；焦點(diǎn)位于目標(biāo)中心的左邊或右邊會(huì)把目標(biāo)向左或向右移動(dòng)。這束微小光束如同一把極細(xì)微的鑷子，將細(xì)微顆粒捏住，因此形象地稱之為激光光鑷。倘若在使用激光光鑷的同時(shí)，第2束激光作為解剖刀或剪刀，則可在細(xì)胞器上進(jìn)行精細(xì)的外科手術(shù)。著名的激光剪刀提出者M(jìn). W. Berns教授在一篇綜述文章中，把激光剪刀的激光脈寬的時(shí)間坐標(biāo)推進(jìn)到飛秒尺

15、度。圖4激光光束與細(xì)胞作用圖激光光鑷及剪刀的結(jié)合使得生物學(xué)家能夠成為細(xì)胞外科醫(yī)生,去探測(cè)和操縱細(xì)胞和細(xì)胞器。這些技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于發(fā)育生物學(xué)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的研究及人類基因組織的破譯和處理都有深遠(yuǎn)的意義。3.4飛秒激光飛行質(zhì)譜DNA排序 飛行質(zhì)譜DNA排序在基因工程中具有突出的潛能。質(zhì)譜儀是利用電磁學(xué)原理使離子按質(zhì)荷比分離，從而測(cè)定物質(zhì)的質(zhì)量與含量的儀器。近年來(lái)有人采用激光激發(fā)原子、分子使之電離，激光的作用是使吸收到光束內(nèi)的分子產(chǎn)生光子吸收從而將處于基態(tài)的中性分子電離。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，飛秒激光脈沖與納秒激光脈沖相比，飛行質(zhì)譜過(guò)程中，分子和離子的多光子激發(fā)減少了分子的磨裂損傷，提高了對(duì)分子信息更精確的檢測(cè)。4總結(jié)飛秒激光以脈寬窄、高峰值功率及高信噪比的特點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得了巨大成就。生物醫(yī)學(xué)診斷和光譜測(cè)量的光學(xué)相干法及多光子激發(fā)熒光顯微系統(tǒng)中，飛秒激光特別是固體飛秒激光器成為眾所矚目的焦點(diǎn)。但是在提高飛秒激光器在各應(yīng)用領(lǐng)域中的精