生物醫(yī)學光學第四組活體成像技術

生物醫(yī)學光學第四組活體成像技術第一頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日光動力療法光動力療法PhotodynamicTherapy

潘熙杰

第二頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日背景傳統(tǒng)的腫瘤治療主要包括手術治療,放療以及化療等，但是這些療法幾乎都存在著較大的副作用,為了獲得更好的腫瘤治療方法，人們一直在進行著積極的探索.第三頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日基本過程它的基本過程是利用特定波長的光照射事先局部或全身注入機體的光敏劑，光敏劑隨之活化并與氧分子作用產生具有細胞毒性的單線態(tài)氧及活性氧簇，經過直接與間接作用對腫瘤組織產生不可逆的損傷.第四頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日光動力療法光動力作用的發(fā)生需要光敏劑、適當波長的光、適當濃度的氧和適當的溫度四個條件的同時存在

第五頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日因為光敏劑在各組織中的半衰期不同,經過一定時間后可造成腫瘤組織中光敏劑的濃度高于其周圍正常組織,在特定波長的光的輻射下,基態(tài)的光敏劑由單線態(tài)光敏劑轉變成激發(fā)狀態(tài)的三線態(tài)光敏劑。第六頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日激發(fā)狀態(tài)的三線態(tài)光敏劑一方面作用于組織底物或氫原子或電子,其產物與氧作用形成各種氧化物;另一方面它直接將能量轉移給氧,形成單線態(tài)氧。第七頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日單線態(tài)氧與氧化物都具有細胞毒性作用,尤其單線態(tài)氧是光動力作用誘導腫瘤壞死的主要損傷形式。它能破壞癌瘤中的微血管,造成局部缺血和細胞死亡,數日后該部組織將壞死脫落,從而達到局部治癌的目的。第八頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日三個基本要素現代光動力療法包括三個重要的方面:光敏劑光組織氧第九頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日光敏劑光敏劑在PDT中起著能量傳遞的作用，它們一般是兩親性分子。親水性使得其能夠在血液中順利運輸而不凝結或沉淀。而從血液進入細胞需透過細胞脂膜，又要求其具備親脂性。進入血液后，光敏劑常常通過與血清蛋白，尤其是脂蛋白相結合的方式運輸，而后再通過受體介導(如脂蛋白受體，苯二氮卓受體等)及胞吞等方式進入細胞第十頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日在細胞內，不同的光敏劑有各自的累積位點。一般主要分布在脂膜結構上，如細胞膜，線粒體，溶酶體，內質網等，光敏劑經修飾或與載體等相連接后，其定位點也可以發(fā)生明顯的變化。第十一頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日良好的光敏劑應該具有以下特點:低不良反應(過敏，系統(tǒng)毒性，皮膚光毒性，代謝物毒性及放射損傷等);不易誘發(fā)腫瘤抗性突變;較好的腫瘤組織靶向累積性;較容易從正常組織清除;較強的可修飾性;較易得的激發(fā)條件;在光療窗口頻段中具有較高的光吸收性;較高的活性氧產率;便于商業(yè)化生產運輸及保存;較好的使用依從性以及較低廉的價格等；第十二頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日目前光敏劑已發(fā)展到第三代:第一代為卟啉衍生物第二代弱化了上一代的不良反應第三代著重于與腫瘤細胞的特異性結合第十三頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日光光在PDT中提供激發(fā)能量，按其來源可分為白熾光，激光及發(fā)光二極管等。主流的光敏劑其激發(fā)光波長大都分布在600～800nm，過短不利于穿透組織，過長則大多被組織內水吸收損耗，而且長波光子能量小，或不足以激發(fā)光敏劑。第十四頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日用何種波長進行PDT治療取決于光敏劑類型，腫瘤類別，大小，生長部位，組織特性以及設備，費用等，但由于此波長區(qū)間的光組織穿透性較差，只有0.5～1.0cm，所以在一定程度上限制了PDT的臨床應用。第十五頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日目前已經研究出的雙光子PDT療法，有效地提高了光的組織穿透性,它采用具有較高峰值輻照功率密度的脈沖激光作為光源，確保每次輻照有兩個光子同時被光敏劑吸收,此時每個光子只需要提供一半的活化能,所以具有更強的組織穿透性的近紅外光也可以作為激發(fā)光源。第十六頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日組織氧組織氧在PDT中的作用主要在于產生ROS等細胞毒性物質殺傷腫瘤細胞，它在組織的存在及濃度對于PDT發(fā)揮作用也是至關重要的。第十七頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日腫瘤組織氧的含量除了限制放療及化療的效果外，也使PDT受到不同程度的影響。一般而言，腫瘤組織內較正常組織是低氧的，但也有少數腫瘤由于血供等的原因反而具有更高的氧含量，主要見于皮膚腫瘤，這類腫瘤往往有著良好的PDT治療結果。第十八頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日影響PDT過程中腫瘤組織氧含量的因素很多：腫瘤性質及體積(光腫瘤穿透性以及腫瘤細胞自身耗氧等)腫瘤血管床因素(影響氧供)PDT消耗底物氧等第十九頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日除了作為底物參與光動力反應，組織氧還可以連同組織酸堿度(PH)共同影響光在組織內的穿透性。這與二者能夠影響含氧血紅蛋白/脫氧血紅蛋白的比例有關。這兩種血紅蛋白是組織內吸收損耗光的主要成分，而且二者對不同的頻譜吸收也不同。第二十頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日PDT抗腫瘤效應的機制目前認為，PDT抗腫瘤效應的機制主要包括以下四個互相關聯的方面:對腫瘤細胞的直接殺傷對腫瘤血管的損傷局部炎癥反應及后續(xù)的抗腫瘤免疫反應第二十一頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日PDT對腫瘤細胞的直接殺傷作用主要分為三種:凋亡壞死自噬相關細胞死亡第二十二頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日凋亡細胞凋亡（apoptosis）指為維持內環(huán)境穩(wěn)定，由基因控制的細胞自主的有序的死亡。細胞凋亡與細胞壞死不同，細胞凋亡不是一件被動的過程，而是主動過程，它涉及一系列基因的激活、表達以及調控等的作用，它并不是病理條件下，自體損傷的一種現象，而是為更好地適應生存環(huán)境而主動爭取的一種死亡過程。

第二十三頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日第二十四頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日壞死壞死被認為是因病理而產生的被動死亡，如物理性或化學性的損害因子及缺氧與營養(yǎng)不良等均導致細胞壞死。壞死細胞的膜通透性增高，致使細胞腫脹，細胞器變形或腫大，早期核無明顯形態(tài)學變化，最后細胞破裂。另外壞死的細胞裂解要釋放出內含物，并常引起炎癥反應。

第二十五頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日壞死的作用對caspase凋亡信號轉導通路進行抑制后發(fā)現，PDT對腫瘤細胞的直接殺傷作用并未消失，并且產生更強的細胞壞死效應。除了直接損傷，壞死細胞成分及降解產物在釋放后，可作為促炎因子誘發(fā)炎癥反應，為后續(xù)的腫瘤持續(xù)性殺傷效應奠定了基礎。第二十六頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日自噬相關性細胞死亡細胞通過自噬產生自噬小體，后者與溶酶體結合，分解消化受損的細胞器及積聚交聯的蛋白質以達到清除及再利用的目的。是一種自限性的細胞自體保護性行為，可以促進腫瘤細胞存活。第二十七頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日自噬相關性細胞死亡將參與調控細胞自噬相關的基因敲除后，腫瘤細胞，尤其是在低氧區(qū)域內的腫瘤細胞，死亡率隨即提高。但是自噬的持續(xù)性存在會導致細胞死亡。第二十八頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日自噬相關性細胞死亡在PDT中，能誘發(fā)自噬的因素包括低氧，氧化應激，Bcl-2損傷，低氧誘導因子-1表達上調等。但對于自噬相關的細胞死亡目前尚無統(tǒng)一的結論。有學者認為PDT能夠損傷細胞溶酶體，限制自噬的進程，造成細胞內被損傷的物質堆積，增加了被損傷細胞死亡的可能性。也有學者認為PDT作用后，細胞內自噬抑制因素如Bcl-2/Bcl-xl抗凋亡蛋白等損傷，自噬增強，最終導致細胞死亡。具體機制仍有待于繼續(xù)探究。第二十九頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日光遺傳學及其生物醫(yī)學應用OptogeneticsanditsBiomedicalApplications吳納

第三十頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日目錄1234第三十一頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日背景介紹光遺傳學技術之父：KarlDeisseroth斯坦福大學，神經科學博士2005年，發(fā)明了光遺傳學技術。他在細菌視蛋白的幫助下用光控制了大腦細胞的開關2010年，光遺傳學被NatureMethods選為年度方法第三十二頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日相關原理光遺傳技術（Optogenetics)，是一種將光控技術和遺傳技術相結合，將光敏蛋白表達于可興奮的靶細胞/器官上，再用相應波長激活光敏蛋白以實現對動物生理功能的調控的一項新技術

光敏蛋白

光敏特異性蛋白

光敏蛋白表達于靶細胞

感應波長激發(fā)特異性光敏蛋白

蛋白開關啟動釋放電信號

刺激

動物行為與靶細胞特異性蛋白結合

病毒/質粒

轉染第三十三頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日相關原理興奮蛋白（ActivationProtein）Chr(channelrhodopsin)是一類興奮光敏感蛋白，其被藍光波段光照射后可通過陽離子(Na+,K+)，引起神經元的細胞膜去極化，產生動作電位。抑制蛋白（InhibitionProtein）Hr(Halorbodopsin)是一類抑制光敏感蛋白，其在黃光波段光的持續(xù)照射下，可將細胞外的陰離子(Cl-)不斷泵入細胞內，是的神經元的細胞膜超極化。第三十四頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日相關原理第三十五頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日相關原理第三十六頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日光遺傳學的應用控制喜好誘導記憶控制行為產生絕對焦慮社會功能障礙大腦深度刺激刺激肌肉恢復視力抑制癲癇第三十七頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日總結展望待解決問題難以通過單次測量精確地記錄一個清晰的動作電位信號膜電位成像記錄的信噪比的提高受細胞膜特異性限制光學技術會對組織造成一定的損傷光敏蛋白的表達會對組織產生一定的影響······

以低損傷性、高空間分辨率和遺傳特異性為特點的光學神經信號記錄及神經功能的光控制技術的應用，在神經科學研究中已取得了一系列突破。若能在提高動作電位采集的精確性，提高膜電位成像的信噪比，降低光信號對組織的損傷有所進步，光遺傳技術將對研究生物體的大腦產生極大的推動。第三十八頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日光學相干層析掃描技術

opticalcoherencetomography鄧月月第三十九頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日層析技術層析：即逐層分析，通過光、聲、核磁共振或電等對組織進行內部結構分析?？蓪游黾夹g分為四大類：光學層析技術、聲學層析技術、電學層析技術、核磁共振層析技術。目前應用的有X-ray層析、超聲層析、核磁共振層析、光聲層析。第四十頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日各種層析技術的優(yōu)缺點X-ray層析：優(yōu)點是對比度高，分辨率高，缺點是對一些軟組織探測能力有限，并且有致癌的可能。超聲層析：具有價格低廉、設備體積相對較小，穿透深度高，但在對比度與分辨率弱于X-ray層析。激光共焦掃描層析：優(yōu)點是可以達到高對比度，但生物組織是混濁介質,光的強散射易造成低靈敏度和低分辨率。核磁共振層析：對軟組織的探測能力高，但設備大，成本高,價格高昂。第四十一頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日OCT背景介紹OCT即光學相干斷層成像技術（OpticalCoherenceTomography,OCT），是繼X射線、CT、MRI和超聲診斷技術之后的又一新的醫(yī)學斷層成像方法光學相干層析術最大優(yōu)點是可以獲得比X射線CT、超生成像術、核磁共振成像術等傳統(tǒng)醫(yī)學成像技術高1~2個數量級的分辨率成像術種類分辨率X射線CT300um~1mm超聲成像500um~1mm核磁共振成像100um~500umOCT成像1um~50um第四十二頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日OCT基本原理它將低相干測量法和光學干涉儀結合在一起濾掉物鏡焦點之外的散射光加上現代計算機圖像處理技術迅速發(fā)展成為一門新興的層析成像診斷技術。而且OCT可以實現對活體組織的無輻射無損傷及實時的探測和成像。第四十三頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日邁克爾遜干涉儀第四十四頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日圖1.典型的單點光學相干斷層掃描的光學設備。通過掃描照射在樣品上的光束可以以微米級的分辨率以無損的方式重建樣品的截面圖，深度最深可達3mm。原理圖第四十五頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日低相干干涉測量法------提高縱向分辨率

在樣品折射率確定的情況下，縱向分辨率只與光源的相干長度有關，相干長度越短，頻率越高，縱向分辨率越高

使用邁克爾遜干涉儀，將時間的測量轉變成為空間的測量。OCT測量的干涉強度而非直接測量反射光的強度，但用這些信息代表反射光的強度。用光波反射時間和光波延時時間來測量距離，得到了樣本深度方向（Z軸）的一維測量數據。光束穿過樣品掃描，測得平行于樣品表面（X-Y方向）的二維數據，將得到的三維信號經計算機處理，便得到了樣本的立體層析圖像兩種技術：第四十六頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日OCT特性對散射光的抑制作用OCT只有當樣本光束和參照光束等光程時才會產生干涉信號，因而對其它雜散光有抑制作用。它帶來的好處是對不透明的生物組織仍能有效成像。因為生物組織散射很強，在普通光鏡下會因為散射過強使反襯度降為零而不能進行觀察。正是充分利用這一點，OCT系統(tǒng)才會發(fā)展應用到冠心病的介入治療中。第四十七頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日高分辨率為了保證縱向分辨率，采用低相干照明光源，因為在樣品折射率確定的情況下，縱向分辨率只與光源的相干長度有關，相干長度越短，頻率越高，縱向分辨率越高。目前為止，OCT是空間分辨率最高的血管內成像技術，分辨率可達到10~20um第四十八頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日高靈敏度外差探測法在頻域檢測信號光和參考光的相干信號中的差額部分能不失真的精確復原調制信號，即反應物內部的結構信息和光學參數信息，最后將得到的光信號轉換為電信號，根據信號的強弱，賦予不同的灰度或某種顏色，即得到樣品的灰度圖或偽彩圖。第四十九頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日OCT在冠心病診療中的應用第五十頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日冠心病定義：冠狀動脈粥樣硬化性心臟病(coronaryatheroscleroticheartdisease)簡稱冠心病，指由于脂質代謝不正常，血液中的脂質沉著在原本光滑的動脈內膜上，在動脈內膜一些類似粥樣的脂類物質堆積而成白色斑塊，稱為動脈粥樣硬化病變。這些斑塊漸漸增多造成動脈腔狹窄，使血流受阻，導致心臟缺血，產生心絞痛第五十一頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日揭示斑塊形態(tài)和性質OCT已經廣泛應用于評價冠狀動脈病變特征高分辨率10μm高準確度和靈敏度顯示組織細微結構“光學活檢”斑塊破裂纖維斑塊脂質斑塊鈣化巨噬細胞微通道第五十二頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日識別易損斑塊導致臨床急性事件發(fā)生易損斑塊病理特征主要為：含有豐富的細胞外脂質和細胞碎片組成的粥樣核（大于斑塊總體積的40%），其外部纖維冒較薄，有大量的巨噬細胞和T細胞侵潤。易損斑塊第五十三頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日OCT對血栓的檢測：易損斑塊的不穩(wěn)定性增加血管內粥樣斑塊的破裂進而導致局部血栓形成的風險混合血栓，介于紅白血栓之間的反射信號白色血栓，突入管腔中的組織為強反光信號，低衰減紅色血栓，突入管腔中的組織為高反光信號。伴有無信號尾影第五十四頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日OCT在PCI（經皮冠心病介入治療）中的應用價值OCT能觀察到支架貼壁不良，內膜撕裂和組織脫垂，通過測量支架梁和血管壁的距離評價支架貼壁情況，有助于選擇合適的介入治療方式和介入器械，可細致評價介入治療的即可效果和長期效果。貼壁良好貼壁不良組織脫垂內膜撕裂第五十五頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日OCT在PCI隨訪中的應用置入藥物洗脫架后，由于支架表面內膜覆蓋不全引起晚期血栓的報道逐漸增多。如何檢測藥物洗脫支架術后內膜覆蓋情況是當前大家關注的焦點。支架晚期內血栓第五十六頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日OCT技術未來展望生物光學和納米技術的聯合

能在近紅外光照射下發(fā)光的熒光探針的引入開啟了體內分子成像的前景，經熒光染色的區(qū)域光子很少被組織吸收，因此會增加光線的穿透力和局部光能釋放的安全性。OCT光譜內具有吸收特點的近紅外染料可以增加對比度進一步提高圖像質量，這些染料包括新一代的納米粒子，其光學特性進一步提高，對化學和加熱滅活的敏感性降低。而且，使用可吸收近紅外光的納米粒子可能具有熱治療的作用。生物光學和納米技術的聯合為檢測和治療動脈粥樣硬化病變可能提供一種新的策略第五十七頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日生理功能評價和解剖影像檢測結合目前已經商品化的以多普勒為基礎的壓力導絲技術可以在導絲頭端測量血流，是一項評價臨界病變嚴重程度和介入治療效果的成熟技術。從運動例子反射回的光線與從靜止粒子返回的比較,會產生多普勒效應，可以用來確定血流的方向和速度，從而收集血流在斑塊部位的生理信息。OCT與多普勒技術結合可以拓展其在貪人心臟病學中的應用，使其既能獲得解剖學影像又能測量血流生理參數。第五十八頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日成像技術的研究OCT的第二代形式頻域OCT(frequeneydomainopfiealcoherencetomography，FD—OCT)采用激光作為光源，能夠以更高的幀頻率成像(可以實現更高速掃描)，掃描成像速度可達每秒20mm。只要2．5s就可以掃描成像50liral長的血管，那么只要用少量生理鹽水或造影劑沖洗就可以實現對整根冠脈血管的成像(這種速度的加快使得第二代OCT可以在短暫的非封閉的的生理鹽水凈化之后對長節(jié)段的冠狀動脈迅速三維成像)，同時FD-OCT圖像的分辨率也得到提高。2008年Lghtl到b公司發(fā)布了對SL-OCT(spectral-domainscanning-laserOCTsystem)的報道。SL-OCT技術基于FD-OCT技術，相比M2能夠獲得更清晰圖像，同時解決了OCT不能在充滿紅細胞的血管中成像的問題。敏感程度是M2系統(tǒng)的3倍，開創(chuàng)了OCT血管3D成像的時代。盡管目前該項技術還在臨床前實驗階段，但相信不遠的未來，SL-OCT將為介入治療提供更詳盡的血管信息。第五十九頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日光鑷技術與應用

李四維OpticaltweezersanditsApplications第六十頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日背景17世紀初期,德國天文學家開普勒在解釋彗尾之所以背向太陽的原因時,就指出這是受到太陽光的輻射作用所致1873年,麥克斯韋根據他的電磁學理論從理論上說明了光本身可產生力,或者說是光輻壓。1909年,德拜給出了線偏振平面電磁波作用于均勻球形粒子所產的輻射壓的理論.但由于光輻壓極其微弱,同時也因缺少足夠強的光,毫瓦級功率的光僅可產生皮牛頓級(1pN=N)的作用力

第六十一頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日20世紀60年代,激光的發(fā)明給輻射壓力的研究提供了高強度、高準直度的光源,從實驗上驗證光輻射壓的存在才成為可能.1970年貝爾實驗室的ArthurAshkin是對此進行研究,ArthurAshkin等人首先提出利用光壓操縱微小粒子的概念.1986年,Ashkin等人才發(fā)現單獨一束高度聚焦的激光就足以形成三維穩(wěn)定的能量阱,可以吸引電介質粒子并將其束縛在光腰中央,于是第一個光鑷子(opticaltweezers)誕生了,也因此,光鑷的正式名稱為單光束梯度力阱(singlebeamgradientopticaltrap）它可以用來捕獲并移動從數十納米到數十微米的微小粒子第六十二頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日朱棣文教授是一位美國華裔物理學家，1986年由同樣在貝爾實驗室的朱棣文教授將光鑷應用于冷卻及捕捉原子而聲名大噪，進而獲得1997諾貝爾物理學獎。1994年獲選我國中研院院士朱棣文教授也是繼楊振寧、李政道及丁肇中后，第四位榮獲諾貝爾物理學獎的華人(李遠哲是化學獎)。2008年歐巴馬政府上臺后，便借重他的專長，任命他為美國第12任能源部長(2009年1月21日至2013年5月16日)。卸任后目前在美國史丹佛大學物理系任教。

第六十三頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日光的動量是光的一個基本屬性光不但具有能量，還具有動量。光與物質相互作用交換動量在物體上的力等于光引起的單位時間內物體動量的改變，并由此引起物體的位移和速度的變化，稱之為光的力學效應。由于光輻射對物體產生的力通常稱之為光的輻射壓力，簡稱光壓。第六十四頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日光鑷下細胞受力梯度力

散射力梯度力:來自介質小球中的電偶極矩在不均勻電磁場中受到的力。它正比于光強的梯度，指向光場強度的最大處散射力：來自光在散射過程中與光子交換動量獲得的，被散射的光子動量改變來自介質對光的作用力，它的方向沿光的傳播方向第六十五頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日光鑷的基本原理光鑷的基本原理在于光與物質微粒之間的動量傳遞的力學效應，對于直徑大于波長（約5倍波長）的米氏粒子來光鑷的勢阱原理可以用幾何光學來解釋:(1)對于直徑大于波長的米氏粒子來,光鑷的勢阱原理可以用幾何光學來解釋.a第六十六頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日此方法計算簡便。粒子尺度合適時，可以很方便討論所關心因素對光阱的影響。但是幾何近似較為粗糙，用此方法計算，可以得到光阱作用力與粒子半徑無關的錯誤結論。同時，它也不能計算粒子形狀對光阱的影響。另外，它還忽略了光阱焦點處的衍射斑的大小第六十七頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日(2)對于直徑小于激光波長的瑞利散射顆粒（約二十分之一個波長）,可采用電磁場模型來研究粒子的行為a第六十八頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日由于外加激光光場會使粒子極化,處于電磁場梯度中的粒子會受到梯度力的作用。梯度力源于電場中感生電偶極子受到的洛侖茲力,其大小正比于光強梯度,方向指向強度梯度的方向。此方法在計算過程中采取了種種近似，如：認為粒子不影響光波的傳播，光波的表達式中不考慮散射光；認為瞬間的入射光在粒子的各個邊界上是常量等等。這些近似都是建立在粒子足夠小的前提下的。因此，此方法僅適用于小粒子（幾十納米尺度），目前的應用還不太廣泛。但隨著生命科學的發(fā)展，對單分子的捕捉的研究蓬勃發(fā)展，對此類問題的研究將會是很有意義的。第六十九頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日生物學中對生物進行體外研究可能沒有在研究體內反應的更為準確，那是因為體內環(huán)境的復雜活動無法由體外表現，因此，在體內生物研究中，尤其是對活的動物研究，是很重要的，它可以驗證我們從體外研究獲得的知識。正因為激光能穿透生物組織，所以光鑷能夠非侵入性的俘獲和操縱活的動物中的生物細胞第七十頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日光鑷矯正位移標定:由于光鑷的受力與位移有關，所以首先要對位移探測進行標。不管是光鑷絕對移動測量還是相對移動測量都需先對已知尺度如顯微鏡標尺進行測量，計算出測量量與標準尺度的轉換系數，完成位移標定使用CCD攝像機做位移測量時，被探測小球成像半徑與CCD像素尺寸之比與探測精度有關。該比值越小，探測誤差越大。當比值大于50時，探測誤差趨近于零。

對力標定：微粒在光阱中受到簡諧力作用，作受限布朗運動，顆粒偏離光阱中心位移工受到光阱力F作用，其線性系數為光阱度即，。在實際應用中，標定了剛度出即可得到光阱力大小。常用剛度標定方法有流體力學法，功率譜法、熟運動法和周期驅動力法。第七十一頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日流體力學流體力學的方法認為被光鑷控制移動的小球在靜止的介質中所受到的粘滯力可由斯托克斯公式計算：此力使小球偏離光阱中心位置,從而產生光阱恢復力。當粘滯力與光阱恢復力相等時小球的位置為平衡位置,測量此時的位移,可求出光阱的剛度為第七十二頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日光鑷光路圖激光波長1064納米，BE為擴述鏡,L1L2為透鏡，M1，M2為反射鏡，DM為分光鏡，MO為顯微鏡物鏡照明為鹵素燈。圖b光束在體內的幾何光學圖示，NFP標稱焦點位置，AFP實際焦點位置實驗光路圖第七十三頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日光鑷捕獲和控制血細胞老鼠耳朵的血細管深度接近光鑷的工作距，血紅紅細胞的在血細管中的流動速度在0.1到2毫米每秒。在老鼠耳部皮膚下40微米的毛細血管直徑約5微米，血紅細胞在里面可以一個一個的流動，當流速降低到一定程度就可以捕獲，捕獲過程是個循序漸進的過程第七十四頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日橫向移動紅細胞下圖顯示的是一種被動的方式在橫向上控制細胞，其中，激光束是靜止的，而我們移動樣品臺來移動鼠標的耳朵。作為樣品臺移動橫向，被困細胞逐漸越來越接近血管的邊緣第七十五頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日堵塞毛細管光鑷可以人為的誘發(fā)紅細胞在毛細血管堵塞，因為一個紅細胞的大小與毛細血管寬度相近，所以一個被捕獲了的紅細胞可以造成毛細血管的堵塞，紅細胞占用了毛細管更多自由流動面積，最終導致聚集和毛細管堵塞。第七十六頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日光學鑷子清除堵塞毛細管光鑷陷阱的紅細胞，這已經阻止了毛細管，并取出他們從毛細管。我們慢慢施加外力細胞和觀察小幅位移后停止。如果細胞是出陷阱中心，我們等待的細胞俘獲發(fā)生。因此，它是可能逐步與位移加大推進的步驟第七十七頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日光鑷的優(yōu)點1光鑷對微粒的操控是非接觸的遙控方式，不會給對象造成機械損。這使得光鑷在生物學研究特別是單細胞單分子研究領域應用非常合適。2直接操控亞微米到微米量級的粒子;可實時測量操控粒子所受的力,精度可以達到亞牛量級。3光鑷的溫和操控不會損失細胞，雖然激光會產生熱，但可以通過選擇合適的波長，避開細胞對光的吸收波長，將熱效應降到最低4由于大部分細胞膜是透明的，光可以穿過細胞膜操控細胞內部微粒，這是其他操控手段無法做到的5.幾乎不干擾生物粒子周圍環(huán)境和它的正常生命活動：光鑷的所有機械部件離捕獲對象的距離都遠大于捕獲對象的尺度（1000倍），是“遙控”操作。第七十八頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日存在的問題1.光學剛度校準的可重復性問題，因為在不同的生物組織內，光鑷的剛度各不相同

2.無法在更深的位置捕捉到細胞，其中的原因有一下兩點:

第一，由于激光功率在更深的損失顯著，從而俘獲力顯著降低在更深的位置。第二，可能沒有一個適當的梯度力以保持細胞，因為像差在水平聚焦通過較厚的組織是更嚴重的。第七十九頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期日參考文獻——光動力療法[1]李亞楠,王怡喬,潘鐵成等.腫瘤光動力療法——作用機制[J].中國激光醫(yī)學雜志,2014,(1).[2]李亞楠,王怡喬,潘鐵成等.腫瘤光動力療法——理論基礎及治療策略[J].中國激光醫(yī)學雜志,2014,(2).[3]丁新民,徐勤枝,顧瑛等.光動力學治療腫瘤的簡史和現狀[J].中國腫瘤,2003,(3):151-155.[4]林鈮,包捷,王愛平.光動力療法的抗腫瘤機制研究進展[J].癌變·畸變·突變,2014,(5).[5]王瑞平.光動力療法在腫瘤治療中的應用[J].國際生物醫(yī)學工程雜志,1999,(6):355-359.[6]陳勇,李婉婉,周江蛟等.光動力療法分子機制研究進展[J].中南大學學報：醫(yī)學版,2014,(