1、第二节 激光技术在医学中的应用,一、激光医学的发展简史,二、激光技术在医学中的研究领域,一、激光医学的发展简史,Light amplification by stimulated emission of radiation,1917年，爱因斯坦的著作关于辐射的量子理论,台激光器的诞生,1960年7月7日，美国人Maiman宣布了世界上第一,60年代，激光医学基础研究阶段,70年代，临床研究试用阶段,80年代，激光医学学科形成阶段,90年代，激光医学学科发展成熟阶段,我国激光医学的发展简况,1961年，我国研制成第一台红宝石激光器,1963年，研制成He-Ne激光器、钕玻璃激光器等,1965年，
2、研制成大功率CO2 激光器,1968年，研制成大功率Nd:YAG固体激光器,1972年，研制成第一台CO2 激光治疗仪,1973年，研制成国内第一台Ar+ 激光眼科治疗机,1974年，研制成国内第一台Nd:YAG激光治疗机,1982年，研制成国内第一台激光流式细胞计,激光技术在生命科学中的研究领域,二、激光技术在医学中的研究领域,1. 激光显微加工,紫外激光显微辐射仪,可嫁接和切割生物组织,能在细胞内进行外科手术,应用：,（一）激光控制,2. 光学镊子,红外激光辐射,细胞分类,细胞生理学，测量动态分子,应用：,激光显微切割仪,激光显微切割（Laser micro-desection）,特点：,
3、具体方法： 激光微光束微切割 激光加压弹射 贴于膜上的原组织微切割 激光俘获微切割,效率高，整个过程仅需23min或数sec,精度高,1. 宏观分子系统的结构、动力学过程,激光多普勒频移,激光喇曼光谱,确定粒子的运动速率分布,给出宏观分子的结构,应用：,（二）激光分析与检测,2. DNA顺序排列,激光流量细胞仪（ Flow Cytometer，简称FCM）,测量染色细胞标记物荧光强度的细胞分析仪，是在单个细胞分析和分选基础上发展起来的对细胞的物理或化学性质（如大小、内部结构、DNA、RNA、蛋白质、抗原等）进行快速测量并可分类收集的高技术。,激光流式细胞仪的结构,（1）流动室及液流驱动系统,（
4、2）激光光源及光束成形系统,（3）光学系统,（4）信号检测、存储、显示与分析系统,（5）细胞分选系统,液流系统示意图,FCM的液流系统（如何形成单个细胞流）,样本管,鞘液管,光学系统示意图,前向散射与被测细胞的大小有关,侧向散射反映细胞膜内精细结构和颗粒性质,荧光信号：细胞内生化成分含量、细胞表面,抗原、细胞的分选,基本工作原理,流式信号检测、存储 、显示、分析示意图,流式细胞仪与显微镜的区别,激光流式细胞仪的特点,分析速度快：,速度高达 500010000 个细胞/秒,分析灵敏度高：,细胞间 5% 的差别可区分,分选纯度高：,纯度高达 99% 以上,可多参数分析,适当条件下，对活细胞可进行无
5、损分析和分选,激光流式细胞仪的应用,细胞生物学研究,用于细胞大小、细胞核/浆比,例、DNA、RNA、蛋白质、线粒体等定量测定，,细胞形态学、染色体核型分析、细胞增殖周期定,量分析。,FCM 测定DNA的图形、分析DNA的倍体含量,免疫学中的应用,淋巴细胞及其亚群的分析,淋巴细胞功能分析,淋巴造血系统及白血病免疫分型,肿瘤耐药基因分析,AIDS病检测中的应用,自身免疫病相关HLA抗原分析,移植免疫中的应用,3. 细胞光化学,光动力学诊断和治疗,光动力学疗法（PDT）是一种光化学效应治疗肿瘤的方法,光敏剂,富聚、潴留,4. 用激光诱导的荧光区分细胞和组织,激光荧光诊断,用肿瘤细胞的特征荧光峰进行诊
6、断,1. 激光显微方法,激光共焦扫描显微镜（ Laser Confocal Scanning Microscope，简称 LCSM ）,（三）激光光学计量技术,激光共焦扫描显微镜,激光共焦扫描显微镜的结构,LCSM光学系统,利用放置在光源后的照明针孔和放置在检测器前的探测针孔实现点照明和点探测，来自光源的光通过照明针孔发射出的光聚焦在样品焦平面的某个点上，该点所发射的荧光成像在探测针孔上。照明针孔与探测针孔对被探测点来说是共轭的，因此被探测点即共焦点，被探测点所在的平面即共焦平面。,激光共焦扫描显微镜的基本原理与结构,不同焦平面的光学切片经三维重建后能得到样品的三维立体结构。,1. 点照明 2
7、. 具有照明pinhole和探测pinhole 3. 照明pinhole和探测pinhole共轭（共焦）, 共焦点即被探测点，被探测点所在的平面为共焦平面 4. 具有扫描系统 逐点扫描成像 5. 具有多个（四个） 荧光通道，可同时探测多个 被标记物,设计特点:,高分辨率观察的显微镜,高精度表面形貌测量仪,三维形貌显微镜,人眼分辨率： 0.2mm光学显微镜分辨率：0.25mm电子显微镜分辨率：0.2nm共焦显微镜分辨率：0.18mm,分辨率比较,激光共焦扫描显微镜的应用,细胞三维重建,细胞定量荧光测定,细胞内钙离子、pH和其它离子的动态分析,观察细胞各侧面的表面形态,和内部结构，测量细胞的长宽高
8、、体积和断层面积等。,适于活细胞的定量分析，,常用于原位分子杂交、肿瘤细胞识别、单个活细胞水平的DNA损伤及修复的定量分析。,对细胞钙离子、钠离子、pH进行比例值和浓度梯度变化测定。测定细胞内离子的扩散速率。,黏附细胞分选和显微手术,采用台扫描方式。,激光光陷阱技术,光刀切割法，适用于选择数量较少的细胞。,激光消除法，适用于对数量较多的细胞选择。,对目标细胞进行非接触式,的捕获与固定，进行精确操作。,克服经典显微镜限定的分辨力极限,获得尺度小于激光波长的组织图像,应用：,扫描近场光学显微镜（SNOM）,细胞膜上单个荧光团成像,波谱分析,2. 激光生物传感技术,医学诊断、 环境分析,食品分析技术、显微组织生长,应用：,激光光学生物传感器,1. 光学存储器,可逆地存储信息,应用：,细菌视紫红质薄膜,（四）光学信息处理,2. 生物芯片,基因芯片,
