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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一、激光医学的发展简史二、激光技术在医学中的研究领域二、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 radiation1917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
2、玻璃激光器等 1965年，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控制1. 光学镊子 2. 激光显微加工激光分析、检测细胞和亚细 胞粒子 （微观等级）1. 分子系统的结构 2. 短时间 激光检测 3. DNA顺序排列 4. 细胞光化学 5. 激光质谱组织和复杂 生物系统 （宏观等级）1. 激光流量细胞仪 2. 环境分析 3. 用激光诱导 的荧光区分细胞 4. 光学动力学肿瘤
3、诊断和治疗 激光光学计量技术1. 激光显微方法 2. 激光生物传感技术光学信息处理1. 光学存储器 2. 生物芯片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：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
4、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（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 喷嘴Fluorescence signalsFocused laser beam鞘液液流系统示意图FCM的液流系
5、统（如 何形成单个细胞流）样本管鞘液管Flow TipLaserSS and FL DetectorFS Detector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 区别流式细胞仪显微镜光源激光自然光、灯光对象细胞、生物粒子细胞、组织 等承载工具鞘液及流动室载玻片检测 信号光学信号形态及染色放大方式PMT、放大电路目镜物镜、光学放大统计计算机，5000人工，200结果多参数，综合分析简单 ，单参数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
6、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
7、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
8、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. 具有照明pinhole和探测pinhole3. 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
9、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、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
