Biofotónica Ya en los primeros días de la fotónica, la ciencia biológica dinámica y la fotónica se compenetraron entre sí, promoviendo el crecimiento y el ascenso silencioso de la biofotónica, una disciplina de vanguardia. Este nuevo campo fue propuesto a principios de la década de 1980 basándose en el descubrimiento y los resultados de la investigación de la radiación de fotones ultradébiles (BPE) en sistemas biológicos. Hasta ahora, la gente tiene una comprensión preliminar de la BPE. Por ejemplo, creen que la BPE es un fenómeno común en la naturaleza y una función inherente de los organismos vivos. Es un reflejo de la información integral de los organismos bajo diferentes condiciones fisiológicas y bioquímicas. A excepción de unos pocos organismos inferiores, como algunos protozoos y algas, la mayoría de los animales y plantas pueden producir BPE. Además, cuanto mayor sea el grado de evolución biológica, mayor será el valor de BPE. El rango espectral de BPE son las bandas ultravioleta e infrarroja visible. Además, cuanto mayor es el nivel de evolución biológica, más se extiende la longitud de onda de la radiación hacia el infrarrojo. BPE tiene las características de alta coherencia y campo coherente de Poisson. Es una quimioluminiscencia de bajo nivel con una eficiencia cuántica extremadamente baja. Si la fotónica es una tecnología que genera y utiliza radiación con fotones como unidades cuantificadas, y su rango de aplicación se extiende desde la generación y detección de energía hasta la extracción, transmisión y procesamiento de información, entonces la biofotónica involucra sistemas biológicos en forma de fotones. energía y detectar fotones de sistemas biológicos, así como la información transportada por estos fotones sobre la estructura y función de los sistemas biológicos, incluido el procesamiento y transformación de sistemas biológicos utilizando fotones.
Emisión de fotones de los sistemas biológicos
La luminiscencia ultradébil espontánea de los sistemas biológicos abarca desde bacterias, microorganismos, diversas células animales y vegetales, hasta plantas, animales e incluso humanos, siempre que como hay Todos los seres vivos tienen radiación de fotones espontánea. Normalmente, este tipo de emisión de fotones es extremadamente débil, con sólo unos pocos o varios miles de fotones por centímetro cuadrado por segundo, por lo que se denomina luminiscencia ultradébil espontánea del sistema. Su rango espectral es bastante amplio, se extiende desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano, y debe detectarse con fotodetectores sensibles. Las investigaciones de los últimos 30 años han demostrado que la luminiscencia ultradébil de los organismos está intrínsecamente ligada a muchos procesos básicos de la vida, como el metabolismo oxidativo, la división y muerte celular, la fotosíntesis, la carcinogénesis y la regulación del crecimiento, precisamente porque está estrechamente relacionada con el proceso bioquímico. Los procesos y las condiciones fisiológicas y patológicas de los organismos están estrechamente relacionados, por lo que tienen un valor diagnóstico potencial en muchos aspectos, como la medicina, la agricultura y el medio ambiente.
La naturaleza de la luminiscencia ultradébil en los sistemas biológicos La fuente de fotones de la luminiscencia ultradébil en los sistemas biológicos siempre ha sido el centro de atención de los investigadores. Actualmente se cree que proviene de los siguientes aspectos: 1.
En los sistemas biológicos, los radicales libres de oxígeno reactivos se generan continuamente debido al metabolismo oxidativo, produciendo oxígeno singlete y radicales de carbono excitantes, que se ven afectados por el sistema de defensa antioxidante y el sistema inmunológico del organismo 2. Moléculas excitadas formadas por reacciones enzimáticas en el organismo; 3. El estado excitado y los complejos en estado excitado de macromoléculas biológicas importantes (como el ADN y sus grupos terminales) formados por el efecto de agregación, debido a que su distribución de niveles de energía está muy alejada de la distribución de Boltzmann, colocan al sistema biológico en una situación complicada. Estado de inversión de alto nivel de energía. La interacción emite fotones con cierto grado de coherencia. El grado de coherencia puede ser una característica de la vida. ¿La radiación de fotones ultradébiles de los sistemas biológicos transporta información y constituye una forma de comunicación entre los sistemas biológicos y las células que los contienen? Éstas son cuestiones importantes que preocupan. Comprender profundamente la naturaleza de la luminiscencia ultradébil y desarrollar su potencial de aplicación es una de las tareas fundamentales de la biofotónica.
Aplicaciones importantes de la luminiscencia ultradébil en sistemas biológicos La luminiscencia ultradébil en sistemas biológicos tiene importantes aplicaciones en diagnóstico clínico, diagnóstico genético de cultivos, monitorización ambiental, etc. Dado que la luminiscencia ultradébil está relacionada con los estados fisiológicos y patológicos de los organismos, tiene un valor de aplicación potencial en el diagnóstico clínico. Por ejemplo, los estudios han demostrado que la luminiscencia ultradébil en la sangre y en muchos tejidos de órganos de pacientes con tumores es mayor que la de personas sanas. Además, el estudio también encontró que la dependencia de la luminiscencia ultra tenue de semillas y cogollos de la temperatura, la humedad y la salinidad refleja la resistencia de los cultivos al frío, la sequía y la sal hasta cierto punto, lo que muestra el papel de la luminiscencia ultra tenue biológica en selección de semillas agrícolas y perspectivas importantes de aplicación en el mejoramiento. El seguimiento ambiental mediante métodos físicos y químicos sólo puede dar el grado de contaminación medido en ese momento. Dado que la luminiscencia ultradébil de los sistemas biológicos es extremadamente sensible a la contaminación química en las fuentes de agua ambientales y la atmósfera, puede usarse como indicador biológico de la contaminación ambiental, proporcionando un medio nuevo y simple para el monitoreo ambiental.
Las imágenes de luminiscencia biológica ultradébil utilizan tecnología de detección e imagen de fotones altamente sensibles, combinadas con estadísticas de fotones y tecnología de medición de correlación de fotones, para obtener imágenes bidimensionales de luminiscencia biológica ultradébil en el espectro visible o cercano. Banda infrarroja, midiendo así las funciones del metabolismo humano y las funciones de defensa del cuerpo antioxidantes y antienvejecimiento. Por lo tanto, se espera que encuentre aplicaciones importantes en el diagnóstico clínico y de enfermedades.
En general, se cree que la comunicación óptica entre los sistemas biológicos y las células siempre se logra con la ayuda de algunas "moléculas mensajeras" especiales. Las moléculas mensajeras incluyen hormonas, anticuerpos, factores de crecimiento y neurotransmisores, así como algunos iones inorgánicos. En esencia, esta comunicación es una "comunicación química" que se logra mediante interacciones intermoleculares (como la interacción entre mensajeros y proteínas receptoras en la membrana celular). ¿Existe "comunicación corporal" entre las células? ¿Existe alguna transferencia de información moderna entre células a través de campos electromagnéticos o interacciones de fotones? Actualmente existe evidencia experimental de que células, tejidos e incluso organismos pueden transmitir información mediante la emisión y recepción de fotones. La investigación sobre la comunicación óptica entre células revelará aspectos poco conocidos de los fenómenos vitales y puede tener aplicaciones en medicina, fitness y agricultura.
Luminiscencia inducida de sistemas biológicos La irradiación de luz intensa a corto plazo puede inducir divergencia de fotones en sistemas biológicos. La intensidad de esta luminiscencia inducida suele ser mucho mayor que la luminiscencia espontánea y decae con el tiempo. El espectro y la intensidad de la luminiscencia inducida dependen del tipo y contenido de moléculas excitables que componen el sistema biológico, así como de las interacciones y transferencia de energía entre moléculas. Por tanto, la luminiscencia inducida, que se utiliza desde hace mucho tiempo en el estudio de la fotosíntesis de las plantas, proporcionará información sobre la estructura de los sistemas biológicos. Estudios recientes han demostrado que esta luminiscencia inducida tiene perspectivas de aplicación muy atractivas en el diagnóstico de enfermedades y pruebas de calidad de los alimentos.
La aplicación de la tecnología de fotones en las ciencias biológicas Con el rápido desarrollo de la tecnología láser, la tecnología de espectroscopia, la tecnología de microscopía y la tecnología de fibra óptica, su aplicación en la investigación biológica y el diagnóstico médico se está volviendo cada vez más profunda y extenso, se ha convertido en una herramienta importante en las ciencias biológicas modernas y le ha traído cambios revolucionarios.
Sondas fluorescentes y microscopía de enfoque y escaneo con láser El principio básico de la microscopía de enfoque y escaneo con láser es enfocar el rayo láser a una profundidad seleccionada arbitrariamente dentro de la célula en un punto pequeño con una linealidad cercana a la de una sola molécula. , y escaneando a cierta profundidad dentro de la célula, se puede obtener una imagen clara de la capa celular a través del sistema óptico. La profundidad focal del láser varía constantemente, explorando una serie de capas, lo que finalmente da como resultado una imagen tridimensional de toda la célula. Mediante el uso de miles de sondas fluorescentes que se unen específicamente a diferentes moléculas (o iones) en las células, se puede observar directamente la posición, el movimiento y la interacción con otras moléculas de varias biomoléculas importantes en las células vivas.
Por ejemplo, podemos observar microtúbulos, microfilamentos y fibras intermedias en el citoesqueleto, observar varias enzimas importantes y moléculas mensajeras en las vías de transducción de señales, introducir nuestras propias proteínas fluorescentes en las células mediante tecnología de recombinación genética y utilizar microscopía confocal de barrido láser para estudiar la expresión genética. interacciones de proteínas intracelulares y "comunicación" intracelular. La combinación de sondas fluorescentes y proteínas fluorescentes con microscopía confocal láser permite a las personas ver el complejo y colorido mundo de las células.
El microscopio de enfoque actual con tecnología de imágenes de fluorescencia multifotónica utiliza un láser de iones de argón en la banda de luz visible, que puede causar daños a las células vivas. El uso de fotones múltiples, como la excitación multifotónica, tiene al menos las tres ventajas siguientes: en primer lugar, debido a la excitación del infrarrojo cercano, el daño a las células vivas se reduce considerablemente, en segundo lugar, porque la transmitancia de la luz del infrarrojo cercano en los tejidos; es más alto que el de la luz visible, se puede observar imágenes de fluorescencia más profundas en la muestra; en tercer lugar, aún se pueden usar muchas sondas fluorescentes utilizadas en la región de la luz visible e incluso en la región violeta; Esta tecnología utiliza principalmente láseres infrarrojos de alta intensidad para hacer que la eficiencia de excitación de dos fotones sea equivalente a la de fotones individuales de longitud de onda corta. Actualmente existen algunos láseres que cumplen este requisito.
Las pinzas ópticas y la tecnología de las pinzas ópticas nacieron en los años 80 y se desarrollaron en los años 90. El principio básico es que cuando una partícula (como una perla de silicio combinada con una macromolécula biológica) está en un rayo láser con una distribución de intensidad gaussiana, debido a la variación espacial de la intensidad del campo luminoso, el rayo generará un gradiente de presión en la superficie. partícula, impulsándola hacia el centro del haz. Muévase y estabilice allí. De esta manera, el rayo láser actúa como un "tornillo de banco" para sujetar firmemente las partículas, permitiéndoles moverse artificialmente con el rayo. La presión que ejercen las pinzas ópticas sobre las partículas depende de la longitud de onda de la luz, la anchura y potencia del haz, etc. Cuando la potencia del láser es de varios milivatios a varios vatios, la fuerza que actúa sobre las partículas del tamaño de una micra es de aproximadamente varios a varios cientos de picoNewtons (10-10). Para evitar que los tejidos biológicos absorban fuertemente el láser, las pinzas ópticas generalmente utilizan fuentes de luz láser de infrarrojo cercano. Una aplicación importante de la tecnología de las pinzas ópticas es estudiar y observar un motor molecular de proteínas estrechamente relacionado con la contracción muscular, la división celular y la síntesis de proteínas. Durante la investigación, se conecta una perla de silicio o poliestireno del tamaño de una micra a estos motores moleculares, la perla se sujeta con pinzas ópticas bajo un microscopio y se pone en marcha el motor molecular, y la fuerza generada por el movimiento del motor molecular puede ser mesurado. Los académicos alemanes han utilizado láseres para perforar agujeros en la membrana del óvulo y pinzas ópticas para capturar espermatozoides y enviarlos a los óvulos, lo que ha mejorado enormemente la tasa de éxito de la fertilización in vitro. En el futuro, una nueva generación de pinzas ópticas tendrá un mecanismo de retroalimentación de fuerza, de modo que la fuerza ejercida por las pinzas ópticas sobre los iones capturados pueda cambiar su tamaño, estudiando así varios factores que afectan a los motores moleculares. Las pinzas ópticas también se pueden utilizar para manipular células de diversas formas. Por tanto, las pinzas ópticas desempeñarán un papel importante en la tecnología de ingeniería celular.
Fotónica Médica
Hoy en día, la medicina se encuentra en un periodo de grandes cambios. El enfoque de la medicina está cambiando de modelos de tratamiento tradicionales basados en síntomas a modelos de tratamiento basados en información. Se ha reconocido que los síntomas son simplemente una cruda respuesta anormal del cuerpo, retrasada por la enfermedad. La investigación actual sobre algunos temas médicos importantes se ha centrado desde el principio en explorar los patrones de información biológica que causan enfermedades, con el fin de controlar la información de la lógica biológica en un estado saludable y lograr el propósito de tratar enfermedades. Por ello, las personas exploran nuevos métodos de diagnóstico y tratamiento médico en diversas disciplinas (magnetismo, acústica, química, óptica, etc.). ). Actualmente, se cree que se espera que la fotónica desempeñe un papel importante en la gran revolución médica actual. La comprensión de las reglas de propagación de la luz en los tejidos biológicos y el desarrollo exitoso de fuentes de luz de alto rendimiento y detectores ópticos de alta sensibilidad representados por láseres son la base teórica y material de este conocimiento. La combinación de la fotónica emergente y la medicina moderna ha formado un nuevo punto de crecimiento interdisciplinario: la fotónica médica. La fuerza impulsora para el desarrollo de la fotónica médica proviene principalmente de la necesidad urgente de medicina. Existen muchas aplicaciones específicas de la fototerapia y el fotodiagnóstico clínico, como la fotometría en medicina láser, el diagnóstico por imagen óptica, el diagnóstico y tratamiento de tumores, etc. Todos necesitan urgentemente respuestas satisfactorias de la fotónica médica, que ha promovido en gran medida el rápido desarrollo de la fotónica médica. El objeto directo de la investigación en fotónica médica es el tejido biológico, especialmente el tejido biológico vivo. Los resultados de su investigación servirán directamente a la medicina humana y pueden crear nuevas industrias de alta tecnología y contribuir a la civilización humana y al progreso social. La fotónica médica está en auge. Aunque la base y las condiciones de la investigación nacional están relativamente atrasadas, en la práctica tenemos muchas ventajas y estamos en la misma línea de partida que los países extranjeros. Por lo tanto, siempre que esté bien organizado y seleccionado de manera adecuada, definitivamente logrará avances en ciertos aspectos como la teoría, el cálculo y la práctica clínica, y ocupará una posición de liderazgo en el mundo.
El conocimiento básico de la fotónica médica sobre la interacción entre la luz, especialmente el láser, y el tejido biológico ha atraído la atención internacional y se ha convertido en la base y el requisito previo para la aplicación de la biomedicina láser en auge. Por ejemplo, una de las cuestiones clave en la terapia fotodinámica y el diagnóstico de tumores, que está al borde de la aplicación clínica, es cómo diseñar y confirmar la distribución de la luz en los tejidos humanos, lo que implica cuestiones teóricas y experimentales en muchas disciplinas, la más importante de los cuales es el papel de la luz en los tejidos, modos especiales de propagación, descripción de las propiedades ópticas de los tejidos y desarrollo y perfeccionamiento de técnicas experimentales relacionadas. Todos los problemas nuevos en estos esfuerzos de investigación deben resolverse con nuevas ideas y métodos. Aunque el modelo de propagación de la luz en tejidos biológicos se estableció inicialmente, la teoría óptica unificada de los tejidos biológicos está lejos de estar madura. En este contexto surgió la "óptica tisular" como una disciplina especializada para estudiar las propiedades ópticas de los tejidos biológicos. Incluye las cuestiones teóricas más básicas de la fotónica médica y es también la condición previa para el desarrollo posterior de la fotomedicina (incluidos el fotodiagnóstico y la fototerapia). La óptica tisular es la base teórica de la tecnología fotónica médica. La cinemática (como la propagación de la luz) y la dinámica (como la detección de la luz) de la luz en los tejidos biológicos son los principales contenidos de la investigación. Las principales tareas de investigación actuales son: estudiar las propiedades ópticas de los tejidos biológicos y determinar el caudal de energía luminosa por unidad de área del objetivo. El primero implica determinar los parámetros ópticos básicos del tejido a partir de la distribución de la luz medida y un determinado modelo de propagación de la luz, que se denomina problema "directo" y el segundo deduce la distribución de la luz en el tejido a partir de los parámetros ópticos básicos del tejido; El modelo de propagación de la luz, que actualmente pertenece al problema "inverso", teniendo en cuenta las posibilidades que brindan las tendencias de desarrollo internacional y la realidad nacional, se deben realizar trabajos de investigación en los siguientes aspectos:
Aunque la investigación sobre la teoría de la transmisión de luz en tejidos biológicos se estableció inicialmente sobre la base de la teoría de la transmisión de neutrones. Aunque se ha establecido el modelo de propagación de la luz en tejidos biológicos, está lejos de establecerse un sistema marco teórico unificado de óptica tisular. La teoría óptica de los tejidos biológicos está lejos de estar madura y existen muchos vacíos teóricos que deben llenarse. La razón por la que esto sucede se debe, por un lado, naturalmente a la diversidad y complejidad de la propia estructura biológica del tejido y, por otro lado, también es el resultado de herramientas teóricas insuficientes. Es necesaria una teoría más refinada y precisa para reemplazar los modelos existentes excesivamente simplificados, es decir, utilizar teorías más complejas para describir las propiedades ópticas de los tejidos biológicos y el comportamiento de la propagación de la luz dentro de ellos. Una de las tareas a realizar es establecer un modelo óptico de tejido preciso que pueda reflejar la estructura espacial y la distribución de tamaño del tejido biológico, las características de dispersión y absorción de cada parte del tejido y los cambios en el índice de refracción bajo ciertas condiciones; el segundo es transformar la ecuación de transmisión, adaptarla a nuevas condiciones y conocer las propiedades fundamentales de la transmisión de luz en tejidos biológicos en determinadas circunstancias.
El método de simulación Monte Carlo de la transmisión de luz juega un papel insustituible en muchos campos. Ya existen algunos algoritmos exitosos, pero debemos continuar desarrollando algoritmos nuevos y más eficientes para satisfacer los requisitos de la diversidad y complejidad de los tejidos biológicos. Además de comprender la distribución de la luz en los tejidos, también estamos explorando la relación empírica entre la distribución macroscópica de la luz en los tejidos biológicos y los parámetros básicos de las propiedades ópticas a partir de una gran cantidad de simulaciones numéricas. Además, el desarrollo de métodos de simulación Monte Carlo para la transmisión de luz en estado estacionario también es una dirección de investigación importante, de la que se puede obtener más información que en condiciones de estado estacionario.
Métodos y técnicas para medir los parámetros ópticos de los tejidos Una vez establecida la teoría de la transmisión de la luz en los tejidos, una tarea clave es determinar los parámetros ópticos básicos de los tejidos, especialmente del cuerpo humano, a saber, el coeficiente de absorción. coeficiente de dispersión y fase de dispersión Función o coseno de dispersión medio g e índice de refracción n, etc. Una vez que se conocen los parámetros de interacción entre la luz y el tejido, la distribución de los caudales de energía luminosa u otros parámetros, como la reflectancia total R y la transmitancia total T, se pueden determinar de forma única mediante el modelo de transmisión relevante para un patrón de iluminación y condiciones límite determinados. En la actualidad, es necesario seguir desarrollando y mejorando los métodos de medición de las propiedades ópticas de los tejidos biológicos, entre los que destacan las pruebas no destructivas in vivo. En este sentido, son de interés los métodos de medición de la resolución temporal y la resolución frecuencial.
La relación entre el índice de refracción del tejido biológico y la dispersión. La gente utiliza datos de índice de refracción supuestos (1,33-1,38) en diversas situaciones, pero el estudio del índice de refracción del tejido biológico todavía se ignora hasta cierto punto. . Hasta ahora, la gente no ha analizado conceptualmente el índice de refracción de los tejidos biológicos en profundidad y no ha dominado completamente el método de medición preciso del índice de refracción de tejidos vivos o incluso aislados. Debido a las fuertes propiedades de dispersión de los tejidos, es difícil medir con precisión y no se han obtenido datos experimentales confiables sobre varios tejidos del cuerpo humano. La práctica ha demostrado que el índice de refracción y los parámetros de dispersión de los tejidos biológicos son muy importantes para la investigación en profundidad de la óptica de los tejidos, tanto teórica como experimentalmente.
En vista de esto, uno de los enfoques debe ser la medición y los métodos del índice de refracción y los parámetros de dispersión de los tejidos biológicos.
Algunas reflexiones sobre el trabajo teórico de la óptica tisular
En resumen, la óptica tisular, como base de la fotónica médica, no solo necesita desarrollar tecnología de medición y establecer una base de datos de parámetros ópticos tisulares. , pero también en teoría, deberíamos centrarnos en resolver los siguientes problemas: a. Continuar mejorando el modelo de transmisión óptica de los tejidos biológicos. En primer lugar, desarrollar un modelo rápido, preciso y menos restrictivo. ser preciso para que sea consistente con los tejidos biológicos, especialmente los tejidos vivos, el estado es similar b. Estudiar el comportamiento de propagación de la luz de pulso corto en los tejidos y las características de variación del tiempo de la luz difusa para hacer suficientes preparativos teóricos para el estudio de imágenes ópticas; Características de propagación de la luz modulada en tejidos biológicos. Por ejemplo, cuando la luz de amplitud modulada irradia un tejido, producirá ondas de densidad de fotones dispersos lentos. Las ondas de densidad de fotones dispersos lentos también sufrirán reflexión, refracción, difracción, dispersión y dispersión, de modo que los parámetros de propiedades ópticas del tejido puedan variar. detectarse de forma no destructiva y también puede utilizarse para obtener imágenes. d.Estudiar la influencia de las propiedades ópticas de dispersión y absorción del tejido biológico en la medición de la fluorescencia y su espectro. Los estudios de simulación numérica han demostrado inicialmente que este efecto no puede ignorarse. e. Simulación por computadora del proceso de transmisión de luz en estructuras de tejido complejas. A través de una gran cantidad de simulaciones, se encuentran reglas simples y efectivas para explicar las características básicas de la transmisión de luz en los tejidos, y se establece la relación entre varios parámetros para proporcionar una base. para la medición de las propiedades ópticas de los tejidos. Proporcionar bases para unificar la descripción de los parámetros ópticos característicos de los tejidos biológicos y establecer un sistema teórico completo de óptica tisular.
Tecnología médica de fotones
La tecnología de fotones médicos se puede dividir en dos categorías: tecnología médica de diagnóstico de fotones y tecnología médica de tratamiento de fotones. El primero utiliza fotones como portadores de información y el segundo utiliza fotones como portadores de energía. En la actualidad, tanto el diagnóstico óptico como la tecnología de tratamiento óptico utilizan láser como fuente de luz. Si nos centramos en las aplicaciones humanas, ambas tecnologías entran en la categoría de medicina láser. La medicina láser es un campo de aplicación único e importante de la tecnología fotónica médica, y también es una nueva rama temática que ha surgido rápidamente en los últimos años (consulte el punto 3 de esta sección para obtener más detalles).
Según los desarrollos nacionales e internacionales, los siguientes puntos son los principales contenidos de investigación de la tecnología de fotones médicos:
Espectroscopia médica La espectroscopia láser es conocida por su alta resolución espectral y temporal y su alta sensibilidad. , alta precisión, no destructiva, segura, rápida y otras ventajas se han convertido en un importante campo de investigación en fotónica médica. Con el profundo desarrollo de la investigación de aplicaciones de la tecnología de espectroscopia láser en el campo médico, se ha ido formando gradualmente una "espectroscopia médica" con potencial de desarrollo y perspectivas de aplicación.
1. Espectros de autofluorescencia y fluorescencia de fármacos de tejidos biológicos. Se ha estudiado preclínicamente el papel de la autofluorescencia inducida por láser y la fluorescencia de fármacos en el diagnóstico de placas ateroscleróticas y tumores malignos. El contenido incluye los espectros de absorción, excitación y emisión de fluorescencia de fotosensibilizadores, así como los espectros característicos de grupos fluorescentes endógenos en tejidos normales y patológicos excitados por láseres de diversas longitudes de onda. Sobre esta base, también se estudió un sistema de procesamiento de imágenes fluorescentes en tiempo real para el diagnóstico y localización del cáncer.
La investigación sobre la espectroscopia de fluorescencia láser en el diagnóstico de tumores siempre ha atraído mucha atención y la sensibilidad del método de prueba espectral es muy alta. Si se pueden encontrar los picos de fluorescencia característicos de las células tumorales para diagnosticar la presencia de células cancerosas, esto desempeñará un papel muy importante en el diagnóstico y tratamiento tempranos de los tumores. Pero hasta ahora, esta tecnología no puede utilizarse sola como base para la detección de células cancerosas en la práctica clínica. La razón clave es que no se ha encontrado el pico de fluorescencia característico real de las células cancerosas. Los actuales picos de fluorescencia característicos son en realidad sólo picos de fluorescencia de las moléculas de porfirina. Es necesario juzgar objetiva y científicamente los criterios de diagnóstico del espectro de fluorescencia del láser para tumores. En la actualidad, el diagnóstico por fluorescencia farmacológica de algunos cánceres ha entrado en ensayos clínicos y la aplicación de la autofluorescencia aún está en proceso de exploración. Es necesario estudiar el mecanismo de excitación láser de tejidos biológicos y sustancias intracelulares, explorar la correlación entre la autofluorescencia tisular inducida por láser y los tipos patológicos de tejido canceroso, y estudiar el espectro de fluorescencia, el rendimiento de fluorescencia y la longitud de onda de excitación óptima de nuevos fotosensibilizadores para obtener extremadamente estable Los datos característicos fiables proporcionan una base científica para el desarrollo de la tecnología de diagnóstico. 2. Espectro Raman de tejidos biológicos. En los últimos años, la aplicación de la espectroscopia Raman en medicina ha demostrado sus ventajas en cuanto a sensibilidad, resolución y no destructividad, superando los problemas de los espectros de fluorescencia que afectan el diagnóstico preciso debido al ancho de banda de fluorescencia y la fácil superposición de macromoléculas biológicas.
En la actualidad, este campo de investigación está todavía en sus inicios y se deben intensificar los siguientes trabajos de investigación: primero, estudiar los espectros Raman de sustancias médicas importantes y establecer su base de datos espectral (incluida la intensidad de las líneas características sensibles y sus componentes moleculares correspondientes). y estructuras); en segundo lugar, estudiar el espectro Raman de enfermedades y analizar los cambios en los componentes biológicos y la patogénesis desde cambios normales a patológicos. En tercer lugar, desarrollar espectrómetros Raman médicos pequeños y eficientes e instrumentos de diagnóstico adecuados para la superficie y el cuerpo. 3. Espectroscopia ultrarrápida de tejidos biológicos con resolución temporal. La espectroscopia ultrarrápida de resolución temporal es técnicamente más sensible, objetiva y selectiva que la espectroscopia en estado estacionario. Por lo tanto, la aplicación médica de fuentes de pulsos láser ultracortos con anchos de pulso de ps y fs ha atraído una atención generalizada. En primer lugar, se debe desarrollar una tecnología de espectroscopía de fluorescencia ultrarrápida de resolución temporal para medir el tiempo de decadencia de la fluorescencia de los tejidos biológicos y biomoléculas, analizar la dinámica de relajación molecular de los tejidos tumorales y proporcionar datos básicos para futuras investigaciones sobre el diagnóstico por autofluorescencia de tumores malignos; Es necesario desarrollar tecnología de espectroscopia de reflectancia (transmisión) difusa ultrarrápida con resolución temporal. La reflectancia difusa del tejido se mide en el dominio del tiempo, determinando así indirectamente las propiedades ópticas del tejido. Se trata de un nuevo método de medición en tiempo real, no destructivo y adecuado para cuerpos vivos, que abre nuevas formas de comprender la interacción entre la luz y los tejidos biológicos y resolver problemas de medición básicos en fotónica médica. Debemos prestar mucha atención a la investigación sobre principios y técnicas para obtener valiosos parámetros ópticos in vivo que sirvan de base para el desarrollo de la tecnología de fotodiagnóstico y fototerapia.
El objetivo de la tecnología de imágenes médicas es desarrollar métodos y tecnologías de imágenes ópticas de alta resolución sin daños por radiación a los tejidos biológicos. Al mismo tiempo, deben ser no invasivos, en tiempo real, seguros y económicos. , a pequeña escala y se puede utilizar en la naturaleza. Monitorear la composición química del tejido vivo. En la actualidad, el trabajo de investigación se centra principalmente en los siguientes aspectos:
1. La tecnología de imágenes resueltas en el tiempo utiliza un láser de pulso ultracorto como fuente de luz y utiliza compuertas de acuerdo con las características resueltas en el tiempo del pulso de luz. propagándose en el tejido, la tecnología separa la llamada luz temprana que no se dispersa en el pulso de reflexión difusa para obtener imágenes. Las puertas de tiempo típicas que se estudian incluyen cámaras de racha, puertas de Kerr, holografía de electrones, etc. Esta técnica es una de las técnicas de tomografía óptica más importantes. 2. Tecnología de imágenes de resolución coherente (OCT). Utiliza fuentes de luz débilmente coherentes (como láseres pulsados débilmente coherentes o fuentes de luz incoherentes de banda ancha) con longitudes de coherencia muy cortas (como 20 μm). La baja coherencia de la fuente de luz se utiliza para lograr imágenes a través del medio de dispersión, y los métodos de implementación incluyen interferómetros, holografía, etc. 3. Tecnología de imágenes de ondas de densidad de fotones difusos. La luz dispersada a través del tejido biológico representa una proporción significativa y también puede utilizarse en imágenes médicas. Se inyecta luz modulada de alta frecuencia en el tejido biológico y los fotones difusos se distribuyen periódicamente en el tejido biológico para formar ondas de densidad de fotones difusos. Esta onda de densidad de fotones se propaga en los tejidos biológicos con una cierta velocidad de fase y un coeficiente de atenuación de amplitud. Después de la refracción, difracción, dispersión y dispersión, la luz emitida transporta información sobre la estructura interna de los tejidos biológicos. Al medir su amplitud y fase, se pueden obtener imágenes relevantes de tejidos biológicos después del procesamiento de datos por computadora. 4. Tecnología de reconstrucción de imágenes. La información sobre las características estructurales de los medios de dispersión biológica está oculta en la luz dispersa. Si podemos encontrar las reglas que describen la migración de la luz en el medio y rastrear la trayectoria de dispersión del ojo probando los parámetros relevantes de la luz dispersada, deberíamos poder reconstruir la imagen estructural del medio de dispersión. Si se utiliza un láser bloqueado como fuente de luz, la cámara de racha prueba los parámetros resueltos en el tiempo de la luz dispersada alrededor del dispersor y luego utiliza un algoritmo de problema inverso para reconstruir la imagen. Actualmente existen dos algoritmos de problema inverso: uno es el método Monte Carlo, que tiene una alta precisión de reconstrucción de imágenes, pero el cálculo es complejo, el otro se basa en la ecuación de transmisión de luz y utiliza un algoritmo de optimización para reconstruir la señal de luz dispersada con el tiempo; resolución alrededor de la imagen de prueba.
Además de las cuatro tecnologías anteriores, en los últimos años también se han desarrollado otras tecnologías de imágenes de tejidos biológicos, como la tecnología de imágenes con puerta espacial, imágenes de fluorescencia resueltas en el tiempo, imágenes de dispersión Raman estimuladas y tecnología de imágenes médicas fotoacústicas. . En la actualidad, la tecnología internacional de imágenes médicas ópticas se encuentra todavía en la etapa de investigación preliminar y aún está lejos de su aplicación práctica, pero la gente ya ha visto sus albores.
Láseres semiconductores médicos y su tecnología de aplicación Como los láseres semiconductores tienen una serie de ventajas significativas, como tamaño pequeño, alta eficiencia y una variedad de longitudes de onda para elegir en situaciones de larga duración, han ido reemplazando gradualmente al láser. tecnología médica de diagnóstico. La tendencia de otros láseres y, por lo tanto, puede convertirse en la fuente de luz más importante para los instrumentos médicos láser.
En la actualidad, los láseres semiconductores de baja potencia con una longitud de onda de 800 nm ~ 900 nm y una potencia de 3 ~ 10 mW han reemplazado gradualmente a los láseres de helio-neón para el tratamiento de irradiación y el tratamiento de acupuntura con luz, así como varias fuentes de luz indicadoras; con una longitud de onda de 652 nm ~ 690 nm y una potencia de 1 ~ 5 W, ha reemplazado gradualmente a los láseres de colorante en la terapia fotodinámica y puede tratar tumores profundos. Los láseres semiconductores de alta potencia también pueden sustituir a las máquinas de tratamiento con láser Nd:YAG. Por ejemplo, un láser semiconductor de alta potencia con una longitud de onda de 800 nm ~ 900 y una potencia de 30 W puede penetrar profundamente en los tejidos y es adecuado para la mayoría de las enfermedades que pueden tratarse con láser Nd: YAG.
Otras tendencias de desarrollo en la tecnología láser médica En los últimos años, también hay tendencias de investigación notables: en primer lugar, el desarrollo de instrumentos médicos láser con nuevas longitudes de onda de trabajo, en segundo lugar, los bisturís láser ho: YAG y er: YAG; se ha puesto en práctica; el tercero es desarrollar tecnología médica con láser de fibra endoscópica adecuada para el tratamiento endovascular; el cuarto es hacer que los equipos médicos con láser sean inteligentes;
Medicina láser
La tecnología de fototerapia y diagnóstico de luz, que utiliza el láser como fuente de luz y se centra en la aplicación del cuerpo humano, ha abierto un nuevo e importante campo de la medicina láser. Con el paso de los años, la tecnología láser se ha convertido en un medio eficaz de tratamiento clínico y una tecnología clave en el desarrollo del diagnóstico médico. Ha resuelto muchos problemas difíciles de la medicina y ha contribuido al desarrollo de la medicina. En la actualidad, ha mantenido un impulso de desarrollo vigoroso y sostenido en la investigación básica, el desarrollo de nuevas tecnologías, el desarrollo y la producción de nuevos equipos. En la actualidad, la destacada investigación sobre aplicaciones en medicina láser se refleja principalmente en los siguientes aspectos:
1. La terapia fotodinámica (PDT) para el tratamiento del cáncer es un tema de gran preocupación en todo el mundo. Después de inyectar al cuerpo humano un fotosensibilizador que puede agregar tumores, se irradia con láser para producir un efecto fotoquímico que puede matar selectivamente las células tumorales. Actualmente existen dos problemas principales: en primer lugar, la fotosensibilidad de la piel tiene efectos secundarios graves y es necesario protegerla de la luz durante mucho tiempo; sin embargo, la profundidad de penetración del láser en el cuerpo humano es demasiado superficial y los tumores profundos no pueden hacerlo; ser tratado fotoquímicamente, por lo que la posibilidad de recurrencia es muy alta. Actualmente, estamos desarrollando activamente fotosensibilizadores con excelente rendimiento y láseres que pueden penetrar tejidos profundos e interactuar bien con los fotosensibilizadores. Las perspectivas de esta terapia siguen siendo muy optimistas.
2. Tratamiento con láser de enfermedades cardiovasculares La angioplastia coronaria percutánea con láser ha logrado grandes avances en el tratamiento de la estenosis y oclusión de las arterias coronarias. La angioplastia coronaria con láser excimer se ha convertido en la primera opción. Sin embargo, actualmente es difícil promover eficazmente esta tecnología porque es necesario resolver problemas como la reestenosis de la luz. Además de la angioplastia coronaria mencionada anteriormente, la reconstrucción vascular del miocardio, la ablación directa con láser de puntos de ritmo cardíaco anormal y el tratamiento de arritmias graves también son puntos de investigación actuales.