生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的基礎(chǔ)理論ppt課件

生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)基礎(chǔ)理論 生物電磁學(xué)生物力學(xué)超聲醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)生物技術(shù) 生物電磁學(xué) 生物電磁學(xué) 生物電磁學(xué)是研究生物體的電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象以及生物電磁的應(yīng)用的一門學(xué)科 生物電磁學(xué)是建立在膜生物物理學(xué)基礎(chǔ)之上的側(cè)重于從宏觀角度研究生物電現(xiàn)象和生物磁現(xiàn)象 現(xiàn)代生物電磁學(xué)在很多方面都已深入到細(xì)胞級(jí)甚至是分子級(jí)的研究水平 生物電磁學(xué)的研究范圍 外界電磁波 場(chǎng) 與生物體的相互作用主要包括生物組織的介電特性 各層次的生物學(xué)效應(yīng)及其作用機(jī)理 生物電磁劑量容許暴露限值 生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用及用于生物和醫(yī)療的輻射系統(tǒng)等 Bioelectromagnetics生物體自身產(chǎn)生的電磁現(xiàn)象主要包括電磁現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理 電磁信號(hào)的測(cè)量 處理和應(yīng)用等 Bioelectromagnetism 主要內(nèi)容 生物電及生物電的發(fā)現(xiàn)生物電現(xiàn)象電磁波在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用微波的生物效應(yīng)毫米波生物學(xué)效應(yīng)生物磁場(chǎng)現(xiàn)象生物電磁劑量學(xué)和電磁輻射的安全標(biāo)準(zhǔn)生物電磁場(chǎng)熱點(diǎn)問(wèn)題 生物電磁學(xué) 生物電生物電的發(fā)現(xiàn) 生物電 生物電現(xiàn)象是 生命的火花 一旦生命活動(dòng)停止 電現(xiàn)象也就消失了 正常的生物電活動(dòng)是生物和人體保持生命功能必不可少的條件 若由于機(jī)體內(nèi)部或外界原因造成生物電活動(dòng)障礙 如神經(jīng)中毒 心電傳導(dǎo)阻滯等 會(huì)引起疾病甚至死亡 生物電的主要基礎(chǔ)是細(xì)胞膜內(nèi)外有電位差 即膜電位 生物電現(xiàn)象是生物系統(tǒng)內(nèi)一種普遍的共有現(xiàn)象 生物電的測(cè)量宏觀測(cè)量 如腦電 心電和肌電等 微觀測(cè)量 利用微電極技術(shù)測(cè)量到單個(gè)細(xì)胞的電活動(dòng) 生物電的發(fā)現(xiàn) 人類很早就發(fā)現(xiàn)了生物體的電現(xiàn)象 早在公元前300多年前 古希臘人亞里士多德記載了地中海電鰩有強(qiáng)烈的 震擊 作用 以后的資料陸續(xù)記載了非洲尼羅河內(nèi)的電鯰和美洲的電鰻等都具有發(fā)電器官 早在公元一世紀(jì) 古羅馬的醫(yī)生就曾用電鰻的放電來(lái)治療痛風(fēng) 人類關(guān)于生物電現(xiàn)象的系統(tǒng)研究 就起源于伽伐尼與伏特的有益爭(zhēng)論 從科學(xué)發(fā)展史可知 對(duì)生物體內(nèi)電現(xiàn)象的深入研究 開始于意大利的醫(yī)生 生理學(xué)家伽伐尼與同時(shí)代的物理學(xué)家伏特間的一場(chǎng)著名爭(zhēng)論 1678年荷蘭生物學(xué)家斯威莫爾登用蛙的肌肉做實(shí)驗(yàn) 他把肌肉放在玻璃管內(nèi) 用一根銀絲和一根銅棒去觸及肌肉 可引起肌肉的收縮活動(dòng) 伽伐尼于1791年發(fā)表了 肌肉運(yùn)動(dòng)中的電效應(yīng) 提出 一塊蛙的神經(jīng) 肌肉標(biāo)本 即使放在離放電的靜電區(qū)很遠(yuǎn)的地方 當(dāng)觀察者觸及它時(shí) 也會(huì)發(fā)生收縮 在雷電時(shí)刻豎立一條長(zhǎng)的導(dǎo)線 那么大氣的電荷也可用來(lái)刺激蛙腿 當(dāng)將蛙腿用銅鉤掛在鐵欄桿上時(shí) 即使沒有雷電 也會(huì)產(chǎn)生收縮 伽伐尼將這些現(xiàn)象發(fā)生的原因歸之于標(biāo)本中帶有動(dòng)物電 他認(rèn)為 神經(jīng)與肌肉帶有相反的電荷 而金屬導(dǎo)體的作用僅是把神經(jīng)與肌肉之間的通路接通而已 伏特認(rèn)為 伽伐尼實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的所有能使蛙肌肉收縮的實(shí)驗(yàn)都是由于雙金屬電流所引起的 他認(rèn)為只要具備三件東西 即兩種不同的金屬以及完成電路的導(dǎo)體就能產(chǎn)生電流 由于伽伐尼連接標(biāo)本所用的金屬性質(zhì)不同就可以產(chǎn)生電位差 而神經(jīng)肌肉上的組織液體是含有電解質(zhì)的 因此 用金屬與組織液接觸時(shí)就產(chǎn)生了電流 蛙肌肉只充當(dāng)了電路的導(dǎo)體 伏特認(rèn)為伽伐尼實(shí)驗(yàn)中所發(fā)生的現(xiàn)象 是外加電流刺激了肌肉標(biāo)本 才引起肌肉收縮 伏特和伽伐尼的爭(zhēng)論促使他們各自的派別進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn) 以此驗(yàn)證自己論點(diǎn)的正確 伏特采用一組銅板和一組鋅板 中間用鹽水浸過(guò)的呢絨隔開 由于不同金屬與電解質(zhì)相接觸 產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì) 制造出了世界上第一個(gè)直流電電池 伏特電池 這也是科學(xué)史上的一個(gè)重大發(fā)現(xiàn) 伽伐尼為了驗(yàn)證自己的觀點(diǎn) 舍去金屬作為通路 他發(fā)現(xiàn) 在無(wú)金屬參與的情況下 神經(jīng)肌肉標(biāo)本上的肌肉仍可發(fā)生收縮現(xiàn)象 這就有力地證明了生物電的存在 生物電磁學(xué) 生物電現(xiàn)象 生物電現(xiàn)象 人體和動(dòng)物組織在靜止?fàn)顟B(tài)和活動(dòng)狀態(tài)都會(huì)產(chǎn)生與生命狀態(tài)密切相關(guān)的有規(guī)律的電現(xiàn)象 它是生物體興奮的重要標(biāo)志 也是活組織的基本特征之一 心臟的跳動(dòng) 肌肉的收縮 大腦的活動(dòng)等所體現(xiàn)的電活動(dòng)都與單個(gè)細(xì)胞的電活動(dòng)有關(guān) 人體內(nèi)各部位產(chǎn)生的瞬時(shí)電位差 可以揭示出體內(nèi)電活動(dòng)的某些特性 現(xiàn)代醫(yī)學(xué)臨床和研究已廣泛使用心電圖 腦電圖 肌電圖 胃電圖 眼電圖等來(lái)記錄人體各部分器官的生物電變化 研究生物電現(xiàn)象的生理學(xué)被稱為電生理學(xué) 生物電現(xiàn)象 心電腦電肌電其它生物電多道生理記錄儀 心電 心臟的傳導(dǎo)系統(tǒng)系指由一系列特殊心臟細(xì)胞聯(lián)結(jié)組成的傳導(dǎo)系統(tǒng) 這些細(xì)胞組織既有自動(dòng)產(chǎn)生興奮的功能 又有較一般心肌細(xì)胞更快的傳導(dǎo)功能 這樣使興奮有節(jié)律地按一定順序傳播 使心臟保持正常的有節(jié)律的收縮和舒張 以維持血液循環(huán) 心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)包括竇房結(jié) 結(jié)間束 房室結(jié) 房室束 希氏束 和其分支以及分布到心室內(nèi)的浦肯野纖維網(wǎng) 正常心臟興奮的起源點(diǎn)在竇房結(jié) 心臟是人體中血液循環(huán)的動(dòng)力源泉 依靠心臟有節(jié)律性的搏動(dòng) 使得血液不斷在體內(nèi)循環(huán) 以維持正常的生命活動(dòng) 哺乳動(dòng)物的心臟活動(dòng)可概括為兩個(gè)過(guò)程 心房收縮推動(dòng)血液進(jìn)人心室 由房室瓣膜控制血流流動(dòng)方向 心室收縮推動(dòng)血液進(jìn)人主動(dòng)脈和肺動(dòng)脈 血液流動(dòng)由半月瓣和肺動(dòng)脈瓣控制 心臟在搏動(dòng)之前 心肌首先發(fā)生興奮 在興奮過(guò)程中產(chǎn)生微弱電流 該電流經(jīng)人體組織向各部分傳導(dǎo) 由于身體各部分的組織不同 各部分與心臟間的距離不同 因此在人體體表各部位 表現(xiàn)出不同的電位變化 這種人體心臟內(nèi)電活動(dòng)所產(chǎn)生的表面電位與時(shí)間的關(guān)系稱為心電圖 也稱體表心電圖 心臟興奮與相應(yīng)的心電圖波形 P波代表左右兩心房興奮除極過(guò)程所產(chǎn)生的電壓變化 P R期間代表心房開始除極傳經(jīng)房室結(jié) 希氏束至心室開始除極前的時(shí)間 QRS綜合波代表室間隔與左右兩心室除極過(guò)程產(chǎn)生的電壓變化 ST段代表心室除極后慢慢恢復(fù)極化過(guò)程的電壓變化 T波代表心室肌迅速恢復(fù)極化過(guò)程的電壓變化 U波是在T波后的一個(gè)很小的正向波 代表心肌激動(dòng)的 負(fù)后電位 心臟病人心電圖中各波的波形 幅度 占有時(shí)間以及波形偏轉(zhuǎn)方向等與正常心電圖之間的差異 就是利用心電圖診斷心臟疾病的依據(jù) 隨著臨床心電圖學(xué)的發(fā)展 又出現(xiàn)了心電向量圖 心室晚電位 希氏束電圖 高頻心電圖等方法 腦電 人類大腦神經(jīng)細(xì)胞數(shù)量達(dá)150億個(gè) 神經(jīng)元像人體中的其他細(xì)胞一樣 具有生物電活動(dòng) 神經(jīng)細(xì)胞的跨膜靜電息電位 或稱膜電位 大約為 70mV 這個(gè)靜息電位可認(rèn)為是由K 外流而形成的 大腦皮層中單個(gè)神經(jīng)元的膜電位通常在頭皮上檢測(cè)不到 在頭皮上檢測(cè)到的電位變化 腦電波是由大腦皮層中無(wú)數(shù)個(gè)神經(jīng)元同步化的電活動(dòng)所形成 大腦皮層具有持續(xù) 廣泛而有節(jié)律的電位變化 這種不受外界刺激的腦電變化稱為自發(fā)腦電位 EEG 腦的電活動(dòng)可以為直接的或外界的確定性刺激 電 光 聲等刺激 所影響 產(chǎn)生另一種局部化的電位變化稱為誘發(fā)腦電位 EP 通常從人的頭皮上所引導(dǎo)的誘發(fā)電位幅度較小 在0 10 V 且常被淹沒在自發(fā)腦電波中而難以觀察 如果把一串相同的刺激做出的反應(yīng)所獲得的誘發(fā)電位加以疊加平均 則所產(chǎn)生的波形叫作平均誘發(fā)電位 AEP 腦電圖信號(hào) 腦電圖是一種隨機(jī)性很強(qiáng)的生理信號(hào) 其規(guī)律性不如心電圖明確 通常將腦電圖的振幅和頻率成分作為腦電診斷時(shí)的主要依據(jù) 而頻率成分顯得尤為重要 因?yàn)榇竽X活動(dòng)的程度與腦電圖的平均頻率之間有密切的關(guān)系 自發(fā)腦電活動(dòng)通常以一種占優(yōu)勢(shì)的頻率為其標(biāo)志 自發(fā)腦電信號(hào)較弱 在正常情況下 從波峰到波谷 幅值 為10 100 V 其頻率范圍為1 50Hz 波形因不同的腦部位置而異 并與覺醒和睡眠的水平有關(guān) 且存在很大的個(gè)體差異 也就是說(shuō)腦電波在不同的正常人中也存在著不同的表現(xiàn) 在國(guó)際上 一般將正常腦電活動(dòng)相關(guān)的腦電波頻率范圍劃分成五種類型 頻率由高到低依次為 波 波 波 波 波 波通常在覺醒 安靜和閉眼時(shí)出現(xiàn)在枕葉 即腦在休息 但未人睡 時(shí)出現(xiàn) 波 睜眼或人睡時(shí) 波消失 波存在很大的個(gè)體差異 約有10 的正常人記錄不到典型的 波 波具有較高的頻率 常見于緊張的精神活動(dòng)期間 波主要見于兒童和成人淺睡時(shí) 出現(xiàn)在頂部和顳部 波出現(xiàn)于成人深睡時(shí) 以及早產(chǎn)嬰兒和幼兒 成人極度疲勞和麻醉時(shí)也出現(xiàn) 波 波是由注意或感覺刺激引起的一種低幅高頻波 腦電圖波可以因大腦皮層和腦干病理所改變 例如皮層中電活動(dòng)的消失或阻尼可能是由于腫瘤壓迫在神經(jīng)元上并使其損傷 也可能是由于循環(huán)障礙引起缺氧 出血或栓塞 腦電圖的波形也受影響意識(shí)水平的腦干中的病理過(guò)程所影響 腦電圖是診斷某些精神疾患的重要依據(jù) 例如在臨床上可應(yīng)用于檢查疑似癲癇和腦腫瘤病人 還可以用于測(cè)定意識(shí)水平和確定大腦的死亡 采用誘發(fā)電位研究感覺系統(tǒng)投射部位及大腦皮層功能有重要作用 誘發(fā)電位可在腦皮層和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的其他部位 如丘腦 中腦等 引出 可從一個(gè)角度闡明中樞神經(jīng)系統(tǒng)各部分之間 大腦皮層各部分以及皮層下不同細(xì)胞成分相互作用的機(jī)制 人的精神狀態(tài)對(duì)腦電活動(dòng)有極大影響 因此 腦電圖對(duì)高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)特別是心理活動(dòng)具有重要意義 這對(duì)于模擬大腦功能及認(rèn)知研究 人工智能研究等都具有非常重要的意義 肌電 興奮和收縮是骨骼肌的最基本機(jī)能 也是肌電圖形成的基礎(chǔ) 肌電圖是不同機(jī)能狀態(tài)下骨骼肌電位變化的記錄 這種電位變化與肌肉的結(jié)構(gòu) 收縮時(shí)的化學(xué)變化有關(guān) 在肌細(xì)胞中存在四種不同的生物電位 靜息電位 RP 動(dòng)作電位 AP 終板電位 EPP 和損傷電位 IP 肌電圖能直接反映肌肉活動(dòng)的機(jī)能狀態(tài) 有助于了解各部分肌肉在完成某一動(dòng)作中所表現(xiàn)的作用 其它生物電 研究證明 生物體除心臟及腦的活動(dòng)能產(chǎn)生電現(xiàn)象外 許多其他器官 組織都存在不同程度的電現(xiàn)象 胃電圖 EGG 通過(guò)附在腹部皮膚上的電極測(cè)量的胃電信號(hào)記錄 由于胃電信號(hào)的頻率很低 僅0 05Hz 通常與呼吸干擾 0 2 0 4Hz 心電信號(hào) 0 8 1 0Hz 電極與皮膚的接觸噪聲 3Hz 及其他噪聲混疊 因而造成檢測(cè)困難 視網(wǎng)膜電圖眼電圖眼震電圖 1 視網(wǎng)膜電圖 ERG 當(dāng)視網(wǎng)膜受到瞬間閃光刺激時(shí) 安放在視網(wǎng)膜內(nèi)表面或角膜上的探測(cè)電極與安放在前額或耳垂部位的參考電極之間 可記錄到短暫的電位順序變化 這些電位變化總和稱為視網(wǎng)膜電圖 2 眼電圖 EOG 眼運(yùn)動(dòng)引起的電位變化記錄 眼電圖可提供眼睛的取向 角速度 角加速度的影響 可作為研究藥物對(duì)眼運(yùn)動(dòng)的影響 以及研究睡眠和視角搜查時(shí)眼運(yùn)動(dòng)的手段 3 眼震電圖 ENG 眼球運(yùn)動(dòng)時(shí)角膜和視網(wǎng)膜電位變化的記錄 眼震電圖用于判定前底系統(tǒng) 中樞神經(jīng)系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)的功能 在臨床體檢 特種人員的選拔和健康鑒定方面均有廣泛的應(yīng)用 多道生理記錄儀 生物電磁學(xué) 電磁波在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 電磁波在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 幾乎所有的電磁波頻段都在醫(yī)學(xué)上獲得應(yīng)用 電磁波傳播及其與不同媒介相互作用的基本效應(yīng) 要取決于電磁波頻率 功率及射頻信號(hào)波形等參數(shù) 當(dāng)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)研究時(shí) 它們常被作為生物效應(yīng)參數(shù) 此外還要考慮輻照時(shí)間 按照電磁波對(duì)原子 分子結(jié)構(gòu)作用的特點(diǎn) 可分成電離輻射與非電離輻射兩類 若為前者 電磁波有可能引起原子或分子電離 從而導(dǎo)致對(duì)生物體的強(qiáng)烈不可逆作用 若屬后者 則作用相對(duì)很弱而且多是可逆的 電磁波的生物學(xué)效應(yīng)不僅對(duì)生物體有熱效應(yīng) 而且有非熱效應(yīng) 熱效應(yīng)又稱為能量效應(yīng) 是指通過(guò)微波照射生物體引起其組織器官生熱所產(chǎn)生的生理影響 根據(jù)照射能量的不同可分為溫?zé)嶂委?高溫消融 電灼 電凝 切割等熱療方法 根據(jù)使用頻率的不同 而對(duì)皮膚的穿透深度不同 又可分為淺表熱療 深部透熱治療 各種用途的微波熱療機(jī) 消融儀 微波電刀已成為醫(yī)院重要治療手段之一 非熱效應(yīng)往往利用的是弱信號(hào) 機(jī)體組織不產(chǎn)生明顯的發(fā)熱現(xiàn)象 這類電磁波生物效應(yīng)也被稱作 信息效應(yīng) 生物電磁學(xué) 微波的生物效應(yīng) 微波的生物效應(yīng) 微波是指300MHz至300GHz的電磁波 微波對(duì)人體和動(dòng)物的作用具有兩重性 如果輻射劑量控制適當(dāng) 對(duì)人體和動(dòng)物可以產(chǎn)生良好的刺激作用 加速血液循環(huán) 血管擴(kuò)張 刺激器官功能 促進(jìn)新陳代謝 改善局部營(yíng)養(yǎng) 從而促進(jìn)機(jī)體的修復(fù)與再生 甚至選擇性殺滅腫瘤細(xì)胞 增強(qiáng)機(jī)體抗電離輻射的能力 因此微波輻射療法已廣泛應(yīng)用于臨床 高強(qiáng)度微波輻射或低強(qiáng)度的長(zhǎng)期照射都有可能對(duì)人體健康產(chǎn)生不良影響 形成所謂的 無(wú)線電波作用綜合征 生物電磁學(xué) 毫米波生物學(xué)效應(yīng) 毫米波生物學(xué)效應(yīng) 毫米波是指自由空間波長(zhǎng)在1 10mm的電磁波 相應(yīng)的頻率范圍是30 300GHz 處于微波波段的高頻段 毫米波醫(yī)療的基本原因在于提高機(jī)體的非特異抵抗力和調(diào)動(dòng)機(jī)體的內(nèi)部潛力 基本的醫(yī)療方式是用毫米波能量輻射人體的有關(guān)部位 雖然毫米波只是在局部的皮膚表層被吸收 但由于在波的作用場(chǎng)內(nèi)存在有感受細(xì)胞 血管 神經(jīng)纖維等 因此有可能通過(guò)機(jī)體的神經(jīng)纖維和體液系統(tǒng)將作用擴(kuò)展到整個(gè)機(jī)體 對(duì)各種疾病 包括遠(yuǎn)離照射部位的疾患產(chǎn)生治療效果 毫米波在生物效應(yīng)方面的特點(diǎn) 使其在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中較其他微波段的臨床應(yīng)用有某些特色和優(yōu)點(diǎn) 具有非侵入性 對(duì)機(jī)體無(wú)損傷 易于配合藥物或其他療法進(jìn)行治療 治療劑量小 基本無(wú)變態(tài)反應(yīng) 無(wú)副作用和遠(yuǎn)期后遺癥 毫米波能提高機(jī)體的總緊張度 從而使患者有舒服的感覺 有抗應(yīng)激因子的作用 能提高機(jī)體的免疫力 還可鎮(zhèn)定止痛 毫米波對(duì)多種疾病有綜合治療作用 而且治療過(guò)程中病人無(wú)痛苦 因此易于被患者接受 能改善人體的耐毒狀態(tài) 提高血液的質(zhì)量 而且有明顯的升白作用 生物電磁學(xué) 生物磁場(chǎng)現(xiàn)象 生物磁場(chǎng)現(xiàn)象 正常人體組織磁化率小 沒有剩余的磁矩 因此 長(zhǎng)期以來(lái)人們并不了解人體或生物存在著磁場(chǎng) 根據(jù)物理學(xué)中的比奧 薩代定律 電荷的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng) 因此人體中凡能產(chǎn)生生物電現(xiàn)象的部位同時(shí)會(huì)產(chǎn)生生物磁現(xiàn)象 生物磁場(chǎng)很微弱 20世紀(jì)60年代中期之前缺乏測(cè)量微弱磁信號(hào)的有效手段 環(huán)境磁噪聲 包括地磁場(chǎng)和人工磁場(chǎng)源 比生物磁信號(hào)強(qiáng)成千上萬(wàn)倍 微弱的生物磁信號(hào)被環(huán)境磁噪聲淹沒 給測(cè)量工作帶來(lái)困難 生物磁場(chǎng)的來(lái)源 1 生物電流是引起生物磁場(chǎng)的源泉 2 由生物磁性材料產(chǎn)生的感應(yīng)場(chǎng) 3 生物體本身含有的磁性物質(zhì)產(chǎn)生的磁場(chǎng) 1 生物電流是引起生物磁場(chǎng)的源泉各種生命活動(dòng) 例如 電子傳遞 離子轉(zhuǎn)移 神經(jīng)電活動(dòng)等均屬生物電過(guò)程 會(huì)產(chǎn)生頻率 強(qiáng)度 波形各異的生物電流和伴隨的微弱生物磁場(chǎng) 例如人體的心磁 腦磁 肌磁等都是由心電 腦電 肌電所引起的磁場(chǎng) 2 由生物磁性材料產(chǎn)生的感應(yīng)場(chǎng)活體組織 器官等的組成物質(zhì)具有一定的磁性 稱為生物磁性材料 它們?cè)诘卮艌?chǎng)及其他外界磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生感應(yīng)場(chǎng) 例如人的脾臟所呈現(xiàn)的磁性就屬于這一類 3 生物體本身含有的磁性物質(zhì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)生物體所含磁性物質(zhì)包括兩個(gè)方面 一種是生物體中所具有的磁性物質(zhì) 另一種是生物在環(huán)境中吸人或食人體內(nèi)的磁性物質(zhì) 所導(dǎo)致的剩余磁場(chǎng) 非生物本身固有的磁場(chǎng) 生物磁測(cè)量的特點(diǎn) 測(cè)定生物磁場(chǎng)時(shí) 無(wú)需使用電極就能測(cè)得生物組織的內(nèi)源電流 在身體表面安放電極是不可能測(cè)得身體內(nèi)部的直流電 檢測(cè)生物磁場(chǎng)無(wú)需使用與生物體接觸的電極 就能測(cè)定生物組織的內(nèi)源電流 同時(shí)避免了使用電極所引起的電極干擾 可以同時(shí)測(cè)量恒定的生物磁場(chǎng)和交變的生物磁場(chǎng) 可以獲得生物磁場(chǎng)的三維空間分布 通過(guò)測(cè)量體外磁場(chǎng)強(qiáng)度和分布 可以了解體內(nèi)強(qiáng)磁性物質(zhì)的含量和分布 有助于診斷和檢查某些職業(yè)病 生物磁測(cè)量 人體磁性活動(dòng)具有普遍性 但限于檢測(cè)水平和應(yīng)用 目前探測(cè)到的只有心磁場(chǎng) 腦磁場(chǎng) 肺磁場(chǎng) 肌磁場(chǎng) 眼磁場(chǎng) 肝磁場(chǎng)等 磁場(chǎng)對(duì)人體的作用 磁場(chǎng)療法 簡(jiǎn)稱磁療 是在人體的一定部位 經(jīng)穴或患處 施加恒定或變化的磁場(chǎng)治療疾病的方法 磁場(chǎng)具有鎮(zhèn)痛 鎮(zhèn)靜 上瀉 消炎等功能 臨床上已能治療急性扭挫傷 腰肌勞損 風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎 高血壓 神經(jīng)性頭痛 支氣管哮喘 功能性腹瀉 痛經(jīng)等數(shù)十種常見病和多發(fā)病 磁療具有以下特點(diǎn) 對(duì)癥療效顯著 適應(yīng)證廣 經(jīng)濟(jì)節(jié)約 易學(xué)易用 省時(shí)省事 無(wú)痛苦 無(wú)創(chuàng)傷等 可同時(shí)治療幾種疾病 可與其他療法配合治療 生物電磁學(xué) 生物電磁劑量學(xué)電磁輻射的安全標(biāo)準(zhǔn) 生物電磁劑量學(xué) 生物電磁學(xué)的一個(gè)基本問(wèn)題是確定什么樣的電磁場(chǎng)產(chǎn)生何種效應(yīng) 這就需要測(cè)定生物體在特定照射條件下所接受的劑量 一般采用單位質(zhì)量吸收的功率 次吸收率SAR 描述生物體受到電磁場(chǎng)作用的實(shí)際強(qiáng)度 包括平均SAR和局部SAR 方法學(xué)上又分為理論劑量學(xué)和實(shí)驗(yàn)計(jì)量學(xué) 理論計(jì)量學(xué)采用適當(dāng)?shù)哪Ｐ?通過(guò)計(jì)算 確定人體和動(dòng)物體內(nèi)電磁場(chǎng)分布或吸收功率密度 采用形狀與人體相似的分塊模型 利用計(jì)算機(jī)技術(shù) 使模型計(jì)算的電磁參數(shù)接近真實(shí)情形 實(shí)驗(yàn)劑量學(xué)采用實(shí)驗(yàn)手段來(lái)測(cè)定 從方法學(xué)上又分為兩個(gè)發(fā)展方向 電測(cè)法和熱測(cè)法 電測(cè)法直接測(cè)量照射生物模型或?qū)嶓w內(nèi)的電磁劑量 熱測(cè)法根據(jù)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系 通過(guò)溫度測(cè)量 熱量測(cè)量或紅外熱像法確定吸收的電磁劑量 新型電子和光學(xué)器件 多維溫度和熱像檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā) 給實(shí)驗(yàn)劑量學(xué)研究創(chuàng)造了條件 今后的發(fā)展方向是模型的完善和計(jì)算方法的改進(jìn) 使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加符合實(shí)際場(chǎng)合 電磁輻射的安全標(biāo)準(zhǔn) 為了防止電磁場(chǎng)有害效應(yīng)對(duì)人類健康產(chǎn)生危害 需要研究人體接受照射的安全電平和各種電磁設(shè)備的容許泄露電平 從而制定出電磁輻射衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) 為環(huán)境控制和預(yù)防醫(yī)學(xué)服務(wù) 生物電磁學(xué) 生物電磁場(chǎng)熱點(diǎn)問(wèn)題 生物電磁場(chǎng)熱點(diǎn)問(wèn)題 低強(qiáng)度低頻磁場(chǎng)的生物學(xué)效應(yīng)通信系統(tǒng)電磁場(chǎng)的生物學(xué)效應(yīng)毫米波非熱生物學(xué)效應(yīng)電磁波熱療和電化學(xué)治療磁刺激的醫(yī)學(xué)應(yīng)用 生物力學(xué) 主要內(nèi)容 生物力學(xué)定義生物力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史生物力學(xué)的研究?jī)?nèi)容生物力學(xué)的研究方法生物力學(xué)的研究特點(diǎn) 生物力學(xué)定義 生物力學(xué)是應(yīng)用力學(xué)原理和方法對(duì)生物體中的力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行定量研究的生物物理學(xué)分支 是研究力與生物體運(yùn)動(dòng) 生理 病理之間關(guān)系的學(xué)科 生物力學(xué)的意義對(duì)于人體而言 生物力學(xué)有助于了解人體器官以及循環(huán)和呼吸系統(tǒng)的功能 這方面的應(yīng)用既有常見的聽診器和血壓計(jì)等 也有利用工程學(xué)的原理和方法 實(shí)現(xiàn)器官的人工移植和替代 還有對(duì)牙和骨的修復(fù)和矯形 軟組織的縫合 循環(huán)系統(tǒng)疾病的治療和診斷 還可將傳統(tǒng)的中醫(yī)的脈診 接骨和推拿等方法結(jié)合起來(lái) 為某些疾病的治療和診斷提供理論基礎(chǔ)等等 生物力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史 伽利略在在1582年前后得出擺長(zhǎng)與周期的定量關(guān)系 利用與脈搏合拍的擺長(zhǎng)來(lái)表達(dá)人的脈搏率 1616年 英國(guó)生理學(xué)家哈維發(fā)現(xiàn)血液只能單向流出心室 并測(cè)出心室的容量是2英兩 約等于56 7g 按每分鐘心臟搏動(dòng)72次計(jì)算 每小時(shí)搏出的血液約為245kg 這么多的血液從哪流來(lái) 又流向何處 他根據(jù)流體力學(xué)中的連續(xù)性原理 從理論上論證了血液循環(huán)的存在 但由于當(dāng)時(shí)還沒有顯微鏡 他并沒有看見過(guò)微血管 也不可能見到血液經(jīng)動(dòng)脈流向靜脈的過(guò)程 而且動(dòng)脈中的血液和靜脈中的血液看起來(lái)并不相同 因此 他的發(fā)現(xiàn)是邏輯推理的結(jié)果 1661年 馬爾皮基 Malpighi 在解剖青蛙時(shí) 在蛙肺中看到了微循環(huán)的存在 證實(shí)了哈維的論斷 意大利的數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家博雷利 Borelli 在 論動(dòng)物的運(yùn)動(dòng) 1680 一書中討論了鳥飛 魚游和心臟以及腸的運(yùn)動(dòng) 歐拉 Euler 在1775年發(fā)表了關(guān)于波在動(dòng)脈中傳播的論文 蘭姆 Lamb 在1898年預(yù)言動(dòng)脈中存在高頻波 現(xiàn)已得到證實(shí) 材料力學(xué)中著名的楊氏模量就是英國(guó)物理學(xué)家托馬斯 楊 Young 為建立聲帶發(fā)音的彈性力學(xué)理論而提出的 1733年 英國(guó)生理學(xué)家黑爾斯測(cè)量了馬的動(dòng)脈血壓 并尋求血壓與失血的關(guān)系 制作了心室處于舒張壓時(shí)的模型 并據(jù)此估計(jì)了心輸出量 他還測(cè)量了主動(dòng)脈的膨脹特性 解釋了心臟泵出的間歇流如何轉(zhuǎn)化成血管中的連續(xù)流 他在血液流動(dòng)中引進(jìn)了外周阻力概念 并正確指出 產(chǎn)生這種阻力的主要部位在毛細(xì)血管 泊肅葉 Poiseuille 在醫(yī)科學(xué)校學(xué)習(xí)時(shí)就發(fā)明了水銀計(jì)來(lái)測(cè)量狗主動(dòng)脈的血壓 并且發(fā)現(xiàn)了黏性流體在直圓管層流中壓力差與流量的關(guān)系 也就是后來(lái)的Poiseuille定律 并通過(guò)這一研究為黏性流體力學(xué)奠定了理論基礎(chǔ) 據(jù)此也確立了血液流動(dòng)過(guò)程中壓降 流量和阻力的關(guān)系 赫姆霍茲 Helmholtz 剛從醫(yī)科學(xué)校畢業(yè)進(jìn)人軍隊(duì)工作時(shí) 在營(yíng)房里寫出了能量守恒定律 他研究了眼的聚焦機(jī)理 提出了彩色視覺的三色理論 發(fā)明了用晶狀體鏡來(lái)研究眼球內(nèi)的晶體變化 發(fā)明了眼底鏡來(lái)觀察視網(wǎng)膜 他研究了聽覺的機(jī)理并發(fā)明了Helmholtz共振儀 他的渦量守恒定律成為了流體力學(xué)研究的基礎(chǔ) 他對(duì)發(fā)音和神經(jīng)生理學(xué)也做出了重要的貢獻(xiàn) 并指出肌肉收縮所釋放的熱是動(dòng)物熱的重要來(lái)源 弗蘭克 Frank 解釋了心臟的力學(xué)問(wèn)題 斯塔林 Starling 提出了透過(guò)膜的傳質(zhì)定律 并解釋了人體中水的平衡問(wèn)題 克勞 Krogh 由于在微循環(huán)力學(xué)方面的貢獻(xiàn)獲得1920年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) 希爾 Hill 因肌肉能量和代謝的成就獲得1922年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) 他們的工作為20世紀(jì)60年代開始的生物力學(xué)的系統(tǒng)研究打下基礎(chǔ) 美籍華人科學(xué)家馮元禎教授在1966年以前主要從事航空工程和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方面的研究并取得卓著成果 其第一部專著已成為氣動(dòng) 彈性力學(xué)領(lǐng)域的經(jīng)典著作 1966年以后致力于生物力學(xué)的開拓 是舉世公認(rèn)的生物力學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人 取得了三個(gè)具有里程碑性質(zhì)的成就 生物軟組織本構(gòu)關(guān)系的研究 肺血流動(dòng)力學(xué)規(guī)律的研究以及生物組織器官生長(zhǎng)和應(yīng)力關(guān)系的研究 生物力學(xué)的研究?jī)?nèi)容 生物力學(xué)的基礎(chǔ)是能量守恒 動(dòng)量定律 質(zhì)量守恒三定律并加上描寫物性的本構(gòu)方程 生物力學(xué)研究的重點(diǎn)是與生理學(xué) 醫(yī)學(xué)有關(guān)的力學(xué)問(wèn)題 依研究對(duì)象的不同可分為生物流體力學(xué) 生物固體力學(xué)和運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)等 1 生物固體力學(xué)生物固體力學(xué)是利用材料力學(xué) 彈塑性理論 斷裂力學(xué)的基本理論和方法 研究生物組織和器官中與之相關(guān)的力學(xué)問(wèn)題 2 生物流體力學(xué)生物流體力學(xué)是研究生物心血管系統(tǒng) 消化呼吸系統(tǒng) 泌尿系統(tǒng) 內(nèi)分泌以及游泳 飛行等與水動(dòng)力學(xué) 空氣動(dòng)力學(xué) 邊界層理論和流變學(xué)有關(guān)的力學(xué)問(wèn)題 3 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)是用靜力學(xué) 運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的基本原理結(jié)合解剖學(xué) 生理學(xué)研究人體運(yùn)動(dòng)的學(xué)科 在人體運(yùn)動(dòng)中 應(yīng)用層動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的基本原理 方程去分析計(jì)算運(yùn)動(dòng)員跑 跳 投擲等多種運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的極限能力 其結(jié)果與奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)的記錄非常相近 在創(chuàng)傷生物力學(xué)方面 以動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)應(yīng)用有限元法 計(jì)算頭部和頸部受沖擊時(shí)的頻率響應(yīng)并建立創(chuàng)傷模型 從而改進(jìn)頭部和頸部的防護(hù)并可加快創(chuàng)傷的治療 人體各器官 系統(tǒng) 特別是心臟 循環(huán)系統(tǒng)和肺臟 呼吸系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題 生物系統(tǒng)和環(huán)境之間的熱力學(xué)平衡問(wèn)題 特異功能問(wèn)題等也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn) 生物力學(xué)的研究 不僅涉及醫(yī)學(xué) 體育運(yùn)動(dòng)方面 而且已深入交通安全 宇航 軍事科學(xué)的有關(guān)方面 生物力學(xué)的研究方法 生物力學(xué)的研究方法和其他各種物理問(wèn)題和工程問(wèn)題的研究方法有較多的相似之處 主要通過(guò)三條途徑來(lái)解決問(wèn)題 用解析或數(shù)值方法來(lái)求解數(shù)學(xué)模型用試驗(yàn)的方法來(lái)測(cè)定物理模型或?qū)嶋H實(shí)驗(yàn)樣品對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分析研究 1 分析生物的形態(tài) 器官的解剖及組織的結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu) 以了解所研究對(duì)象的幾何特點(diǎn) 2 測(cè)定組織和材料的力學(xué)性質(zhì) 確定本構(gòu)關(guān)系 3 根據(jù)物理學(xué)中的基本原則 質(zhì)量守恒 動(dòng)量守恒 能量守恒和Maxwell方程等 和組織的本構(gòu)方程 導(dǎo)出其主要的微分和積分方程 4 分析器官工作的環(huán)境和狀況 得到邊界條件 5 用解析方法或數(shù)值方法求解邊界值問(wèn)題 6 做生理實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證上述問(wèn)題的理論和數(shù)值解 7 探討理論和實(shí)驗(yàn)在實(shí)際中的應(yīng)用 并做進(jìn)一步的改進(jìn) 生物力學(xué)的研究特點(diǎn) 生物力學(xué)研究的對(duì)象是生物體 因此 在研究生物力學(xué)問(wèn)題時(shí) 實(shí)驗(yàn)對(duì)象所處的環(huán)境十分重要 作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象的生物材料 有在體和離體之分 在體生物材料一般處于受力狀態(tài) 如血管 肌肉 一旦游離出來(lái)則處于自由狀態(tài) 即非生理狀態(tài) 如血管 肌肉一旦游離 即明顯收縮變短 兩種狀態(tài)材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異較大 在體實(shí)驗(yàn)分為麻醉狀態(tài)和非麻醉狀態(tài)兩種情況 至于離體實(shí)驗(yàn) 在對(duì)象游離出來(lái)后 根據(jù)要求可以按整體正位進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 或進(jìn)一步加工成試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 不同的實(shí)驗(yàn)條件和加工條件 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響很大 超聲醫(yī)學(xué)原理 主要內(nèi)容 醫(yī)學(xué)超聲定義診斷超聲的應(yīng)用治療超聲的應(yīng)用超聲的生物效應(yīng) 醫(yī)學(xué)超聲定義 頻率在20kHz以上的機(jī)械波稱為超聲波 超聲是一門以聲學(xué) 力學(xué) 材料學(xué) 電子以及機(jī)械為基礎(chǔ) 學(xué)科交叉 應(yīng)用廣泛 發(fā)展迅速的科學(xué)技術(shù) 超聲波是一種波動(dòng)形式 因此它可以用于探測(cè)人體的生理和病理信息 這便是診斷超聲 其聲強(qiáng)大小在0 1 50mW cm2 頻率在2 10MHz之間 超聲波同時(shí)又是一種能量形式 當(dāng)達(dá)到一定劑量的超聲波在生物體系內(nèi)傳播時(shí) 通過(guò)它們之間一定的相互作用 可能引起生物體系的功能或結(jié)構(gòu)發(fā)生變化 這便是功率超聲 其聲強(qiáng)大小從每平方厘米零點(diǎn)幾瓦到每平方厘米幾百瓦 頻率在20 50kHz之間 研究超聲波與生物組織 主要指人體組織 的相互作用機(jī)理 規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科分支稱為醫(yī)學(xué)超聲 超聲應(yīng)用于醫(yī)學(xué)可分兩大類 超聲診斷和超聲治療 超聲診斷研究如何利用各種組織的差異來(lái)區(qū)分不同組織 特別是區(qū)分正常和病變組織 超聲波在生物組織中的傳播規(guī)律及診斷信息提取方法是超聲診斷的物理基礎(chǔ) 超聲治療則研究如何利用超聲波的生物效應(yīng) 超聲波照射引起的組織結(jié)構(gòu) 功能和生物過(guò)程的變化 來(lái)治療某些疾病 超聲治療的物理基礎(chǔ)是超聲生物效應(yīng)的機(jī)理和超聲計(jì)量學(xué) 診斷超聲的應(yīng)用 1946年 Firestone提出A型超聲診斷技術(shù) 在臨床上得到廣泛應(yīng)用 對(duì)于腦中線檢查及心 肝 膽囊和眼睛某些疾病的診斷取得了成功的結(jié)果 1958年 出現(xiàn)M型超聲心動(dòng)圖 20世紀(jì)60年代 超聲診斷從A型 一維回波振幅顯示 向B型 二維圖像亮度顯示 過(guò)渡 70年代 隨著灰階顯示和快速實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖像的實(shí)現(xiàn) 超聲診斷的發(fā)展極為迅速 除了充氣部位 如肺臟 和骨骼結(jié)構(gòu)外 幾乎人體內(nèi)每個(gè)臟器都可用超聲進(jìn)行診斷 超聲診斷為非侵入式診斷 具有無(wú)害 無(wú)痛 使用方便 費(fèi)用低廉 診斷可靠等優(yōu)點(diǎn) 使其成為臨床醫(yī)學(xué)不可缺少的主要影響診斷方法之一 廣泛的臨床應(yīng)用反過(guò)來(lái)又促進(jìn)了超聲診斷的研究工作 各種信號(hào)處理 特別是圖像處理 技術(shù)的研究和應(yīng)用使B型診斷儀的圖像質(zhì)量不斷改進(jìn) 其他形式的診斷儀相繼出現(xiàn)和不斷發(fā)展 如M型 多普勒型 PPI型 C型 F型 超聲CT 合成孔徑成像等 治療超聲的應(yīng)用 30年代德國(guó)就出現(xiàn)了超聲治療的專利 五六十年代 超聲治療以理療為主 70年代 出現(xiàn)了超聲粉碎結(jié)石 超聲潔牙等 80年代 超聲手術(shù)刀開始在外科大量應(yīng)用 包括超聲切割軟組織 超聲肝腦腫瘤吸引 超聲骨科成形和超聲眼科白內(nèi)障乳化等 近年來(lái) 高強(qiáng)度聚焦治癌 超聲治療血管阻塞 超聲藥物滲透等技術(shù)的發(fā)展 拓寬了超聲治療的應(yīng)用領(lǐng)域 使超聲治療發(fā)展成一門新興的學(xué)科 超聲的生物效應(yīng)及其在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 一 機(jī)械效應(yīng)聲波能量作用于介質(zhì) 會(huì)引起質(zhì)點(diǎn)高速細(xì)微的振動(dòng) 產(chǎn)生速度 加速度 聲壓 聲強(qiáng)等力學(xué)量的變化 從而引起機(jī)械效應(yīng) 利用超聲的機(jī)械效應(yīng) 引起細(xì)胞的摩擦 增強(qiáng)細(xì)胞的彌散作用 能促進(jìn)新陳代謝 高強(qiáng)度超聲引起的振動(dòng)效應(yīng) 有可能超過(guò)組織材料的彈性極限 使之破裂 造成損傷 尤其考慮到其高達(dá)50000 120000g的加速度值 任何生物組織處于如此激烈變化的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)中 其功能和生理過(guò)程乃至結(jié)構(gòu)都會(huì)受到巨大變化 不同的生物組織具有不同的切割閾值 軟組織的切割閾值50000g 骨組織的切割閾值為120000g g為重力加速度單位 二 空化效應(yīng)當(dāng)超聲波作用于生物組織或液體中的微氣泡 空化核 時(shí) 在周期性交變的聲壓作用下 空化核體積急劇膨脹 壓縮 直至破裂 引起生物組織的破碎或位移 這就是空化效應(yīng) 超聲的空化效應(yīng)的過(guò)程是集中聲場(chǎng)能量并迅速釋放的過(guò)程 空化核崩潰時(shí) 極短時(shí)間內(nèi)在空化核周圍的極小空間內(nèi) 產(chǎn)生5000K以上的高溫和大約5 107Pa的高壓 溫度變化率高達(dá)109K s 并伴生強(qiáng)烈的沖擊波和時(shí)速達(dá)400km的射流 空化效應(yīng)對(duì)生物機(jī)體有很大的破壞作用 因此應(yīng)避免強(qiáng)超聲照射眼睛 懷孕子宮等容易發(fā)生空化現(xiàn)象的部位 三 熱效應(yīng)超聲在人體或在其他介質(zhì)中均可顯著產(chǎn)熱 產(chǎn)熱過(guò)程即是機(jī)械能在介質(zhì)中轉(zhuǎn)變成熱能的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程 熱形成的原因 超聲通過(guò)機(jī)體時(shí) 聲能在介質(zhì)中損耗而產(chǎn)熱 超聲通過(guò)介質(zhì)時(shí) 有疏密交替的壓力變化 壓縮相位中產(chǎn)熱 不同組織得分界面上超聲能量的反射而產(chǎn)熱 在不同組織介質(zhì)中形成的駐波 引起質(zhì)點(diǎn) 離子的摩擦等也是產(chǎn)熱的另一原因 超聲治療中 是利用熱量在組織中不能及時(shí)帶走 使溫度升高到一定程度 使病變組織受到損傷 超聲治癌便主要應(yīng)用此機(jī)理 超聲診斷中 由于儀器功率級(jí)很低 產(chǎn)生的熱效應(yīng)是微不足道的 僅能使局部血管擴(kuò)張 加快血液循環(huán) 四 彌散效應(yīng)和觸變效應(yīng) 生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)BiomedicalPhotonics 主要內(nèi)容 生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)定義生物系統(tǒng)的超微弱光子發(fā)射激光與組織的相互作用原理及應(yīng)用光學(xué)成像技術(shù)光譜技術(shù)及其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)定義 所謂光子學(xué)是指研究光和其他輻射能 以光子為量子單位 的產(chǎn)生與利用的科學(xué) 光子學(xué)的研究范圍包括能量的產(chǎn)生 探測(cè) 傳輸與信息處理 將光子學(xué)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 運(yùn)用光子學(xué)的理論和方法解決生物技術(shù)與醫(yī)學(xué)中遇到的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)等方面的問(wèn)題 即成為生物醫(yī)學(xué)光子學(xué) 生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)主要服務(wù)于人類疾病的診斷 預(yù)防 監(jiān)護(hù) 治療以及保健 康復(fù)等 生物系統(tǒng)的超微弱光子發(fā)射 生物發(fā)光 Bioluminescence 是光生物物理學(xué)的主要問(wèn)題之一 是廣泛存在于自然界的一種自然現(xiàn)象 生物體不停地與外界進(jìn)行物質(zhì) 能量和信息的交換 其中光的吸收和發(fā)射是重要的交換方式 生物系統(tǒng)的超微弱發(fā)光是任何生物體或細(xì)胞自發(fā)地向外界輻射光子流的現(xiàn)象 生物超微弱發(fā)光通常包括兩種類型 一種是自發(fā)的生物化學(xué)發(fā)光 與生物體的氧化代謝有關(guān) 稱為自發(fā)超微弱發(fā)光 另一種是外因誘發(fā)的發(fā)光 取決于光 電離輻射 超聲 化學(xué)藥物等外界因素的作用 稱為誘導(dǎo)超微弱發(fā)光 又稱延遲發(fā)光 生物的細(xì)胞 組織和體液中 普遍存在著自發(fā)和誘發(fā)的超微弱發(fā)光 誘發(fā)的超微弱發(fā)光比自發(fā)的超微弱發(fā)光要強(qiáng)得多 它隨時(shí)間呈指數(shù)衰減 但對(duì)于不同的生物系統(tǒng)衰減速率不同 生物系統(tǒng)超微弱發(fā)光的基本特征普遍性幾乎所有的被測(cè)生命體樣品都產(chǎn)生超微弱發(fā)光 研究發(fā)現(xiàn)種子 動(dòng)物的肝臟 癌癥患者的血液 人的手指等都是超微弱發(fā)光的產(chǎn)生者 強(qiáng)度極弱超微弱發(fā)光的強(qiáng)度為幾個(gè) 幾千個(gè)光子 cm2 S 生物體的等級(jí)越高 發(fā)光強(qiáng)度也越大 光譜較寬光譜分布從紅外延伸到紫外波段 最短達(dá)200nm 而且隨著生物等級(jí)的提高 輻射譜發(fā)生一定的紅移 非線性超微弱發(fā)光具有非線性的特征 例如切割成塊的種子比完整的種子光強(qiáng)大2 3倍 相干性經(jīng)典相干性研究結(jié)果表明 其相干時(shí)間至少具有幾分鐘的量級(jí) 反映細(xì)胞的新陳代謝許多實(shí)驗(yàn)證實(shí) 細(xì)胞的繁殖 增生 死亡等過(guò)程中發(fā)光的強(qiáng)弱有很大變化 說(shuō)明生物超微弱發(fā)光是細(xì)胞新陳代謝的一種體現(xiàn) 對(duì)氧有依賴性氧在超微弱發(fā)光中扮演重要角色 在斷氧的情況下 任何動(dòng) 植物組織的超微弱發(fā)光都會(huì)停止 而且生物體對(duì)氧的依賴性是非線性的 對(duì)溫度的依賴性生物超微弱發(fā)光與環(huán)境溫度的關(guān)系存在高溫和低溫的臨界點(diǎn) 在此范圍內(nèi)是線性變化 超過(guò)臨界點(diǎn)后 發(fā)光逐漸減弱 當(dāng)溫度過(guò)高或過(guò)低 生物瀕臨死亡時(shí) 發(fā)光又增強(qiáng) 化學(xué)物質(zhì)對(duì)超微弱發(fā)光有明顯影響 激光與組織的相互作用原理及應(yīng)用 目前 利用激光可以醫(yī)治包括眼科 婦科 皮膚科 內(nèi)科 外科 腫瘤科在內(nèi)的200多種疾病 激光對(duì)組織的生物效應(yīng)激光對(duì)組織的生物效應(yīng)一般是指光作用于生物體后產(chǎn)生的物理 化學(xué)或生物學(xué)的反應(yīng) 激光的生物效應(yīng)既與激光的性能有關(guān) 又與生物組織的性質(zhì)有關(guān) 還與作用時(shí)間和作用方式有關(guān) 激光對(duì)組織的生物效應(yīng)主要包含熱效應(yīng) 光化學(xué)效應(yīng) 壓強(qiáng)作用 電磁場(chǎng)效應(yīng)和生物剌激效應(yīng) 壓強(qiáng)作用和電磁場(chǎng)效應(yīng)主要由中等功率以上的激光所產(chǎn)生 光化學(xué)效應(yīng)在低功率激光照射時(shí)特別重要 熱效應(yīng)存在于所有的激光照射 生物剌激作用則只發(fā)生在弱激光照射時(shí) 激光診療技術(shù)用于檢驗(yàn)和診斷的技術(shù)主要有 激光熒光光譜技術(shù) 激光拉曼光譜分析技術(shù) 激光全息術(shù) 激光散斑分析技術(shù) 激光多普勒測(cè)速技術(shù) 激光流動(dòng)式細(xì)胞分析技術(shù) 激光干涉技術(shù) 激光透照技術(shù)和激光偏振技術(shù)等等 分別用來(lái)測(cè)量血液 尿液和人體其他組織的成分 微量元素的含量等 以及識(shí)別和分辨細(xì)胞是否病變或癌變等 激光治療的適應(yīng)癥現(xiàn)在已經(jīng)涉及臨床所有各科 大體可分為激光手術(shù)治療 激光非手術(shù)治療 激光光動(dòng)力學(xué)治療和激光介入性治療等 光學(xué)成像技術(shù) 激光掃描共聚焦顯微成像技術(shù)多光子熒光成像技術(shù)近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微成像技術(shù)光學(xué)相干層析成像技術(shù)時(shí)間分辨成像技術(shù) 光譜技術(shù)及其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 熒光光譜紫外 可見吸收光譜分子振動(dòng)光譜 謝謝