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超快光纤激光器在医学方面的应用

2007-05-21 16:11
铁马老言
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供稿/光库通讯(珠海)有限公司

  超快光纤激光器激光器中的新亮点。随着超快光纤激光器的技术日渐成熟,这种激光器在医学方面的应用也逐渐引起了人们的兴趣。目前,超快光纤激光器在医学光谱技术和医学成像技术领域已经取得了飞速发展,下面将主要介绍超快光纤激光器在医学这两个领域的主要情况。

一、在医学光谱技术方面     
  这主要是研究生物组织的超快时间分辨光谱。超快时间分辨光谱比稳态光谱在技术上更灵敏、更客观和更具有选择性。因此,将脉宽为ps、fs量级的超短激光脉冲光源用于医学受到了广泛重视;其一,发展超快时间分辨荧光光谱技术,用于测量生物组织及生物分子的荧光衰变时间,分析癌组织分子驰豫动力学性质等,可以为进一步研究自体荧光法诊断恶性肿瘤提供基础数据;其二,发展超快时间分辨漫反射(透射)光谱技术,以时域的角度测量组织的漫反射,从而间接确定组织的光学特征。这是一种全新的、适用于活体的、无损和实时的测量方法,为确知光与生物组织的相互作用,解决医学光子学中基础测量问题开辟一条新径。 

二、在医学成像技术方面 
  发展无辐射损伤、高分辨率的生物组织光学成像方法与技术,是人们致力努力的目标。超快光纤激光器的出现,为这种时间分辨成像技术提供了一种可能。时间分辨成像技术,它以超短脉冲激光作为光源,根据光脉冲在组织内传播时的时间分辨特性,使用门控技术分离出漫反射脉冲中未被散射的所谓早期光,进行成像。该项技术是光学层析(断层)造影(OT)技术中最主要的一种。目前人们已经熟知了X线计算机断层摄影(XCT)和磁共振成像(MRI)等技术,并且这种技术已在生物医学领域中得到了广泛应用,在医学诊断中,尤显重要。但是由于技术能力所限,XCT和MRI无法使人们观察到密集体腔内的组织变异,空间分辨率和时间分辨率还较低,而且,仪器操作复杂,造价过高,作为常规检查对人体有不良影响,因而无法满足诊断学和生物医学发展的进一步要求。

  随着激光技术的不断发展,尤其是超快激光技术的发展,一种新的断层扫描成像技术——光学相干CT
(optical coherence tomography,简称OCT)技术便应运而生。OCT将半导体激光和超快激光与光学、超灵敏探测、精密自动控制和计算机图像处理等多项技术结合为一整体,是继XCT和MRI技术以后又一大技术突破。这一技术的应用,将使人们获得微米量级的空间分辨率,而且也给出前所未有的动态时间分辨图像。

  OCT原理类似于超声成像,只是用光波代替了声波。由于光波波长很短,因而分辨率高,而且成像时不需接触样品。在成像过程中,只有当参考光和信号光等光程时才会产生光学干涉信号,因而对其他杂散光有极强的抑制作用。它带来的好处是对不透明的生物组织仍能有效成像,这一点非常重要。因为生物组织散射很强,在普通光镜下会因为散射过强使反衬度降为零而不能进行观察。例如,利用OCT可以清晰成像出浸泡于牛奶中的钥匙,这对普通光镜来说是不可能的。

  目前国际上在实验工作方面,已经能获得层析成像达微米量级的空间分辨率,而且也给出了前所未有的动态时间分辨图像。利用小型化光纤探头以及快速扫描技术,已经得到了生物组织的活体层析图;通过将光纤探头介入成像诊断,获得了活体的血管、气管和食管等的精细断层扫描图像;将OCT成像与多普勒技术相结合,可以同时监测成像空间结构和速度分布情况。由于OCT系统造价低,结构简单,又是光学成像,对人体不会造成损伤,可望在疾病的诊断、疗效监测以及光动力学治疗效果监测等方面,获得全面的临床应用。 
 

在我国,目前也有许多大学和研究所在开展这种OCT技术的研究。下面以清华大学建立的OCT系统进行摄影成像为例加以说明。图1是兔眼球的OCT图像,其中角膜、晶状体、睫状体等结构都十分清晰。该OCT图像所对应的实际样品大小为10 mm×4 mm,图中横向分辨率约为20μm,纵向分辨率约为25μm。事实上,利用计算机图像重组技术,可以提高分辨率达一个量级,获得亚微米分辨率的图像。

         图1 兔眼球OCT图象

 针对超快光纤激光器在医学领域的迅速发展,AFR专门针对光学断层扫描成像技术推出了一种理想的超快光纤激光器SC450系列。它的输出光谱波长范围450-2000nm,脉冲宽度小于6ps,光谱密度达到5mW/nm,输出功率能够达到8W,而且这种超快激光器是一种结构紧凑,免维护的高性能超快光纤激光器。 

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