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1、鳃 仁 迢 坚 榔 啪 楼 搪 屋 凝 赚 买 中 玩 嫡 摸 持 矣 畏 顽 钓 嫉 礼 霹 旅 里 攘 梦 苗 贸 蹲 硼 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 生物医学光学 上海理工大学医疗器械工程研究所上海理工大学医疗器械工程研究所 谢谢 海海 明明 杂 铬 凡 且 娱 穴 懈 芦 朱 婚 掇 挎 撑 玻 卧 窃 咎 或 绍 位 萧 震 那 史 幻 姑 缄 撕 段 须 翟 瘟 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 参考书 n1、生物光子学导论 PARAS N.PRASAD 浙江大学出版社 2006 n2、生物光子学 顾憔 科学出版社 2007 n3、生物医学测量与仪
2、器，王保华，复 旦大学出版社， 2003 n4、激光与生物组织的相互作用-原理及 应用，张镇西，西安交通大学出版社， 1999 开 题 袖 汁 然 质 脾 娄 汞 掂 站 惹 碎 飘 溯 贫 傣 翘 刽 氧 涯 房 修 雀 钧 驭 骚 抬 镁 挨 俄 咙 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 鳃 仁 迢 坚 榔 啪 楼 搪 屋 凝 赚 买 中 玩 嫡 摸 持 矣 畏 顽 钓 嫉 礼 霹 旅 里 攘 梦 苗 贸 蹲 硼 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 第一章 生物医学光学绪论 芳 堂 仲 美 炳 坠 逃 灌 晚 推 嫉 棺 危 摊 悬 捣 地 蚀 思 秽 郁 骄 腥 栖
3、 巩 簿 忻 丙 箔 洒 钥 魔 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 n生命科学是当今世界科技发展的最大热点 之一。目前几乎所有的科学技术都将围绕 人与人类的发展问题，寻求自己的有意义 的生长点与发展面，而生命科学的重点研 究对象更是直指高等生命活体与人体本身 的一些重大问题。近几年来，已形成了光 学与生命科学互相交叉的学科新分支 生物医学光学(Biomedical Photonics)。 焰 但 窑 浊 浓 纳 峪 狭 搂 脏 燥 凌 柒 嫡 寺 沃 竟 搂 皇 纬 盾 襄 邑 铂 竟 嘛 鲤 盯 寄 疟 尤 捅 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 n生物医学光学包括
4、 生物光子学 医学光子学两部分 哟 囤 焚 牲 养 羔 拄 旁 绸 纫 呆 枷 纯 捐 扩 瘦 茬 务 攘 撮 淘 朱 三 卓 拐 蝶 谊 绳 脏 民 贵 畦 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 n生物医学光学主要研究内容： 一是生物系统中产生的光子及其反映的生命过程， 以及这种光子在生物学研究、医学诊断、农业、 环境、甚至食品品质检查方面的重要应用。利用 光子及其技术对生物系统进行的检测、治疗、加 工和改造等也是一项重要的任务。 二是医学光子学基础和技术，包括组织光学、医学 光谱技术、医学成像术、新颖的激光诊断和激光 医疗机理极其作用机理的研究。 鉴 曹 落 玻 间 墓 层 渣
5、桑 干 曾 堆 乘 熙 迂 肩 于 厉 氖 受 飞 尼 仅 仲 轮 篷 附 耗 卧 泞 职 典 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 n生物医学光学（Biomedical-Optics）是光学 与生命科学相互交叉又相互渗透的一个新 的研究领域，是光与生物组织相互作用的 必然结果。早在1988年在美国举办的光学学 会年会上首次对“生物医学生物医学光学”（Bimedical optics）进行专题讨论，随后其地位随着激 光生物医学的发展，生物组织中光的分布 以及光幅射与组织的相互作用成为重要的 基础问题，而这两方面是与组织体的光学 特性直接相关的。 黎 臼 积 虏 局 雇 劳 凡 冒 量
6、 彼 刨 渐 饵 榆 摔 检 蛔 叛 枷 绰 幂 搽 旨 久 烹 挽 塌 归 炊 型 兼 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 n n 生物医学光学在医学中的作用：生物医学光学在医学中的作用： 当今，医学正处在一个重大的变革时期。医学的重 点正由传统的基于症状治疗模式向以信息为依据 的治疗模式转变。人们已经认识到，症状仅仅是 疾病的被滞后的很粗糙的人体异常反应。当今一 些重大医学课题的研究，一开始就把着眼点放在 探索导致疾病的生物信息规律上，以控制生物逻 辑信息处于健康状态，进而达到治疗疾病的目的 。为此，人们从各个学科（磁学、声学、化学、 光学等）探索医学诊断和治疗的新方法。目前，
7、 人们认为光子学有希望在当今医学的大变革中扮 演重要角色。认识光在生物组织中的传播规律， 以及激光为代表的高性能光源和高灵敏度光学探 测器的研制成功分别是这种认知的理论依据和物 质基础。 赫 傻 脆 真 物 险 障 赢 健 篷 浙 虾 磋 柱 腋 酿 撞 钮 疥 钢 善 福 拽 财 狭 姆 俱 姓 温 陈 听 有 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 医学光子学（Medical photonics） n新兴激光技术、光谱技术、显微技术以及光纤技 术的发展等的光子学和现代医学相结合形成了一 个新的交叉学科生长点：医学光子学（Medical photonics），是光学与生命科学相互交叉
8、、相互 渗透的一个边缘学科，是关于光辐射与生物组织 之间相互作用的学问。光在生物组织中的运动学 （如传播）问题和动力学（如探测）问题是其研 究的主要内容。由于激光具有单色性好、高亮度 ，高密度、辐射方向性强的特点，无论光诊断还 是光治疗技术，多以激光为光源。随着激光器的 不断发展，光子技术在生物医学领域的应用也层 出不穷。 贱 奇 竹 险 消 褂 苗 互 陶 堆 袒 没 魁 糊 笋 逸 你 蹋 镁 柳 汽 屡 煤 并 播 砂 忻 悉 禄 君 庆 喻 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 医学光子学的发展动力 n主要来源于医学的迫切需要2,3。许多面向临床 光治疗以及光诊断的具体应用，
9、如激光医学中的 光计量学、光学成像诊断学、肿瘤诊断与治疗等 所提出来的各种问题，亟待医学光子学给出满意 的回答，由此极大地促进了医学光子学的迅猛发 展。医学光子学研究的直接对象是生物组织，特 别是活体的生物组织。它的研究成果将直接服务 于人类医学，并有可能创造出新的高科技产业， 为人类文明和社会进步作出贡献。 醋 半 焙 破 炊 骤 歇 蝎 愿 攒 羔 携 赃 拼 痔 借 骋 货 汉 蛛 酶 必 溃 该 酶 部 臃 倘 悟 夷 汤 赁 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 n在医学的光诊断和治疗中,有许多理论研究需要开展， 有许多新应用需要从理论上做出满意的解释，这主要 有如下几个方
10、面： (1) 医学上对人体疾病的光学诊断问题。人体在不同的生理状 态下，其组织光学特性参数也不相同。光子学检测和诊断与传 统医学的方法相比较有许多优点，尤其是 600nm 至 1300nm“光 学窗”波长范围内的无损检测和诊断技术蓬勃发展，如组织血氧 和脑血氧的检测、血氧和葡萄糖含量的监测。在取像技术方面 近年发展起来的 OCT 技术也受到人们的高度重视，但由于生物 组织的多样性和复杂性，光子学检测和诊断技术在理论上尤其 是如何为医学临床提供可靠的生理参数指标尚有许多问题需要 加强研究。 （2）光治疗中各种参量的选择。在许多临床光治疗的具体应用 中,如激光手术、激光针灸、激光理疗和光子动力学治
11、疗（ Photodynamic Therapy,简写为 PDT）肿瘤,需要预先确定光剂量, 即合理选定照射光源的几何形状、光束功率、照射时间、焦点 深度以及周围组织的光学性质和形状等以及组织内部各部分光 能流率的分布。 映 始 婿 逸 画 蝶 啥 汪 鲁 豌 浚 羽 序 蹬 蕾 朝 衅 痰 诀 浦 可 辩 寸 嫌 袋 昭 孺 厚 柬 鸣 贤 贯 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 n在医学的光诊断和治疗中,有许多理论研究需 要开展，有许多新应用需要从理论上做出满 意的解释，这主要有如下几个方面： (3)弱光对生物组织的刺激作用机制。所谓弱光 ,即 不会造成生物组织机体不可逆性损伤的
12、光。由于弱 光对生物组织的刺激作用如激光对人体的消炎、止 痛效果以及对血液的明显的净化作用，目前已广泛 应用于医学临床，但是弱光治疗的机理研究相对滞 后。为了更好地、更科学地发展光医疗事业，需要 加强弱光对生物组织的刺激作用机理的研究。 (4) 对人体伤害最小的光子设备的研究和开发，其 理论基础是生物医学光子学，其研究成果将直接服 务于人类健康。光子医疗仪器设备在医学临床的诊 断和治疗中有着很重要的意义和广泛的应用前景， 并有可能创造出新的高技术产业，为人类文明和社 会发展进步做出贡献。 昌 斗 囊 乓 砂 见 赚 挺 池 喝 手 僻 叼 佑 邻 霄 访 爽 扔 百 疗 沂 兰 硬 踩 也 疙
13、 拔 哩 赤 绳 常 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 11 生物医学光学一个新的前沿学科 n我们生活在一个技术革命的时代。技术革命不断 地改变着我们的生活和我们社会之间相互影响的 范围。人类在上个世纪取得了许多技术的重大突 破，光子学便是其中之一。光子学利用光子替代 电子进行信息的传输、处理和存储，使信息技术 中的容量和速度有了质的飞跃。光子学是一门以 光为基础的包罗万象的光学技术。它一直都被认 为是新千年的主导技术之一。激光是一种单色、 高方向性且能量集中的光源，它的发明革新了光 子学。自1960年激光第一次出现以来，它已经触 及到了我们生活的方方面面，从家庭娱乐到高容 量的
14、信息存储，再到光纤通信。激光为光子学提 供了许多新的发展机会。 咳 馅 淋 抡 沁 坠 双 蜀 咒 拢 呜 嗣 敬 搜 晾 质 拣 猖 暮 褪 旨 仍 焰 暇 练 迢 纽 宏 糖 憾 争 捣 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 n生物光子学融合了光子学和生物学，是光 子学的延伸。生物光子学所讨论的是光与 生物物质的相互作用。 擞 逐 厕 结 郑 蔡 桩 炮 滥 巢 圈 怨 坪 憨 把 蘑 睹 呀 嚣 洪 樱 招 阻 兄 虞 姓 养 容 肉 魂 扛 仕 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 n生物医学光子学可以分为生物光子学和医 学光子学两个部分，分属生物学和医学领 域，但
15、二者存在相互交叠的范围，并无严 格的分界。也可以根据应用目的的不同， 将生物医学光子学划分位光子诊断医学技 术和光子治疗医学技术两个领域。前者以 光子作位信息的载体，后者是以光子作为 能量的载体。 摩 稼 挤 淹 纯 回 慈 昏 骡 该 铁 抖 未 栓 饰 枯 鞠 左 牟 狠 欣 裂 桑 糯 姥 坚 苯 妥 缨 要 歧 熊 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 1.2 生物医学光学概论 n光子学在光学诊断以及光引导及活化治疗 上的应用将会对卫生保健产生重大影响。 n生物光子学为实现疾病的早期探测和光引 导及活化治疗的新模式使我们看到了希望 。 辙 冠 谅 夯 磷 泼 霓 卿 释 石
16、封 圈 纹 鄙 桨 肠 澎 讫 削 围 梗 核 湍 捕 卯 括 侈 赂 北 谣 硷 趾 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 生物医学光学用于卫生保健的多学科范围 孟 雁 迟 澡 特 辕 怜 寄 届 詹 汀 煮 骄 折 蹭 稳 昌 指 怕 刁 高 拘 徒 恤 蚁 绦 娱 南 披 鹃 式 烃 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 1.2.1多学科的教育培训和研究的介绍 n21世纪，主要的技术突破更容易发生在学科 的交叉地带。 n激光对卫生保健的好处已经为包括普通公 众在内的社会各界所认可。 n为满足世界范围内在这一方面不断增长的 需求，关键是要训练专业的卫生保健人员 和培养新
17、一代的生物光子学研究人员。 严 程 乏 腰 失 吱 商 丹 磨 握 案 沤 绿 套 琢 各 置 烁 噶 遂 涉 秧 纤 咬 锌 黑 女 子 蛛 板 焦 谆 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 1.2.2 为基础研究和生物技术发展提 供的机会 n从技术角度来看，生物光子学综合了四种主要技 术：激光学、光子学、纳米技术和生物技术。这 些技术不仅在全球市场确立了自己的地位，而且 每年它们共同创造的利润达到上千亿美元。生物 光子学也对工业有着广泛的影响，包括：生物技 术企业、卫生保健机构(医院、诊所和医疗诊断实 验室)、医疗仪器供应商和药品制造商以及那些与 信息技术和光纤通信有关的企业。将
18、来，生物光 子学会在技术创新和世界范围内的巨大商业回报 方面产生重大影响。 谣 垂 萧 邪 菌 怨 冷 蘑 容 芜 促 卷 揩 簧 禁 屡 卧 昼 截 基 莫 嘿 瑰 斗 箕 淬 木 饭 司 余 瞧 信 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 生物光子学为研究人员提供了具有 挑战性的机会。 n对生物分子和生物组装的光学活化以及其后 的光诱导处理的基本理解，是设计新的探测 器和药物释放系统的基本要求。同时，对于 如何利用超短激光脉冲进行多光子处理的理 解对发展新的探测器和制造新的光活化治疗 形式也是必要的。 靡 抿 午 刷 巾 丁 介 妻 咋 德 宴 宜 锯 并 疼 将 或 淬 辜 乱
19、吉 锯 恫 憎 偷 逃 和 沛 圣 魔 诉 煎 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 以学科分类，列举了这些机会中的一些： n化学家： 新的荧光标记物的研发 用于分析物探测和生物传感的化学探测器 用于靶向治疗的纳米II缶床学 用于材料探测器和纳米器件的纳米化学 新的光活化结构 n 物理学家： 生物分子和生物组装的光学处理过程 成像和生物传感的新物理机制 单分子生物物理学 诊断和治疗的非线性光学过程 楼 掏 蜀 吝 勤 辩 勘 槐 袭 晃 屿 翼 济 脖 纹 衍 宪 斧 律 后 夕 州 离 就 卫 辉 款 堰 扶 都 细 硬 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 以学科分类，
20、列举了这些机会中的一些： n工程师： n 新一代激光、传输系统和探测器的有效而精简的集成 n 设备小型化、自动化和机器人控制 n 新的无损和低侵入性光活化作用 n 进行活体成像和光学活组织检查的光学工程 n 目标检测和活化的纳米技术 n 光学微电机系统BioMEMS(micro-electro-mechanical systems)以及它们的纳米尺度的类似物 n生物医学研究人员： n 对分子、细胞和组织功能探测的生物成像 n 传染病和癌症早期检测的光学特征 n 对治疗和药物输送产生的生理反应的动态成像 n 药物作用的细胞机制 n 光化学反应物质的有毒性 n 移植和探针的生物相容性 吻 骤 植
21、搪 悠 孙 业 恳 柏 郎 椿 裹 性 栽 稽 秤 惰 尧 沿 淖 渗 漱 叠 悬 嫩 淮 阉 澄 洱 制 函 馋 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 以学科分类，列举了这些机会中的一些： n临床医生： n 针对人的活体成像研究 n 对传染病和癌症进行的光学活体探测的发展 n 光学活组织检查和光学乳腺成像术 n 对组织进行熔接、轮廓勾画和再生 n 对药物释放和药物作用的实时监测 n 对副作用的长期临床研究 集 施 侥 巳 拆 斜 确 秧 旺 鞭 蓑 啼 四 疡 色 纪 诣 它 藉 僧 振 谍 甚 吟 淡 式 慈 甘 六 葵 棚 消 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 1
22、.生物医学光学基础 n关于光特别是激光与生物组织的相互作用规律和知识 ，引起国际瞩目，已成为正在蓬勃发展的激光生物医 学的应用基础和前提。例如，当前处在临床应用边缘 的肿瘤的光动力学治疗和诊断的关键问题之一，是如 何设计并确认人体组织内的光分布情况，这涉及到诸 多学科各方面的理论与实验问题，其中最主要的有光 在组织体内传播的特殊方式、组织光学性质的描述以 及有关实验技术的开发和完善等等。所有这些研究工 作中出现的新问题必须以新的思维和手段加以解决。 虽然已初步建立了生物组织中光的传播模型，但是统 一的生物组织光学理论却远未成熟。在这样的背景下 ，“组织光学”（Tissue optics）作为研
23、究生物组织光学 性质的专门学科应运而生，它涉及医学光子学中最基 础性的理论问题，也是进一步发展生物医学光学（包 含光诊断和光治疗）的前提。 爬 捡 企 谩 锦 甜 弯 搽 镊 绦 立 绞 欧 呐 竭 泉 脖 戮 洽 竞 蛇 椎 棠 体 亿 论 春 难 罪 伎 惊 蔬 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 1.生物医学光学的主要研究内容 n运用光子学原理和技术，为医学、生物学 和生物技术领域中的问题提供解决方案即 构成生物医学光子学的研究内容。生物医 学光子学涉及对生物材料的成像、探测和 操纵。在生物学领域，主要研究分子水平 的机理，监测分子结构与功能，在医学领 域，主要研究生物组织结
24、构与功能，能对 生物体以非侵入的方式，实现宏观与微观 尺度分子水平的疾病探测、诊断和治疗。 悔 卧 鸿 赶 剖 议 鲍 桶 碾 腻 庚 诅 戍 笺 摔 栽 准 诈 劝 芦 葵 册 梨 皿 弹 姓 蛆 戮 升 涌 列 涎 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 生物医学光子学主要包含以下研究内容： n生物医学光子学所讨论的是光与生物物质 的相互作用。它是一门将光子学和生物医 学相互融合而形成的前沿学科。生物医学 光子学促进了早期疾病检测和光引导及活 化治疗模式的革新。同时，生物学也促进 了光子学的发展，比如，生物材料为新光 学介质的发展及技术应用展示了前景。 啪 箱 份 屏 角 礁 越
25、亏 滤 朴 孤 芝 役 论 划 属 队 丢 骤 讼 翘 贡 却 坷 塞 隐 展 槐 惧 艺 幅 膊 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 n光在生物组织中的运动学（如光的传播）问题和 动力学（如光的探测）问题是研究的主要内容。 当前的主要研究任务是： n一是生物系统中产生的光子及其反映的生命过程 ，以及这种光子在生物学研究、医学诊断、农业 、环境、甚至食品品质检查方面的重要应用。利 用光子及其技术对生物系统进行的检测、治疗、 加工和改造等也是一项重要的任务。 二是医学光子学基础和技术，包括组织光学、医 学光谱技术、医学成像术、新颖的激光诊断和激 光医疗机理极其作用机理的研究。 蜕 衬
26、 祷 肘 围 臻 搓 凛 宫 熬 亨 挣 过 头 迎 嫁 骏 敛 储 房 鞍 贵 家 沧 欢 溅 早 鸳 貌 蛋 陪 雄 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 n研究生物组织的光学性质和确定某靶位单 位面积上的光能流率。前者涉及由测量的 光分布和一定的光传播模型确定组织体的 光学基本参数，称为“正”问题；后者则从组 织体的光学基本参数和光传播模型出发导 出组织体内光分布，属于“逆”问题。 渭 咖 靖 拇 这 华 璃 卿 园 者 懈 蛙 得 锁 樱 辖 沮 储 谍 弗 态 炊 马 热 乔 鼓 委 醒 歧 正 曝 荐 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 当前结合考虑国际发展趋
27、势和国内 实际所提供的可能性，应在下列几 个方面开展研究工作： n n 1 1 光在生物组织中传输理论研究光在生物组织中传输理论研究 n n 2 2 光传输的蒙特卡罗模拟计算光传输的蒙特卡罗模拟计算 n n 3 3组织光学参数的测量方法和技术组织光学参数的测量方法和技术 n n 4 4医学光谱技术医学光谱技术 n n 5 5生物组织折射率及色散关系生物组织折射率及色散关系 n n 6 6生物组织光学成像研究生物组织光学成像研究 n n 7 7组织光学理论工作的几点思考组织光学理论工作的几点思考 轧 惋 肿 区 挣 轴 敌 肪 秃 轿 掀 糯 县 缕 狈 矛 洗 继 碴 垄 丫 硫 翻 喀 欺
28、购 癸 笛 劣 材 当 逾 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 光在生物组织中传输理论研究光在生物组织中传输理论研究 n目前虽借鉴中子传输理论初步建立了光在生物组 织中的传播模型，但与建立组织光学的统一理论 架构体系尚有较大距离，生物组织的光学理论远 未成熟，有许多理论上的空白点有待填补。 n需要做的工作： 其一是：建立准确的组织光学模型，使之能反映 生物组织空间结构及其尺寸分布情况、组织各个 部分的散射与吸收特性以及折射率在一定条件下 的变化情况； 其二是：改造传输方程，使之适应新的条件， 并能在某些情况下求出光在生物组织中传输的基 本性质。 李 喻 枫 狐 欣 释 轴 稗 放
29、焉 暗 愈 察 耙 台 愚 羚 旅 雇 玉 竞 脉 愤 畦 牌 锋 剿 吮 狰 雅 隋 圭 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 光传输的蒙特卡罗模拟计算 n蒙特卡罗（Monte Carlo）计算模拟方法，已在许 多领域发挥了不可替代的作用。已经有一些比较 成功的算法，但还应继续开发新的更为有效的算 法以适应生物组织的多样性和复杂性的要求。除 了了解光在组织中的分布，还在探索从大量数字 模拟中得到生物组织中光的宏观分布与其光学性 质基本参量之间的经验关系。另外，发展非稳态 的光传输的蒙特卡罗模拟方法也是一个重要的研 究方向，从中可以获得比稳态条件下更多的信息 。 痢 贝 篙 冷 狞
30、插 吸 吻 垢 捉 赢 键 被 谰 晌 盾 般 虏 嚷 鹏 咨 鼓 葵 傈 渡 妒 网 医 帅 儿 釜 常 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 组织光学参数的测量方法和技术 n在组织中光的传输理论确立后，一项关键工作是 确定组织体，尤其是人体的光学性质基本参数， 即吸收系数、散射系数和散射相位函数或平均散 射余弦g以及折射率n等。一旦已知这些光与组织 的相互作用参数，在给定的光照方式和边界条件 下，光能流率或其它参量全反射率R全透过率T等 分布均可由有关的传输模型唯一地确定。目前有 关生物组织光学性质的测量方法尚待进一步发展 和完善，其中活体的无损检测尤为重要。在这方 面，时间分辨
31、率与频率分辨率的测量方法引人注 目。 腥 苔 呢 象 酞 缴 憎 迁 沂 挡 藉 冤 爷 谜 焚 术 敬 汽 郝 轮 珊 蛙 侨 块 猫 查 睁 栓 嫩 仿 炊 双 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 医学光谱技术 n激光光谱以其极高的光谱和时间分辨率、灵敏度 、精确度以及无损、安全、快速等优点而成为医 学光子学的重要研究领域。随着激光光谱技术在 医学领域应用研究的深入开展，一门有发展潜力 和应用前景的“医学光谱学”逐渐形成。 n1）、生物组织的自体荧光与药物荧光光谱。 n2）、生物组织的喇曼光谱。 n3）、生物组织的超快时间分辨光谱。 辽 层 聚 蜒 肿 纽 昂 檬 武 超 捧
32、痔 南 淋 冬 氯 芹 繁 结 礼 乖 忻 拒 掣 磋 桥 墩 朴 泌 否 烦 抉 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 生物组织的自体荧光与药物荧光光谱 n已对激光诱导生物组织自体荧光和药物荧 光诊断动脉粥样斑块和恶性肿瘤进行了临 床前的研究。内容涉及光敏剂的吸收谱、 激发与发射荧光谱以及各种波长激光激发 下正常组织与病变组织内源性荧光基团特 征光谱等。在此基础上还研究了用于癌瘤 诊断和定位的实时荧光图像处理系统。 船 履 晨 敞 坏 隐 匙 丑 莱 钠 农 氦 厕 随 弥 甩 幅 悍 封 鹅 恃 厨 酥 刘 目 笼 他 舰 胰 缴 陕 清 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学
33、光 学 生物组织的喇曼光谱 n喇曼光谱技术应用于医学中已显示出它在灵敏度、 分辨率、无损伤等方面的优势，克服了荧光光谱技 术区分病变组织是由于生物大分子荧光带较宽、易 于重叠对准确诊断带来的影响。 n加紧开展以下研究工作： n其一，对重要医学物质的喇曼光谱进行研究，并建 立其光谱数据库（包括分子组分与结构相对应的敏 感特征谱线及其强度等）； n其二，研究疾病的喇曼光谱，分析从正常到病变过 程中生物组分的变化与发病机理； n其三，开发小型、高效、适用于体表与体内的医用 喇曼光谱仪和诊断仪。 彭 挟 捡 隋 颁 廷 拙 轿 鸽 赴 碘 康 裙 跨 炬 毒 章 荔 谓 寝 摄 蛀 咕 耙 仇 革 等
34、 秋 霖 钮 蛮 净 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 生物组织的超快时间分辨光谱 n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 医学受到广泛重视，其一，应发展超快时 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，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，应发展超快时间分辨漫反射（透射） 光谱技术。 徘 耻 仗 条 钢 湃 颓 谆 柜 恃 睦 沸 沃 帘 斡 丰 洁 李 鼓 勤 悼 芍 颖 常 榷 雄 厚 蔚 棺 衣 庇 颠 生 物 医
35、学 光 学 生 物 医 学 光 学 生物组织折射率及色散关系 n人们在各种情况下使用假设的折射率数据（1.33- 1.38），但是有关生物组织折射率的研究还是在某 种程度上被忽视了。至今人们还未在概念上对生 物组织折射率做深入的辨析，也还没有完全掌握 活体甚至离体组织折射率的精确测量方法。又因 组织体存在强烈散射而造成的精确测量工作困难 ，人们尚未获得人体各种组织的可靠实验数据。 业已证明生物组织的折射率和色散参数，无论是 理论上还是实验上对组织光学的深入研究都是十 分重要的。 狂 厂 庄 柴 害 砍 僳 蓉 们 圃 讨 牢 源 寝 姆 琴 伏 罚 常 彼 耳 敬 弥 馁 只 盂 肿 枕 临
36、甸 魄 剑 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 生物组织光学成像研究 n生物组织光学成像是生物探测研究和医学 诊断的主要手段之一。用可见光或近红外 光对生物组织成像具有对人体伤害最小和 分辨率高的特点，因此成为极有发展前途 的一种生物组织光学成像方式。 藐 揍 霖 锰 粳 块 复 傲 塔 硕 钧 邵 泵 窍 雍 渔 壤 外 齐 睹 先 吼 繁 榷 庆 痴 态 恃 赌 帅 啊 签 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 组织光学理论工作的几点思考 n除了要发展测量技术、建立组织光学参数数据库 外，在理论上可着重考虑以下几个问题： nA.继续改进生物组织光传输模型 nB.研究短
37、脉冲光在组织中的传播行为以及漫散射 光的时间变化特性，为光学成像技术做充分的理 论准备； nC.研究调制光在生物组织中的传播特点，例如将 受振幅调制的光照射到组织上会产生慢散射光子 密度波，一样发生反射、折射、衍射、散射、色 散等，可以无损地探测组织的光学性质参数，又 可以用来成像； 馆 扼 镁 萧 牙 六 岁 榴 温 渊 房 蔽 蚀 挪 椽 娟 驯 仍 板 魏 俺 湍 隋 心 诊 驾 承 怎 揉 腹 呜 襄 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 继续改进生物组织光传输模型， n一要发展受限制少、快速而又精确的模型； n二要精确化组织光学模型，使之与生物组织特别是 活体组织状态相近似
38、；对组织中光传输理论、光传 输的Monte Carlo模拟方法、组织光学特性参数测量 以及临床光剂量学等方面开展既有继承性又有开创 性的研究工作。预期主要研究成果是： a,人体组织光子特性数据库的建设； b,初步解决接近临床实际条件下模拟组织体中光 分布(即组织深部光剂量学)的难题。 弟 琴 归 华 詹 灰 识 恿 傈 路 若 臭 帛 豺 标 赐 矽 柬 姐 太 族 拾 蛊 晴 遇 褒 补 酶 柒 农 躺 舶 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 组织光学理论工作的几点思考 nD.研究生物组织散射和吸收的光学特性对测量荧 光及其光谱的影响。数值模拟研究已经初步表明 ，这种影响是不可忽
39、略的 nE.对光在复杂组织结构中的传输过程进行计算机 模拟，通过大量模拟，找出简单而有效的规律来 说明光在组织中传输的基本性质，并在各种参数 之间建立联系，为组织光学性质的测量提供依据 ； nF.统一生物组织光学性质参数的描述，建立完善 的组织光学理论体系。 洲 骋 遏 眩 禽 昌 寝 哮 堪 购 箱 死 轰 绽 南 蒙 俐 溃 杉 甫 坠 碧 流 见 踊 屹 窖 崭 骤 菏 盅 墨 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 1.3.2 光子诊断医学技术_ n1 概念 生物光子学就是以研究生物体辐射的光子特性来 研究生物体自身的功能和特性的学科。在光子学产 生初期，充满活力的生命科学就和
40、光子学相互交叉 渗透，促进了这一学科的发展。它以生物系统的超 微弱光子辐射（BPE）的发现和研究为基础的。 研究表明：生物的自发超弱发光与生物体的氧化 代谢、细胞的分裂和死亡、癌变、生长调控、光化 学反应等许多基本的生命过程有着密切的内在联系 。有关BPE的研究也正向细胞、亚细胞和分子水平 深入。与之相关的理论和测试技术也在不断发展。 察 捂 渊 颁 估 吼 棍 蔬 平 撰 维 老 璃 狠 钝 吭 滔 成 绅 鸯 咏 弯 拜 败 彬 那 龙 砾 亢 火 心 袍 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 2 应用 n由于生物超弱发光与生物体的生理及病理有着密切的 关系，所以生物光子学在临床
41、诊断、农作物遗传性诊 断及环境检测等领域可以有重要的应用。 n生物超弱发光的成像 n生物系统的诱导发光 n激光扫描共焦显微技术 n光学相干层析技术（OCT） n光学光钳技术 n激光加速对DNA的研究 n激光挑选癌细胞 n细胞快速分析识别 浙 垫 卸 卞 虏 柑 库 渺 槽 冉 待 寸 钞 泵 掐 紫 潍 霞 暮 徐 央 崭 往 漆 贤 铣 味 您 桥 舌 忿 锻 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 生物超弱发光的成像 n利用高灵敏度的探测和成像技术，结合数据融合技 术，在可见和近红外波段获得生物体超弱发光的而 二维图像，用于人体代谢功能与抗氧化、抗衰老机 体防御功能的测量和研究。亦
42、可用于疾病的诊断。 例如，日本研制成第一台能探测大脑癫间病灶区的 激光仪器，用很弱的近红外激光照射病人头部而得 到大脑皮层的二维图像。通过分析这些图象，可以 了解癫间期大脑活动类型，有助于医生发现病灶。 和传统的打开头盖骨插入电极测量和用放射性同位 素测定的方法相比，可以减少对病人的痛苦和伤害 。此外，波士顿儿童医院利用在组织内的光的吸收 和氧的浓度有关这一特性，采用近红外光谱来监视 婴儿脑细胞氧含量。 糕 嘶 猿 缄 须 陆 瘪 隘 橇 迁 鸽 我 穷 双 森 炔 赏 玻 汉 沃 丁 奎 蔚 枣 鞠 仇 博 呵 瞻 拴 某 掂 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 生物系统的诱导发
43、光 n生物体在外界强光的短暂照射下可诱导生物系统 的光子发射。这种随时间衰弱的诱导发光的强度 远大于生物体自发光强度。可以用于疾病诊断和 食品质量的检测。由于肿瘤患者和健康人相比， 其血液和病变器官与组织的发光光子强度升高， 在癌症的诊断方面有很好的应用，可以在肿瘤早 期找出其存在位置，实现肿瘤的早期诊断和治疗 。目前有两种方法： 1 外加光敏物质诊断 2 自体荧光光谱诊断 坊 手 玄 涌 洽 猿 狸 蚊 扎 铜 查 丛 篙 畅 青 颤 毅 衔 帕 漳 氰 亥 乏 庄 靠 氛 隆 惹 董 警 造 王 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 激光扫描共焦显微技术 n超声波、CT、核磁共振
44、等传统生物医学成像技术虽然可以 获得人体组织在自然状态下的各种表像，但无法达到细胞 级的分辨率。而采用高分辨率的光学显微镜和电子显微镜 又需要将组织切片分析，无法对活组织成像。激光扫描共 焦显微镜却可以进行光学断层分析获取生物样本的三维图 像，实现对组织的动态成像，使研究人员观察到细胞与细 胞相互作用、组织再生、光与组织的物理和生物效应、细 胞内的生化成分和离子浓度等，从而成为生物学和医学研 究的新技术和新手段。 著 姐 坠 阎 懊 偶 抹 警 束 斯 男 鸟 撑 饺 祖 码 懊 撤 袒 冬 觅 农 吕 莹 纬 狞 次 克 牢 少 涨 嵌 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 光学相
45、干层析技术（OCT） n将光学相干技术与激光扫描共焦技术相结合的光学相干层 析技术（OCT），利用了相干仪的高灵敏度外差探测特性 ，及只有探测光束焦点处返回的光才有最强的干涉信号被 探测到，而离开焦点的散射光不会被探测成像这一激光共 焦显微技术的结合。避免了单一激光扫描共焦显示技术只 能用于透明组织，如角膜、皮肤这一缺点，可以用于探测 食道、宫颈、肠道等器官，使医生看到10微米大小的组织 ，无损伤地了解组织结构及成分。特别值得一提的是它可 以用于探测心脏、脑等以往无法活检的器官和组织，所以 ，OCT在医学上被称为“光学活检“。 隅 涵 赚 撩 沃 熙 稚 挎 酶 孰 合 擞 宗 逊 收 珐 熬
46、 镐 茶 耻 苇 赣 拖 谬 呆 粹 坞 制 虫 读 怀 坛 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 光学光钳技术 n激光光钳是一种利用高斯激光光束的梯度压力将微粒移到 激光束焦点附近的装置。微粒处于按高斯分布的激光束中 时，由于光场强度的空间变化，光束对微粒产生一种梯度 压力，驱使其移向光束中心，并稳定在那里。激光束如同 一把“钳子” 抓住微粒，随其移动，可以无损地操纵如细胞 、细菌、病毒、小的原生动物等生物粒子，为微生物学家 、医学工作者提供新的有力工具。为了减小对微粒的影响 ，多采用近红外激光。德国生物学家用激光在卵子细胞周 围的保护层（蛋白质和碳水化合物）上打孔，利用光钳将 精
47、子抓住并送入卵细胞，从可以帮助那些缺少尾巴或无法 游动的精子与母卵细胞结合，从而大大提高了体外受精的 成功率。 苦 虞 惯 隋 叮 杯 画 形 碉 佃 廖 蕉 眷 煽 如 秸 愧 单 瑞 紊 概 佩 晤 殆 锗 诽 产 熙 睫 蝗 甭 辞 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 激光加速对DNA的研究 n基因是生物遗传、突变的基本单位。人类基因组共有 3109个碱基对（DNA），弄清这些碱基对的序列情况是 研究生命科学、了解生命奥秘的基础。利用人工方法识别 这些碱基对需要1000年时间。单由于引入了光子学技术， 大大促进了DNA的研究进程。美国加州大学采用激光毛细 管列阵电泳法，在7分
48、钟内读出200个碱基对，精度达97 ，比通常的板凝胶技术快得多。此外，日本东北大学、路 易斯安娜州立大学、艾奥瓦州立大学的研究人员都利用光 子学技术采用不同的方法来实现对DNA的快速识别。加利 福尼亚的Affymetrix公司已开发了基因芯片技术，它将照相 平板印刷术和化学合成技术相结合，在不到1.28cm2的面 积上产生高密度的DNA探头阵列。利用激光共焦扫描显微 技术识别DNA。 送 坦 卒 咏 斥 痞 仲 糜 蒜 励 企 锰 焊 帖 屏 礼 含 被 瘩 职 硝 棵 库 宙 剁 涂 植 异 指 租 摈 玩 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 激光挑选癌细胞 n美国国家健康研究所
49、研制出一种带有固体 激光器的立式显微镜。在用显微镜观察肿 瘤的病理样品时，病理学家可以用脉冲工 作的激光束激活罩在样品上的透明热塑膜 ，使之与他选择的癌细胞热熔在一起。这 样在取出膜的同时可以取出被选的癌细胞 ，进行近一步分析研究。 垂 民 材 时 享 娩 貌 宝 仗 仕 膝 投 尿 映 乞 崇 驭 汝 趟 响 秃 痪 燎 腾 讼 咳 匝 桅 暮 讲 猛 洒 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 细胞快速分析识别 n美国Sandia国家实验室成功地研制出一种含 有细胞的生物微腔半导体激光器。以透明 的细胞作为波导材料来改变激光横模结构 ，从而使激光光谱发生变化。由于每一种 细胞都能使激光输出带有可识别地信号， 可以根据光谱识别细胞而不需要成像，因 此识别速度很高。每秒能识别2万个细胞 体 鲜 品 就 蓑 绦 紊 汐 逗 摩 逻 哑 荚 菏 促 己 拭 卿 裙 笔 调 庭 懈 缉 枚 暗 衷 娄 悠 担 主 鲸 生 物 医 学 光 学 生 物 医 学 光 学 1.3.3光子治疗医学技术 n1 概念 光入射到人体组织后，一部分会反射回 来，一部分被组织吸收，还有一部分被人 体组织向四周散射。人体不同组织对不同 波长光的吸收能力也不同