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1、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 明明参考书参考书n n1、生物光子学导论 PARAS N.PRASAD 浙江大学出版社 2006n n2、生物光子学 顾憔 科学出版社 2007n n3、生物医学测量与仪器，王保华，复旦大学出版社，2003n 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第一章第一章 生物医学光学绪论生物医学光学绪论n 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
2、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)。n n生物医学光学包括 生物光子学 医学光子学两部分 n n生物医学光学主要研究内容：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，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、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、加光子及其技术对生物系统进行的检测、治疗、加工和
3、改造等也是一项重要的任务。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。医疗机理极其作用机理的研究。n 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
4、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。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：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些重大医学课
5、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。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，人学等）探索医学诊断和治疗的新方法。目前，人们认为光子学有希望在当今医学的大变革中扮演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及激光为代表的高性能
6、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器的研制成功分别是这种认知的理论依据和物质基础。基础。医学光子学（医学光子学（Medical photonics）n n新兴激光技术、光谱技术、显微技术以及光纤技新兴激光技术、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（个新的交叉学科生长点：医学光子学（Medical Medical photonicsphotonics），是光学与生命科学相互交叉、相互），是光学与生命科学相互交叉、相互渗透的一个边缘学科，是关于光辐射与生物组织渗
7、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（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，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断发展，光子技术在生物医学领域的应用也层出不穷。不穷。医学光子学的发展动力医学光子学的发展动力
8、 n n主要来源于医学的迫切需要主要来源于医学的迫切需要2,32,3。许多面向临床。许多面向临床光治疗以及光诊断的具体应用，如激光医学中的光治疗以及光诊断的具体应用，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别是活体的生物组织。它的研究成果将直接服务
9、于人类医学，并有可能创造出新的高科技产业，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。为人类文明和社会进步作出贡献。n n在医学的光诊断和治疗中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：有如下几个方面：(1)(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
10、相比较有许多优点，尤其是统医学的方法相比较有许多优点，尤其是 600nm 600nm 至至 1300nm“1300nm“光光学窗学窗”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面近年发展起来的 OCT OCT 技术也受到人们的高度重视，但由于生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
11、指标尚有许多问题需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。要加强研究。（2 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）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中,如激光手术、激光针灸、激光理疗和光子动力学治疗如激光手术、激光针灸、激光理疗和光子动力学治疗（Photodynamic Therapy,Photodynamic Therapy,简写为简写为 PDT PDT）肿瘤）肿瘤,需要预先确定光剂需要预先确定光剂量量,即合理选定照射光源的几何形状、光束功率、照射时间、焦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
12、性质和形状等以及组织内部各部分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。光能流率的分布。n 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)(3)弱光对生物组织的刺激作用机制。所谓弱光弱光对生物组织的刺激作用机制。所谓弱光,即即不会造成生物组织机体不可逆性损伤的光。由于弱不会造成生物组织机体不可逆性损伤的光。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
13、临床，但是弱光治疗的机理研究相对滞应用于医学临床，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。加强弱光对生物组织的刺激作用机理的研究。(4)(4)对人体伤害最小的光子设备的研究和开发，其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，断和治疗中有着很重要的意义和广泛的应用前景
14、，并有可能创造出新的高技术产业，为人类文明和社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。会发展进步做出贡献。11 生物医学光学生物医学光学一个新的前沿学科一个新的前沿学科n n我们生活在一个技术革命的时代。技术革命不断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，使信息技术电子进行信息的传输、处理
15、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、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，它的发明革新了光高方向性且能量集中的光源，它的发明革新了光子学。自子学。自19601960年激光第一次出现以来，它已经触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，从家庭娱乐到高容及到了我们生活的方方面面，从家庭娱乐到高容量的信息存储，再到光纤通信。激光为光子学提量的信息存储，再到光纤通信。
16、激光为光子学提供了许多新的发展机会。供了许多新的发展机会。n 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。n 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。1.2 生物医学光学概论生物医学光学概论n 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 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
17、新模式使我们看到了希望。生物医学光学用于卫生保健的多学科范围生物医学光学用于卫生保健的多学科范围多学科的教育培训和研究的介绍多学科的教育培训和研究的介绍n n21世纪，主要的技术突破更容易发生在学科的交叉地带。n 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 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一代的生物光子学研究人员。1.2.2 为基础研究和生物技术发展提为基础研究和生物技术发展提供的机会供的机会n n从技术角度来看，生物光子学综合了四种主要技从技术角度来看，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
18、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、卫生保健机构术企业、卫生保健机构(医院、诊所和医疗诊断实医院、诊所和医疗诊断实验室验室)、医疗仪器供应商和药品制造商以及那些与、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。将来，生物光信息技术和光纤通信有关的企业。将来，生物光子学会在技术创新和世界范围内的巨大商业回报子学会在
19、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。方面产生重大影响。生物光子学为研究人员提供了具有生物光子学为研究人员提供了具有挑战性的机会。挑战性的机会。n 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。以学科分类，列举了这些机会中的一些：以学科分类，列举了这些机会中的一些：n n化学家：化学家：新的荧光标记物的研发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用
20、于靶向治疗的纳米II II缶床学缶床学 用于材料探测器和纳米器件的纳米化学用于材料探测器和纳米器件的纳米化学 新的光活化结构新的光活化结构n n 物理学家：物理学家：生物分子和生物组装的光学处理过程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成像和生物传感的新物理机制 单分子生物物理学单分子生物物理学 诊断和治疗的非线性光学过程诊断和治疗的非线性光学过程以学科分类，列举了这些机会中的一些：以学科分类，列举了这些机会中的一些：n n工程师：工程师：n n 新一代激光、传输系统和探测器的有效而精简的集成新一代激光、传输系统和探测器的有效而精简的集成n n 设备小型化、自动化和机器人
21、控制设备小型化、自动化和机器人控制n n 新的无损和低侵入性光活化作用新的无损和低侵入性光活化作用n n 进行活体成像和光学活组织检查的光学工程进行活体成像和光学活组织检查的光学工程n n 目标检测和活化的纳米技术目标检测和活化的纳米技术n n 光学微电机系统光学微电机系统BioMEMS(micro-electro-mechanical BioMEMS(micro-electro-mechanical systems)systems)以及它们的纳米尺度的类似物以及它们的纳米尺度的类似物n n生物医学研究人员：生物医学研究人员：n n 对分子、细胞和组织功能探测的生物成像对分子、细胞和组织功能探
22、测的生物成像 n n 传染病和癌症早期检测的光学特征传染病和癌症早期检测的光学特征n n 对治疗和药物输送产生的生理反应的动态成像对治疗和药物输送产生的生理反应的动态成像n n 药物作用的细胞机制药物作用的细胞机制n n 光化学反应物质的有毒性光化学反应物质的有毒性n n 移植和探针的生物相容性移植和探针的生物相容性以学科分类，列举了这些机会中的一些：以学科分类，列举了这些机会中的一些：n n临床医生：临床医生：n n 针对人的活体成像研究针对人的活体成像研究n n 对传染病和癌症进行的光学活体探测的发展对传染病和癌症进行的光学活体探测的发展n n 光学活组织检查和光学乳腺成像术光学活组织检查
23、和光学乳腺成像术n n 对组织进行熔接、轮廓勾画和再生对组织进行熔接、轮廓勾画和再生n n 对药物释放和药物作用的实时监测对药物释放和药物作用的实时监测n n 对副作用的长期临床研究对副作用的长期临床研究1.生物医学光学基础生物医学光学基础n n关于光特别是激光与生物组织的相互作用规律和知识，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，是如何肿瘤的光动力学治疗和诊断的关
24、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。
25、在这样的背景下，的生物组织光学理论却远未成熟。在这样的背景下，“组织光学组织光学”（Tissue opticsTissue optics）作为研究生物组织光学）作为研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。含光诊断和光治疗）的前提。1.生物医学光学的主要研究内容生物医学光学的主要研究内容n 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
26、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。生物医学光子学主要包含以下研究内容：生物医学光子学主要包含以下研究内容：n 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。n n光在生物组织中的运动学（如光的传播）问题和光在生物组织中的运动学
27、（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。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：当前的主要研究任务是：n n一是生物系统中产生的光子及其反映的生命过程，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、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。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、医二是
28、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。光医疗机理极其作用机理的研究。n 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。当前结合考虑国际发展趋势和国内当前结合考虑国际发展趋势和国内实际所提供的可能性，应在下列几实际所提供的可能性，应在下列几个方面开展研究工作：个方面开展研究工作：n n1 光在生物组织中传输理论研
29、究光在生物组织中传输理论研究n n2 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 n3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 n4医学光谱技术医学光谱技术n n5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 n6生物组织光学成像研究生物组织光学成像研究n n7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光在生物组织中传输理论研究n n目前虽借鉴中子传输理论初步建立了光在生物组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架构体系尚有
30、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。未成熟，有许多理论上的空白点有待填补。n n需要做的工作：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；的变化情况；其二是：改造传输方程，使之适应新的条件，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并能在某些情况下求出光在生物组织中传输的基本性质。本性质。光传
31、输的蒙特卡罗模拟计算光传输的蒙特卡罗模拟计算n n蒙特卡罗（蒙特卡罗（Monte CarloMonte Carlo）计算模拟方法，已在许）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
32、系。另外，发展非稳态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。究方向，从中可以获得比稳态条件下更多的信息。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在组织中光的传输理论确立后，一项关键工作是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，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即吸收系数、散射系数和散射相位函数或平均散射余弦射余弦g g以及折射率以及折射率n n等。一
33、旦已知这些光与组织等。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下，光能流率或其它参量全反射率R R全透过率全透过率T T等等分布均可由有关的传输模型唯一地确定。目前有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。在这方和完善，其中活体的无损检测尤为重要。在这方面，时间分辨率与频率分辨率的测量方法引人注面，时间分辨率与频率分辨率的测量方法引人注目。目。医学光谱技术医学光谱技术 n n激光光
34、谱以其极高的光谱和时间分辨率、灵敏度、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应用前景的“医学光谱学医学光谱学”逐渐形成。逐渐形成。n n1 1）、）、生物组织的自体荧光与药物荧光光谱生物组织的自体荧光与药物荧光光谱。n n2 2）、）、生物组织的喇曼光谱生物组织的喇曼光谱。n n3 3）、）、生物组织的超快时间分辨光谱生物组织的超
35、快时间分辨光谱。生物组织的自体荧光与药物荧光光谱生物组织的自体荧光与药物荧光光谱 n 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。生物组织的喇曼光谱生物组织的喇曼光谱 n n喇曼光谱技术应用于医学中已显示出它在灵敏度、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、
36、易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。于重叠对准确诊断带来的影响。n n加紧开展以下研究工作：加紧开展以下研究工作：n n其一，对重要医学物质的喇曼光谱进行研究，并建其一，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）；感特征谱线及其强度等）；n n其二，研究疾病的喇曼光谱，分析从正常到病变过其二，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；程中生物组分的变化与发病机理；n n其三，开发小型、高效、适用于体表与体内的医用其三，开发小型
37、、高效、适用于体表与体内的医用喇曼光谱仪和诊断仪。喇曼光谱仪和诊断仪。生物组织的超快时间分辨光谱生物组织的超快时间分辨光谱 n 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。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人们在各种情况下使用假设的折射率数据（），人们在各种情况下使用假设的折射率
38、数据（），但是有关生物组织折射率的研究还是在某种程度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，无论是理论上明生物组织的折射率和色散参数，无论是理论上还
39、是实验上对组织光学的深入研究都是十分重要还是实验上对组织光学的深入研究都是十分重要的。的。生物组织光学成像研究生物组织光学成像研究 n 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。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 n n除了要发展测量技术、建立组织光学参数数据库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：外，在理论上可着重考虑以下几个问题：n nA.A.继续改进生物组织光传输模型继续改进生物组织光传输模型 n n
40、B.B.研究短脉冲光在组织中的传播行为以及漫散射研究短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光的时间变化特性，为光学成像技术做充分的理论准备；论准备；n nC.C.研究调制光在生物组织中的传播特点，例如将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；可以用来成像；继续改进生物组织光传输模型，继续改进生
41、物组织光传输模型，n n一要发展受限制少、快速而又精确的模型；一要发展受限制少、快速而又精确的模型；n n二要精确化组织光学模型，使之与生物组织特别是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；对组织中光传输理论、光传活体组织状态相近似；对组织中光传输理论、光传输的输的Monte CarloMonte Carlo模拟方法、组织光学特性参数测量模拟方法、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：性的研究工作。预期主要研究成果是：a,a,人体组织光子特性数据库的建设；人体组织光子
42、特性数据库的建设；b,b,初步解决接近临床实际条件下模拟组织体中光初步解决接近临床实际条件下模拟组织体中光分布分布(即组织深部光剂量学即组织深部光剂量学)的难题。的难题。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n nD.D.研究生物组织散射和吸收的光学特性对测量荧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，光及其光谱的影响。数值模拟研究已经初步表明，这种影响是不可忽略的这种影响是不可忽略的n nE.E.对光在复杂组织结构中的传输过程进行计算机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模拟，通过大量模拟，
43、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；之间建立联系，为组织光学性质的测量提供依据；n nF.F.统一生物组织光学性质参数的描述，建立完善的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。组织光学理论体系。1.3.2 光子诊断医学技术光子诊断医学技术_ n n1 1 概念概念 生物光子学就是以研究生物体辐射的光子特性来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
44、和光子学相互交叉生初期，充满活力的生命科学就和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（微弱光子辐射（BPEBPE）的发现和研究为基础的。）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。学反应等许多基本的生命过程有着密切的内在联系。有关有关BPEBPE的研究也正向细胞、亚细胞和分子水平深的研究也正向细胞、亚细胞和分子水平深入。与之
45、相关的理论和测试技术也在不断发展。入。与之相关的理论和测试技术也在不断发展。2 应用应用 n n由于生物超弱发光与生物体的生理及病理有着密切的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诊断、农作物遗传性诊关系，所以生物光子学在临床诊断、农作物遗传性诊断及环境检测等领域可以有重要的应用。断及环境检测等领域可以有重要的应用。n n生物超弱发光的成像生物超弱发光的成像 n n生物系统的诱导发光生物系统的诱导发光 n n激光扫描共焦显微技术激光扫描共焦显微技术n n光学相干层析技术（光学相干层析技术（OCTOCT）n n光学光钳技术光学光钳技术 n n激光加速对激光加速对
46、DNADNA的研究的研究n n激光挑选癌细胞激光挑选癌细胞 n n细胞快速分析识别细胞快速分析识别 生物超弱发光的成像生物超弱发光的成像n n利用高灵敏度的探测和成像技术，结合数据融合技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。亦可用于疾病的诊断。体防御功能的测量和研究。亦可用于疾病的诊断。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
47、近红外激光照射病人头部而得激光仪器，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。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。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氧的浓度有关这一特性，采用近红外光谱来监视
48、婴儿脑细胞氧含量。儿脑细胞氧含量。生物系统的诱导发光生物系统的诱导发光 n n生物体在外界强光的短暂照射下可诱导生物系统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，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，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，
49、实现肿瘤的早期诊断和治疗。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：目前有两种方法：1 1 外加光敏物质诊断外加光敏物质诊断 2 2 自体荧光光谱诊断自体荧光光谱诊断 激光扫描共焦显微技术激光扫描共焦显微技术 n n超声波、超声波、CTCT、核磁共振等传统生物医学成像技术虽然可以、核磁共振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。激光扫描共又需要将组织
50、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。究的新技术和新手段。光学相干层析技术（光学相干层析技术（OCT）n 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将光学相干技术与激光扫