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![(LZYHWC3Y@C9`WGOMS]LL[J.png](http://tools.fath-pk.cn/files/105410/1703/267259ee920_m.png)
1.序 在現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域，光學(xué)和生物醫(yī)學(xué)都是比較熱門的學(xué)科。光學(xué)解決發(fā)光、傳播、光與物質(zhì)間的相互作用等問題。隨著激光的發(fā)明，古老的光學(xué)理論煥發(fā)了青春，不斷涌現(xiàn)出新的學(xué)科分支，充實光學(xué)學(xué)科的大廈。生物醫(yī)學(xué)或生物醫(yī)學(xué)工程是重點關(guān)注生物特別是人類健康的學(xué)科，它結(jié)合了物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)及機械電子等相關(guān)學(xué)科，是當(dāng)前研究的熱點學(xué)科之一。生物醫(yī)學(xué)光學(xué)則是將光學(xué)學(xué)科的理論、技術(shù)應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，是又一個人們感興趣的交叉、前沿的研究方向，目前發(fā)展迅速，成果眾多。 生物醫(yī)學(xué)光學(xué)研究光在組織中的傳播規(guī)律，光在組織中的吸收、散射等光學(xué)作用形式，實現(xiàn)對患者基于光學(xué)理論、光學(xué)技術(shù)的診斷和治療。當(dāng)前，生物醫(yī)學(xué)光學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用在臨床的典型代表是光學(xué)層析成像（OCT）技術(shù)，已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)中眼底病診斷的金標(biāo)準(zhǔn)。其他的生物醫(yī)學(xué)光學(xué)技術(shù)也不斷涌現(xiàn)，并在臨床上開拓其應(yīng)用空間。近年來諾貝爾獎也特別關(guān)注生物醫(yī)學(xué)光學(xué)領(lǐng)域的研究成果，多次把諾獎頒發(fā)給此領(lǐng)域做出卓越貢獻的科學(xué)家，如：2008年的化學(xué)獎頒給了下修村、錢永健等學(xué)者，獎勵他們在綠色熒光蛋白及其系列熒光標(biāo)記物實現(xiàn)上的貢獻；
2014年頒給了在超衍射極限顯微成像技術(shù)方面作出重大貢獻的埃里克·白茲格（Eric Betzig）、斯蒂芬·黑爾（Stefan W.
Hell）、威廉·莫爾納（William E. Moerner）等三位學(xué)者?？梢哉f，生物醫(yī)學(xué)光學(xué)在未來發(fā)展的潛力和空間是巨大的。 作者根據(jù)其近年來的工作總結(jié)，結(jié)合當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)光學(xué)方面的研究進展編寫了本書。本書系統(tǒng)地闡述了生物醫(yī)學(xué)光學(xué)中的熱點技術(shù)及其光學(xué)背景，如：基于光譜的光學(xué)活檢；激光共聚焦顯微鏡；光學(xué)層析成像；光聲成像以及超衍射極限的遠場顯微成像等，介紹了相關(guān)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)重點。本書為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員、研究生及本科生提供了一本有用的參考書。當(dāng)然，生物醫(yī)學(xué)光學(xué)學(xué)科本身相當(dāng)復(fù)雜，發(fā)展迅速，還有待人們努力不懈地進一步去研究、探索和實踐。 中國工程院院士 2017.1.5于上海理工大學(xué) 2.前言 生命科學(xué)是當(dāng)今世界科技發(fā)展的最大熱點之一。目前幾乎所有的科學(xué)技術(shù)都將圍繞人與人類的發(fā)展問題，尋求自己的有意義的生長點與發(fā)展面，而生命科學(xué)的重點研究對象更是直指高等生命活體與人體本身的一些重大問題。而如何借助于物理學(xué)技術(shù)、化學(xué)技術(shù)、納米技術(shù)等古老學(xué)科和新型學(xué)科的技術(shù)獲得生命信息一直是生命科學(xué)發(fā)展中的重要研究課題。生命科學(xué)的每一次重大進步都離不開尖端科學(xué)儀器的發(fā)明，如顯微鏡的出現(xiàn)揭示了關(guān)于細胞的信息，開創(chuàng)了一個新的學(xué)科——細胞學(xué)科。X射線技術(shù)在生物系統(tǒng)中的應(yīng)用顯示了分子層次的信息，為分子生物學(xué)的建立奠定了實驗基礎(chǔ)，更開創(chuàng)了醫(yī)學(xué)影像學(xué)，實現(xiàn)組織層面、分子層面的多層次影像學(xué)診斷領(lǐng)域。激光的出現(xiàn)更是掀起了光學(xué)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究的熱潮，一個交叉的、新穎的學(xué)科“生物醫(yī)學(xué)光學(xué)”應(yīng)運而生，并得到了飛速發(fā)展。光子學(xué)及其技術(shù)已廣泛應(yīng)用或滲透到生物科學(xué)和醫(yī)學(xué)的諸多方面，生物醫(yī)學(xué)光學(xué)的發(fā)展，將現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)帶進嶄新的時代。當(dāng)今世界中，與光子學(xué)有關(guān)的技術(shù)正沖擊著人類對生命體的認(rèn)知及人類健康領(lǐng)域?；诂F(xiàn)代激光與光電子技術(shù)的生物醫(yī)學(xué)光學(xué)將為生命科學(xué)帶來具有原創(chuàng)性的重要研究成果，并可望形成有重大社會影響和經(jīng)濟效益的產(chǎn)業(yè)。 生物醫(yī)學(xué)光學(xué)的研究目標(biāo)是實現(xiàn)微創(chuàng)或無創(chuàng)的診斷與治療。診斷方面，醫(yī)學(xué)光子學(xué)發(fā)展的趨勢是研制小型、便攜、微創(chuàng)/無創(chuàng)、可連續(xù)操作且功能完備的醫(yī)療儀器，具體可以分為三個方面。第一，基于光學(xué)成像的檢測和診斷。當(dāng)前的研究重點是開發(fā)超高時空分辨的成像技術(shù)和設(shè)備、大穿透深度的成像技術(shù)和設(shè)備以及多模態(tài)的成像技術(shù)和設(shè)備，更好地實現(xiàn)多層次、大動態(tài)范圍的圖像呈現(xiàn)。在體非侵入的生物成像技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展。非侵入性生物成像領(lǐng)域目前已經(jīng)采用各種顯微技術(shù)和共聚焦等技術(shù)，提高了圖像的精細度，使得人們能深入探索活細胞中細胞活動過程的分子事件。第二，基于光譜技術(shù)的檢測和診斷。當(dāng)前研究最為活躍的領(lǐng)域是基于拉曼散射光譜的各種檢測技術(shù)，如：表面增強拉曼散射光譜技術(shù)已實現(xiàn)對細菌和病毒的多參數(shù)、大通量檢測?；跓晒夤庾V技術(shù)的檢測和診斷，包括本征自體熒光光譜的腫瘤檢測，外源熒光的細胞識別與計數(shù)等。第三，基于光學(xué)技術(shù)的生物傳感。當(dāng)前的熱點在于實現(xiàn)在體、可穿戴的生理參數(shù)和生化指標(biāo)的連續(xù)監(jiān)測的傳感技術(shù)研究，如血氧飽和度、連續(xù)血壓、血糖監(jiān)測等。治療方面,
未來主要在光動力學(xué)治療, 開發(fā)小型化固體激光器, 同時尋求更敏感且適用于人體的熒光物質(zhì),
改進腫瘤病變組織等疾病的診斷造影及確定光動力學(xué)療法的根本途徑。 本書的內(nèi)容做如下安排：第一章是生物醫(yī)學(xué)光學(xué)緒論；第二章介紹光學(xué)和光學(xué)基本知識；第三章為生物系統(tǒng)發(fā)光，包括生物超微弱發(fā)光和熒光等；第四章為生物醫(yī)學(xué)光學(xué)的理論基礎(chǔ)光與組織相互作用——組織光學(xué)，光的吸收、散射，光傳輸理論基礎(chǔ)以及光與組織作用后的生物學(xué)效應(yīng)；第五章為生物組織的光學(xué)參數(shù)測量和一些組織在不同波長下的吸收和散射系數(shù)；第六章為光學(xué)活檢，包括各種光譜檢查技術(shù)；第七章為生物成像原理和技術(shù)，從傳統(tǒng)的顯微成像介紹開始；第八章為光學(xué)層析成像技術(shù)；第九章為光聲成像；第十章為當(dāng)前比較熱門的超衍射極限分辨的顯微成像技術(shù)。 本書的成稿得到了上海理工大學(xué)精品本科課程建設(shè)的經(jīng)費支持，在此感謝上海理工大學(xué)各領(lǐng)導(dǎo)的大力支持；同時研究生楊梅、董肖娜、楊靜、陸雨菲、張通、蔡干在書稿整理、文字編輯方面做出了大量的工作，對他們的辛勤勞動表示最誠摯的謝意；最后要感謝我的愛人和我的父親對我工作上的支持與鼓勵，這些成果的獲得都與他們的默默付出是分不開的。 生物醫(yī)學(xué)光學(xué)涉及學(xué)科廣泛，限于編者的學(xué)術(shù)水平，書中難免有錯誤或表達不準(zhǔn)確之處，懇請讀者不吝指正。 編者：王成2016.12 3.目錄 第一章緒論1 11概述1 12生物醫(yī)學(xué)光學(xué)重要歷程3 13生物醫(yī)學(xué)光學(xué)發(fā)展與前瞻4 第二章光學(xué)和光子學(xué)基本知識7 21緒論7 22幾何光學(xué)的基本原理10 23光的干涉31 24光的衍射44 第三章生物系統(tǒng)發(fā)光69 31生物發(fā)光分類69 32熒光70 33發(fā)光生物發(fā)光84 34化學(xué)發(fā)光85 35生物超微弱發(fā)光85 第四章光與組織相互作用92 41組織光學(xué)92 42光在組織中的吸收94 43生物組織的光散射98 44光子傳輸理論模型110 45光與組織作用的生物學(xué)效應(yīng)124 第五章組織光學(xué)性質(zhì)128 51簡介128 52組織光學(xué)性質(zhì)測量的基本原則128 53積分球技術(shù)130 54KubelkaMunk法和多流法131 55逆倍增法132 56組織的光學(xué)性質(zhì)133 5.81皮膚和皮下組織的光學(xué)性質(zhì)134 582眼部組織的光學(xué)性質(zhì)142 583頭部、腦部組織的光學(xué)性質(zhì)146 5.84上皮組織/粘膜組織的光學(xué)性質(zhì)152 585乳房組織的光學(xué)性質(zhì)156 5.86軟骨157 587肝臟161 5.88肌肉164 589主動脈165 5810肺166 5811心肌167 57總結(jié)167 第六章醫(yī)學(xué)光譜技術(shù)168 61近紅外光譜技術(shù)及應(yīng)用168 62熒光光譜173 63拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用178 64細胞水平的共焦后向散射顯微光譜183 65光譜成像的定義187 第七章生物成像原理和技術(shù)198 71生物成像：一種重要的生物醫(yī)學(xué)方法198 72光學(xué)成像概述199 73生物和醫(yī)用顯微鏡201 74透射顯微術(shù)212 75倒置顯微鏡216 76暗場顯微鏡217 77相差顯微鏡220 78偏光顯微鏡230 79微分干涉相襯顯微鏡（DIC）242 710熒光顯微鏡251 711掃描近場光學(xué)顯微鏡263 712共聚焦顯微鏡269 713熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）成像282 714熒光壽命成像顯微術(shù)（FLIM）289 第八章光學(xué)相干層析成像術(shù)（OCT）原理291 81介紹291 82OCT系統(tǒng)中的共焦門和橫向分辨率294 83弱相干干涉的軸向范圍296 84傅里葉域光學(xué)低相干層析成像（Fourierdomain OCT，F(xiàn)DOCT）299 85時域弱相干干涉儀（time domain OCT，TDOCT）310 86OCT系統(tǒng)的靈敏度和動態(tài)范圍310 87OCT技術(shù)進展和應(yīng)用314 第九章光聲成像317 9.1簡介317 92組織中的光聲318 93深度結(jié)構(gòu)成像321 94掃描光聲層析成像（Photoacoustic Tomography，PAT）322 95聲透鏡成像325 96計算機層析成像（computed tomography，CT）325 97光聲成像方法的應(yīng)用337 98光聲成像的發(fā)展344 第十章遠場超衍射極限成像346 101受激發(fā)射損耗（stimulated emission depletion，STED）顯微術(shù)347 102超衍射極限的結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡（Structure light Illuminate Microscopy，SIM）356 103隨機光重建顯微鏡（STORM）364 主要參考文獻371 |
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