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1.序 在现代科学领域，光学和生物医学都是比较热门的学科。光学解决发光、传播、光与物质间的相互作用等问题。随着激光的发明，古老的光学理论焕发了青春，不断涌现出新的学科分支，充实光学学科的大厦。生物医学或生物医学工程是重点关注生物特别是人类健康的学科，它结合了物理学、化学、生物学及机械电子等相关学科，是当前研究的热点学科之一。生物医学光学则是将光学学科的理论、技术应用到生物医学领域，是又一个人们感兴趣的交叉、前沿的研究方向，目前发展迅速，成果众多。 生物医学光学研究光在组织中的传播规律，光在组织中的吸收、散射等光学作用形式，实现对患者基于光学理论、光学技术的诊断和治疗。当前，生物医学光学领域应用在临床的典型代表是光学层析成像（OCT）技术，已经成为医学中眼底病诊断的金标准。其他的生物医学光学技术也不断涌现，并在临床上开拓其应用空间。近年来诺贝尔奖也特别关注生物医学光学领域的研究成果，多次把诺奖颁发给此领域做出卓越贡献的科学家，如：2008年的化学奖颁给了下修村、钱永健等学者，奖励他们在绿色荧光蛋白及其系列荧光标记物实现上的贡献；
2014年颁给了在超衍射极限显微成像技术方面作出重大贡献的埃里克·白兹格（Eric Betzig）、斯蒂芬·黑尔（Stefan W.
Hell）、威廉·莫尔纳（William E. Moerner）等三位学者。可以说，生物医学光学在未来发展的潜力和空间是巨大的。 作者根据其近年来的工作总结，结合当前生物医学光学方面的研究进展编写了本书。本书系统地阐述了生物医学光学中的热点技术及其光学背景，如：基于光谱的光学活检；激光共聚焦显微镜；光学层析成像；光声成像以及超衍射极限的远场显微成像等，介绍了相关的理论基础和技术重点。本书为相关领域的研究人员、研究生及本科生提供了一本有用的参考书。当然，生物医学光学学科本身相当复杂，发展迅速，还有待人们努力不懈地进一步去研究、探索和实践。 中国工程院院士 2017.1.5于上海理工大学 2.前言 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。而如何借助于物理学技术、化学技术、纳米技术等古老学科和新型学科的技术获得生命信息一直是生命科学发展中的重要研究课题。生命科学的每一次重大进步都离不开尖端科学仪器的发明，如显微镜的出现揭示了关于细胞的信息，开创了一个新的学科——细胞学科。X射线技术在生物系统中的应用显示了分子层次的信息，为分子生物学的建立奠定了实验基础，更开创了医学影像学，实现组织层面、分子层面的多层次影像学诊断领域。激光的出现更是掀起了光学技术在生物医学领域研究的热潮，一个交叉的、新颖的学科“生物医学光学”应运而生，并得到了飞速发展。光子学及其技术已广泛应用或渗透到生物科学和医学的诸多方面，生物医学光学的发展，将现代医学和生命科学带进崭新的时代。当今世界中，与光子学有关的技术正冲击着人类对生命体的认知及人类健康领域。基于现代激光与光电子技术的生物医学光学将为生命科学带来具有原创性的重要研究成果，并可望形成有重大社会影响和经济效益的产业。 生物医学光学的研究目标是实现微创或无创的诊断与治疗。诊断方面，医学光子学发展的趋势是研制小型、便携、微创/无创、可连续操作且功能完备的医疗仪器，具体可以分为三个方面。第一，基于光学成像的检测和诊断。当前的研究重点是开发超高时空分辨的成像技术和设备、大穿透深度的成像技术和设备以及多模态的成像技术和设备，更好地实现多层次、大动态范围的图像呈现。在体非侵入的生物成像技术也得到了迅猛发展。非侵入性生物成像领域目前已经采用各种显微技术和共聚焦等技术，提高了图像的精细度，使得人们能深入探索活细胞中细胞活动过程的分子事件。第二，基于光谱技术的检测和诊断。当前研究最为活跃的领域是基于拉曼散射光谱的各种检测技术，如：表面增强拉曼散射光谱技术已实现对细菌和病毒的多参数、大通量检测。基于荧光光谱技术的检测和诊断，包括本征自体荧光光谱的肿瘤检测，外源荧光的细胞识别与计数等。第三，基于光学技术的生物传感。当前的热点在于实现在体、可穿戴的生理参数和生化指标的连续监测的传感技术研究，如血氧饱和度、连续血压、血糖监测等。治疗方面,
未来主要在光动力学治疗, 开发小型化固体激光器, 同时寻求更敏感且适用于人体的荧光物质,
改进肿瘤病变组织等疾病的诊断造影及确定光动力学疗法的根本途径。 本书的内容做如下安排：第一章是生物医学光学绪论；第二章介绍光学和光学基本知识；第三章为生物系统发光，包括生物超微弱发光和荧光等；第四章为生物医学光学的理论基础光与组织相互作用——组织光学，光的吸收、散射，光传输理论基础以及光与组织作用后的生物学效应；第五章为生物组织的光学参数测量和一些组织在不同波长下的吸收和散射系数；第六章为光学活检，包括各种光谱检查技术；第七章为生物成像原理和技术，从传统的显微成像介绍开始；第八章为光学层析成像技术；第九章为光声成像；第十章为当前比较热门的超衍射极限分辨的显微成像技术。 本书的成稿得到了上海理工大学精品本科课程建设的经费支持，在此感谢上海理工大学各领导的大力支持；同时研究生杨梅、董肖娜、杨静、陆雨菲、张通、蔡干在书稿整理、文字编辑方面做出了大量的工作，对他们的辛勤劳动表示最诚挚的谢意；最后要感谢我的爱人和我的父亲对我工作上的支持与鼓励，这些成果的获得都与他们的默默付出是分不开的。 生物医学光学涉及学科广泛，限于编者的学术水平，书中难免有错误或表达不准确之处，恳请读者不吝指正。 编者：王成2016.12 3.目录 第一章绪论1 11概述1 12生物医学光学重要历程3 13生物医学光学发展与前瞻4 第二章光学和光子学基本知识7 21绪论7 22几何光学的基本原理10 23光的干涉31 24光的衍射44 第三章生物系统发光69 31生物发光分类69 32荧光70 33发光生物发光84 34化学发光85 35生物超微弱发光85 第四章光与组织相互作用92 41组织光学92 42光在组织中的吸收94 43生物组织的光散射98 44光子传输理论模型110 45光与组织作用的生物学效应124 第五章组织光学性质128 51简介128 52组织光学性质测量的基本原则128 53积分球技术130 54KubelkaMunk法和多流法131 55逆倍增法132 56组织的光学性质133 5.81皮肤和皮下组织的光学性质134 582眼部组织的光学性质142 583头部、脑部组织的光学性质146 5.84上皮组织/粘膜组织的光学性质152 585乳房组织的光学性质156 5.86软骨157 587肝脏161 5.88肌肉164 589主动脉165 5810肺166 5811心肌167 57总结167 第六章医学光谱技术168 61近红外光谱技术及应用168 62荧光光谱173 63拉曼光谱技术应用178 64细胞水平的共焦后向散射显微光谱183 65光谱成像的定义187 第七章生物成像原理和技术198 71生物成像：一种重要的生物医学方法198 72光学成像概述199 73生物和医用显微镜201 74透射显微术212 75倒置显微镜216 76暗场显微镜217 77相差显微镜220 78偏光显微镜230 79微分干涉相衬显微镜（DIC）242 710荧光显微镜251 711扫描近场光学显微镜263 712共聚焦显微镜269 713荧光共振能量转移（FRET）成像282 714荧光寿命成像显微术（FLIM）289 第八章光学相干层析成像术（OCT）原理291 81介绍291 82OCT系统中的共焦门和横向分辨率294 83弱相干干涉的轴向范围296 84傅里叶域光学低相干层析成像（Fourierdomain OCT，FDOCT）299 85时域弱相干干涉仪（time domain OCT，TDOCT）310 86OCT系统的灵敏度和动态范围310 87OCT技术进展和应用314 第九章光声成像317 9.1简介317 92组织中的光声318 93深度结构成像321 94扫描光声层析成像（Photoacoustic Tomography，PAT）322 95声透镜成像325 96计算机层析成像（computed tomography，CT）325 97光声成像方法的应用337 98光声成像的发展344 第十章远场超衍射极限成像346 101受激发射损耗（stimulated emission depletion，STED）显微术347 102超衍射极限的结构光照明显微镜（Structure light Illuminate Microscopy，SIM）356 103随机光重建显微镜（STORM）364 主要参考文献371 |
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