生物医学光学

研究生课程（论文类）试题2014/2015学年第1学期课程名称：生物医学光学课程代码：1900002论文题目：生物医学光学课程论文学生姓名：专业﹑学号：生物医学工程学院：医疗器械与食品学院课程（论文）成绩：课程（论文）评分依据（必填）：在论文中应包括如下关键技术点1.生物医学光学主要研究光与组织的相互作用，并利用作用的效应实现成像，光谱等检测手段和利用激光能量的治疗技术，那么光学成像适用于生物组织成像的主要原因有哪些？2.发光是光学研究的一个领域，而生物组织也存在一些发光现象，超微弱发光与荧光发光的区别是怎样的？3.吸收主要作用是能量转换，如何量化物质浓度与吸收能力间的关系？光能被转换到组织后，产生的生物学效应有什么？散射是组织对光的主要作用形式，其中的拉曼散射更是具有分子指纹特征的散射光，说明拉曼散射的特点和探测技术。4.在光学成像系统中决定成像能力的指标是什么，如何提高图像分辨率？在当前科研发展中有哪些技术可以打破这个分辨率极限，实现超高分辨率成像，列举2个描述其基本原理是怎样的？任课教师签字：日期：年月日课程（论文）题目：生物医学光学课程论文内容：1.生物医学光学简介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[1]。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(BiomedicalPhotonics)。生物医学光学包括生物光子学和医学光子学两部分。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[2]，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。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[3]，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“生物医学光学”（Bimedicaloptics）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[4]。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[5]。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[6]。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[7]。2.关键技术点2.1生物医学光学主要研究光与组织的相互作用，并利用作用的效应实现成像，光谱等检测手段和利用激光能量的治疗技术，那么光学成像适用于生物组织成像的主要原因有哪些？答：组织光学成像的首要问题是光源的选择。近红外光与可见光相比组织对其吸收小，散射也小，有高透射率，导致灼伤的可能性小，做常规扫描时，长时间曝光不会对组织产生影响。基于激光良好的方向性、相干性、单色性及短持续性等特性，使生物组织光学成像成为可能。2.2发光是光学研究的一个领域，而生物组织也存在一些发光现象，超微弱发光与荧光发光的区别是怎样的？答：生物发光是光生物中唯一与其它由光产生的生物效应相反的过程，即由代谢反应而引起的发光。生物的发光现象可分为三种：①由生物体内专门的体系发出的光称为“功能化学发光”。如萤火虫、发光细菌等生物的发光，属于特异发光酶系催化的结果，量子效率极高，发光强度可达1010hv/(s.cm2)，光谱范围窄；②受辐射诱导的光诱导发光，又称为荧光，是光照射生物后，生物体向外辐射发光，这类发光强度衰减变化快，且辐射光的波长比照射光的波长要长，如叶绿体的光照射发光；③与生物体内代谢或破坏过程相联系的超微弱发光，简称超弱发光，这种光是一种极其微弱的低水平化学发光，发光强度仅为100--103hv/(s.cm2)，波长范围为180～800nm。光虽很弱，但许多实验表明这种发光现象与生物系统内的氧化代谢、细胞分裂、能量转移、光合作用、代谢活性等过程有着内在联系。荧光发光是指一种光致发光的冷发光现象。当某种常温物质经某种波长的入射光（通常是紫外线或X射线）照射，吸收光能后进入激发态，并且立即退激发并发出比入射光的的波长长的出射光（通常波长在可见光波段）；而且一旦停止入射光，发光现象也随之立即消失。具有这种性质的出射光就被称之为荧光。在日常生活中，人们通常广义地把各种微弱的光亮都称为荧光，而不去仔细追究和区分其发光原理。由此可知二者区别：荧光发光强度衰减变化快，且辐射光的波长比照射光的波长要长，而超微弱发光是一种极其微弱的低水平化学发光，发光强度仅为100--103hv/(s.cm2)，波长范围为180～800nm。2.3吸收主要作用是能量转换，如何量化物质浓度与吸收能力间的关系？光能被转换到组织后，产生的生物学效应有什么？散射是组织对光的主要作用形式，其中的拉曼散射更是具有分子指纹特征的散射光，说明拉曼散射的特点和探测技术。答：朗伯-比耳定律可以量化物质浓度与吸收能力间的关系。朗伯-比耳定律是指当一束平行的单色光垂直通过某一均匀的、非散射的吸光物质溶液时，其吸光度(A)与溶液液层厚度(b)和浓度(c)的乘积成正比。它不仅适用于溶液，也适用于均匀的气体、固体状态，是各类光吸收的基本定律，也是各类分光光度法进行定量分析的依据。光能被转换到组织后，产生的生物学效应有热效应，压力效应，光化效应和电磁场效应。非弹性碰撞不但改变方向，还有能量交换和频率改变，称拉曼散射，Raman光谱法分辨率高，重现性好，简单快速，具有以下特点：1.适合水体系的研究，尤其对生物样品和无机物的研究远较红外吸收光谱方便。2.一次可同时覆盖50～4000cm-1波数的区间。3.Raman光谱谱峰清晰尖锐，更适合定量研究。尤其是共振Raman光谱，灵敏度高，检出限可到10-6～10-8mol·L-1。4.Raman光谱所需样品量少，g级即可。5.由于共振Raman光谱中谱线的增强是选择性的，因此可用于研究发色基团的局部结构特征。拉曼光谱最初用的光源是聚焦的日光，后来使用汞弧灯。在随后的几十年内，由于拉曼散射光的强度很弱，激发光源（汞弧灯）的能量低等困难，它在相当长一段时间里未能真正成为一种有实际应用价值的工具。自从傅立叶变换拉曼光谱技术、表面增强拉曼光谱技术、激光共振拉曼光谱、共焦显微拉曼光谱、高温拉曼光谱技术、拉曼光谱与光导纤维技术的联用、固体光声拉曼技术、拉曼光谱与其它光谱的联用等技术的出现，才使得拉曼光谱的应用范围更加广阔。目前拉曼光谱已广泛应用于材料、化工、石油、高分子、生物、环保、地质等领域。具体来说，可用于聚合物的研究、生物大分子的研究、多肽及蛋白质的构型的研究、无机物及金属配合物的研究、以及在文物考古中的应用、宝石鉴定中的应用、公安与法学样品分析中的应用、无机材料中的应用矿床学中的应用、癌症检测中的应用等。就分析测试而言，拉曼光谱技术和红外光谱技术相配合使用可以为更加全面地研究分子的振动状态提供更多的分子结构方面的信息。2.4在光学成像系统中决定成像能力的指标是什么，如何提高图像分辨率？在当前科研发展中有哪些技术可以打破这个分辨率极限，实现超高分辨率成像，列举2个描述其基本原理是怎样的？答：在光学成像系统中决定成像能力的指标是成像分辨率，光学成像系统的带宽限制了图像的分辨率，如果想获得更高分辨率的图像，这就需要更大孔径的光学系统。而高分辨率成像技术能在不增加光学系统带宽的情况下获取更多目标频谱信息的方法，从而得到高分辨率的图像。实现高分辨率成像的主要技术思想是先用激光在空域形成干涉条纹，接着用形成的条纹场去照射目标，然后通过对条纹场的移动以实现对目标频谱的搬移，期望更多目标频谱信息能通过光学系统。最后利用探测器把携带目标信息的干涉条纹记录下来，对信号加以处理从而还原出目标图像。在这种激光干涉成像技术中，要想实现高分辨率成像，条纹质量对能否得到高分辨率图像起着决定性作用。比如SAR成像技术和CCD成像技术可以打破这个分辨率极限，实现超高分辨率成像。SAR是一种全天时、全天候的有源主动式微波成像系统。在距离向，SAR和普通的雷达相似，都是通过发射高稳定度的相干脉冲再利用信号处理的方法实现脉冲压缩，获得高的距离分辨率，通常线性调频脉冲信号具有较大的时带积，能比较好地满足分辨率和平均功率的要求，是较好的选择。在方位向，SAR通过载体与目标之间的有规律的相对运动，利用合成孔径原理，把一个小孔径的天线合成一个大孔径的天线阵列，提高了雷达的角分辨率，从而提高了方位分辨率，这也是SAR不同于普通雷达的根本所在。主要研究扫描模式成像技术、条带模式成像技术、降斑处理技术、SAR几何校正技术、微波定标技术、极化成像雷达、聚束模式雷达成像、雷达干涉测量等。CCD成像原理：1.用相机拍摄景物时，景物反射的光线通过相机的镜头透射到CCD上。2.当CCD曝光后，光电二极管受到光线的激发释放出电荷，感光元件的电信号便由此产生。3.CCD控制芯片利用感光元件中的控制信号线路对光电二极管产生的电流进行控制，由电流传输电路输出，CCD会将一次成像产生的电信号收集起来，统一输出到放大器。4.经过放大和滤波后的电信号被送到A/D，由A/D将电信号（此时为模拟信号）转换为数字信号，数值的大小和电信号的强度即电压的高低成正比。这些数值其实就是图像的数据了。5.不过单依靠第4步所得到的图像数据还不能直接生成图像，还要输出到数字信号处理器（DSP）。在DSP中，这些图像数据被进行色彩校正、白平衡处理（视用户在相机中的设定而定）等后期处理，编码为相机所支持的图像格式、分辨率等数据格式，然后才会被存储为图像文件。6.最后，图像文件就被写入到存储器上（内置或外置存储器）。(CCD是电荷耦合器件的缩写，是数码相机里的一个重要部件)。3.总结经过这个学期对生物医学光学这门课的学习，我从一个对光学从来不感兴趣的人成为了一个热爱生物医学光学的人，上了这门课我才发现原来光学在生物医学工程领域中是这么的有用，而且技术这么的独特先进，发展潜力非常的大，也初步了解了利用光学知识如何解决医学方面的问题。但是也发现光学非常的难学，因此我要更加努力，攻克难关。页数不够，可续页参考文献[1]王玲,丁志华,史国华.基于快速扫描延迟线相位调制的光纤型光学相干层析系统[J].中国激光,2008,35(3):472~476[2]吴彤,丁志华.20kHz扫频光学相干层析系统[J].中国激光,2009,36(2):503~508[3]陈明惠.扫频激光光源的研制[D].2011,4[4]钟会清.光学相干层析成像技术在生物医学中的应用[D].2007,6[5]于雪芹.棱镜色散与光栅色散的对比分析[J].三门峡职业技术学院学报,2011,(2):116~118[6]王建宇,舒嵘,刘银.成像光谱技术导论[M].北京:科学出版社,2011[7]洪吟霞.分光光度计[M].北京:机械工业出版社,1982[8]陈捷光,范世福.光学式分析仪器[M].北京:机械工业出版社,1989[9]任守乐.光的传播[M].山东:山东教育出版社,1998[10]张诚,苗长云,李鸿强,高华,甘晶萌.基于FFP-TF的分布式光纤光栅动态波长解调方法的研究[J].南开大学学报,2012,45(1):31~36[11]B．D．Goldberg