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谢海明参考书1、《生物光子学导论》PARASN.PRASAD浙江大学出版社20062、《生物光子学》顾憔科学出版社20073、《生物医学测量与仪器》，王保华，复旦大学出版社，20034、《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第一章生物医学光学绪论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(BiomedicalPhotonics)。生物医学光学包括生物光子学医学光子学两部分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，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，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。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，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。医学光子学（Medicalphotonics）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（Medicalphotonics），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。医学光子学的发展动力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，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。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：(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疗（PhotodynamicTherapy,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。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。1．1生物医学光学—一个新的前沿学科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。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。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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。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。生物医学光学用于卫生保健的多学科范围1.2.1多学科的教育培训和研究的介绍21世纪，主要的技术突破更容易发生在学科的交叉地带。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。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供的机会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。生物光子学为研究人员提供了具有挑战性的机会。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：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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以学科分类，列举了这些机会中的一些：工程师：·新一代激光、传输系统和探测器的有效而精简的集成·设备小型化、自动化和机器人控制·新的无损和低侵入性光活化作用·进行活体成像和光学活组织检查的光学工程·目标检测和活化的纳米技术·光学微电机系统BioMEMS(micro-electro-mechanicalsystems)以及它们的纳米尺度的类似物生物医学研究人员：·对分子、细胞和组织功能探测的生物成像·传染病和癌症早期检测的光学特征·对治疗和药物输送产生的生理反应的动态成像·药物作用的细胞机制·光化学反应物质的有毒性·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：临床医生：·针对人的活体成像研究·对传染病和癌症进行的光学活体探测的发展·光学活组织检查和光学乳腺成像术·对组织进行熔接、轮廓勾画和再生·对药物释放和药物作用的实时监测·对副作用的长期临床研究1.３生物医学光学基础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”（Tissueoptics）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。1.３.１生物医学光学的主要研究内容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。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：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。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实际所提供的可能性，应在下列几个方面开展研究工作：1光在生物组织中传输理论研究2光传输的蒙特卡罗模拟计算3组织光学参数的测量方法和技术4医学光谱技术5生物组织折射率及色散关系6生物组织光学成像研究7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目前虽