生物医学中的光学与激光.pdf

生物医学中的光学与激光 本讲内容概要 1. 引言 – 学科背景 – 基本概念:Biomedical Optics, Biomedical Photonics – 本讲的主要内容概述 2. 生物组织的光学特性： − （组织对）光的吸收、反射和散射 − 组织的光学特性 − 光在组织中的传播规律－光学诊断学的基础 3. 光和组织的相互作用 – 光对组织的物理作用（治疗） – 测量 – 应用（激光医学） 4. 光学检测及成像 ： – 光学相干层析成像－Optical Coherence Tomography (OCT) – 其它的成像技术举例 引言（1） • 本讲涉及的内容属于生物医学光子学(Biomedical Photonics)的范畴 • 生物医学光子学与生物医学光学（Biomedical Optics）区别（相同点与不同 点） ： – 根据一般的定义，光学是指“可见光学”，它是电磁辐射中一种可被人眼感知的类 型；另一方面，光子学领域，它包括光子 ，即所有电磁辐射谱内的量子，它的定义 比光学的定义更广泛（图1）。 – 光子学包括与电磁辐射相关的光学技术与非光学技术，它是电场与磁场空间能量的 传递。电磁谱是它的能量范围，从宇宙射线、γ射线、X射线到紫外、可见光、红 外、微波和无线电频率。 – 因此，生物医学光子学可以定义为研究所有波长范围的电磁辐射在医学中的应用的 科学与技术。这一领域包括对光或其它形 式辐射能量（量子单元为光子）的产生与 操纵，采用大量的方法和技术，例如激光和其它光源，光纤，电子-光学仪器，复 杂的微电子机械系统，纳米系统等，研究光吸收、发射、传导、散射和放大现象在 临床上的应用。 生物医学光子学的研究范畴包括临床诊断、治疗和疾病的防护。 • 在人类的发展历史中，光学扮演着非常重要的角色：光的治疗作用 • 17世纪光学显微镜的发明对其后200年间的生物学以及生物医学的研究起到了 非常重要的作用： – 细胞理论：1830s – 微生物学：1870s 引言（2） • 1895年，伦琴发现X射线－X射线在疾病诊断中的应用 • 其它许多科学发现和技术进步也极大地促进了生物医学光子学 地发展，为生物分子地研究、组织的鉴别以及疾病的诊断提供 了各种各样的工具 • 生物医学光子学的发展受到以下三个科学和技术革命的影响： –量子理论的革命（1900－1950s） –技术革命（1940s-1950s） –基因组学革命（1950s-2000） 引言（3） • 量子理论的革命：光的概念的演变 – 1687年，牛顿的经典理论：包含了许多光的现象，如光的折射、白光 的本质、薄膜现象等，以及光学仪器，如显微镜，望远镜等 – 1865年，Maxwell的关于光传播的电磁波理论 – 随后的一系列关于光的本质的重大发现，对牛顿的经典理论提出了挑 战，导致了20世纪量子物理的革命－爱因斯坦 • 光电效应：光的本质－Hertz • Max Planck：光的量子化 • 1905年，爱因斯坦对光电效应进行 了详细的解释，开拓了量子力学领域 – 光既不是连续的波，也不是小的粒子，而是以称为光子的波的能量束形式存在，每一个光 子的能量取决于光波的频率 • 卢瑟福和玻尔利用放射性辐射实验研究了原子的结构，进一步验证了量子理论 －波粒二向性 • 从1926年到1933年，Heisenberg，Schrodinger和Dirac等人的理论工作，奠定了 量 子理论的坚实基础 – 基于量子理论，产生了诸如分子光谱技术和光子技术（比如激光、光 学活检、光镊