[医学]生物医学中的光学与激光
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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
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
– 而2000年人类基因组排序的完成是分子遗传学领域的又一重大成就 – 重大事件：
• DNA结构的发现－1953 • Sanger方法 • DNA荧光排序法 • DOE宣布HGI－1986 • DOE和NIH联合HGP－1990 • E. Coli基因组 • Yeast 基因组 • Worm基因组 • Fruit Fly基因组 • 人类基因组（90％）－2000 •… • 基因药物 • 个性化医学
– 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
疗，将分子纳米技术和光子学结合，可以利用纳米器件对原子和分子进行操纵，在细胞水平上具有非常 广泛的生物医学应用 • 纳米探针、纳米机器人、纳米激光、纳米诊断和治疗… • 光镊 • 微纳操作
引言（5）
• 基因组学革命：
– 1953年，Watson和Crick在Nature上发表有关DNA螺旋结构的文章，是基因 组学革命的开端
• Moore定律：芯片的尺寸继续减小，而实现每个功能的成本呈负指数下降 • 影响了生物医学光子学的众多领域：MRI，CT， 核医学， 超声成像等
– 纳米技术
• 对1－100nm尺度的材料进行研究和开发的技术 • 纳米技术对生物医学中的许多重要领域产生了革命性的变化，尤其是在分子和细胞水平上的诊断和治
引言（4）
• 技术革命：
– 激光：
• Laser:受激辐射光放大 • 提供了一种激发组织，疾病诊断以及组织切除了介入治疗的光源 • 爱因斯坦提出了光子Lhe受激发射的假设 • Arthur Schawlow 和Charles Townes发表文章，提出了在可见光以及红外光波段实现激发谐振的可能 • 1960年Maiman发明了红宝石激光器 • 应用：疾病诊断中的光源以及手术中的激光刀。 • 优点：单色性；高强度；光纤；内窥成像；精度高；感染和失血少；可用计算机控制激光的强度和方
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。
向，减少人为失误；在激光医学中的广泛应用：除皱，消除文身，胎记，肿瘤，眼科中的校正，糖尿病 性青光眼的治疗等，心脏，前列腺，食道…
– 微芯片:
• 激光提供了一种新的激发手段，然而传感组织和器官在活体和离体状态下的探测和成像方式；
• 微芯片技术基于大规模集成电路的发展和广泛应用，微芯片技术使保证了可以低成本地制作微电子电路 和光子探测器如PDA、CCD相机以及CMOS等，具有广阔的场，使得这些器件在生物医学光谱以及分子 成像等领域获得了广泛的应用
• 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
– 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
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
– 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、光镊以及近场探针等），为疾病的非浸入诊断、在分子级别 研究细胞的功能以及在基因级别治疗疾病提供了强大的工具，量子理 论也正由于其电子、原子、分子以及光本身的深刻理解为分子生物学 和遗传性奠定了基础－DNA结构、细胞的分子结构的发现，疾病的基 因学，分子医学的基础。
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
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
– 而2000年人类基因组排序的完成是分子遗传学领域的又一重大成就 – 重大事件：
• DNA结构的发现－1953 • Sanger方法 • DNA荧光排序法 • DOE宣布HGI－1986 • DOE和NIH联合HGP－1990 • E. Coli基因组 • Yeast 基因组 • Worm基因组 • Fruit Fly基因组 • 人类基因组（90％）－2000 •… • 基因药物 • 个性化医学
– 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
疗，将分子纳米技术和光子学结合，可以利用纳米器件对原子和分子进行操纵，在细胞水平上具有非常 广泛的生物医学应用 • 纳米探针、纳米机器人、纳米激光、纳米诊断和治疗… • 光镊 • 微纳操作
引言（5）
• 基因组学革命：
– 1953年，Watson和Crick在Nature上发表有关DNA螺旋结构的文章，是基因 组学革命的开端
• Moore定律：芯片的尺寸继续减小，而实现每个功能的成本呈负指数下降 • 影响了生物医学光子学的众多领域：MRI，CT， 核医学， 超声成像等
– 纳米技术
• 对1－100nm尺度的材料进行研究和开发的技术 • 纳米技术对生物医学中的许多重要领域产生了革命性的变化，尤其是在分子和细胞水平上的诊断和治
引言（4）
• 技术革命：
– 激光：
• Laser:受激辐射光放大 • 提供了一种激发组织，疾病诊断以及组织切除了介入治疗的光源 • 爱因斯坦提出了光子Lhe受激发射的假设 • Arthur Schawlow 和Charles Townes发表文章，提出了在可见光以及红外光波段实现激发谐振的可能 • 1960年Maiman发明了红宝石激光器 • 应用：疾病诊断中的光源以及手术中的激光刀。 • 优点：单色性；高强度；光纤；内窥成像；精度高；感染和失血少；可用计算机控制激光的强度和方
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。
向，减少人为失误；在激光医学中的广泛应用：除皱，消除文身，胎记，肿瘤，眼科中的校正，糖尿病 性青光眼的治疗等，心脏，前列腺，食道…
– 微芯片:
• 激光提供了一种新的激发手段，然而传感组织和器官在活体和离体状态下的探测和成像方式；
• 微芯片技术基于大规模集成电路的发展和广泛应用，微芯片技术使保证了可以低成本地制作微电子电路 和光子探测器如PDA、CCD相机以及CMOS等，具有广阔的场，使得这些器件在生物医学光谱以及分子 成像等领域获得了广泛的应用
• 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
– 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
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
– 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、光镊以及近场探针等），为疾病的非浸入诊断、在分子级别 研究细胞的功能以及在基因级别治疗疾病提供了强大的工具，量子理 论也正由于其电子、原子、分子以及光本身的深刻理解为分子生物学 和遗传性奠定了基础－DNA结构、细胞的分子结构的发现，疾病的基 因学，分子医学的基础。