《生物醫(yī)學(xué)光學(xué)》PPT課件.ppt

1、生物醫(yī)學(xué)光學(xué)，上海理工大學(xué)醫(yī)療器械工程研究所舍澄明，參考書(shū)，參考，1，生物光子學(xué)導(dǎo)論，PARAS N.PRASAD存儲(chǔ)大學(xué)出版社2006 2，生物光子學(xué)區(qū)水系科學(xué)出版社2007 3，生物醫(yī)學(xué)測(cè)量與儀器，王寶華，復(fù)旦大學(xué)出版社，2003 4近年來(lái)，光學(xué)與生命科學(xué)交叉學(xué)科的新領(lǐng)域生物醫(yī)學(xué)光學(xué)(Biomedical Photonics)牙齒形成。生物醫(yī)學(xué)光學(xué)由生物光子學(xué)醫(yī)學(xué)光子學(xué)兩部分組成，生物醫(yī)學(xué)光學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容如下。第一，光子在生物系統(tǒng)中產(chǎn)生的光子及其反映的生命過(guò)程、生物研究、醫(yī)療診斷、農(nóng)業(yè)、環(huán)境和食品質(zhì)量檢查中的重要應(yīng)用。利用光子及其技術(shù)檢測(cè)、治療、加工、改造生物系統(tǒng)也是一項(xiàng)重要任務(wù)。第二，

2、是醫(yī)學(xué)光子學(xué)的基礎(chǔ)和技術(shù)，包括組織光學(xué)、醫(yī)學(xué)頻譜技術(shù)、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、新穎的激光診斷、激光醫(yī)療機(jī)器的極作用機(jī)制研究。生物醫(yī)學(xué)光學(xué)(Biomedical-Optics)是光學(xué)和生命科學(xué)交叉、相互滲透的新研究領(lǐng)域，是光和生物組織相互作用的必然結(jié)果。早在1988年在美國(guó)舉行的光學(xué)學(xué)會(huì)年會(huì)上，首次對(duì)“生物醫(yī)學(xué)光學(xué)”進(jìn)行專(zhuān)題討論會(huì)后，其地位就成為了激光生物醫(yī)學(xué)發(fā)展、生物組織光分布、光寬度、與組織的相互作用的重要基礎(chǔ)問(wèn)題，牙齒兩方面與組織體的光學(xué)特性直接相關(guān)。生物醫(yī)學(xué)光學(xué)在醫(yī)學(xué)中的作用：當(dāng)今醫(yī)學(xué)正處于重大變革的時(shí)期。醫(yī)學(xué)的重點(diǎn)正在從傳統(tǒng)的基于癥狀的治療模式轉(zhuǎn)變?yōu)榛谛畔⒌闹委熌Ｊ?。人們已?jīng)知道癥狀只是疾病落

3、后的非常粗糙的人體異常反應(yīng)。今天對(duì)主要醫(yī)學(xué)課題的研究重點(diǎn)是探討引起疾病的生物信息規(guī)律，將生物邏輯信息調(diào)節(jié)到健康狀態(tài)，以達(dá)到疾病治療目的。(威廉莎士比亞、哈姆雷特、健康)為此，人們?cè)诟骺葡?自學(xué)、音響、化學(xué)、光學(xué)等)上探索醫(yī)學(xué)診斷和治療的新方法?，F(xiàn)在，人們認(rèn)為光子學(xué)有希望在當(dāng)今醫(yī)學(xué)的大變革中發(fā)揮重要作用。在生物組織中光的傳播規(guī)律和激光代表的高性能光源和高靈敏度光學(xué)探測(cè)器的開(kāi)發(fā)成功，分別是這種認(rèn)識(shí)的理論基礎(chǔ)和物質(zhì)基礎(chǔ)。醫(yī)學(xué)光子學(xué)(Medical photonics)、新興激光技術(shù)、頻譜技術(shù)、微技術(shù)、光纖技術(shù)開(kāi)發(fā)等光子學(xué)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相結(jié)合，形成了新的交叉科系增長(zhǎng)點(diǎn)。醫(yī)學(xué)光子學(xué)(Medical phot

4、onics)是光學(xué)和生命科學(xué)徐璐交叉和徐璐交叉的。生物組織中光的運(yùn)動(dòng)學(xué)(如傳播)問(wèn)題和力學(xué)(如勘探)問(wèn)題是研究的主要內(nèi)容。激光具有單色性、高亮度、高密度、輻射方向性強(qiáng)的特點(diǎn)，以光學(xué)診斷或光治療技術(shù)等激光為光源。隨著激光繼續(xù)發(fā)展，光子技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也不斷應(yīng)用。醫(yī)學(xué)光子學(xué)的發(fā)展動(dòng)力主要來(lái)自醫(yī)學(xué)的迫切需要2，3。激光醫(yī)學(xué)的光計(jì)量學(xué)、光學(xué)成像診斷、腫瘤診斷、治療等臨床光治療和光診斷的具體應(yīng)用迫切要求對(duì)醫(yī)學(xué)光子學(xué)作出滿意的答復(fù)，極大地促進(jìn)了醫(yī)學(xué)光子學(xué)的迅猛發(fā)展。醫(yī)學(xué)光子學(xué)研究的直接對(duì)象是生物組織，尤其是活的生物組織。其研究成果將直接服務(wù)于人類(lèi)醫(yī)學(xué)，有可能創(chuàng)造新的高科技產(chǎn)業(yè)，為人類(lèi)文明和社會(huì)進(jìn)步做出貢

5、獻(xiàn)。醫(yī)學(xué)的光診斷和治療需要很多理論研究，理論上有很多新的應(yīng)用需要滿意的解釋?zhuān)饕幸韵聨讉€(gè)方面。(1)醫(yī)學(xué)上對(duì)人體疾病的光學(xué)診斷問(wèn)題。人體根據(jù)生理狀態(tài)的不同，組織光學(xué)特性參數(shù)也不同。光子學(xué)檢測(cè)和診斷與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)方法相比有很多優(yōu)點(diǎn)。特別是600nm 1300nm“光學(xué)窗口”波長(zhǎng)范圍內(nèi)的無(wú)損檢測(cè)和診斷技術(shù)，如組織血氧和腦血氧檢測(cè)、血氧和葡萄糖含量監(jiān)測(cè)等，蓬勃發(fā)展。圖像技術(shù)方面最近發(fā)展起來(lái)的OCT技術(shù)也受到了人們的高度重視，但是由于生物組織的多樣性和復(fù)雜性，光子學(xué)檢測(cè)和診斷技術(shù)在理論上尤其是在如何為醫(yī)學(xué)臨床提供可靠的生理參數(shù)指標(biāo)方面，有很多問(wèn)題需要加強(qiáng)研究。(約翰f肯尼迪，美國(guó)電視電視劇，)(2)光療

6、法中各種參數(shù)的選擇。很多林爽光治療的具體應(yīng)用，如激光手術(shù)、激光針灸、激光物理治療、光子力學(xué)治療(PDT)腫瘤，都需要提前確定光量。也就是說(shuō)，照射光源的幾何形狀、光束功率、照明時(shí)間、焦點(diǎn)深度、周?chē)M織的光學(xué)特性以及醫(yī)學(xué)的光診斷和治療中需要展開(kāi)很多理論研究，很多新的應(yīng)用牙齒理論上需要進(jìn)行滿意的解釋?zhuān)饕幸韵路矫嫜例X：(3)對(duì)生物組織的弱光刺激作用機(jī)制。弱光是不會(huì)引起生物組織氣體不可逆性損傷的光。由于弱光對(duì)生物組織的刺激作用，激光對(duì)人體的消炎、鎮(zhèn)痛效果、血液的明顯凈化作用，目前廣泛用于醫(yī)學(xué)臨床，但弱光治療的機(jī)理研究相對(duì)滯后。為了更好、更科學(xué)地發(fā)展光醫(yī)療事業(yè)，需要對(duì)生物組織的藥光刺激作用機(jī)制進(jìn)行研究

7、。(4)人體危害最小的光子設(shè)備的研究和開(kāi)發(fā)基于生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)，其研究成果將直接有助于人類(lèi)健康。光子醫(yī)療器械設(shè)備對(duì)醫(yī)學(xué)林爽的診斷和治療有著非常重要的意義和廣泛的應(yīng)用前景，有可能創(chuàng)造新的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，為人類(lèi)文明和社會(huì)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。11生物醫(yī)學(xué)光學(xué)的新前沿學(xué)科，我們生活在技術(shù)革命的時(shí)代。技術(shù)革命在不斷地改變我們生活和我們社會(huì)之間相互影響的范圍。人類(lèi)在上個(gè)世紀(jì)取得了許多技術(shù)的重大突破，光子學(xué)是其中之一。光子學(xué)通過(guò)代替電子傳輸、處理和存儲(chǔ)信息，使信息技術(shù)的容量和速度發(fā)生了質(zhì)的飛躍。光子學(xué)是一種基于光的綜合性光學(xué)技術(shù)。它一直被認(rèn)為是新千年的主導(dǎo)技術(shù)之一。激光是光子學(xué)、高方向性、能量集中的光源，其發(fā)明革新

8、了光子學(xué)。自1960年激光首次出現(xiàn)以來(lái)，從家庭娛樂(lè)到大容量信息存儲(chǔ)、光纖通信，都接觸到了我們生活的各個(gè)方面。激光為光子學(xué)發(fā)展提供了很多新的機(jī)會(huì)。生物光子學(xué)是光子學(xué)和生物學(xué)的融合，是光子學(xué)的擴(kuò)展。生物光子學(xué)討論光與生物物質(zhì)的相互作用。生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)可分為生物光子學(xué)和醫(yī)學(xué)光子學(xué)兩部分，分別屬于生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，但兩者有徐璐重疊的范圍，沒(méi)有嚴(yán)格的界限。根據(jù)應(yīng)用目的，還可以將生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)分為光子診斷醫(yī)學(xué)技術(shù)和光子治療醫(yī)學(xué)技術(shù)兩個(gè)領(lǐng)域。前者以光子作為位置信息的載體，后者以光子作為能量的載體。1.2生物醫(yī)學(xué)光學(xué)概論，光子學(xué)在光學(xué)診斷及光指導(dǎo)及激活治療中的應(yīng)用，會(huì)對(duì)健康產(chǎn)生重大影響。生物光子學(xué)為實(shí)現(xiàn)疾病的

9、早期檢測(cè)和光柔道及激活治療的新模式向我們展示了希望。，生物醫(yī)學(xué)光學(xué)是為了保健的多學(xué)科范圍，1.2.1多學(xué)科的教育訓(xùn)練和研究介紹，21世紀(jì)主要的技術(shù)突破更容易發(fā)生在學(xué)科的交叉領(lǐng)域。激光對(duì)保健的好處已經(jīng)得到包括普通大眾在內(nèi)的社會(huì)各界的認(rèn)可。為了滿足全球日益增長(zhǎng)的需求，關(guān)鍵是訓(xùn)練專(zhuān)業(yè)保健人員，培養(yǎng)下一代生物光子學(xué)研究人員。1.2.2作為基礎(chǔ)研究和生命技術(shù)發(fā)展的機(jī)會(huì)，從技術(shù)角度來(lái)看，生物光子學(xué)結(jié)合了4種茄子主要技術(shù)激光、光子學(xué)、納米技術(shù)和生命技術(shù)。這些技術(shù)不僅確立了自己在世界市場(chǎng)上的地位，而且每年創(chuàng)造了高達(dá)數(shù)千億美元的利潤(rùn)。生物技術(shù)企業(yè)、衛(wèi)生組織(醫(yī)院、診所、醫(yī)療團(tuán)隊(duì)研究所)、醫(yī)療設(shè)備供應(yīng)商、醫(yī)藥制造

10、商、信息技術(shù)和光纖通信相關(guān)企業(yè)等，對(duì)生物技術(shù)企業(yè)也產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。今后，生物光子學(xué)會(huì)將對(duì)技術(shù)革新和全球巨大的商業(yè)收益產(chǎn)生重大影響。生物光子學(xué)為研究者提供了挑戰(zhàn)性的機(jī)會(huì)。對(duì)生物分子和生物組裝的光學(xué)激活以及隨后的光柔道處理的基本理解是設(shè)計(jì)新探測(cè)器和藥物釋放系統(tǒng)的基本要求。另外，對(duì)利用超短激光脈沖進(jìn)行多光子處理方法的理解也需要開(kāi)發(fā)新的探測(cè)器，建立新的光激活治療形式。按領(lǐng)域分類(lèi)列出了其中的一些機(jī)會(huì)。化學(xué)家：新熒光標(biāo)記物的研究開(kāi)發(fā)分析物檢測(cè)和生物檢測(cè)的化學(xué)檢測(cè)器列出了用于靶向治療的納米II床學(xué)、材料檢測(cè)器和納米儀器的納米化學(xué)、新的光激活結(jié)構(gòu)理學(xué)家：生物分子和生物組裝的光學(xué)處理過(guò)程圖像和生物檢測(cè)的新物理

11、機(jī)制、單分子生物物理診斷和治療的非線性光學(xué)過(guò)程、學(xué)科分類(lèi)、這些機(jī)會(huì)中的一些。工程師：對(duì)新一代激光、傳輸系統(tǒng)、探測(cè)器的有效簡(jiǎn)潔集成設(shè)備進(jìn)行小型化、自動(dòng)化和機(jī)器人控制，實(shí)現(xiàn)新的無(wú)損和低侵入光激活作用的生物成像和光學(xué)活性組織檢查的光學(xué)工程目標(biāo)檢測(cè)和激活納米技術(shù)光學(xué)微馬達(dá)系統(tǒng)Biomems(微機(jī)電系統(tǒng))納米尺度臨床醫(yī)生：對(duì)人類(lèi)生物成像研究的傳染病和癌癥進(jìn)行光學(xué)生物檢測(cè)的發(fā)展光學(xué)生物體操組織檢查和光學(xué)乳房成像技術(shù)對(duì)組織進(jìn)行焊接、輪廓素描、再生，對(duì)藥物釋放和藥物作用進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)副作用進(jìn)行器官臨床研究，1。生物醫(yī)學(xué)光學(xué)的基礎(chǔ)，特別是有關(guān)激光與生物組織相互作用的規(guī)律和知識(shí)，引起了國(guó)際關(guān)注，成為快速發(fā)展的激

12、光生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用基礎(chǔ)和前提。例如，目前林爽應(yīng)用邊緣腫瘤的光動(dòng)力學(xué)治療和診斷的關(guān)鍵問(wèn)題之一是如何設(shè)計(jì)和確認(rèn)人體組織內(nèi)的光分布。這包括多個(gè)領(lǐng)域的理論和實(shí)驗(yàn)問(wèn)題。其中最重要的是光在組織內(nèi)傳播的特殊方式，組織光學(xué)性質(zhì)的說(shuō)明，實(shí)驗(yàn)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和改進(jìn)等。所有這些研究工作中出現(xiàn)的新問(wèn)題必須用新的思維和手段解決。生物組織光傳播模型初步建立，但統(tǒng)一的生物組織光學(xué)理論還不成熟。在此背景下，“組織光學(xué)”作為研究生物組織光學(xué)性質(zhì)的專(zhuān)門(mén)學(xué)科出現(xiàn)，它涵蓋了醫(yī)學(xué)光子學(xué)中最基本的理論問(wèn)題，是進(jìn)一步發(fā)展生物醫(yī)學(xué)光學(xué)(包括光診斷和光治療)的前提。1.生物醫(yī)學(xué)光學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容，利用光子學(xué)原理和技術(shù)為醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、生命技術(shù)領(lǐng)域的問(wèn)題

13、提供解決方案，即構(gòu)成生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的研究?jī)?nèi)容。生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)包括對(duì)生物物質(zhì)的成像、勘探和操作。在生物學(xué)領(lǐng)域，主要研究分子水平的機(jī)制，監(jiān)控分子結(jié)構(gòu)和功能，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，主要研究生物組織結(jié)構(gòu)和功能，以對(duì)生物體的非侵入性方式實(shí)現(xiàn)宏觀和微觀的分子水平的疾病檢測(cè)、診斷和治療。生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)主要包括以下研究?jī)?nèi)容。生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)討論光與生物物質(zhì)的相互作用。它是光子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)徐璐融合形成的前沿學(xué)科。生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)促進(jìn)了早期疾病檢測(cè)和光柔道及活化治療模式的創(chuàng)新。同時(shí)，生物學(xué)促進(jìn)了光子學(xué)的發(fā)展。例如，生物材料展示了新光學(xué)介質(zhì)的發(fā)展和技術(shù)應(yīng)用的前景。在生物組織中光的運(yùn)動(dòng)學(xué)(如光的傳播)問(wèn)題和力學(xué)(如光的探測(cè))問(wèn)題是

14、研究的主要內(nèi)容。目前主要的研究任務(wù)是生物系統(tǒng)產(chǎn)生的光子及其反映的生命過(guò)程，以及牙齒光子在生物學(xué)研究、醫(yī)學(xué)診斷、農(nóng)業(yè)、環(huán)境甚至食品質(zhì)量檢查中的重要應(yīng)用。利用光子及其技術(shù)檢測(cè)、治療、加工、改造生物系統(tǒng)也是一項(xiàng)重要任務(wù)。第二，是醫(yī)學(xué)光子學(xué)的基礎(chǔ)和技術(shù)，包括組織光學(xué)、醫(yī)學(xué)頻譜技術(shù)、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、新穎的激光診斷、激光醫(yī)療機(jī)器的極作用機(jī)制研究。研究生物組織的光學(xué)特性，確定目標(biāo)單位面積的光能流速。電子由測(cè)量的光分布和特定的光傳播模型確定組織體的光學(xué)基本參數(shù)稱(chēng)為“正”問(wèn)題。后者從組織體的光學(xué)基本參數(shù)和光波導(dǎo)模型中導(dǎo)出組織體內(nèi)的光分布是“逆”問(wèn)題?？紤]到當(dāng)前國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)實(shí)際提供的可能性，要從以下幾個(gè)方面進(jìn)

15、行研究。1光在生物組織中傳輸理論研究2光傳輸?shù)拿商乜迥M計(jì)算3組織光學(xué)參數(shù)測(cè)量方法和技術(shù)4醫(yī)學(xué)頻譜技術(shù)5生物組織折射率和色散關(guān)系6生物組織光學(xué)成像研究7組織光學(xué)理論工作的幾個(gè)茄子思想，光在生物組織中傳輸理論研究，目前借中子傳輸理論初步建立了光在生物組織中的傳播模型，但與建立組織光學(xué)的統(tǒng)一理論體系還相距甚遠(yuǎn)。生物組織的光學(xué)理論還不成熟，需要填補(bǔ)很多理論空白。要做的事情：一是建立準(zhǔn)確的組織光學(xué)模型，反映生物組織空間結(jié)構(gòu)和大小分布、組織各部分的散射和吸收特性，以及在特定條件下折射率的變化。二是改造傳輸方程，適應(yīng)新條件，在某些情況下，從生物組織中獲取光傳輸?shù)幕拘再|(zhì)。光傳輸?shù)拿商乜迥M計(jì)算、蒙特卡

16、洛計(jì)算模擬方法在很多領(lǐng)域發(fā)揮了不可替代的作用。雖然有一些比較成功的算法，但必須繼續(xù)開(kāi)發(fā)新的、有效的算法，以適應(yīng)生物組織的多樣性和復(fù)雜性。除了了解組織內(nèi)光的分布外，在大量的數(shù)字模擬中，探討了生物組織光的宏觀分布和光學(xué)性質(zhì)的基本參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。另外，開(kāi)發(fā)異常光傳輸?shù)拿商乜迥M方法也是一個(gè)重要的研究方向，它可以獲得比正常狀態(tài)更多的信息。，組織光學(xué)參數(shù)的測(cè)量方法和技術(shù)，組織內(nèi)光傳輸理論建立后的重要任務(wù)是確定組織體，尤其是人體光學(xué)特性的基本參數(shù)，即吸收系數(shù)、散射系數(shù)和散射相位函數(shù)或平均散射余弦G、折射率N等。一旦知道了這些光和組織的相互作用參數(shù)，在給定的照明方法和邊界條件下，光能傳遞或其他參數(shù)整體反射率R整體透射率T等分布可以由相關(guān)傳輸模型唯一確定。目前有關(guān)生物組織光學(xué)性質(zhì)的測(cè)量方法還需要進(jìn)一步發(fā)展和完善，其中活的無(wú)損檢測(cè)尤為重要。在這方面，測(cè)量時(shí)間分辨率和頻率分辨率的方法引人注目。醫(yī)學(xué)頻譜技術(shù)、激光光譜憑借極高