《生物医学光子学》教学课件

《生物医学光子学》课程介绍欢迎各位同学参加《生物医学光子学》课程本课程将带您探索光与生命科学交叉的前沿领域，深入研究如何利用光子技术解决生物医学问题生物医学光子学是研究光与生物组织相互作用及其在医学诊断与治疗中应用的学科它结合了物理学、生物学和医学的原理，发展出一系列无创、高精度的技术手段，在现代医疗中扮演着越来越重要的角色本课程将涵盖光学基础理论、生物组织光学特性、各类生物医学光学成像与检测技术，以及临床治疗应用课程采用理论讲授与案例分析相结合的方式，评估将包括课堂讨论、实验报告和期末论文光子学基础概念光的波粒二象性电磁频谱光与生物组织相互作用光既表现为电磁波，又表现为离散的能电磁频谱从低频射电波到高能射线，生光子与生物组织相互作用主要包括反γ量粒子（光子）光子能量E=hν，其中物医学主要应用紫外、可见光、近红外射、折射、散射、吸收和荧光等过程h为普朗克常数，ν为频率这种二重性和红外区域不同波长光子与生物组织这些现象是光学检测和成像技术的物理质是理解光与生物组织相互作用的基的相互作用机制显著不同基础，决定了光在组织中的传播路径和础能量分布光与生物材料相互作用折射与反射发生在界面处的基础光学现象散射与吸收生物组织中的主要光学过程荧光与磷光光子激发分子后的能量释放光热与光化学效应光能转化为热能或触发化学反应光与生物材料相互作用是一系列复杂过程在生物组织中，折射率的不连续性导致光线改变方向；散射使光在组织中呈现复杂的传播路径；吸收过程将光子能量转化为分子振动能；荧光则是分子吸收光子后释放较低能量光子的过程这些基本过程共同构成了生物医学光子学的物理基础生物组织光学特性组织的吸收与散射系数组织的光穿透深度生物窗口与波长选择生物组织的光学特性主要由吸收系光在组织中的穿透深度受波长影响650-950nm的近红外区域被称数μa和散射系数μs表征吸收系数显著紫外光穿透浅（1mm），为第一生物窗口，组织吸收和散决定光能在组织中的消减，散射系可见光达数毫米，而近红外光可达射相对较低，适合深层组织成像数影响光传播路径这两个参数随厘米级别光穿透深度定义为光强1000-1700nm的第二生物窗口组织类型和光波长显著变化减弱至初始值1/e处的深度具有更深的穿透能力和更低的自发荧光干扰光谱学基础吸收光谱记录物质对不同波长光的吸收能力，反映分子结构生物分子如血红蛋白、细胞色素和水等都有特征吸收谱荧光光谱描述荧光物质吸收和发射光谱特性荧光通常呈现斯托克斯位移，发射波长大于激发波长拉曼光谱基于分子振动和转动能级的非弹性散射，提供分子指纹信息拉曼信号弱但高度特异性数据分析通过主成分分析、偏最小二乘等方法处理光谱数据，提取有价值的生物医学信息吸收光谱分析技术紫外-可见分光光度法近红外光谱分析应用于200-800nm波段，用于覆盖780-2500nm波段，可检测量生物分子浓度，如核酸、蛋测生物样本中的C-H、O-H、N-白质定量Beer-Lambert定律H等官能团具有穿透深度较是其核心原理，适用于透明度高大、低干扰等优势，适用于无创的样品，可检测的浓度范围通常血糖监测、脑功能成像等在10⁻⁴-10⁻⁶mol/L中红外光谱分析工作于2500-25000nm波段，提供分子振动的详细信息富含生物分子的指纹区，常用于微生物鉴定、病理组织分析等结合ATR技术可直接分析生物样本荧光原理与应用荧光发射机制荧光寿命与量子产率荧光分子吸收高能光子，达到激发态荧光寿命表示激发态持续时间，量子产后，通过振动弛豫后发射较低能量光子率衡量发光效率生物荧光标记物荧光猝灭与能量转移包括有机染料、荧光蛋白和量子点等，猝灭导致荧光减弱，FRET使激发能在用于分子和细胞标记分子间转移荧光显微成像技术宽场荧光显微技术经典的荧光成像方法，全视场同时照明和探测共聚焦荧光显微技术利用针孔消除焦平面外信号，提高分辨率和对比度多光子荧光显微技术利用多光子同时吸收，实现深层组织高分辨成像荧光显微成像技术是生物医学研究中的核心工具宽场荧光显微镜结构简单但焦外信号干扰大；共聚焦显微技术通过点照明和针孔滤光提高了光学切片能力，xy分辨率可达200nm；多光子技术则利用超快激光脉冲实现深层组织成像，减少了光漂白和光毒性这些技术共同推动了生物医学领域的深入研究超高分辨率荧光显微技术衍射极限与分辨率挑战超分辨率原理主要技术路线传统光学显微镜的分辨率受阿贝衍射极超分辨率技术的核心是控制荧光分子的STED（受激发射损耗显微技术）利用相限限制，约为λ/2NA（约200-开关状态，在时间或空间上分离密集分位板产生甜甜圈型损耗光束，抑制周边300nm）超分辨率技术突破这一限布的荧光信号利用特殊的物理或光化荧光；PALM/STORM则通过重复激制，实现纳米级成像分辨率，使亚细胞学过程，如受激发射损耗或单分子随机活、定位、漂白单个荧光分子，构建超结构观察更加清晰定位分辨图像这些技术已实现10-20nm的分辨率活体荧光成像技术小动物荧光成像系统整体小动物荧光成像系统可实时观察生物过程，采用高灵敏度CCD相机捕获微弱荧光信号先进系统配备多光谱成像和三维重建功能，可用于肿瘤生长、药物分布和基因表达研究荧光探针设计理想的体内荧光探针应具备高量子产率、大摩尔吸收系数、光稳定性和生物相容性针对目标的特异性结合和适当的代谢清除路径也是关键考量因素自发荧光处理组织自发荧光来源于NADH、FAD、胶原和弹性蛋白等内源性荧光物质，可通过光谱分离、时间分辨技术或特殊数学算法消除，提高目标信号的对比度生物发光成像生物发光与荧光区别生物发光是生物化学反应产生的光，不需外部光源激发；而荧光需要外部光源激发发光效率通常较低，但背景干扰极小，适合高灵敏度检测萤火虫荧光素酶系统荧光素酶催化荧光素与ATP、氧气反应产生光子这一系统被广泛应用于基因表达监测、蛋白质相互作用研究和活体成像多种变种酶已开发出不同波长的发光海洋生物发光系统包括海洋腔肠动物如水母的发光系统，如伴刺水母的绿色荧光蛋白和腺型嗜热菌的发光素多数海洋发光系统不需ATP，反应机制更为简单临床应用生物发光成像用于肿瘤细胞示踪、干细胞跟踪、药物筛选和基因治疗监测其高信噪比和无背景特性使其成为体内分子成像的理想选择拉曼光谱技术⁻⁻101-5cm¹⁶拉曼信号强度光谱分辨率相较于荧光，拉曼散射信号约弱百万倍高端拉曼光谱仪可实现的分辨水平10⁶SERS增强因子表面增强拉曼可提高信号强度数个数量级拉曼光谱技术基于分子振动引起的非弹性光散射，提供分子结构的指纹信息常规拉曼光谱仪由激光光源、光学系统、分光器和探测器组成表面增强拉曼散射SERS利用金属纳米结构的表面等离子体共振，大幅增强信号强度，实现单分子检测在生物医学领域，拉曼技术用于组织病理分析、体液成分检测、细胞代谢研究和药物分布监测其无标记、高特异性的特点使其成为生物分析的有力工具相干拉曼成像技术12相干反斯托克斯拉曼散受激拉曼散射SRS射CARSSRS检测泵浦光的强度损失CARS利用两束激光（泵浦光或斯托克斯光的增益，避免了和斯托克斯光）产生与分子振CARS中的非共振背景问题动频率相匹配的拍频，激发分SRS信号与分子浓度呈线性子振动的相干叠加，从而增强关系，适合定量分析SRS反斯托克斯拉曼信号CARS具有更高的化学特异性和对比信号强度与分子浓度的平方成度正比，显著高于自发拉曼3系统构建与应用相干拉曼系统通常使用锁相放大器和超快激光器它被广泛应用于药物分布成像、脂质代谢研究、神经退行性疾病诊断和细胞代谢分析等领域无需染色即可实现高速、高分辨的化学成像光学相干断层成像OCTOCT工作原理OCT技术发展临床应用OCT基于低相干干涉原理，类似于超声波早期的时域OCT需要机械扫描参考臂；现OCT在眼科应用最为广泛，用于视网膜疾成像但使用光波而非声波系统测量光在代频域OCT（包括光谱域OCT和扫频光源病、青光眼和角膜病变的诊断此外，血样本中的回散射时间延迟与强度，通过干OCT）实现了更高的采集速度和灵敏度管内OCT用于冠状动脉检查，皮肤OCT评涉测量实现微米级分辨率的深度剖面成扫频光源OCT在深度范围和穿透力方面具估皮肤病变，消化道OCT辅助早期癌症诊像由于光速极快，OCT采用干涉测量而有显著优势，成像速度可达MHz级断功能OCT可提供血流、偏振和弹性信非直接测时间延迟息光声成像技术光声效应基本原理光声成像系统光声分子成像光声成像基于光声效典型光声系统包括脉冲通过引入具有特定吸收应当组织吸收脉冲激激光（纳秒级）、超声特性的对比剂，如靛青光后，局部瞬间加热膨探头阵列和信号处理系绿、金纳米粒子和碳纳胀产生超声波这些声统根据成像方式分为米管，可实现分子水平波被超声传感器检测并光声显微镜、光声断层的光声成像这些探针重建成图像技术同时成像和光声计算断层成可靶向特定生物标志具备光学对比度和声学像最新系统可实现实物，提高疾病诊断特异深度穿透的优势时三维成像性光散射成像技术散射光学特性与理论弹性散射成像光散射分为瑞利散射（粒子远暗场显微镜和反射共聚焦显微小于波长）和米氏散射（粒子镜是常用的弹性散射成像工尺寸与波长相近）散射强度具散射光谱可用于检测细胞与粒子尺寸、形状、折射率差大小分布变化，为癌症早期诊和入射光波长有关细胞和组断提供依据角度依赖散射测织散射主要来源于细胞核、细量可提供更丰富的结构信息胞器和纤维结构动态光散射技术动态光散射测量散射光强度的时间波动，可分析粒子布朗运动，确定生物分子和纳米颗粒的大小分布此技术可用于蛋白质凝聚监测、药物递送系统表征和生物样本粘度测量衍射光学成像技术衍射光学成像技术利用光波相位信息实现无标记成像数字全息显微镜记录样本产生的衍射图样（全息图），通过数值重建恢复光波幅度和相位，实现三维信息的单次采集定量相位显微镜则直接测量样本引起的相位变化，对应于细胞的光学厚度分布这些技术可实现细胞形态、重量、生长和运动的无标记动态监测，为干细胞分化、癌细胞识别和神经元活动研究提供无损的观察手段先进算法如相位解缠绕和合成孔径技术进一步提高了这类技术的精度和分辨率非线性光学成像二次谐波生成SHG三次谐波生成THG在非中心对称结构中，两个基频光子转三个基频光子合并为一个频率三倍的光换为一个频率加倍的光子子，在折射率界面增强生物医学应用非线性显微系统SHG用于胶原观察，THG可视化细胞采用超快激光器，信号仅在焦点处高强膜，无需染色即可提供结构信息度区域产生，具备天然的光学切片能力多光子荧光显微技术多光子吸收原理多光子显微系统多光子荧光基于分子同时吸收多个典型系统使用钛宝石飞秒激光器低能光子达到激发态的过程双光（700-1000nm），输出80-子过程需要两个近红外光子同时100MHz的超短脉冲扫描系统将（10⁻¹⁶秒内）到达荧光分子由激光聚焦于样本不同位置，逐点构于需要极高的光子密度，激发仅发建图像高数值孔径物镜和高灵敏生在激光焦点位置，显著降低了焦度光电倍增管是系统核心组件最平面外的光漂白和光毒性新三光子系统使用1700nm激光实现更深穿透神经科学应用多光子显微技术能在完整大脑中实现亚微米分辨的神经元成像，可视化树突棘变化和神经元活动结合钙离子或电压敏感染料，可同时记录数百个神经元的活动这项技术已成为神经环路研究和神经退行性疾病模型观察的关键工具光机械效应与光镊光的动量与光压光携带动量，当光改变方向时产生动量转移，形成光压力这种力在宏观尺度极微弱，但在微观尺度可显著影响微粒运动光压力分为散射力和梯度力两部分，前者沿光传播方向推动粒子，后者则将粒子拉向光强最大区域光镊工作原理光镊利用高数值孔径物镜强聚焦激光束，在焦点附近产生强光强梯度当透明微粒折射率高于周围介质时，梯度力将其拉向焦点；当折射率低于周围介质时，微粒被推离焦点典型光镊可产生几十皮牛的捕获力，足以操控微米尺度物体生物应用光镊被广泛应用于单分子力学测量，如研究分子马达、DNA-蛋白质相互作用和细胞膜弹性它还能操控单个细胞、细胞器和人工微结构，辅助细胞分选和组装结合拉曼光谱等技术，光镊还可实现单细胞无损分析活体组织光学测量技术组织光谱采集系统弥散反射光谱时间分辨与频域技术活体组织光学测量系统通常包括宽谱光弥散反射光谱分析从组织表面反射回的时间分辨技术使用皮秒激光脉冲，测量源、光纤探头、光谱仪和计算机控制单光线，可无创评估血红蛋白含量、氧合光子在组织中的飞行时间分布；频域技元探头设计至关重要，需考虑光源-探状态和组织水分基于辐射传输理论或术则调制光源强度，测量相位延迟和减测器距离、组织光学特性和测量深度蒙特卡洛模拟的反演算法能从测量数据幅这些技术能更精确地分离吸收和散多距离探头配置可提供不同深度的组织提取组织光学参数，如吸收系数和散射射效应，提供组织深部信息信息系数近红外脑功能成像眼科中的光学技术眼底成像技术眼底照相是最基础的眼底检查方法，捕获视网膜、视盘和血管的反射光图像荧光血管造影通过注射荧光染料展示视网膜血管结构和通透性扫描激光检眼镜通过点扫描获取高对比度图像，减少散射光干扰眼部OCT应用OCT已成为眼科必备工具，提供视网膜和前段组织的微米级断层图像可精确测量视网膜神经纤维层厚度（对青光眼诊断至关重要）和黄斑区形态（指导黄斑变性和糖尿病视网膜病变治疗）OCT血管造影无需注射造影剂即可显示微血管结构自适应光学与治疗自适应光学系统利用波前传感和可变形镜实时补偿眼部光学畸变，实现单个光感受器和毛细血管的清晰成像激光视网膜治疗和眼内手术导航也越来越依赖先进的光学技术光动力学疗法PDT光敏剂给药选择性积累于肿瘤或病变组织激光照射特定波长激光激活靶区光敏剂光化学反应产生单线态氧等活性氧种选择性破坏氧化损伤导致细胞凋亡或坏死光动力学疗法结合光敏剂和特定波长光源，利用光化学反应产生对肿瘤细胞的选择性杀伤常用光敏剂包括卟啉衍生物、酞菁和氯素，它们通过靶向机制或增强的渗透和滞留效应在病变组织富集激光光源波长选择根据光敏剂的吸收峰和组织光穿透特性确定，通常在630-800nm范围光热疗法1纳米材料注射金纳米棒/纳米壳或碳纳米材料通过增强的渗透和滞留效应或主动靶向在肿瘤中积累这些材料具有强烈的近红外吸收特性，可高效将光能转化为热能近红外激光照射使用符合生物窗口的近红外激光（通常为808nm或1064nm）照射目标区域这些波长在人体组织中穿透较深，可达数厘米，同时水和血红蛋白的吸收较低局部快速升温纳米材料迅速将光能转化为热能，使局部温度升至50-60°C，引起肿瘤细胞热凝固和不可逆损伤温度监测通常采用红外热像仪或磁共振温度成像肿瘤消融和免疫反应热损伤导致肿瘤细胞直接凋亡和坏死，同时释放的肿瘤抗原可能触发全身性抗肿瘤免疫反应最新研究显示光热疗法可与免疫检查点抑制剂产生协同效应激光组织相互作用光热效应组织温度上升导致蛋白变性光机械效应等离子体形成和冲击波产生光化学效应光激发引起化学键断裂光消融效应高能量密度导致组织气化激光与组织相互作用的效应主要取决于激光参数（波长、功率密度、曝光时间、重复频率）和组织特性（吸收系数、散射系数、热传导性）不同的激光-组织相互作用机制对应不同的临床应用低功率密度（1-100W/cm²）主要产生光热效应，用于凝固和热疗；中等功率密度（10²-10⁴W/cm²）引起气化和切割；超高功率密度（10⁹W/cm²）则产生光爆破效应激光安全防护需考虑眼睛和皮肤防护，使用适当的防护镜、隔离区域和安全联锁装置根据中国激光安全标准GB

7247.1-2012，不同类别激光设备需采取相应防护措施激光外科技术激光类型波长主要应用组织作用机制CO₂激光10600nm外科切割、皮肤表面水强吸收，热蒸发处理Er:YAG激光2940nm牙科、精细皮肤处理水极强吸收，微爆破Nd:YAG激光1064nm深层组织凝固，血管深层热凝固治疗飞秒激光800-1000nm屈光手术，角膜移植非线性光断裂，精确切割准分子激光193nm屈光矫正手术光化学断裂，无热效应激光外科技术利用不同波长激光与组织的特异性相互作用，实现精确切割、凝固或消融CO₂激光由于水强吸收，切割精确且热扩散有限，适用于需要精确控制的软组织手术准分子激光和飞秒激光则广泛应用于眼科屈光手术，能够在不产生明显热损伤的情况下进行高精度切削皮肤激光治疗利用选择性光热分解原理，特定波长激光被特定色团吸收，实现对血管病变、色素病变和纹身的选择性治疗分数激光则通过在皮肤上创建微小热损伤区，刺激胶原重塑，治疗疤痕和皱纹内窥光学成像技术12光纤内窥镜技术共聚焦内窥技术光纤内窥镜利用成像光纤束传输共聚焦内窥镜通过单根光纤或光图像，分为相干光纤束（保持空纤束实现点扫描成像，在远端使间关系）和非相干光纤束（用于用微型扫描器或近端使用扫描镜照明）现代内窥镜多采用微型配合光纤束系统具备光学切片CCD或CMOS摄像头置于远端，能力，可产生类似组织病理切片通过电缆传输图像信号先进内的图像，实现光学活检现有临窥镜可配备高分辨率传感器、多床系统可获得2-5μm的横向分辨光谱成像和三维重建功能率3消化道光学诊断窄带成像NBI增强黏膜微血管对比度；共聚焦激光内窥镜可实时观察细胞结构；光学相干断层扫描内窥镜提供组织横断面图像这些技术有助于早期消化道肿瘤发现，减少不必要的物理活检，提高病变定性和边界判定的准确性生物医学光学传感光纤传感器表面等离子体共振传感光学生物芯片利用光纤敏感区的光学特性集成多种光学元件和微流控变化检测生物分子结合或环基于金属-介质界面处的表面结构的微型分析系统可实境变化包括强度调制型、等离子体共振波，对折射率现多通道同时检测，样品需相位调制型、波长调制型和变化敏感SPR传感器可直求量小，响应速度快典型偏振调制型等多种类型可接检测生物分子相互作用，应用包括即时检测、基因测测量温度、pH值、氧气浓度无需标记，广泛用于抗原-抗序和蛋白质组学分析和特定生物分子体结合、蛋白质相互作用和小分子药物筛选可穿戴光学传感器结合柔性材料和微型光学器件，可贴附于皮肤或内置于可穿戴设备主要用于血氧饱和度、血糖、代谢物和生理参数的连续监测近红外光谱和拉曼技术为无创检测提供新途径细胞与分子光学检测流式细胞术单分子荧光检测数字PCR与光学检测流式细胞仪利用流体动力学聚焦使细胞通过高灵敏度光电倍增管或雪崩光电二数字PCR技术将样本分散到成千上万个单列通过激光束，同时测量前向散射极管，结合共聚焦或全内反射荧光显微独立反应室中，通过统计阳性反应室比光、侧向散射光和荧光信号前向散射技术，可实现单个荧光分子的检测单例实现绝对定量光学检测系统使用反映细胞大小，侧向散射反映内部结构分子技术可揭示被总体平均掩盖的分子CCD相机捕获荧光信号，可实现高精度复杂性，多通道荧光则提供表面标志物行为异质性，特别适用于蛋白质折叠、的稀有突变检测、拷贝数变异分析和病表达信息现代高端流式细胞仪可同时酶动力学和分子马达研究原体检测检测18种以上标志物光学标记物与探针荧光标记物是生物医学光学成像的核心工具荧光蛋白如GFP家族具有基因可编码性，适合活细胞内源表达；有机染料如罗丹明和花青具有高亮度和定制化发射波长；量子点则具备光稳定性高、发射谱宽可调的优势，但存在潜在毒性上转换纳米材料能吸收低能光子并发射高能光子，避免组织自发荧光干扰，提高深部组织成像对比度多模态复合探针结合光学、磁共振和放射性标记，实现多种成像方式的互补优势，提供更全面的生物学信息探针设计应考虑量子产率、光稳定性、生物相容性和靶向性等多方面因素光遗传学技术光敏蛋白机制光遗传学利用可光控离子通道或泵（如通道视蛋白ChR2和视紫红质NpHR）调控特定细胞活动ChR2受蓝光激活允许阳离子通过，引起神经元去极化和激活；NpHR受黄光激活泵入氯离子，导致神经元超极化和抑制微生物视蛋白响应速度快（毫秒级）、光调控精确，革命性地改变了神经活动操控方式光控系统实现通过基因工程将光敏蛋白基因导入目标细胞，可利用细胞特异性启动子、Cre-loxP系统或病毒介导实现特定神经元亚群表达光纤植入或微型LED阵列提供体内光刺激，配合行为学范式或电生理记录分析神经环路功能先进系统可在自由活动动物中实现无线光控疾病研究应用光遗传学技术被广泛应用于多种神经系统疾病模型研究，包括帕金森病、阿尔茨海默病、抑郁症、癫痫和成瘾等通过选择性调控特定环路活动，研究者可揭示疾病发生机制，并开发潜在干预策略最新研究扩展至免疫细胞、心肌细胞和胰岛β细胞的光控，拓展应用范围体内光学分子影像活体荧光成像荧光成像是最常用的光学分子影像技术，利用外源荧光探针或基因表达荧光蛋白研究生物过程近红外荧光探针利用生物窗口650-950nm提高组织穿透深度，适合整体小动物成像腹腔、皮下和颅内窗口技术可提供更高分辨率的体内观察2光声分子影像光声成像结合光学吸收和声波检测，提供更深的穿透深度（厘米级）和更好的空间分辨率光声造影剂包括内源性色团（如血红蛋白、黑色素）和外源性探针（如靛青绿、金纳米粒子和碳纳米管）可实现血管、肿瘤和分子标志物的多尺度成像切伦科夫发光成像切伦科夫发光利用高能粒子在介质中速度超过光速产生的蓝色辐射，无需外部光源激发临床放射性示踪剂（如18F-FDG）可同时用于PET和切伦科夫成像，提供互补信息该技术桥接了核医学和光学成像，具有转化应用潜力4多模态光学成像多模态成像结合多种光学技术或光学与非光学技术（如MRI、CT、PET），克服单一模态的局限复合探针如上转换纳米颗粒-Gd复合物，可同时用于荧光和磁共振成像多模态成像系统和算法融合技术是当前研究热点光学成像导航手术术中荧光可视化荧光导航系统肿瘤边界识别采用特定波长激发光源和滤光系统，现代荧光导航系统集成于手术显微靶向荧光探针如靶向叶酸受体、使外科医生能够在手术过程中直接观镜、内窥镜或开放手术设备中，提供EGFR或特定蛋白酶的荧光探针，可察荧光标记的结构常用于淋巴结追实时荧光和白光图像的叠加显示达增强肿瘤组织与正常组织的对比度踪、肿瘤边界识别和重要解剖结构芬奇机器人系统的Firefly模式支持5-ALA在神经外科中用于恶性胶质（如胆管、输尿管）显示ICG是最ICG荧光成像，提高微创手术的导航瘤的荧光导航切除，显著提高全切常用的近红外荧光染料，已获FDA批精确性先进系统支持多光谱成像和率新型激活型探针在肿瘤微环境中准用于多种手术定量荧光分析被特异性激活，减少背景信号光学病理诊断光学活检技术光学活检使用先进的光学成像技术，实现无创或微创的组织病理学评估共聚焦显微内窥镜可获得类似组织学的细胞级图像；OCT提供组织微结构信息；多光子显微镜则无需染色即可观察胶原纤维和细胞结构这些技术能减少不必要的物理活检，降低患者负担高光谱病理诊断高光谱成像同时获取空间和光谱信息，可区分正常和病变组织的细微光谱差异系统采集数百个波段的光谱数据，构建光谱指纹这种方法对不同亚型肿瘤、侵袭程度和边界具有识别价值，可辅助冰冻切片诊断和手术切缘评估AI辅助光学诊断人工智能算法，特别是深度学习技术，可自动分析光学病理图像，辅助病变识别和分类这些系统通过大量标记数据训练，可提供客观、可重复的诊断支持，减轻病理医师工作负担实时诊断系统正逐步应用于内窥镜检查和术中冰冻切片评估微纳制造中的光学技术光刻技术基础1通过特定波长光源和掩模板转移微纳图案激光微加工利用聚焦激光束直接加工材料表面光学3D打印3利用光固化实现复杂三维结构制造微纳制造中的光学技术是生物医学器件制造的基础传统光刻使用紫外光透过光掩模曝光光刻胶，分辨率受波长限制；高级光刻技术如深紫外光刻和电子束光刻可实现纳米级精度这些技术用于制造微流控芯片、生物传感器和微针阵列等医疗器件激光微加工可直接在材料表面实现微米级加工，包括切割、钻孔和表面改性飞秒激光具有超精细加工能力，热影响区小，适合医疗植入物制造双光子聚合3D打印技术利用光敏树脂在飞秒激光焦点处选择性聚合，可打印细胞支架、微型医疗器件和组织工程结构，分辨率可达100nm光学仿生技术自然界的光学结构仿生光学材料医学应用自然界存在丰富的光学仿照生物结构开发的人仿生光学技术在医学领结构，如蝴蝶翅膀的结工材料可实现特殊光学域有广泛应用仿蛾眼构色、鸟类羽毛的干涉效果，如结构性彩色材结构的抗反射涂层提高色、甲虫外壳的手性光料、超疏水自清洁表面内窥镜成像质量；仿昆学特性和深海生物的光和抗反射涂层生物启虫复眼的微透镜阵列用学反射器这些结构通发的光子晶体可用于传于微型医学成像系统；过进化优化，展现出卓感器、光学滤波器和光仿生结构的药物递送微越的光学功能扫描电子集成电路这些材料胶囊能够响应光刺激释镜和透射电镜研究揭示通常通过自组装、胶体放药物；仿生光子晶体这些结构的微纳尺度细沉积或先进的光刻技术作为无染料的生物传感节制备器检测病原体和疾病标志物组织光学清除技术组织透明化原理主要透明化方法组织不透明主要源于组织成分（如细CLARITY技术通过聚丙烯酰胺凝胶嵌胞膜、脂质和胶原蛋白）与环境之间入组织并电穿孔去除脂质；CUBIC使的折射率差异导致的散射透明化技用高浓度尿素和氨基醇清除脂质并匹术通过匹配折射率、清除散射成分或配折射率；iDISCO适用于免疫标记改变组织成分来降低散射，提高光穿和轻微透明化；PEGASOS系统特别透深度理想的透明化方法应保持组适合骨骼组织透明化有机溶剂法织结构完整、兼容荧光标记，且操作（如3DISCO）提供快速透明化，但简便安全可能导致荧光淬灭三维成像与分析透明化后的组织可使用光片显微镜、共聚焦显微镜或双光子显微镜进行整体成像这些系统结合自动化样品移动装置，可实现大尺寸样本的高分辨三维成像先进图像分析算法如血管追踪、细胞计数和神经元重构，进一步挖掘透明化样本中的结构信息生物膜与细胞器光学研究单细胞光学分析单细胞光谱技术激光捕获显微切割单细胞力学测量单细胞拉曼光谱使用显微共聚焦拉曼系激光捕获显微切割LCM结合显微成像光镊是研究单细胞力学特性的重要工统获取单个细胞的分子振动信息，无需和精确激光切割，实现对组织切片中特具，通过测量细胞变形响应评估其弹性标记即可区分细胞类型、代谢状态和药定单细胞或微区域的分离系统通常采和粘性光弹性测量利用细胞骨架产生物响应表面增强拉曼散射SERS和相用紫外激光切割和低功率红外激光捕的双折射效应，无需直接接触即可检测干反斯托克斯拉曼散射CARS进一步提获分离后的细胞可用于DNA测序、细胞内部应力分布这些技术揭示了力高信号强度和特异性单细胞红外光谱RNA转录组分析或蛋白质组学研究，实学特性在细胞分化、癌变和药物响应中则提供更丰富的化学键信息，但空间分现原位分子分析与形态特征的关联的重要作用辨率相对较低血液光学检测技术血红蛋白光学特性氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白具有不同的吸收光谱，在500-700nm区间有特征吸收峰这一特性是脉搏血氧仪和血红蛋白测定仪的工作基础无创血糖检测近红外光谱、拉曼光谱和光热光谱等技术用于血糖无创检测这些方法探测血液中葡萄糖分子的特定光谱特征，但受多种干扰因素影响血液流变测量激光散斑技术和多普勒血流测量可无创评估血流速度和血液流变学特性光学粒子捕获技术能精确测量单个红细胞的变形性生化光学传感荧光免疫分析和表面等离子体共振技术用于血液中生物标志物的高灵敏度检测，包括激素、蛋白质和代谢物皮肤光学与美容技术200-200015%光穿透深度μm皮肤表面反射率不同波长光在皮肤中的穿透深度范围正常皮肤在可见光区域的平均反射率5-30激光治疗次数常见激光美容治疗所需的治疗次数范围皮肤的光学特性由多层结构决定，包括角质层、表皮和真皮主要色团包括黑色素（吸收紫外线和可见光）、血红蛋白（吸收蓝绿光和黄光）和水（吸收红外光）皮肤光学特性测量技术包括反射光谱、荧光光谱和拉曼光谱，以及共聚焦显微镜和OCT等成像方法激光美容技术基于选择性光热分解原理使用特定波长激光选择性作用于目标色团，如585-595nm的脉冲染料激光靶向血管病变，755nm的亚历山大激光和1064nm的Nd:YAG激光用于脱毛分数激光通过在皮肤上产生微小的热损伤区域刺激胶原重塑，改善疤痕和皱纹光动力美容使用光敏剂和低强度光源处理痤疮和光老化纳米光子学在生物医学中的应用表面等离子体共振表面等离子体共振SPR是金属-介质界面处自由电子的集体振荡，对环境折射率变化极为敏感局域表面等离子体共振LSPR存在于金属纳米结构中，可实现高灵敏度生物分子检测SPR和LSPR传感器已用于抗原-抗体结合、蛋白质相互作用和小分子药物筛选纳米天线与光场增强金属纳米天线能显著增强局部电磁场，形成热点，光强可提高数千倍这种光场增强效应是表面增强拉曼散射SERS的基础金纳米棒、纳米三角和纳米间隙结构提供可调的共振波长和高场增强，用于超灵敏检测和单分子研究近场扫描光学显微镜利用纳米探针突破衍射极限纳米光热治疗与传感金纳米粒子和碳纳米材料能高效将光能转化为热能，用于肿瘤光热治疗通过优化纳米材料形状和表面修饰，可提高靶向性和治疗效果纳米热敏材料结合荧光或磁共振信号变化，实现光学温度传感基于上转换纳米颗粒的传感系统可在深层组织中实现生物参数监测光学成像数据处理图像去卷积算法超分辨率图像处理人工智能应用去卷积算法通过计算恢复被成像系统点扩超分辨率计算方法包括单幅图像超分辨率深度学习在光学图像分析中日益重要，包散函数模糊的图像常用方法包括Wiener和多幅图像融合超分辨率最新的深度学括自动分割U-Net、分类CNN和异常滤波、Richardson-Lucy算法和盲去卷习方法，如生成对抗网络GAN和深度残检测这些算法能自动识别细胞结构、病积这些算法能显著提高显微图像的对比差网络，能从常规分辨率图像恢复更高分理特征和组织边界图像恢复网络可减少度和分辨率，特别是在共聚焦显微镜和宽辨率细节这些方法可用于提高活体成像噪声，提高低光照条件下的成像质量这场显微镜中和临床图像质量些技术正推动光学病理诊断和科研分析自动化太赫兹生物医学应用太赫兹辐射特性生物分子太赫兹光谱太赫兹辐射位于

0.1-10THz频段蛋白质、DNA和许多生物活性分（波长30μm-3mm），介于微子在太赫兹区域有特征性振动模波和红外之间这种辐射对多种式和吸收谱这些光谱来源于分生物大分子有特征性吸收，能穿子整体振动、氢键网络和低频集透纸张、陶瓷和一定厚度的生物体振动太赫兹光谱可用于研究组织，但被水和金属强吸收或反蛋白质构象变化、分子水合作用射太赫兹光子能量低（约和生物分子相互作用，为药物研4meV@1THz），不会引起分子发和分子诊断提供独特信息电离，被认为是安全的非电离辐射太赫兹成像与安全性太赫兹成像技术包括透射成像、反射成像和计算成像应用领域包括皮肤癌检测、烧伤深度评估、药物片剂质量控制和伤口愈合监测尽管太赫兹辐射被认为是安全的，但高强度太赫兹辐射可能通过非热机制影响细胞膜和蛋白质功能，需要进一步评估长期生物效应计算光学成像计算成像原理无透镜成像1结合光学硬件与数字算法，从非直接可使用衍射元件或编码孔径代替传统透视化数据重建图像镜，通过计算重建图像压缩感知散斑成像利用信号稀疏性，从少量测量中恢复完利用散斑图案作为指纹，通过计算还原3整图像物体信息先进光源技术超快激光脉冲技术产生飞秒（10⁻¹⁵秒）到皮秒（10⁻¹²秒）量级的超短光脉冲，峰值功率可达太瓦级钛宝石激光器和光纤激光器是常用的超快激光系统这类光源在多光子显微镜、超高时间分辨光谱和精密微加工中至关重要超短脉冲还可通过非线性效应产生太赫兹辐射超连续谱光源通过将超快激光脉冲注入光子晶体光纤，产生覆盖可见到近红外的宽谱光源光学频率梳则是一种特殊的超连续谱，具有精确等间隔的频率线，用于精密光谱测量量子光源和单光子技术产生非经典光态，为量子成像、量子密钥分发和超灵敏生物检测提供基础生物医学光子学的伦理考量激光安全与防护临床光学技术监管激光设备按危害等级分为1-4类，高生物医学光子学技术应用于临床前需功率激光可导致眼睛和皮肤损伤实经过严格的安全性和有效性评估中验室和临床环境必须配备适当的防护国药品监督管理局NMPA负责光学设备，包括特定波长的激光防护镜、医疗器械审批，包括激光治疗设备、屏障和联锁系统操作人员应接受规光学诊断系统和光敏药物国际协调范培训，了解激光危害和应急处理流组织如国际电工委员会IEC提供光程中国执行GB

7247.1-2012激光医学设备安全标准随着技术快速发安全标准，规定了不同场景下的安全展，监管框架需不断更新以平衡创新操作规程与安全光学诊断与数据伦理光学诊断技术产生大量患者图像和数据，引发隐私保护和数据管理问题光学成像数据应遵循匿名化处理原则，并获得适当知情同意人工智能诊断系统需注意算法公平性，避免数据偏差导致的诊断不平等研究中的光学成像需遵循动物实验伦理准则，尽量减少动物数量和痛苦生物医学光子学前沿进展纳米光子学纳米光子学与生物医学结合，发展出纳米天线增强成像、超灵敏单分子检测和纳米尺度光调控技术研究热点包括金属-介质混合纳米结构、等离子体-激子耦合系统和拓扑光子学材料脑光学脑光学技术快速发展，包括全脑透明化成像、微内窥光纤记录和光遗传学调控新型压缩显微技术可实现亚秒级体积成像，捕获神经活动动态光学-电3量子生物光子学极混合技术实现全脑活动监测与特定环路操控量子光学原理应用于生物成像，发展出量子相关成像、纠缠光源显微和亚散粒噪声探测这些技术突破经典物理极限，提供更高灵敏度和更低光损伤量子临床转化传感技术可检测极微弱的生物电磁场变化多种光学技术成功实现临床转化，包括皮肤癌共聚焦检测、新型OCT血管造影和荧光导航手术光学生物标志物检测平台在早期疾病筛查中显示潜力多模态光学系统与AI辅助诊断技术正在多中心临床试验中评估总结与展望技术融合光子学与人工智能、纳米技术和量子科学深度融合临床转化更多便携、低成本光学技术进入临床应用精准医疗个性化光学诊断与治疗方案成为可能《生物医学光子学》课程系统介绍了光与生物组织相互作用的基本原理，以及各类光学技术在生物医学领域的应用从基础的光散射、吸收和荧光现象，到先进的超分辨率显微、活体分子成像和光动力治疗，我们建立了完整的知识体系框架未来生物医学光子学将向更深、更快、更小的方向发展多尺度光学成像将实现从分子到器官的无缝观察；实时、高通量光学技术将捕捉瞬态生物过程；微型化、植入式光学器件将开启体内持续监测新范式我们鼓励同学们继续关注领域进展，通过期刊文献、学术会议和在线资源保持知识更新希望这门课程为大家未来在科研或临床工作中应用光学技术奠定坚实基础。