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绪论1

一、光子学溯源1

二、生物医学光子学——光子学的新领域1

三、生物医学光子学的国内外学科现状3

第一章 光和分子光谱基础7

第一节 光的物理基础7

一、光的本质7

二、几何光学基本定律8

三、波动光学的基本原理9

（一）光的干涉10

（二）光的衍射11

（三）光的偏振11

第二节 分子光谱基础12

一、光与物质三种相互作用12

二、电子光谱14

（一）紫外可见吸收光谱14

（二）发光光谱15

三、振动和转动光谱16

（一）红外吸收光谱16

（二）拉曼光谱21

第二章 生物系统的化学发光25

第一节 化学发光25

一、化学发光体系及其机制25

（一）鲁米诺体系25

（二）吖啶酯体系26

（三）过氧草酸酯体系27

（四）多羟基化合物类27

（五）荧光素酶体系27

二、化学发光在生物医学分析中的应用27

第二节 生物发光28

一、生物发光的研究历程28

二、生物发光的机制29

（一）萤火虫发光体系29

（二）细菌发光体系30

（三）海萤发光体系31

（四）腔肠动物生物发光体系32

第三节 生物发光在生物医学中的应用32

一、基于生物发光的分析检测应用33

（一）基于发光细菌法的分析检测33

（二）基于ATP生物发光法的分析检测33

二、基于生物发光报告基因的生物医学应用34

（一）生物发光报告基因在生物医学中的应用34

（二）生物发光成像及其应用34

第三章 荧光与荧光探针37

第一节 荧光37

荧光的特性37

（一）荧光的吸收与发射光谱37

（二）荧光寿命39

（三）荧光的偶极子特性39

（四）荧光发射光强40

第二节 荧光探针41

一、荧光探针的定义及构成41

（一）荧光探针的定义41

（二）荧光探针的构成42

二、荧光探针分类及特点43

（一）荧光分子探针43

（二）荧光纳米探针44

（三）基因编码荧光探针45

三、荧光探针构建46

（一）荧光探针设计（响应）原理46

（二）荧光探针的识别方式48

四、荧光探针生物应用进展49

（一）分析检测49

（二）生物成像50

（三）荧光探针的临床应用51

（四）毒性作用52

第四章 生物介质中光子的传输55

第一节 光与组织体的相互作用55

一、组织体对光的吸收作用56

（一）吸收系数56

（二）生物组织中的吸收物质56

（三）各种组织吸收系数58

二、组织体对光的散射作用58

（一）散射系数59

（二）相位函数和散射各向异性60

（三）不同尺寸粒子的散射描述61

（四）生物组织中的散射物质62

（五）经过组织散射后出射光子分类63

（六）各种组织的散射系数63

第二节 光在生物组织中传输的辐射传输理论64

一、辐射传输基本理论与概念64

二、扩散方程近似及其解66

（一）扩散方程的推导及适用条件66

（二）边界条件68

（三）光源模型69

（四）几种常用的解析解70

（五）扩散方程的数值解72

（六）荧光产生及传播的耦合方程73

第三节 蒙特卡罗模拟74

一、MC方法概述74

二、模拟MC法75

三、方差减小蒙特卡罗方法77

第四节 其他近似模型79

一、朗伯－比尔定律79

（一）朗伯－比尔定律——针对纯吸收物质的透射测量79

（二）修正的朗伯－比尔定律——针对散射介质80

二、倍增法80

（一）基本理论81

（二）组织薄层的反射与透射82

三、Kubelka-Munk理论（K-M模型）83

第五章 组织光学特性参数测量原理与方法86

第一节 组织光学特性参数测量方法分类86

一、直接测量法86

二、非迭代的间接测量法87

三、迭代的间接测量法87

四、测量理论与组织光学特性参数88

第二节 应用于在体组织的反射测量技术89

一、稳态漫反射测量89

（一）总的漫反射测量89

（二）空间漫反射测量90

二、时间分辨的漫反射测量92

第三节 应用于离体组织的积分球测量技术94

一、积分球的基本原理94

二、单积分球测漫反射与漫透射95

（一）利用积分球测混浊样品的漫反射95

（二）利用积分球测混浊样品的漫透射96

三、双积分球测样本的漫反射与漫透射97

（一）漫入射97

（二）准直入射98

（三）双积分球之间的能量交换98

四、典型的双积分球测量系统99

五、双积分球测量组织光学特性参数的方法100

六、组织光学特性参数的提取101

第六章 显微成像技术105

第一节 光学显微镜的原理和组成105

一、光学显微成像原理105

二、光学显微镜的组成105

第二节 宽场显微成像108

一、明场和暗场成像108

二、相衬显微成像108

三、微分干涉显微成像109

四、落射荧光显微成像110

五、全内反射荧光显微成像111

第三节 激光扫描共聚焦显微成像112

一、共聚焦显微成像原理113

二、激光扫描共聚焦显微成像系统113

三、激光扫描共聚焦显微成像的关键参数114

第四节 非线性光学显微成像114

一、多光子激发荧光显微成像115

二、二次谐波和三次谐波显微成像116

三、受激拉曼及相干反斯托克斯拉曼显微成像116

第五节 超分辨显微成像118

一、基于结构调制的超分辨显微成像118

（一）受激辐射耗尽显微成像118

（二）可逆饱和／开关荧光转换显微成像119

（三）结构光照明显微成像119

二、基于分子定位的超分辨显微成像120

（一）光致激活定位显微成像和随机光学重构显微成像120

（二）光学涨落超分辨显微成像121

（三）偏振超分辨显微成像122

第七章 光学相干层析成像技术124

第一节 OCT成像机制124

一、基本原理124

二、OCT信号的数学描述125

三、OCT主要性能参数127

（一）分辨率127

（二）信号噪声比128

（三）成像速度129

（四）量程130

（五）灵敏度随量程衰减131

第二节 OCT功能成像132

一、多普勒OCT132

二、OCT血管造影134

第八章 激光散斑成像技术138

第一节 生物组织中的激光散斑现象138

一、散斑的成因138

二、生物组织的激光散斑及其应用140

（一）激光散斑血流速度检测140

（二）植物生长状态监测141

（三）其他生物应用141

第二节 散斑的统计性质141

一、散斑的基本统计特性141

二、积分散斑的统计特性143

（一）空间积分的散斑统计特性143

（二）时间积分的散斑统计特性145

第三节 激光散斑血流成像146

一、激光散斑衬比分析血流成像原理146

二、光学系统参数对激光散斑血流成像的影响148

三、静态散射对激光散斑血流成像的影响150

第九章 扩散光学成像技术152

第一节 扩散光学层析成像152

一、扩散光学层析成像的模式152

二、扩散光学层析成像的重建153

（一）基本原理153

（二）将非线性型问题线性化的方法155

（三）非线性问题的迭代求解155

三、扩散光学层析成像的应用156

（一）乳腺癌早期诊断156

（二）脑功能成像158

（三）新生婴儿脑部组织血流动力学参数监测159

第二节 荧光分子层析成像161

一、荧光分子层析成像的系统162

二、荧光分子层析成像的重建162

（一）基本原理162

（二）正则化处理164

（三）数值优化算法165

三、荧光分子层析成像的应用165

（一）小动物肿瘤模型的早期检测与治疗评估166

（二）小动物生理病理学研究166

（三）药物临床前筛选和评价的小动物研究166

（四）荧光探针的动态监控167

第十章 光声成像技术170

第一节 光声效应及其成像原理170

一、光声现象及其应用背景170

（一）概念与背景170

（二）发展优势和意义170

二、光声成像原理171

（一）基本原理171

（二）数理方程171

（三）成像过程173

（四）光声成像探测模式及算法174

第二节 光声显微镜及其应用176

一、光声显微镜分类及系统176

二、光声显微镜生物医学应用178

（一）无标记单细胞成像178

（二）活体微循环结构成像178

（三）功能参数检测179

第三节 光声内镜及其应用179

一、光声内镜分类及系统179

二、光声内窥成像的生物医学应用181

（一）血管内斑块脂质组分的光声成像181

（二）消化道早期肿瘤的光声检测181

第十一章 光镊与单分子操作184

第一节 光镊的基本原理及构成184

一、梯度力和散射力184

二、二维光学势阱和三维光学势阱186

三、捕获条件186

四、光阱力的测量186

五、光镊的仪器结构187

（一）捕获光源187

（二）捕获聚焦镜188

（三）光耦合器188

六、从单光镊到阵列光镊188

（一）时间调制光镊188

（二）光纤光镊189

（三）其他阵列光镊190

第二节 非高斯光束的光学捕获191

一、涡旋光束及其在光镊中的应用191

二、非衍射光束及其在光镊中的应用191

（一）贝塞尔光束191

（二）艾里光束192

第三节 光镊在单分子操控方面的应用193

一、实验方法193

二、驱动蛋白的动力学行为研究193

三、DNA分子特性和操控研究194

四、蛋白结构特点研究194

五、分子马达运动特性研究195

第十二章 流式细胞仪及其生物医学应用198

第一节 流式细胞仪的基本原理与构成198

一、流式细胞仪简介及发展历史198

二、流式细胞仪的工作原理199

（一）液流系统200

（二）光学系统200

（三）电子系统201

（四）分析系统201

（五）分选模块202

第二节 新型流式细胞仪检测技术202

一、液相芯片技术202

二、定量流式细胞分析203

三、在体流式细胞仪203

四、基于微流控芯片的流式细胞仪203

第三节 流式细胞仪在生物医学中的应用203

一、科研型流式细胞仪204

二、临床型流式细胞仪205

三、样品制备的重要性205

第十三章 组织光谱及其诊断应用207

第一节 荧光光谱207

一、内源性荧光光谱207

（一）内源性荧光基团209

（二）正常和肿瘤组织的内源性荧光光谱差异211

二、外源性荧光光谱及其诊断应用212

（一）光敏剂212

（二）光敏剂的光物理与光化学特性213

三、荧光系统及诊断应用215

（一）荧光光谱系统215

（二）荧光成像系统216

（三）荧光多光谱成像系统217

第二节 拉曼光谱220

一、拉曼光谱220

二、表面增强拉曼散射221

（一）电磁场增强效应222

（二）化学增强效应222

三、拉曼光谱系统及诊断应用222

第十四章 激光治疗基础及应用227

第一节 激光生物作用机制227

一、光热作用227

（一）产热机制227

（二）影响因素228

（三）生物学效应229

二、光化学作用229

（一）光致解离作用230

（二）光致聚合作用230

（三）光致氧化还原作用230

（四）光致异构化作用230

（五）光致敏化作用230

三、光压作用231

（一）辐射压强231

（二）热胀压强232

（三）反冲压强232

（四）超声波压强232

（五）内部汽化压强232

（六）等离子体膨胀压强232

（七）电致伸缩压强232

四、电磁场作用233

（一）电离辐射233

（二）等离子体效应234

（三）布里渊散射234

（四）磁场效应234

五、弱激光生物刺激作用235

第二节 生物组织特性对激光生物作用的影响235

一、皮肤特性对激光生物作用的影响235

二、眼组织特性对激光生物作用的影响236

第三节 激光医学的典型应用237

一、激光治疗概述238

二、激光在眼科的应用239

三、激光在皮肤科的应用241

四、激光在肿瘤治疗中的应用242

第十五章 X线及其医学应用245

第一节 X线的产生及其基本特性245

一、X线的产生245

二、X线的基本特性246

（一）穿透作用246

（二）电离作用246

（三）荧光作用247

（四）热作用247

（五）感光作用247

（六）着色作用247

（七）X线的生物效应247

第二节 X线在诊断中的应用247

一、X线成像基本原理247

（一）X线影像的形成247

（二）X线的采集与显示248

二、X线成像技术的基础应用248

（一）X线常规拍片和透视检查248

（二）计算机X线摄影248

（三）数字X线摄影成像248

（四）X线造影检查248

（五）X线数字减影血管造影249

三、X线计算机断层成像技术249

（一）X线计算机断层成像技术基本原理249

（二）X-CT的图像重建250

（三）X-CT的扫描方式250

（四）X-CT成像技术的临床应用251

四、X线成像技术进展251

（一）X线相衬成像251

（二）X线数字断层融合成像251

（三）微计算机断层扫描技术252

（四）CT仿真内窥技术252

第三节 X线在治疗中的应用252

一、X线治疗肿瘤的机制252

二、X线治疗机252

三、X－刀治疗技术253

第四节 X线的防护253

一、X线防护的意义及原则253

二、X线防护方法254

（一）一般性防护254

（二）X线操作者的防护254

（三）患者的防护254

第十六章 γ射线及其医学应用256

第一节 γ射线的产生及其与物质的相互作用256

一、γ射线的产生256

二、γ射线与物质相互作用256

第二节 正电子发射型计算机断层显像技术258

一、PET显像的基本原理258

二、PET在诊断中的应用260

（一）PET脑部显像260

（二）PET心脏显像260

（三）PET肿瘤显像261

第三节 单光子发射型计算机断层显像技术262

一、SPECT成像的基本原理262

二、SPECT/CT的应用263

第四节 伽马刀在肿瘤治疗中的应用264

一、伽马刀治疗原理264

二、伽马刀肿瘤治疗265

第五节 γ射线的防护265

一、γ射线防护的意义与原则265

二、γ射线防护方法266

前沿技术 光流控及其在生物医学领域中的应用269

附录 不同生物组织的光学特性参数271

中英文名词对照索引276