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OCT 132
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