一引言
生物医学光学与光子学是光学或者说光子学现展的一个分支学科。由于光学与光子学是具有极强应用背景的学科，所以“生物医学光子技术”这一多学科交叉的新兴研究领域在20世纪末叶也随之应运而生。
激光技术作为一项重大的科技成就，为研究生命科技和疾病的发生、发展开辟了新的途径，为保健和临床诊疗提供了崭新的手段，推动人类科学技术进入新的发展阶段。
可以把与光的产生、传播、操纵、探测和利用有关的物理现象和技术包括在内的科学及工程笼统地简称为光学。用光学最广的含义来概括各研究领域及其相关交叉分支时必然包括了激光和光电子技术。运用光学及其技术研究光与人体组织的相互作用问题可归之于“组织光学”范畴。它是研究光辐射能量在生物组织体内的传播规律以及有关组织光学特性的测量方法的一门新兴交叉学科，是光医学（光诊断和光治疗）的理论基础。经过40多年的发展，激光与光电子技术在人类的保健、医疗以及生命科学中产生了很大影响。
在医学领域，光电子技术使各种新疗法，包括从激光心脏手术到用光学图像系统的关节内窥镜进行微损膝关节修复等，成为可能或得以实现。目前，科学家们正致力于研究光学技术在非侵入式诊断和检测上的应用，如乳腺癌的早期探查、糖尿病患者葡萄糖的“无针”监控等。激光在医学上的最早应用虽然集中在治疗方面，然而在80年代初期起便开始了光诊断技术的探索。指望无损害地获得诊断信息是这些研究的驱动力之一，其中在物理学中高度发展的光谱技术有望在诊断医学中得到应用。利用光纤把光传输到身体内部的能力，可以完成膀胱、结肠和肺等器官的检查。随着医学诊断方法向无损化方向发展，利用光电子学技术对组织体进行鉴别和诊断，有可能更早期、更精确地诊断各种疾病。近年来，人们开始把这种诊断方法称之为“光活检”。
随着现代医学模式的转变、健康概念的更新以及人民生活水平的提高，从20世纪80年代后期起，“激光美容术”在世界各地包括在我国各大城市逐渐地开展。保健美容是光电子技术应用越来越活跃的领域。激光技术应用于美容外科的起步较早，使得一些在美容整形外科很棘手的疾病，如太田痣、血管瘤等治疗变得简易有效。到20世纪末，人们又开发了一种称为光子嫩肤术的新美容技术。它基于选择性的光热解作用，有效地改善肌肤的质地和弹性，达到美容的效果。之所以用激光或强脉冲光进行非消融性的嫩肤或治疗越来越流行，是因为这类手术具有无损、不必住院、几乎无副作用和无疼痛，从而使受术者容易接受的优点。
国家自然科学基金委员会先后二次在“光子学与光子技术”以及“生物医学光学”优先资助领域战略研究报告中分别指出：近年来生物医学光学与光子学的迅猛兴起，令人瞩目，并因而引发出一门新兴的学科－生物医学光子学（Biomedophotonics）。研究报告选定了近期优先研究领域包括生物光子学、医学光子学基础研究、医学临床的光学诊断和激光医学中的重要课题等诸方面。
福建师范大学在1974年成立了“医用激光及其应用技术”研究组，以激光与光电子技术为基础，围绕激光医学应用的核心技术开展研究与开发。至二十世纪九十年代，跟随该领域的国际走向，转入激光医学技术的基础理论研究工作，在国内率先开展了生物组织光学与光剂量学的研究。伴随研究工作的深入开展，逐步形成了我们有特色的若干前沿研究方向，并于2005年获准立项建设医学光电科学与技术教育部重点实验室。
二国内外现状
光学在生命科学中的应用，在经历了一个缓慢的发展阶段后，由于激光与新颖的光子技术的介入，进入了一个迅速发展的新阶段。与光学有关的技术冲击着人类健康领域，正在改变着药物疗法和常规手术的实施手段，并为医疗诊断提供了革命性的新方法。特别在近十多年来，与蓬勃的学术研究活动相对应，国际上出现了专门的研究性学术杂志，如：Laurin出版公司于1991年发行了“Bio-Photonics”新杂志。美国光学学会重要的会刊之一“AppliedOptics”也于1996年将其“OpticalTechnology”栏目扩充为“OpticalTechnologyandBiomedicalOptics”，并定期出版有关生物医学光学的论文专集。SPIE亦于1996年创办了期刊JournalofBiomedicalOptics，且声誉日隆。到2004年，该刊的SCI影响因子已达3.541。当前，发达国家普遍对生物医学光子学学科给予了高度重视。例如，在美国国家卫生研究院（NIH）新成立的国家生物医学影像与生物工程研究所（NIBIB）中，生物医学光子学也成为其主要资助的领域。近三年中，美国NIH已经召开过4次研讨会，认为新的在体生物光子学方法可用于癌症和其它疾病的早期检测、诊断和治疗。新一代的在体光学成像技术正处在从实验室转向癌症临床应用的重要时刻。在NIH的支持下，美国国家癌症研究所（NCI）正在计划5年投资1800万美元，招标建立“在体光学成像和/或光谱技术转化研究网络（NTROI）”，其研究内容主要包括：光学成像对比度的产生机理、在体光学成像技术与方法、临床监测、新光学成像方法的验证、系统研制与集成等五个方面。2000年底，在美国NIBIB的首批支持项目中，光学成像方法约占30%。2000年7月，美国NIH投资2000万美元，开展小动物成像方法项目（SAIRPs）研究，受到生命科学界的高度关注，其中光学成像方法是研究重点之一。美国国家科学基金会（NSF）在2000-2002年了4次关于生物医学光子学研究（BiophotonicsPartnershipInitiative）的招标指南。“9.11”事件后，美国国防部启动了“应激状态下的认知活动”(Cognitionunderstress)项目，采用的研究方法就是光学成像技术。美国加州大学Davis分校于2002年10月宣布：未来10年内，将投资5200万美元建立生物医学光子学科学技术中心（TheCenterforBiophotonicsScienceandTechnology），其中4000万美元由NSF支持。在学术交流活动方面，国际光学界规模最大西部光子学会议（PhotonicsWest）上，每年的四个大分会之一即是生物医学光学会议（BiOS），论文均超过大会总数的三分之一，如，2003年关于BiOS的专题为19个，占整个会议的19/52=36.5%；2004年，IBOS会议专题为20个，占整个会议的20/55=36.4%。另外，每年还召开欧洲生物医学光子学会议。除疾病早期诊断、生理参数监测外，在基因表达、蛋白质―蛋白质相互作用、新药研发和药效评价等研究中，特别是近年来的Science，Nature，PNAS等国际权威刊物发表的论文表明，光子学技术也正在发挥至关重要的作用。在某些领域，如眼科，光学和激光技术已成熟地应用于临床实践。激光还使治疗肾结石和皮肤病的新疗法得以实现，并以最小的无损或微损疗法代替外科手术，如膝关节的修复。现在，用激光技术和光激励的药物相结合可治好某些癌症。以光学诊断技术为基础的流动血细胞测量仪可用于监测爱滋病患者体内的病毒携带量。还有一些光学技术正处于无损医学应用的试验阶段，包括控制糖尿病所进行的无损血糖监测和乳腺癌的早期诊断等。光学技术还为生物学研究提供了新的手段，如人体内部造影、测量、分析和处理等。共焦激光扫描显微镜能将详细的生物结构的三维图象展现出来，在亚细胞层次监测化学组成和蛋白质相互作用空间和时间特征。以双光子激发荧光技术为代表的非线性成像方法，不仅可以改善荧光成像方法的探测深度、降低对生物体的损伤，而且还开辟了在细胞内进行高度定位的光化学疗法。近场技术将分辨率提高到衍射极限以上，可以探测细胞膜上生物分子的相互作用、离子通道等等。激光器已成为确定DNA化学结构排序系统的关键组成部分。光学在生物技术方面的其它应用还包括采用“DNA芯片”的高级复杂系统，和采用传输探针的简单系统。激光钳提供了一种在显微镜下方能看见的一种新奇的、前所未有的操作方法，能够在生物环境中实现细胞或微观粒子的操纵与控制，或在10-12m范围内实现力学参数的测量。结合光子学和纳米技术已经可以探测细胞机械活动，揭示细胞水平上隐秘的生命过程，利用纳米器件甚至可以检测和操纵原子和分子，这可以应用在细胞水平的医学领域。高技术的进步，如：微芯片极大地加速了生物光子学的发展进程。集成电路、传感器元件和相连电路的小型化、集成化促使在体和体外测量分子、组织和器官图像成为可能。许多生物医学光子学技术已经在临床上应用于早期疾病监测或生理参量的测量，如血压，血液化学，pH，温度，或测量病理生物体或临床上有重要意义的生化物种的存在与否。描述不同光谱特性（如荧光，散射，反射和光学相干成像）的各种光学概念出现在功能成像的重要领域。从大脑到窦体再到腹部，精确导位和追踪，对于精确定位医疗仪器在三维手术空间的位置具有重要的作用。基于分子探针的光子技术可以识别发生疾病时产生的分子报警，将真正实现令人激动的、个人的、分子水平的医学。
我国的研究基础与条件虽然相对落后，研究投入不足，但生物医学光子学是一门正在兴起和不断发展的学科，在这一新兴交叉学科上国内外处于一个起跑线上。近年来，在国家自然科学基金委、省部委以及其它基金项目的资助下，我国在生物医学光子学的研究中取得了很大的进展，尤其是2000年第152次主题为“生物医学光子学与医学成像若干前沿问题”、第217次主题为“生物分子光子学”的香山会议后，有许多学校和科研单位开展了生物医学光子学的研究工作，并初步建成了几个具有代表性的、具有自己研究特色和明确科研方向的研究机构或实验室，并在生物医学光学成像（如OCT、光声光谱成像、双光子激发荧光成像、二次谐波成像、光学层析成像等）、组织光学理论及光子医学诊断、分子光子学（包括成像与分析）、生物医学光谱、X射线相衬成像、光学功能成像、认知光学成像、PDT光剂量学、高时空谱探测技术及仪器研究等方面取得了显著的研究成果。发表了许多研究论文，申请了许多发明专利，有些已经获得产业化。国家自然科学基金委员会生命科学部与信息科学部联合发起并承办的全国光子生物学与光子医学学术研讨会已经举办了六届。这对我国生物医学光子学学科的发展起到了积极的推动作用。在我国近年所召开的亚太地区光子学会议中，有关生物医学光子学的内容已大幅增加，成为主要的研讨专题。我国的生物医学光子学研究和学术活动也方兴未艾，呈现与国际同步的态势。在基础研究、应用基础研究以及对新技术的掌握方面跟踪国际先进水平，但国内科研经费的投入相对较小，科研队伍规模不大，原创性的科研成果与国外有较大差距。和国外的发展水平相比，我国的生物医学光子学发展还存在以下问题：
（1）尽管从事生物医学光子学的科研单位很多，但取得突破性、创新性的研究成果很少，主要是由于我们的科研队伍在组织、组成上还不合理，过于分散、开展的内容繁杂，难以将有限的资金投入到一些有利于国计民生的及上水平的研究方向上；另外许多单位的研究重复，缺乏合作，导致水平低下；
（2）和国外相比，研究经费无论在绝对值还是相对值上均投入十分不够；
（3）缺乏研究成果产业化的引导机制。
三医学光电科学与技术（福建师范大学）教育部重点实验室概况
“医学光电科学与技术”教育部重点实验室设立于福建师范大学物理与光电信息科技学院（激光与光电子技术研究所）内，作为本学科开展科研研究和实施建设与发展的一个基础平台。实验室已有30年发展历史，1973年成立福建师范学院物理系激光实验室，1984年成为福建师范大学激光研究所实验室，1995年为福建省首期211重点学科《应用光子学》学科实验室，2003年5月26日经福建省科技厅批准成立“光子技术福建省重点实验室”，2005年7月28日经教育部批准立项建设教育部重点实验室。实验室座落于福建师范大学长安山校园内。
30年多来，实验室在生物组织光学、医学光谱与光学成像技术、光诊断及光诊疗技术、信息技术光学及其生物医学应用等四个主要方向上努力开拓，承担并完成了数十项国家与省部重点、重大项目课题，取得一批代表我国本领域研究水平的科研成果，其中十五以来获省部级科技进步一等奖1项，二等奖2项，三等奖2项，其它省级以上奖励12项。在国内外重要刊物发表的论文以及被SCI、EI收录的论文均超过100篇。
实验室目前承担着国家与省级重要课题50余项，科研经费超过2000万元。其中国家自然科学基金项目11项，国家教育部、科技部、卫生部项目9项，福建省科技重大专项1项，其它省级重要项目近30项。
中科院半导体研究所原所长王启明院士任重点实验室学术委员会主任，副主任由黄尚廉院士和谢树森教授担任。另有九位国内外著名的激光、光电子与医学学科交叉的院士、专家或资深教授担任委员，其中海外委员两人。他们规划、指导并检查本学科实验室的建设与发展。
重点实验室主要学术带头人、实验室学术委员会常务副主任谢树森教授是中国光学学会副理事长、福建省光学学会理事长、国家有突出贡献的中青年专家、光学工程专业博导、全国劳动模范，是我国医学光电科学与技术领域的学术带头人与开拓者。实验室主任陈荣教授、副主任李晖教授均为国务院特殊津贴专家，实验室常务副主任陈建新教授来自于北京大学的优秀博士后研究员。重点实验室拥有稳定的可持续开展高水平科研的学术梯队，其中的中青年学术带头人或学术骨干包括1位闽江学者特聘教授、1位福建师范大学特聘教授、3位国务院特殊津贴专家、2位全国优秀教师、2位福建省优秀教师和15位博士。
重点实验室与国内外学术界建立了并保持着广泛的联系。重点实验室已设立面向国内外的开放课题基金。已批准并实施来自浙江大学、厦门大学、上海光机所、西安交通大学、华南师范大学、天津医科大学、上海市激光医学研究中心等单位知名学者的开放课题。
重点实验室已具备良好的科研软硬件环境。现有面积近5000平方米，仪器设备原值2500多万元。重点实验室各项管理制度健全。
“医学光电科学与技术”重点实验室，在我国现代科学技术领域特色鲜明，在我国相关学科处于领头地位，有较大影响。重点实验室建设将有力促进福建省科技创新能力建设，促使福建师范大学迅速向高水平、有特色、开放型的综合性大学迈进。同时，重点实验室的建设与发展将有力促进我国医学光电科学与相关学科的发展，为广大民众的身心健康，为海峡西岸的科技、社会与经济发展做出重大贡献。
四发展趋势和展望
光子学及其技术已广泛应用或渗透到生物科学和医学的诸多方面，被科学界所认同和重视。生物医学光学已经成为国际光学学科重要发展方向之一。生物医学光子学的发展，将为现代医学和生命科学带进崭新的时代。本学科的发展将继续体现了多学科交叉的特点，研究领域涉及到了生物学、医学、和光学，还有化学等不同大学科的方方面面。技术开发与临床应用研究的结合将越来越密切。一般认为，光学领域未来发展的重点是将各种复杂的光学系统和技术更加广泛地应用于保健和医疗。当今世界中，与光子学有关的技术冲击着人类对生命体的认知及人类健康领域。基于现代激光与光电子技术的生物医学光子学技术将为生命科学研究带来具有原始性创新的重要科研成果，并可望形成有重大社会影响和经济效益的产业。
在医学领域，光子学技术正在改变着药物疗法和常规手术的实施手段，并为医疗诊断提供了新方法。在某些领域，如眼科，光学和激光技术已成熟地应用于临床实践。激光还使治疗肾结石和皮肤病的新疗法得以实现，并以无损或微损疗法代替外科手术，如膝关节的修复。现在，用激光技术和光激励的药物相结合可治好某些癌症。以光学诊断技术为基础的流动血细胞测量仪可用于监测爱滋病患者体内的病毒携带量。还有一些光学技术正处于无损医学应用的试验阶段，包括控制糖尿病所进行的无损血糖监测和乳腺癌的早期诊断等。
在基础研究方面，研究重点在于从细胞，甚至是亚细胞尺度层次揭示病变组织与正常组织之间的差异，为新技术开发以及应用提供理论依据。另一方面，研究光与人体组织之间的相互作用以及所产生的光化学、光热和光机械效应。在技术的应用方面，研究重点转向比较各种技术中光源（相干光源/非相干光源、波长、功率密度、偏振性、连续/脉冲光源、脉冲持续时间等）和个体差异（年龄、性别、临床症状、发病史、发病时间等）对诊断或治疗结果的影响，在确定各种技术临床适应症的同时，进一步实用化各种技术。此外，还在不断开发新的实用于不同疾病的诊断、治疗和监测技术。
值得关注的是，国外从事“生物医学光学”领域研究的高校或研究机构中，来自大陆的中国学者的数量越来越多。这有助于使国内外的学术交流更加有效，并可以预期国内与国外在该领域的研究水平差距将不断缩小。
今后若干年内医学光电科技学科需关注的重大科学问题和优先研究领域如下：
（一）医学光子学基础
在组织光学方面，其中最主要的有光在组织体内传播的特殊方式、组织光学性质的描述以及有关实验技术的开发和完善等。组织光学是医学光子技术的理论基础。光在生物组织中的运动学（如光的传播）问题和动力学（如光的探测）问题是研究的主要内容，目的是要研究生物组织的光学性质和确定某靶位单位面积上的光能流率。应优先解决测量技术和实验精度的问题，利用近场光学显微技术、光镊技术测量活体组织的光学参量。在理论建模方面，建立生物组织中光的传输理论和数值模拟方法。具体开展的研究工作应包括：1）光在生物组织中传输理论：要用更复杂的理论来描述生物组织的光学性质以及光在其中的传播行为。建立准确的组织光学模型，使之能反映生物组织空间结构及其尺寸分布情况、组织各个部分的散射与吸收特性以及折射率在一定条件下的变化情况；改造传输方程，使之适应新的条件，并能在某些情况下求出光在生物组织中传输的基本性质。2）光传输的蒙特卡罗模拟：继续开发新的更为有效的算法以适应生物组织的多样性和复杂性的要求。除了了解光在组织中的分布，还在探索从大量数字模拟中得到生物组织中光的宏观分布与其光学性质基本参量之间的经验关系。另外，发展非稳态的光传输的蒙特卡罗模拟方法也是一个重要的研究方向，从中可以获得比稳态条件下更多的信息。
组织光学参数的测量方法和技术方面，尚未获得人体各种组织的可靠实验数据。发展和完善活体的无损检测尤为重要。在这方面，时间分辨率与频率分辨率的测量方法引人注目。
（二）医学光子学光谱诊断技术
医学光子学光谱（非成像）诊断技术实质上是利用从组织体反射、散射、发射出来的光，经过适当的放大、探测以及信号处理，来获取组织内部的病变信息，从而达到诊断疾病的目的。
生物组织的自体荧光与药物荧光光谱技术，内容涉及光敏剂的吸收谱、激发与发射荧光谱以及各种波长激光激发下正常组织与病变组织内源性荧光基团特征光谱等。现在人们所谓的特征荧光峰实际上只是卟啉分子的荧光峰。客观和科学地判断激光荧光光谱对肿瘤的诊断标准是十分必要的。目前，某些癌瘤的药物荧光诊断已进入临床试用，自体荧光的应用尚处于摸索之中。需要开展激光激发生物组织和细胞内物质的机理研究，探讨激光诱发组织自体荧光与癌组织病理类型的相关性以及新型光敏剂的荧光谱、荧光产额和最佳激发波长等方面的研究，以期获得极其稳定、可靠的特征数据，为诊断技术的发展提供科学依据。
近年来，拉曼光谱技术应用于医学中已显示出它在灵敏度、分辨率、无损伤等方面的优势。应开发并完善重要医学物质拉曼光谱数据库，并使基于拉曼光谱分析的小型、高效、适用于体表与体内的医用拉曼光谱仪和诊断仪将在医学临床获得更广泛的应用。
超快时间分辨光谱比稳态光谱在技术上更灵敏、更客观和更具有选择性。因此，将脉宽为ps、fs量级的超短激光脉冲光源用于医学受到广泛重视，其一，应发展超快时间分辨荧光光谱技术，用于测量生物组织及生物分子的荧光衰变时间，分析癌组织分子驰豫动力学性质等，为进一步研究自体荧光法诊断恶性肿瘤提供基础数据；其二，应发展超快时间分辨漫反射（透射）光谱技术。以时域的角度测量组织的漫反射，从而间接确定组织的光学特征。这是一种全新的、适用于活体的、无损和实时的测量方法，为确知光与生物组织的相互作用，解决医学光子学中基础测量问题开辟一条新径。
（三）医学光子学成像诊断技术
发展出具有无辐射损伤、高分辨率、非侵入、实时、安全的光子学成像诊断技术，并具有经济、小型、且能监测活体组织内部处于自然状态化学成分等特点的医疗诊断设备。主要的医学光子学成像诊断技术包括：
超快时间分辨成像技术：以超短脉冲激光作为光源，根据光脉冲在组织内传播时的时间分辨特性，使用门控技术分离出漫反射脉冲中未被散射的所谓早期光，进行成像。正在研究的典型时间门有条纹照相机、克尔门、电子全息等。
散射成像技术：包括光子密度波散射层析成像、组织深度光谱测量以及复合成像等，利用红外光源，光子密度波在生物组织中的穿透深度可达几个毫米，在低散射的人脑组织中甚至可达30mm。
红外热成像：红外热成像是利用红外探测器测量人体和动物的正常与病变组织的温度差异来诊断病变及其位置，现已在医学诊断中得到广泛的应用，如乳腺肿瘤的诊断。
光学相干层析成像技术：一种非侵入式无损成像技术，并且可以与显微镜、手持探针、内窥镜、医用导管、腹腔镜等相结合使用，从而具有广阔的应用领域。而且，OCT能进行众多功能成像，如分光镜OCT、多普勒OCT、偏振OCT：也可以与众多成像技术结合使用，如荧光、双光子、二次谐波成像等技术。
荧光寿命成像：受超短光脉冲激发后，荧光团，包括自体荧光团如NADH、FAD等和外源荧光团，如有机荧光染料、荧光蛋白等，所发出荧光的寿命取决于荧光团的分子种类及其所处的微环境，如pH、离子浓度（如Ca2+、Na+等）、氧压等，因此荧光寿命的测量和成像，有助于提供生物组织的功能信息。和内窥镜结合，可用于胃癌、食道癌等疾病的早期诊断，是一种很有前途的具有高灵敏度、高特异性以及高诊断准确性的早期癌症诊断方法。
光声作用成像：利用超声场在生物组织中的优良传输特性和激光在生物组织中的选择性吸收特性，将超声定位技术和光学高灵敏度检测技术结合，以实现无损伤临床医学的结构和功能层析诊断。预期成像深度远好于目前的光学成像方法，对于较厚生物组织成像及临床应用特别具有吸引力，可为及早发现一些特殊病变提供一种无损、有效、高准确度的方法。
非线性光学成像：双光子激发荧光显微成像、二次谐波等成像技术由于具有三维高空间分辨率，对比度高、对生物组织的损伤小等优点，研究工作重点是扩展成像技术在生物医学领域的应用范围，重点解决研制小型化内窥型诊断设备所面临的相关技术问题。
人体经络的光学表征及其调控功能：已经用不少事实证明了经脉循行路线的现象，也初步显示了人体体表沿十四经脉路线存在的红外辐射轨迹。然而，至今未能用西医的形态学或生理学方法证明它的存在，也不能明晰地阐明“经络”的实质。可以利用已发展的生物医学光子学诸多成像技术为工具，研究这个具有中国特色的中医学中的重大问题。
4.医用激光治疗技术（激光医学）
强激光治疗：是当前激光医学中最成熟和最重要的领域。随着新型医用激光器的不时出现，如：钛激光、铒激光、准分子激光等，强激光治疗技术的临床用途也逐渐增多，提出一些新的问题。关于这些新型激光器及新的工作方式对人体组织的作用特点的认识还相对不足，基本没有适合国人组织特性的治疗参数。为此需加强研究激光与生物组织间的作用关系，特别是在诸多有效疗法中已获得重要应用的激光与生物组织间的作用关系；研究不同激光参数（包括波长、功率密度、能量密度与运转方式等）对不同生物组织、人体器官组织及病变组织的作用关系，取得系统的数据，同时也有必要加强新型激光器及新的工作方式的临床适应证的研究。
低强度激光治疗：非热或低强度激光辐射可作为一种辅助治疗手段，其作用机理尚不清楚。对弱激光治疗机理的认识有待于整个基础医学的提高，如充分认识细胞基因表达与调控、细胞代谢的调控、免疫反应的调控等，同时还需研究不同弱激光剂量对这些调控的影响，这才能提高弱激光治疗的针对性和疗效。针对目前临床上盲目夸大疗效、照射剂量严重混乱的局面，建议重点扶持2-3个弱激光研究中心，集中财力与人力进行弱激光的细胞生物学效应研究；弱激光生物调节作用和细胞生物学现象（基因调控和细胞凋亡）的量效关系、弱激光镇痛的分子生物学机制以及弱激光与细胞免疫（抗菌、抗毒素、抗病毒等）的关系及其机制。寻求弱激光生物刺激效应的可能机制与量效关系；规范临床治疗参数与操作等。
光动力学治疗（PDT）是当前激光医学中最具活力且发展迅速的领域。光动力疗法具备了诊断和治疗肿瘤、心脑血管病等人类重大疾病的潜力。光动力疗法在鲜红斑痣、老年性眼底黄斑病变、某些顽固性皮肤病、类风湿性关节炎等常规手段难以奏效的良性疾病的治疗研究中取得一系列进展，并结合内镜技术的发展等，其应用领域得到很大的延伸和扩展。这些都说明发展光动力疗法具有重要的社会和经济效益。应当重点资助PDT相关产品的国产化，扶持新一代国产光敏剂的开发及相应激光器的产业化，资助新一代光敏剂光动力学治疗的机理研究。作用机理、光动力疗法各要素对光动力学效应的影响、建立数学模型、新型光敏剂光动力学效应的研究，为开拓光动力疗法新的应用领域取得系统的数据。
1.1图像成像
从本质上来看，生物医学图像成像技术（下文简称“图像成像技术”）与医学影像技术的区别并不大，仅仅是人们更习惯将其表达为医学影像。生物医学图像成像技术的研究内容为：利用染色方法和光学原理，清晰地表达出机体内的相关信息，并将其转变为可视图像。图像成像技术研究的图像对象有：人体的标本摄影图像、观察手绘图像、断层图像（如ECT、CT、B超、红外线、X光）、脏器内窥镜图像、激光共聚焦显微镜图像、活细胞显微镜图像、荧光显微镜图像、组织细胞学光学显微镜图像、基因芯片、核酸、电泳等显色信息图像、纳米原子力显微镜图像、超微结构的电子显微镜图像等等。
图像成像技术主要包括2个部分：现代数字成像和传统摄影成像。通常可采用扫描仪、内窥镜数码相机、采集卡、数字摄像机等进行数字图像采集；显微图像采集则可应用光学显微镜成像设备及超微结构电子显微镜成像设备；特殊光源采集可应用超声成像仪器、核磁共振成像仪器及X光成像设备。目前，各种医学图像技术的发展都十分迅速，特别是MRI、CT、X线、超声图像等技术。在医学图像成像技术方面，如何提高成像分辨力、成像速度、拓展成像功能，尤其是在生理功能及人体化学成分检测方面，已经引起了相关领域的重视。
1.2图像处理
生物医学图像处理技术，是指应用计算机软硬件对医学图像进行数字化处理后，进行数字图像采集、存储、显示、传输、加工等操作的技术。图像处理是对获取的医学图像进行识别、分析、解释、分割、分类、显示、三维重建等处理，以提取或增强特征信息。目前，医学领域所应用的图像处理技术种类较多，统计学知识、成像技术知识、解剖学知识、临床知识等的图像处理均得到了较快的发展。另外，人工神经网络、模糊处理等技术也引起了图像处理研究领域的广泛重视。
1.3图像分析及图像传输
生物医学图像分析技术，是指测量和标定医学图像中的感兴趣目标，以获取感兴趣目标的客观信息，建立相应的数据描述。通过计算测定的图像数据，可揭示机体功能及形态，推断损伤或疾病的性质及其与其他组织的关系，进而为临床诊断、治疗提供可靠依据。生物医学图像传输技术，是指应用网络技术，在互联网上开展医学图像信息的查询与检索。通过网上传输图像，在异地间进行图像信息交流，可实现远程诊断。同时，在院内通过PACS（数字医学系统—医学影像存档与通信系统），也能在医院内部实现医学图像的网络传递。
全息，顾名思义指自然界的人或物的散射或发射光的全部信息（包括光波的振幅和相位信息）。全息摄影则是一种真正意义上的三维成像技术，普通摄影只能记录光某个方向的强度（或振幅）信息，而全息摄影利用了光的干涉和衍射原理，不仅能够记录光的强度，还能记录光从哪里发出，朝哪个方向发射的信息（即相位信息）。从不同的角度去观看全息照片，看到的图像内容是不一样的，跟观看真实物体的感受一样。因此，全息摄影是发展成为三维立体显示非常有效的方法之一。
普通摄影术基于透镜成像原理，在自然环境下即能拍摄成像。而全息摄影术需要利用特殊的光源（一般采用激光），记录物体发出的散射光。记录的时候将激光束分为两束，一束直接投射到记录介质上，称为参考光束;另一束光束投射到目标物体上，经过物体表面的散射作用形成物光束。让物光束投射在记录介质的同一区域上，它与参考光束在记录介质上产生干涉叠加，形成干涉条纹，再经过处理之后，就得到一张全息照片。
再现物体像的时候，需要用一束激光照射到全息照片上。当这束激光的波长和传播方向与参考光束完全一样时，就还原了物体原来的光场。我们从不同角度观看，可以观看到物体的不同侧面，就跟看到真实的物体一样。
全息摄影的记录材质也与普通摄影不同。传统光学全息采用卤化银、重铬酸盐明胶和光致抗蚀剂等制成感光胶片来记录全息图，全息图需要经过后续的显影、定影、漂洗、烘干等处理，显得烦琐而费时。近些年来，出现了光导热塑料、光致聚合物、光折变晶体等新型光敏材料，不仅能省去繁琐的化学处理，而且存储信息的容量和衍射效率得以提高。
更加便利的数字全息技术
全息照片实质上是一种干涉图样，利用数字技术可以在计算机中模拟出光场的干涉、衍射过程，直接“计算”出这种干涉图样，于是在20世纪60年代末形成了数字全息技术。这种技术既可以免去严苛的光学记录实验环境，又能模拟实际上并不存在的各种物体，故具有明显的简易性与灵活性。数字全息技术把光学与电子学技术有效地结合在一起，发挥其各自的优势，展现出新的发展前景。
第一代全息照片需要使用激光记录和再现出原始的三维物体像。第二代全息照片只需要使用激光记录，而用白光再现立体像，放宽了观看全息照片的条件，如反射全息、像面全息、彩虹全息、模压全息等就是这样。数字全息技术用光敏电子成像器件（如电荷耦合器件CCD）代替感光材料，能够更加方便、快捷地记录全息图。数字全息图是采用光调制器件（如空间光调制器SLM）或在计算机中来模拟全息图的光学再现过程的，再现一张全息图时，从不同角度可以看到物体不同的侧面或者颜色的变化。
“打不碎”的全息照片
全息照片有一个非常有趣的现象，即照片的碎片可再现完整的物体图像，并不会因为照片的破碎而失去像的完整性。普通摄影中，物体跟普通照片是点对点的对应关系，普通照片上一个小区域（或像素）只记录了一个物点发出的一个方向的强度信息。但在全息摄影中，由于全息照片的特殊记录方法，物体跟全息照片是点对体积的对应关系，全息照片上的每个像素都记录了物体上各点发出的光线信息。
全息技术的各种应用
全息技术已在人们的生活、文化教育、生产实践和科学研究中发挥着重要作用。利用全息照片的艺术性和可观赏性，产生了全息艺术品、全息商标、全息邮票、全息博物馆，利用全息图的高科技特点产生了全息防伪，用于商品、钱币、证件等防伪。近年来又在发展全息电视、全息电影等三维立体显示技术。在世界各地都有各种各样的全息产品和应用。
1987年，我国发行了一枚全息邮折，这一年是丁卯年（兔年），在四方连邮折上有三只小兔子的全息立体照片。从不同的角度观看，可以看到小兔子的正面、侧面等不同的影像，确实可以用栩栩如生来形容了。
2010年4月21日，美国财政部和联邦储备局共同了发行新版100美元的设计方案，他们采用全息防伪技术，在美钞上设置了安全线。
全息博物馆，顾名思义是用全息照片代替实物在博物馆内展览。目前，美国、英国等国家的一些城市就有全息博物馆，他们把一些稀世珍宝拍成全息照片，以减少文物损坏、被盗等安全隐患。
全息投影技术目前在产品展览、会、舞台节目、酒吧娱乐等场合得到了较为广泛的应用，它还能对虚拟的景物成像，成为虚拟成像技术之一。利用这种技术可以产生立体的空中幻像，还可以使幻像与表演者产生互动，形成一种共同表演的错觉，产生令人震撼的演出效果。
全息技术的进一步发展
1948年，英籍匈牙利科学家盖博发明了全息术，之后它的发展已经历了半个多世纪，相继产生了多种全息，如透射全息、反射透射、像面全息、彩虹全息、白光再现全息、真彩色全息、动态全息、计算全息、数字全息等等，它的实现技术也越来越多、越来越成熟。全息立体显示走出了实验室，已经服务于人类社会。
近年来，全息技术在大尺寸、高分辨率、真彩色、实时动态等关键技术上取得了一些突破。麻省理工学院空间成像研究组成功研制了三款全息立体视频显示系统，能够以每秒20帧的速率显示真彩色立体全息视频。德国SeeReal技术公司研发了20英寸的单色立体全息显示装置。英国QinetiQ公司利用超级计算机，通过计算的方式得到计算全息图，实现高分辨率的全息立体显示。
光声成像是近年来诞生的一种新型复合成像技术，是借助光声效应产生而来，光声效应的声信号即光声信号，其强度是由力学、光学、运动学、热学等特征来决定的，光声成像具有声学成像与光学成像的优势，在生物医学领域的应用已经非常成熟，取得了理想的成果。
1光声成像的优势
光声信号产生的基本原理是：当用短脉冲激光照射吸收体时，吸收体中的分子吸收光子后，当满足一定的条件时，吸收体分子的电子从低能级跃迁到高能级而处于激发态，而处于激发态的电子极不稳定，当电子从高能级向低能级跃迁时，会以光或热量的形式释放能量。在光声成像应用中通常会选择合适波长的激光作为激发源，使吸收的光子的能量转化为热能的效率最大，通常从光能转化为热能的效率可达到90%以上。释放的热量导致吸收体局部温度升高，温度升高后导致热膨胀而产生压力波，这就是光声信号。与声学成像相比，光声成像利用了光吸收系数，在化学成分的分析方面，有着独特的优势。其中，声波能够获取物体的弹性参量、密度等力学特征，应用在生物体中，可以将生物体的功能信息、生理结构等清晰地反映出来。与光学成像相比而言，光声成像对于组织有着非常高的分辨率，光学成像往往只能够得出组织表层1mm深度左右的高质量图像，如果深度偏高，分辨率就会大受影响，与之相比，声波的散射强度更小，在生物组织中的传播有着低散射、低耗散的优势，空间分辨率的成像深度非常理想。此外，光声成像在生物医学领域中的应用更加安全，该种成像方式应用的是激光、微波照射法，与X射线、CT相比，更加安全，只需要很少的电磁辐射能量，即可获取到理想的光声信号，避免对生物组织造成热损伤。
2多参量光声图像在生物医学领域中的应用分析
2.1多尺度成像
多参量光声图像可以得出深层组织图像，还能够利用图像参量来实现多尺度成像，揭示出生物体的功能与结构信息。所参量光声图像的成像效果，与组织的生理功能、光吸收系数有着密切的关系，在应用的过程中，需要根据各个组织的成分来合理选择电磁波波长，选择性针对组织中的成分进行分析，得出解剖、代谢、分子、功能、基因方面的信息。如，DNA、RNA的紫外线吸收能力较强，利用紫外线作为激发光源，即可获取到高对比度图像。在临床医学中，如果细胞核形态存在异常，也就说明，癌细胞DNA复制发生障碍，因此，该种诊断方式对于早期癌症的诊断有着重要的意义；血红蛋白主要吸收可见光频段电磁波，利用光声成像，可以获取到关于血液系统的高对比图像；油脂、水等对于近红外段电磁波与微波段吸收情况良好，利用近红外激光、微波作为光源，可以快速分析出其中的异常聚集问题。在生物组织中，每一种化学成分的光吸收特性都是不同的，在诊断过程中，可以借助多波长激光照射组织来获取相关信息，通过定性分析与定量分析相结合的方式得出生物组织各项化学组分信息，利用波长与电磁波吸收特性，既可以分析出血红蛋白含量，还可以获取到脱氧血红蛋白与氧合血红蛋白的相对含量，分析出血氧饱和度。血红蛋白是生物体内的重要载体，可以直接反映出生物的新陈代谢过程，这对皮肤疾病、脑血管疾病、肿瘤的早期诊断，有着重要的意义。
2.2生物组织黏弹特征
此外，借助多参量光声成像，还可以检测出生物组织黏弹特征，在检测时，需要使用连续激光照射样本，得出组织黏弹参数，利用光声信号相位与强度，获取到最终的检测信息，与光吸收特性相比而言，该种方式从力学角度反映出组织硬度、血液粘稠度，可以直接计算出组织生物力学系数与光学参量，为诊断提供可靠的信息指导，在心血管疾病、肿瘤的早期诊断上，有着突出的作用。
2.3温度分布情况
多参量光声成像还能够反映出温度的分布情况，光声信号强度与光吸收系数是密切相关的，与媒介系数为正比关系，在媒介温度升高之后，媒介系数也会相应升高，因此，利用该种系数可以反映出具体的光声图像。数据显示，在每升高1℃，光声升压会增高5%。借助光声成像，可以直接得出温度系数，灵敏度高达0.16℃，能够检测出绝对温度值，准确度非常高。光声成像还可以借助光声多普勒效应与光声信号之间的关系来得出血流速度的相关信息，检测出信号多普勒频移，借助这一原理，可以满足血流速度精细成像的要求，根据相关数据，得出低速流体信息。
2.4红细胞形态特征
借助多参量光声信号的功率频谱参数，还可以得出亚波长微结构信息、细胞形态、声学功率谱特性测出红细胞形态特征，鉴别早期血栓与癌细胞的形成。根据研究实验显示，针对窄带低频光声呈现系统的信号进行分析，可以鉴定出亚波长尺寸微结构信息，以频谱斜率作为参数，计算出亚波长尺寸结构。在生物组织之中，存在大量的微米量级微结构，如红细胞、微钙化斑点、黑素瘤等等，借助多参量光声成像，能够为相关疾病的诊断提供有价值的信息。此外，借助于物化谱参量呈现技术，可以将声学功率谱与光学吸收谱分析相结合，得出组织的化学特征与物理特征，该种分析方式为物化谱分析法（Physio-chemicalspectrum），在分析时，需要先利用不同波长激光脉冲进行照射，得出带有组织化学成分信息的声学功率谱，计算出一维功率谱，将亮相参数结合起来，即可获取到组织的二维物理化学谱。物理化学谱可以清晰地反映出组织的微结构特征与物理化学成分，得出组织特异化标签。
3多参量光声成像的应用分析
多参量光声成像不仅具有深分辨率高的优势，也具备信息敏感、成像对比度高的优势，可以从血液流速、组织力学、温度分布、生化组分、微结构特性来分析生物的功能、解剖、基因、分子、代谢信息，选择适宜的工作频率和成像模式，可以达到纳米级的分辨率，深度也能够达到50mm。多参量光声成像技术的应用满足了生物医学领域的发展需求，有着非常大的应用潜力。但是，毕竟多参量光声成像属于新型技术，在应用的过程中，还有一些难题需要突破。首先，该种技术的理论是建立在生物组织声学特征均匀的基础上，如果组织的声学特征不均匀、分布复杂，必然会影响应用效果。在人体组织中，空穴、骨骼的声阻抗是存在差异的，容易致使声传播出现反射和散射的问题。其次，虽然多参量光声成像的深度已经达到了50mm，但是对于更深组织成像，还具有局限性，这也是下一阶段需要重点解决的问题。
参考文献
[1]陈炳章,易航,杨金戈,等.光声内窥镜系统在人体直肠癌离体组织中的实验研究[J].物理学报，2014(8)：76-77.
[2]曾志平,谢文明,张建英,等.基于聚焦光声层析技术的甲状腺离体组织成像[J].物理学报，2012(9)：23-25.
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）45-0076-02
伴随光学显微镜技术的飞速发展，显微技术也在相应的不断进步。经过有关光学系统及信息处理能够使显微镜的分辨率大幅提高，用于生物样品三维信息的获取、记录、处理和显示的显微镜成像系统也得到了很大发展。在显微镜成像过程中，其所获取的每一幅图像都包含了焦平面和焦平面外的光信息，焦平面外的信息对所成图像造成了很大的模糊干扰，因而使得图像清晰度降低甚至无法识别。为了去除这些离焦光信息，人们尝试了许多解决办法。激光扫描共焦技术在荧光显微成像的基础上克服了离焦平面信息的干扰，从而得到了清晰地聚焦平面的图像。但是其缺点也是很显然的：其价格昂贵不利于技术的普及;不能得到样品完整、真彩的图像;由于需作二维逐点扫描，其成像速度受到限制，不能对样品实施快速动态成像。宽场显微镜是一套传统的显微镜，其价格便宜，可广泛用于各种行业实现对样品的快速观测，为了实现对样品的三维观察，首先需要对样品进行光学切片，在基于宽场显微技术的基础上经过对显微镜的改进，可采用各种方法实现宽场显微镜的光学切片成像。随着对微观世界更深入的研究，人们希望进一步提高光切片质量和切片的速度等。本文将介绍几种基于宽场显微技术的快速三维成像技术。
一、非干测量的宽场光切片技术
细胞膜的活动在细胞的力学中扮演着重要的角色，因此观测细胞膜的三维结构是非常重要的。一般我们使用相衬和荧光显微镜技术去观察它的活动，然而这种光学观察只能提供细胞边界的信息，很难去了解细胞表面的拓扑结构。为了清楚实时地观察到生物样品的三维结构，这种仪器应该满足分辨率高、成像速度快、视野大等多种要求。在基于宽场显微光切片的技术基础上，可以采用一种新的光学技术――非干涉测量的宽场显微镜光学轮廓测量技术来实现这一要求。这一技术不需后期的扫描机制即可得到三维图像，系统中探针是浸入水的物镜，它的工作距离在毫米范围内。图1显示的是实验装置，该装置采用传统的光学显微镜作为主要的设备，使用一个功率固定的钨卤素灯作为光源，它的功率波动范围为小于1%，带通滤波片的波长范围为350～610纳米。这套系统使用栅格图案在空间相位0，2π/3，4π/3获得三幅图像，然后使用零查探测原理去删除这个栅格图案获得光学剖面图像，通过对图像的后期处理即可呈现样品的3D结构。
二、基于Z轴自动控制宽场光切片技术
在对细胞或者微小的样品进行观察时，显微镜是必不可少的工具，但是一般的显微镜包括宽场显微镜只能观察他们的二维图像，为了得到三维的图像，需要在显微镜的z轴方向上进行光学切片，得到不同焦平面的图像，然后利用计算机技术实现三维重构。为了在宽场显微镜中得到Z轴上不同的焦平面信息，需要对轴进行微调，Z轴方向每上升或者下降一定的距离获取一副图像。传统的方法是用手动的方式去调节Z轴的旋钮，达到Z轴上升或下降的目的。这种方式使得得到的断层扫描图像难以获得足够的精度和足够薄的切层厚度，而且各个断层图像的层厚变得不均匀，这样将在很大程度上影响图像的三维重构效果，同时在进行断层扫面时图像的拍摄时通过手动的方式控制拍摄，这样拍摄一副断层图像需时过长，在荧光样品拍摄前往往已经暴露在激发光的强光之下，这样大大增加了样品被强光漂白导致损伤的危险。因此，一种采用全自动宽场显微光切片的技术将具有重要意义。
这种技术能通过计算机控制显微镜物镜Z轴作精确的微动，来对样品进行逐层扫描成像，其精度可达到纳米级，同时它还能控制摄像系统对每层断层图像进行自动的摄取与存储，不需人工干预。因此，在光路中加装一套激发光快门开合系统，通过计算机同步控制快门开合系统和自动数码成像（或视频图像）拍摄系统，这些装置的增加对宽场显微光切片技术有着非常重要的意义。这样的一套系统可广泛应用于各种医学和生物研究领域，特别是需要观察三维断层的相关领域如生物医学成像与生物医学材料的领域，具有非常重要的实用价值。
三、变形光栅光切片技术
要想得到物体不同层的图像，传统的方法是移动透镜或者相机，但是在一些应用中物体或者成像条件是快速变化的，需要设备能在相同条件下同时捕获多个层的图像。其中一种方法是采用分束器，将一束光分成几束，然后使用多个相机来获得图像，通过移动相机来达到获取不同焦平面图像的目的。但是这种方法会导致复杂的光学系统并且需要多个同步相机。一种使用特别设计的变形光栅能被当作分束器使用，在单图像平面同时记录多个物体不同焦平面的信息，这将只需要一个简单的光学系统便可实现同时获取不同层面的图像，大大降低了成本。使用变形光栅同时得到多个物层面图像的方法原理在于，变形光栅是一个二元位相光栅。其暗区域能增加光学厚度，它在非零衍射序列具有聚焦的功能。特别设计的光栅在每一个变形序列上具有不同焦长的透镜的作用，在图像视野产生假的三维图像。光栅焦长和图像面的分离是通过设计光栅结合物体放大倍数实现的。该技术的基础是变形的衍射光栅，它的光栅线由一个半径为二次方程的光栅线构成。它产生的光栅线是圆弧并且它的中心是偏离透镜轴中心的，如图2所示，变形光栅扮演一套透镜的功能，它能修改每一个衍射序列（+1，0，-1）的焦长，这导致三个物面在同一个探测器面上呈现。当光束进入系统时，零序列衍射产生一幅激光束焦斑图像，+1和-1序列提供光束焦平面后和焦平面前两个层面的图像。因此，利用这种技术可在不需要任何扫描特别是纵向扫描，可实现对样品多层面同时一次成像。但是缺点是一次只能进行三层成像，需要更多层数成像需要加装Z轴扫描装置。
四、基于变焦透镜的宽场显微光切片技术
这种技术原理类似于前面介绍的基于Z轴自动控制宽场光切片技术，将Z轴的机械控制装置用可变焦的透镜来代替。通过改造宽场显微镜可实现这一功能，如图4所示。在该设备中，需要自制一模块，该模块包含一些透镜和可电控的变焦透镜放置在靠近物镜的地方和成像端口想连接，同时为了在目镜中能观察到清晰的图像许在目镜端口加装一相同变焦透镜。这一装置进行光学切片的原理相对比较简单，通过计算机或者其他装置控制变焦透镜的驱动装置，改变电流，透镜的焦距会随着电流大小发生变化，焦距变化后可得到样品不同层的光学信息，完成光学切片的功能。通过实现计算机控制，可实现快速自动宽场显微镜光学切片技术。另外为了让显微镜的改造变得更加简单，可以在显微镜的成像接口处加装一套带有变焦透镜的中继成像装置。这一技术在原理上并不复杂，结构简单，不需要加装机械扫描装置，减少了使用机械装置进行扫描时带来的震动，同时通过精密电流控制可使得描层厚均匀，但是扫描需要时间比较长，为实现实时快速的扫描带来了挑战。
五、小结
上面介绍的快速宽场显微镜光切片技术各有优缺点，他们大多数需要对Z轴进行扫描，不仅影响了扫描速度，而且使用高精密的控制设备成本也比较高，扫描层厚也不均匀，针对这些缺点，我们可以在宽场显微镜的基本框架结构上，结合多种宽场光切片技术实现实时观察样品，另外发展一套新的快速实时宽场显微光切片技术。例如在显微镜的成像接口处加装一套变形光栅系统和变焦透镜，可以在改变一次变焦的同时获得三层切片图像，可大大缩短切片的时间，降低样品长时间暴露在强光下导致的光损伤，它能快速的进行实时光学切片。这样的一个系统预期可广泛应用于各种需要进行实时三维断层观测的领域如生物医学，生物材料等领域，具有非常重要的实用价值。
参考文献：
全息技术是物理学中一重要发现，越来越多的应用于各个行业。伴随着CCD技术和计算机技术的发展，全息技术也得到一次质的飞跃，从传统光学全息到数字全息。传统光学全息将物光和参考光干涉得到全息照片来记录光的振幅和相位信息，而数字全息则用CCD记录物光和参考光的干涉，形成数字全息图，再通过计算机图像处理技术处理全息图。因此，影响数字全息技术发展有两个重要方面：CCD技术和计算机图像处理技术。
1.图像处理技术。图像是现代社会人们获取信息的一个主要手段。人们用各种观测系统以不同的形式和手段获得图像，以拓展其认识的范围。图像以各种形式出现，可视的、不可视的，抽象的、实际的，计算机可以处理的和不适合计算机处理的。但究其本质来说，图像主要分为两大类：一类是模拟图像，包括光学图像、照相图像、电视图像等。它的处理速度快，但精度和灵活性差。另一类是数字图像。它是将连续的模拟图像离散化后处理变成为计算机能够辨识的点阵图像。从数字上看，数字图像就是被量化的二维采样数组。它是计算机技术发展的产物，具有精度高、处理方便和重复性好等特点。
图像处理就是将图像转化为一个数字矩阵存放在计算机中，并采用一定的算法对其进行处理。图像处理的基础是数学，最主要任务就是各种算法的设计和实现。目前，图像处理技术已经在很多方面有着广泛的应用。如通讯技术、遥感技术、生物医学、工业生产、计算机科学等等。根据应用领域的不同要求，可以将图像处理技术划分为许多分支，其中比较重要的分支有：①图像数字化：通过采样和量化将模拟图像变成便于计算机处理的数字形式。③图像的增强和复原：主要目的是增强图像中的有用信息，削弱干扰和噪声，使图像清晰或将转化为更适合分析的形式。③图像编码：在满足一定的保真条件下，对图像进行编码处理，达到压缩图像信息量，简化图像的目的。以便于存储和传输。④图像重建：主要是利用采集的数据来重建出图像。图像重建的主要算法有代数法、傅立叶反投影法和使用广泛的卷积反投影法等。⑤模式识别：识别是图像处理的主要目的。如：指纹鉴别、人脸识别等是模式识别的内容。当今的模式识别方法通常有三种：统计识别法、句法结构模式识别法和模糊识别法。⑥计算机图形学：用计算机将实际上不存在的，只是概念上所表示的物体进行图像处理和显现出来。
2.计算机图像处理技术在全息学中的应用。图像处理技术在全息中的应用主要表现在：一是计算全息，基于计算机图形学将计算机技术与光全息技术结合起来，通过计算机模拟、计算、处理，制作出全息图。因此它可以记录物理上不存在的实物。二是利用图像的增强和复原，图像编码技术等对数字全息图像质进行提高以及实现的各种算法。它的应用大致可以分为两大类，即空域法和频域法：①空域法：这种方法是把图像看作是平面中各个像素组成的集合，然后直接对这一二维函数进行相应的处理空域处理法主要有下面两大类:一是领域处理法。其中包括梯度运算(Gradient Algorithm)，拉普拉斯算子运算(Laplacian Operator) ，平滑算子运算(Smoothing Operator)和卷积运算(Convolution Algorithm)。二是点处理法。包括灰度处理 (grey processing)，面积、周长、体积、重心运算等等。②频域法：数字图像处理的频域处理方法是首先对图像进行正交变换，得到变换频域系列阵列，然后再施行各种处理，处理后再反变换到空间域，得到处理结果。这类处包括:滤波、数据压缩、特征提取等处理。
3.模拟实验。本文运用matlab软件，利用图像处理技术，编写了程序，以模拟计算全息和实现全息图像的滤波。
本文将运用matlab程序设计语言实现计算全息的制作、再现过程。标有“涉”一字，图像尺寸为1024像素×1024像素；。模拟实验中用到的参数为：激光模拟了氦氖激光器，波长为638.2nm；再现距离为40cm；因为原始物图的尺寸用像素为单位表示，所以像素分辨率为1。
从模拟实验中可以看出，数字全息的处理过程其实就是计算机图像处理在全息技术的应用过程。利用计算机图像处理技术对全息图进行了记录，将物光和参考光干涉得到了全息图。并利用图像的增强和复原对图像进行了处理，以消除噪声，得到更好的全息再现象。
参考文献：
［1］ 周灿林，亢一澜.数字全息干涉法用于变形测量.光子学报，2004，13（2）：171－173。
医学影像技术主要是应用工程学的概念及方法,并基于工程学原理发展起来的一种技术,其实医学影像技术还是医学物理的重要组成部分,它是用物理学的概念和方法及物理原理发展起来的先进技术手段。医学影像信息包括传统X线、CT、MRI、超声、同位素、电子内窥镜和手术摄影等影像信息。它们是窥测人体内部各组织,脏器的形态,功能及诊断疾病的重要方法。随着医疗卫生事业的发展,以胶片为主要方式的显示、存储、传递X-ray摄像技术已不能满足临床诊断和治疗发展的需求,医疗设备的数字化要求日益强烈,全数字化放射学、图像导引和远程放射医学将是放射医学影像发展的必然趋势。
1 传统摄影技术在摸索中进行
1.1 计算机X线摄影
X射线是发展最早的图像装置。它在医学上的应用使医生能观察到人体内部结构,这为医生进行疾病诊断提供了重要的信息。在1895年后的几十年中,X射线摄影技术有不少的发展,包括使用影像增强管、增感屏、旋转阳极X射线管及断层摄影等。但是,由于这种常规X射线成像技术是将三维人体结构显示在二维平面上,加之其对软组织的诊断能力差,使整个成像系统的性能受到限制。从50年代开始,医学成像技术进入一个革命性的发展时期,新的成像系统相继出现。70年代早期,由于计算机断层技术的出现使飞速发展的医学成像技术达到了一个高峰。到整个80年代,除了X射线以外,超声、磁共振、单光子、正电子等的断层成像技术和系统大量出现。这些方法各有所长,互相补充,能为医生做出确切诊断,提供愈来愈详细和精确的信息。在医院全部图像中X射线图像占80%,是目前医院图像的主要来源。在本世纪50年代以前,X射线机的结构简单,图像分辨率也较低。在50年代以后, 分辨率与清晰度得到了改善,而病人受照射剂量却减小了。时至今日,各种专用X射线机不断出现,X光电视设备正在逐步代替常规的X射线透视设备,它既减轻了医务人员的劳动强度,降低了病人的X线剂量;又为数字图像处理技术的应用创造了条件。随着计算机的发展数字成像技术越来越广泛地代替传统的屏片摄影现阶段,用于数字摄影的探测系统有以下几种: (1)存储荧光体增感屏[计算机X射线摄影系统(computer Radiography.CR)]。
(2)硒鼓探测器。(3)以电荷耦合技术(charge Coupled Derices.CCD)为基础的探测器 。(4)平板探测器(Flat panel Detector)a:直接转换(非晶体硒)b:非直接转换(闪烁晶体)。这些系统实现了自动化、遥控化和明室化,减少了操作者的辐射损伤。
1.2 X-CT
CT的问世被公认为伦琴发现X射线以来的重大突破,因为他标志了医学影像设备与计算机相结合的里程碑。这种技术有两种模式,一种是所谓“先到断层成像”(FAT),另一种模式是“光子迁移成像”(PMI)。
1.3 磁共振成像
核磁共振成像,现称为磁共振成像。它无放射线损害,无骨性伪影,能多方面、多参数成像,有高度的软组织分辨能力,不需使用对比剂即可显示血管结构等独特的优点。
1.4 数字减影血管造影
它是利用计算机系统将造影部位注射造影剂的透视影像转换成数字形式贮存于记忆盘中,称作蒙片。然后将注入造影剂后的造影区的透视影像也转换成数字,并减去蒙片的数字,将剩余数字再转换成图像,即成为除去了注射造影剂前透视图像上所见的骨骼和软组织影像,剩下的只是清晰的纯血管造影像。
2 数字化摄影技术
数字X射线摄影的成像技术包括成像板技术、平行板检测技术和采用电荷耦合器或CMOS器件以及线扫描等技术。成像板技术是代替传统的胶片增感屏来照相,然后记录于胶片的一种方法。平行板检测技术又可分为直接和间接两种结构类型。直接FPT结构主要是由非品硒和薄膜半导体阵列构成的平板检测器。间接FPT结构主要是由闪烁体或荧光体层加具有光电二极管作用的非品硅层在加TFT阵列构成的平板检测器。电荷耦合器或CMOS器件以及线扫描等技术结构上包括可见光转换屏,光学系统和CCD或CMOS。
3 成像的快捷阅读
由于成像方法的改进,除了在成像质量方面有明显提高外,图像数量也急剧增加。例如随着多层CT的问世,每次CT检查的图像可多达千幅以上,因此,无法想象用传统方法能读取这些图像中蕴含的动态信息。这时在显示器上进行的“软阅读”正在逐渐显示出其无可比拟的优越性。软拷贝阅读是指在工作站图像显示屏上观察影像,就X线摄影而言这种阅读方式能充分利用数字影像大得多的动态范围,获取丰富的诊断信息。
4 PACS的广阔发展空间
随着计算机和网络技术的飞速发展,现有医学影像设备延续了几十年的数据采集和成像方式,已经远远无法满足现代医学的发展和临床医生的需求。PACS系统应运而生。PACS系统是图像的存储、传输和通讯系统,主要应用于医学影像图像和病人信息的实时采集、处理、存储、传输,并且可以与医院的医院信息管理系统放射信息管理系统等系统相连,实现整个医院的无胶片化、无纸化和资源共享,还可以利用网络技术实现远程会诊,或国际间的信息交流。PACS系统的产生标志着网络影像学和无胶片时代的到来。完整的PACS系统应包含影像采集系统,数据的存储、管理,数据传输系统,影像的分析和处理系统。数据采集系统是整个PACS系统的核心,是决定系统质量的关键部分,可将各种不同成像系统生成的图象采入计算机网络。由于医学图像的数据量非常大,数据存储方法的选择至关重要。光盘塔、磁带库、磁盘陈列等都是目前较好的存储方法。数据传输主要用于院内的急救、会诊,还有可以通过互联网、微波等技术,以数据的远距离传输,实现远程诊断。影像的分析和处理系统是临床医生、放射科医生直接使用的工具,它的功能和质量对于医生利用临床影像资源的效率起了决定作用。综上所述,PACS技术可分为三个阶段,(1)用户查找数据库;(2)数据查找设备;(3)图像信息与文本信息主动寻找用户。
5 技术----分子影像
随着医学影像技术的飞速发展,在今天已具有显微分辨能力,其可视范围已扩展至细胞、分子水平,从而改变了传统医学影像学只能显示解剖学及病理学改变的形态显像能力。由于与分子生物学等基础学科相互交叉融合,奠定了分子影像学的物质基础。Weissleder氏于1999年提出了分子影像学的概念:活体状态下在细胞及分子水平应用影像学对生物过程进行定性和定量研究。
分子成像的出现,为新的医学影像时代到来带来曙光。基因表达、治疗则为彻底治愈某些疾病提供可能,因此目前全世界都在致力于研究、开创分子影像与基因治疗,这就是21世纪的影像学。 新的医学影像的观察要超出目前的解剖学、病理学概念,要深入到组织的分子、原子中去。其关键是借助神奇的探针--即分子探针。到目前为止,分子影像学的成像技术主要包括MRI、核医学及光学成像技术。一些有识之士认为;由于诊治兼备的介入放射学已深入至分子生物学的层面,因此,分子影像学应包括分子水平的介入放射学研究。
6 学科的交叉结合
交叉学科、边缘学科是当今科学发展的趋势。影像技术学最邻近的学科应为影像诊断学。前者致力于解决信息的获取、存储、传输、管理及研发新的技术方法;后者则将信息与知识、经验结合,着重于信息的内容,根据影像做出正常解剖结构的辨认及病变的诊断。两者相辅相成,互为依托。所以,影像技术学的发展离不开影像诊断学更密切地沟通与结合将为提高、拓展原有成像方式及开辟新的成像方式做出有益的贡献。医用影像诊断装置用于详细地观察人体内部各器官的结构,找出病灶的位置毫克大小,有的还可以进行器
官功能的判断 。还有医用影像诊断装备情况,已成了衡量医院现代化水平的标志。
7 浅谈医学影像技术的下一个热点
医疗保健事业在经济上的窘迫使得90年代以来,成为一个没有大规模推广一种新的影像技术的、相对沉寂的时期,延续了一些现有影像技术的发展,使得他们中至今还没有一种影像技术能对影像学产生巨大的影响。随着科技的发展,最近逐渐发展起来的一批有希望的影像技术。如:磁共振谱(MRS),正电子发射成像(PET)单光子发射成像(SPECT),阻抗成像(EIT)和光学成像(OCT或NRI)。他们有可能很快成为大规模应用的影像技术,将为脑、肺、及其他部位的成像提供新的信息。
7.1 磁源成像
人体体内细胞膜内外的离子运动可形成生物电流。这种生物电流可产生磁现象,检测心脏或脑的生物电流产生的磁场可以得到心磁图或脑磁图。这类磁现象可反映出电子活动发生的深度,携带有人体组织和器官的大量信息。
7.2 PET和SPECT
单光子发射成像(SPECT)和正电子成像(PET)是核医学的两种CT技术。由于它们都是接受病人体内发射的射线成像,故统称为发射型计算机断层成像(ECT)。ECT依据核医学的放射性示踪原理进行体内诊断,要在人体中使用放射性核素。ECT存在的主要问题是空间分辨率低。最近的技术发展可能促进推广ECT的应用。
7.3 阻抗成像(EIT)
EIT是通过对人体加电压,测量在电极间流动的电流,得到组织电导率变化的图像。 目的在于形成对体内某点阻抗的估计。这种技术的优点是,所采用的电流对人体是无害的,因而对成像对象无任何限制。这种技术的时间分辨率很好,因而可连续监测实际的应用,已实现以视频帧速的医用EIT的实验样机。
7.4 光学成像(OTC或NIR)
近期的一些实质性的进展表明,光学成像有可能在最近几年内发展成为一种能真正用于临床的影像设备。它的优点是:光波长的辐射是非离子化的,因而对人体是无伤害的,可重复曝光;它们可区分那些在光波长下具有不同吸收与散射,但不能由其它技术识别的软组织;天然色团所特有的吸收使得能够获得功能信息。它正在开辟它的临床领域。
前言
三维打印（Three Dimension Printing，简称3DP）属于一种快速成型（Rapid Prototyping，简称RP）技术，它由计算机辅助设计（CAD）数据通过成型设备以材料逐层堆积的方式实现实体成型。“三维打印”在技术界也叫“增材制造”、“自由成形”、“快速成形”或“分层制造”等[1]。三维打印起源可追溯于上世纪八十年代，1984年查尔斯・赫尔发明了将数字资源打印成三维立体模型的技术，并于1986年成立了3D Systems公司，开发了第一台商用立体光敏3D打印机，1988年，斯科特・克伦普发明了熔融沉积成型技术（FDM）并于1989年成立了Stratasys公司，随后在2012年合并以色列3D打印公司Objet。3D Systems和Objet是目前世界上最大、最先进的两家3D打印公司。我国清华大学颜永年教授于1988开始研究3D打印成型技术，华中科技大学王运赣教授以及西安交通大学卢秉恒院士等，纷纷于上世纪90年代起就开始涉足3D打印成型技术的研究。
1998年，清华大学的颜永年教授又将3D打印成型技术引入生命科学领域，提出生物制造工程学科概念和框架，并于2001年研制出用于生物材料快速成型的3D打印设备，为制造科学提出了一个新的发展方向--生物制造。生物制造的一个重要手段即是生物3D打印。生物三维打印是以活细胞（living cells）、生物活性因子（proteins and bio-molecules）及生物材料 （biomaterials）为基本成形单元，设计制造具有生物活性的人工器官、植入物或细胞三维结构，是制造科学与生物医学交叉融合的新兴学科，它是目前3D打印技术研究的最前沿领域，也是3D打印技术中最具活力和发展前景的方向[2，3]。
1 3D打印技术的分类
目前比较典型的3D打印快速成形技术主要分为三种[4]：
1.1 粉末粘结3D打印光固化材料3D打印与熔融材料3D打印
粉末粘结3D打印是目前应用最为广泛的3D打印技术，其工艺过程如下：首先，在工作平台上均匀铺洒单位厚度的粉末材料；其次，依据实体模型离散层面的数字信息将粘结剂喷射到粉末材料上，使粉末材料粘结，形成单位实体截面层；再次，将工作台下降一个单位层厚；最后，重复第一步至第三步，逐层堆砌，形成三维打印产品。其存在缺点是，通过粉末粘连成形的零件精度和强度偏低，一般需要后续工艺提高其强度，但后续处理工艺会导致零件体积收缩，变形严重。
1.2 光固化3D打印（光敏三维打印）
该技术使用液态光敏树脂作为原料制作零件模型，光敏材料三维打印成形基于喷射成形技术和光固化成形技术，喷头沿X方向往复运动，根据零件的截面形状，选择性喷射光固化实体材料和光固化支撑材料形成截面轮廓，在紫外光照射下光固化材料边打印边固化，层层堆积至制件成形完毕。但其应用于骨骼类产品打印的主要缺点是，当前具有生物活性的骨骼类材料如羟基磷灰石，生物玻璃等材料自身不是光敏性材料，需与光敏材料混合使用，因此影响产品的生物活性在打印后将受到很大影响。
1.3 熔融材料3D打印成形
熔融材料三维打印成形基于熔融涂覆成形（FDM）专利技术，分别加热两种丝状热塑性材料至熔融态，根据零件截面形状，选择性涂覆实体材料和支撑材料形成截面轮廓，并迅速冷却固化，层层堆积至制件成形完毕，其原理与光敏材料3D打印成形类似 [16]。目前熔融材料三维打印成形，可采用由磷灰石和骨骼所需的有机盐配置而成的骨水泥，不需要额外添加紫外光照射固化所需的光敏介质，有利于保证材料后续的生物相容性和生物活性。但由于挤压式喷头的喷嘴处压力大，容易造成阻塞现象，因此对喷嘴和材料浆料的粒径要求较高。
除三维打印外，应用比较广泛的商业化快速成形工艺还包括立体光刻成形（SLA）、选择性激光烧结成形（SLS）堆叠、实体制造（LOM）、熔融堆积成形（FDM）等，但这些工艺大多需要配备价格昂贵的激光辅助系统，且成型工艺实质上还是类似于上述三种材料叠加-固化技术。因此，三维打印技术被认为是最具生命力的快速成形技术，发展潜力巨大，在医学中的应用前景广阔，其推广应用将对传统的医疗产品生产模式带来颠覆性的影响。
2 三维仿生重构建模技术的发展
基于医学图像的三维重构建模技术是生物3D打印技术的重要研究内容之一。3D打印生物构件的实现首先需要在计算机环境下有效重构和建模，生成可用于驱动打印喷头的指令数据进而操控成型设备实现产品成型。随着医学影像技术的发展，人体组织的二维断层图像数据可以方便地获取以进行医学诊断和治疗。但是，二维断层图像只是表达了某一截面的解剖信息，医生可以凭经验由多幅二维图像去估计病灶的大小及形状，“构思”病灶与其周围组织的三维几何关系，可三维打印设备却无法根据这些断点数据进行立体三维成型，因此，基于医学图像的三维重构建模技术是生物3D打印技术的重要前驱步骤。
由于CT或MRI等检测设备扫描得到的二维图像信息不能直接用于快速成型，只有通过专用软件将二维断层图像序列重建为三维虚拟模型，并生成为快速成型机可以接受的STL（Stereo Lithography）格式图形文件，才能最终制造出生物产品三维实体模型。近十多年来，欧美等发达国家的科研机构对于医学图像三维重建的研究十分活跃，其技术水平正从后处理向实时跟踪和交互处理发展，并且已经将超级计算机、光纤高速网、高性能工作站和虚拟现实结合起来，代表着这一技术领域未来的发展方向。
在市场应用领域，国外已经研制了三维医学影像处理的商品化系统，其中，比较典型的有比利时Materialise公司的Mimics、美国Able Software公司的3D.Doctor和VGstudio MAX。在国内，中国科学院自动化研究所医学影像研究室自主开发的3D Med是基于普通微机的三维医学影像处理与分析系统，系统能够接收CT、MRI等主要医疗影像设备的图像数据，具有数据获取、数据管理、二维读片、距离测量、图像分割以及三维重建等功能。清华大学计算机系研发的人体断面解剖图像三维重构系统能给外科手术中的影像诊断提供一定的参考。中国科技大学在应用Delphi开发三维重构软件的研究上取得了很好的成果。国内企业也研发了一些三维医学影像处理系统。如西安盈谷科技有限公司“AccuRad TM pro 3D高级图像处理软件”于2005年4月投入市场。它能对二维医学图像进行快速的三维重建，并能对临床影像的数据进行科学有效的可视化和智能化挖掘和处理，为临床提供更多有价值的信息。但目前国外优秀软件如Mimics、3D Doctor、VGStudio MaX等的价格非常昂贵，且其技术严格保密。国内的产品大多没有自主知识产权和成熟的商业应用模式。
3 3D打印技术在生物医学工程中的应用
3D打印技术在生物医学工程中应用广泛，其应用领域大致包括：体外器官模型、仿生模型制造；手术导板、假肢设计；个性化植入体制造；组织工程支架制造；生物活体器件构建以及器官打印；药物筛选生物模型等。如图1所示为3D打印在生物医学工程中的各种应用情况[5-7]。
3.1 体外器官模型、仿生模型制造。该类应用主要用于医疗诊断和外科手术策划，它能有效地提高诊断和手术水平，缩短时间、节省费用。便于医生、患者之间的沟通，为诊断和治疗提供了直观、能触摸的信息，从而使手术者之间、医生和病人之间的交流更加方便。
3.2 手术导板、假肢设计。该类应用便于订制精确的个性化假体，实现个性化医疗需求。根据患者缺损组织数据量身订制的假肢，可提高假肢设计的精确性，提高手术精确度，确保患者的功能恢复，减少患者的痛苦。
3.3 个性化植入体制造。人体许多部位的受损组织，需要个性化定制。如人类面部颌骨（包括上下颌骨） 形态复杂， 极富个性特征， 形成了个体间千差万别的面貌特点。人类的头颅骨，需要准确与颅内大脑等软组织精确匹配扣合，人体的下肢骨、脊柱骨等会严重影响患者今后的步态及功能恢复。因此这类修复体可通过3D打印技术实现个性化订制和精确 “克隆”受损组织部位和形状。
3.4 组织工程支架制造。如通过3D打印技术设计和制备具有与天然骨类似的材料组分和三维贯通微孔结构，使之高度仿生天然骨组织结构和形态学特征，赋予组织工程支架高度的生物活性和骨修复能力。
3.5 生物活体器件构建以及器官打印。此方面的应用大多涉及活体细胞的生物3D打印技术。细胞三维结构体的3D构建可以通过活细胞及其外基质材料的打印构建活体生物器件。如英国赫瑞瓦特大学和一家干细胞技术公司合作，首次将3D打印拓展到人类胚胎干细胞范围。这一突破使得利用人类胚胎干细胞来“打造”移植用人体组织和器官成为可能。美国康奈尔大学研究人员最近在其发表的研究论文中称，他们利用牛耳细胞在3D打印机中打印出人造耳朵，可以用于先天畸形儿童的器官移植。
3.6 药物筛选生物模型。药物筛选指的是采用适当的方法，对可能作为药物使用的物质（采样）进行生物活性、药理作用及药用价值的评估过程。作为筛选，需要对不同化合物的生理活性做大规模横向比较，因此有研究人员指出通过3D打印技术，精确设计仿生组织药物病理作用模型，可以使人们开在短时间内大规模高通量筛选新型高效药物。最近，四川大学联合加州大学圣地亚哥分校等科研机构，通过3D打印技术设计了一款肝组织仿生结构药物解毒模型（如图1-c），该研究成果发表在最近一期的Nature Communications上，受到3D打印研究领域的广泛关注。
3D打印在生物医学工程中应用：（a）3D打印磷酸钙骨组织工程支架； （b）3D打印细胞、活体器官构件；（c）3D打印肝组织仿生结构药物解毒模型。
4 结束语
三维打印技术正处在蓬勃兴起的阶段，3D打印技术在生物医学工程中得到了广泛的应用，其应用以及发展现状表明：3D打印在体外器官模型、组织工程与再生医学、个性化医疗以及新药研发等方面展现出广阔的应用前景。抓住生物材料及植入器械的三维打印技术新一轮发展浪潮，发展我国生物三维打印技术，对发展我国生物材料医疗器械产业步入国际先进水平具有十分重要的意义。
参考文献
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[5]Vladimir Mironov， Richard P. Visconti， Vladimir Kasyanov， Gabor Forgacs， Christopher J. Drake， Roger R. Markwal. Organ printing： Tissue spheroids as building blocks[J]. Biomaterials， 2009， （30）.
1.前言
量显微成像技术已经发展了很长时间了。为了观察生物组织、微生物组织和了解材料的结构，人们发展了多种成像技术，例如：X光技术及层析技术、核磁共振技术、超声、正电子辐射层析技术及光学层析成像技术OT（Optical tomography）等。上世纪90年代初期，人们结合上述技术并利用宽带光源的低相干特性对生物活体组织的内部微观结构进行了非侵入式的层析成像，这种新的技术被称为光学相干层析技术（Optical CohereneeTomography OCT）[1]，这种成像技术具有许多其他成像方法所不具有的优点，其原理是利用宽带光源的低相干特性，通过测量样品背向散射光的干涉信号，对生物组织内部微观结构进行高分辨率层析三维成像。
2.OCT系统的基本原理
OCT系统的核心结构是迈克尔逊干涉仪如图1所示。从光源发出的低相干光由分束镜分为两束，一束光由反射镜反射后按原路返回并透射过分束镜后到达探测器；另一束通过聚焦透镜聚焦成一个点照射到物体后，其后向散射光按原路返回经分光镜反射后到达探测器，并与参考臂到达探测器的光发生干涉，干涉图（光强信号）由探测器接收。由于低相干光具有极短的相干长度，因此只有在参考臂与信号臂的光程差匹配时才能发生强干涉，这样经反射镜的扫描运动后可得到物体内部各个点的不同强度的干涉信号，其干涉信号的强弱反映了物体内部的结构，通过计算机仿真进行图像重构，可以得到物体内部的层析图像。
3.OCT系统成像研究
建立自1991年MIT的Huang[2]等人在Science上发表题为“Optical Coherence Tomography”的文章以来，OCT技术一直被关注，这项技术最初是在时域中以时域低相干干涉测量技术为基础，出现了时域OCT成像系统[3-5]。
在1993年，Fercher与Swanson等[6-7]发表了人的角膜组织立体成像OCT图。随着横向快速可调谐激光器和CCD技术的发展，频域OCT出现了，由Fercher等[8]（1995）最早构造了自由空间频域OCT系统进行眼内距离的。在频域OCT系统中，深度信号是是通过参考臂与样品臂的相干光谱进行傅立叶变换直接获得，因此可以得到深度方向的全部信息从而从根本上提高了采集速度。
Everett等（1998）[9]与Schoenenberger等[10]（1998）使用偏振OCT测量组织的双折射特性进行探测并获得猪的心肌双折射图像。Hitzenberger等（2001）[11]利用偏振OCT系统获取了鸡心肌的包含相位延迟与快轴方向的OCT图像。偏振OCT可以通过改变光的偏振态而获得传统OCT不能反映的组织信息，包括双折射特性，衰减特性，扰频特性等，为临床确诊提供更加可靠的依据。
功能OCT另一个发展领域是利用多普勒效应与OCT原理相结合衍生出多普勒OCT（DOCT），它源于流动颗粒散射的光与参考光发生干涉的原理，它可以提供生物组织内部高分辨血管分布和速度分布图像。
4.OCT的应用研究
4.1在医学方面的应用
a）眼科诊断
OCT可用于检测诸如青光眼、糖尿病水肿等需要定量测试视网膜变化的疾病，也可以很好的观察眼球前部病变，探测深度可达2cm，OCT对眼底结构观察的清晰度远高于其它检查方法。
b）牙科诊断
在1992年，Fujimoto等[12]就提出了偏振敏感OCT的概念（PS-OCT），在PS-OCT中，使用样品对背散射光双折射的大小成像，对于具有较明显的双折射效应的生物组织来说，PS-OCT能够获得一些重要的结构信息，而这些是传统的OCT做不到的。A.Z.Freitas[13]最近用OCT得到牙齿微结构的三维图像、对口腔的健康状况。
c）内窥应用
内窥OCT可用于执行生物活检、监测人体器官的功能状态、引导手术或其它治疗、监测术后恢复过程等。在医学实践中，活检切除部位的选择通常基于视觉诊察或较大组织区域内生物化学数据，但可能导致错误的临床结果。OCT能精确表示结构变化区域的边界，因此，能提供活检切除部位的精确示意图。
4.2工业材料的检测
2荧光探针
荧光探针在荧光成像技术中占据举足轻重的地位。一般荧光探针需具备优良的光物理性质，以便于激发和检测，且不与生物基质同时被激发，还要有较高的荧光量子产率和摩尔消光系数。荧光探针的溶解度要大，便于溶于缓冲液或细胞培养液中，且热、光性质比较稳定，有特异性标记位点。荧光探针需要具有良好的生物相容性，易于进入细胞内。荧光探针大致分为两类，包括化学类和生物类。化学类包括有机染料、纳米材料（金纳米粒子、半导体量子点等）及金属配合物等。生物类包括藻胆蛋白、分子灯标及基因编码荧光蛋白等。荧光探针在化学、光学、生物学等领域应用广泛，但是，目前仍缺少有效的分子探针识别疾病分子水平上的独特位点，故从分子水平上进行病理研究比较困难。
3荧光成像技术的应用
3.1蛋白质、金属离子的检测
生物体的生理状态可以通过蛋白质表现出来，生命活动离不开各种酶的作用，而酶大多是由蛋白质构成的，故研究蛋白质的结构和功能在认识生命活动过程中至关重要。刘亭延等采用荧光成像技术构建了一种检测人血清蛋白质的新方法。该方法以碳量子点为标记染料，以聚丙烯酰胺凝胶电泳分离出人血清蛋白，优化实验条件，最终得到清晰的电泳图。段相国等建立了一种HCVNS3／4A蛋白酶在小鼠体内瞬间表达的模型。金属离子在生物学中起重要作用，金属离子与荧光探针结合，在荧光显微镜下可观察细胞内金属离子的变化。Michael等选用Indo－1为模板，合成了一系列检测Ca2＋的荧光探针，可用于确定活细胞定位置的Ca2＋浓度。Sare等合成了Zn2＋的荧光探针，并应用到细胞中Zn2＋的检测识别中。人们还建立了Mg、Cu、Hg、Cd等离子的检测模型。荧光成像技术应用于蛋白质及细胞内金属离子检测还存在一些问题，如有的荧光探针不能通过细胞膜、成像过程对细胞造成损害、检测方法不统一等，因此，建立统一、低损害的荧光成像检测技术仍是极具挑战性的研究课题。
3.2肿瘤疾病的检测和诊断
目前，肿瘤的临床诊断主要依赖于显微形态学观察，从而在细胞层面上了解肿瘤细胞的类型与个体差异，这就要求检测手段不断进步。荧光成像技术以其操作方便、标记靶点多、灵敏度高等优点，广泛应用于肿瘤跟踪成像研究中，具有广阔的临床应用价值。高苒等建立了一种小鼠肿瘤模型，利用荧光显微镜和活体荧光成像仪可直接从整体和细胞水平上观察肿瘤，了解宿主与肿瘤间的作用。至今为止，人们对此进行了深入的探讨和研究，但该技术应用于体内时需要考虑复杂的体内环境，动物组织会产生背景噪音，影响该技术的发展应用。
3.3药物新剂型研究
为了提高药物疗效，降低毒副作用，发展药物新剂型尤为重要。荧光探针的不断发展使荧光成像技术在这一领域的应用范围不断扩大，可用于对药物运输过程、细胞屏障跨越方式、药物释放过程等的观测研究，它的迅速发展也大大促进了药物新剂型研究的迅速发展。陈刚等研究了荧光探针经内耳给药后的转运通路，在荧光成像系统下追踪了整个运输过程。钟华等构建了一种装载抗癌药物阿霉素的新型纳米胶囊，采用激光共聚焦显微镜实时跟踪观察药物投递释放过程，为新剂型的研究提供了理论平台。目前，类似的研究虽然较多，但仍处于理论研究阶段，诸如荧光探针毒性、生物体内相容性等问题还没有解决，没有合理的规范，难以规模化生产。
“第一是深层组织，第二是光学成像。”4个月后，他在入秋的清华园接受了记者的访问。这时的他，十年复来归，已经成为清华大学电子工程系助理教授，即将就这一方向开始新的布局。打造一把“光钥”
人的一生什么最重要？是事业、梦想，还是亲情、爱情、友情？谈到这个话题，每个人都可以列出一张长长的清单，然而不论对谁而言，要守护好这张“清单”，一个健康的身体都是必不可少的。
“无论美国，还是中国，随着时代的变迁，其医疗支出都呈现出明显的上涨趋势。”马骋很乐于看到这样的变化。随着社会对健康和医疗的重视，一些问题也逐渐彰显出来。
以医学成像为例。在医院的诊断和治疗过程中，医学成像技术发挥着非常重要的作用，如核磁共振、CT、超声等都离不开这一技术。“核磁共振，是以一个很强的磁场再加上微波去探测；超声是直接利用超声波；CT是通过X光，但对生物组织有杀伤性。”马骋悉心讲述着传统成像方式的工作原理，传统方式主要是在提取生物组织的结构信息，而如何获取物质分子层面的信息已成为近年来的研究热点。
每种生物分子都存在特定的能级分布，而这些能级，相当于物质的“指纹”，每一个分子都有其独一无二的“指纹”。此时的成像，马骋更习惯将之视为提取分子指纹的过程。“光子的能量刚好可以引起能级之间的跃迁。如果说指纹信息是一把锁，那利用光，我就有了一把可以开锁的钥匙。”
“光学成像的好处，首先是安全”，马骋戏言，“我们每天都晒太阳，可晒再多的太阳，也不会得癌症。当然了，紫外线是不行的，我们一般是应用可见光及红外波段，这是安全的，对人体没有伤害。”
更重要的是，有了光学成像，就可以直接提取分子层面以及细胞层面的信息。比如，从DNA、RNA、血糖、纤维素、脂肪中提取各种各样的信息，进行实时活体成像，进而对血红蛋白的浓度、血氧饱和度和代谢率等进行深入的分析。“可以说，光学成像提供的信息，是其他方式不可同日而语的。”马骋说。
但光学成像也不是十全十美的。很长一段时间里，科学家认为光学显微镜有一个极限，即光学显微镜无法获得比半光波长更好的分辨率。这就是所谓的“光子衍射极限”。2014年诺贝尔化学奖的三位获得者，巧妙地突破了这种极限，将光学显微镜带入了纳米维度。同样的，随着衍射极限的突破，生物光子学所面临的最大挑战，就成了由于生物组织强烈散射所导致的光子散射极限。
“激光笔发出的光束可以很轻易地穿透一杯水，但如果换成牛奶，这束光就穿不过去。”在马骋的例子里，人体组织与牛奶一样，都具有极强的散射性，以至于光子无法在其中“畅行”。“你可以想象在人体组织里有很多各种各样的‘小球’，本来你想让光径直去一个目的地，可在路上就被这些‘小球’阻挡，散射开了。”
散射极限到底会导致什么？通俗地说，如果不抑制散射，光子的穿透深度只有1毫米左右，只能对生物组织的浅层进行成像。如今的高分辨率光子成像方式多种多样，比如无需外源标记物的相干拉曼散射和光学相干断层扫描，以及利用荧光标记的多光子激发显微和非线性结构光照明等。由于穿透深度浅，这些先进的影像技术对临床应用来说，在很多场合是远远不够的。
“我们的目标是，能够让光子穿透若干个厘米，在很深的位置实现光学成像。”马骋知道，要突破散射极限很难，可一旦成功，就能够拓展光学成像的应用范围，使其可以在生物组织的深层位置成像，具有O其可观的应用前景。这也是他近年来执着于此的原因。挑战散射极限
2012年，马骋拿到弗吉尼亚理工大学电气工程专业博士学位，来到位于圣路易斯的华盛顿大学，开始了博士后研究。“这一阶段，我主要做的就是怎么把光聚焦到散射介质里。”
当时，华盛顿大学汪立宏（Lihong V.Wang）教授团队正在从事的波前工程项目，是生物光子学领域的前沿方向之一，他们的目标就是希望能够大幅度加深光子在生物组织内部的穿透深度。早在2011年，Nature Photonics就发表了汪立宏团队的一项成果，他们利用聚焦超声波在生物组织内散射微弱的特质，结合声光移频效应，借助相位共轭晶体，完成了有选频功能的时间反演，进而实现在散射介质内部通过聚焦超声波导引的光聚焦。
“这一研究完善了超声波导引的时间反演光聚焦技术，但仍面临两大难题。”马骋说，其一是由于晶体的固有性质所造成的低聚焦功率以及增益；其二是该技术亚秒量级的响应时间无法满足活体应用的要求。进入汪立宏团队后，他就围绕这两大难题展开了工作，通过对晶体瞬态响应的严格理论分析，提出了利用脉宽小于非线性光折变晶体响应时间的短激光脉冲进行全息图读取的方法。经实验验证，该方法下聚焦功率增益>33000，聚焦功率密度>6400W/cm2，打破了早先聚焦功率增益远小于1的限制，其成果发表在《自然》杂志旗下的《科学报道》上。
从起初的提出想法，到最后的实验验证，马骋和整个团队花费了很多心思。“桌椅可以恒久不动，但生物组织都是善变的，肌肉组织的移动乃至血液流动都会造成一个退相干的过程。也就是说，你本来想聚焦到某个位置对某个组织进行成像，可当你测量好了信息真正去聚焦的时候，之前测量好的信息已经过时了。”
既然如此，马骋团队只能和生物组织的“变”来抢时间。到后来，马骋参与的利用快速光折变晶体在活体内部实现光聚焦以及成像的项目完成后，他们甚至可以在5毫秒之内完成整个光聚焦过程，从而证明了透过血流（相关时间为毫秒量级）进行精确光控制的能力，使散射介质内部聚焦、成像技术向临床应用迈进一大步。2015年1月，这一成果发表在《自然一通讯》杂志上，马骋为第三作者。同时，“快速超声导引的光学时间反演在动态散射介质内部的近红外光聚焦”也获得2014年度国际光学工程学会（SPIE）颁发的Seno Medical Best Poster Award，马骋同样是第三完成人。
马行千里，非一步之功。马骋也是在慢慢靠近自己的目标。在超声波导引的时间反演光聚焦技术成功突破之前，他就在时变目标导引的时间反演光聚焦技术上有了优秀的进展。
认识到在光学散射介质（诸如生物组织）中进行光传输及聚焦的重要性之后，马骋发现，科学家一般是通过植入式或表面声学接触引入的信标星作为导引源，实现在散射介质内部或背面的光聚焦。可与之相对的是，植入式或接触式信标星也会带来应用的局限性。
为了解决这一亟待解决的难题，马骋提出了利用内源性折射率及吸收的动态变化作为信标星的创意。如此一来，就可以实现无创、非接触式、在散射介质内部的聚焦以及对运动目标的追踪、成像。在后来的验证中.马骋的方法能够在生物组织内聚焦深度超过25个散射平均自由程，而同样的穿透深度下，传统的光学聚焦以及成像设备早已失效。
2014年12月，《自然―光子学》杂志刊登了这一技术方法。随即，该方法被Physics World，Medical Physics，Science Daily等多家媒体报道。马骋也受剑桥大学出版社之邀，参与到权威性著作Wavefront Shaping for Biomedical Imaging（尚未出版）的撰写当中，对这一技术进行具体阐述。该技术被认为，不但解决了在散射介质内部对时变物体的追踪成像、利用组织内源性运动（如血流）进行对整体目标的光聚焦等难题，还可与其他多种技术结合实现深层组织成像、光遗传学控制、光动力疗法以及无创手术等。
以此为基础，马骋与合作者进一步发明了利用单次曝光及二元空间光相位调制的光学时间反演技术。在该技术中，他实现了目前最快的数字式在散射介质内部的聚焦，又一举数得，同时满足相位图合成时间1ms，空间有效模式数500000，功率增益>1000的优良系统特性。由于实现了在动态散射介质内部对时变目标的追踪聚焦，以及深层血流流速的测定等优质目标。2015年，该技术被光学学会旗舰期刊Optica发表，引起了学术界的高度重视。
汪立宏团队在光声成像领域也享有国际声誉。光声效应可以将被物质吸收的光子转换成声子，基于此，光声成像通过探测超声波对生物组织的光学吸收特性进行三维造影。马骋认为光声成像是除波前工程以外另一个非常有应用前景的深层组织光学影像手段，并积极参与到小动物光声造影系统的研究中。他在其中最得意的贡献之一是对已有的图像重建方法进行改进，在不提高计算复杂度的前提下大幅度提高图像质量，去除伪影。他参与搭建的小动物光声造影平台从各个指标上衡量都处于世界领先水平。
顺其自然的转折
马骋并不是从一开始就瞄准深层生物组织光学成像的。2006年，接到美国弗吉尼亚理工大学的offer后，他进入王安波教授团队，开展起光纤传感研究。数年积累，2010年，他连续在OpticsLetters上发表了两项成果：一是利用多孔石英及蓝宝石光子晶体光纤进行高温、高压下气体光谱分析；二是发明基于全光微纳结构光力学谐振腔的生物、化学传感。
初出茅庐的亮相之后，他再接再厉，围绕微尺度法一珀白光干涉仪的建模、结构优化、制造以及信号解调发起了系统性地探索。此后几年，他连续在国际著名期刊上发表数篇文章，包括利用渐变折射率光学自聚焦实现光纤内腔法―珀白光干涉仪的级联，建立光纤外腔干涉仪的普适理论模型，预测干涉仪信号解调精度的理论极限并理论阐释、实验抑制干涉仪的解调跳变。
这么多发现，好用吗？马骋从来都不满足于纸上谈兵。2011年，他得到了第一次在美国能源部国家能源技术实验室进行传感器现场测试的机会。时隔5年，他仍然记得当时的场面。按照惯例，整个测试过程要持续一天，除了项目的Y助者和负责人，美国能源部的一些高级官员也会到场观看。对于高效燃气轮机内部接触式精密温度测量来说，差之毫厘，失之千里。作为该项目的技术执行人，马骋十分忐忑。
“测试前一天，我们就要把传感器安装到测试环境里”，就在马骋带着几位伙伴紧张有序地安装时，一个不经意的动作，导致了传感器的损坏。此时，距离测试开始的时间已经所剩无几了。幸好，他们之前做了备份，又赶紧取来，连夜装到测试环境里。是真的“连夜”，几个人整整安装了一宿，都没顾得上睡觉。
“第一次还是经验不足，几个月后，我们再对另一个不同结构的传感器做现场测试时，就非常成功了，没有遇到任何问题。”这两次测试结果，得到了美国能源部和国际同行的好评，马骋也两次受邀参加美国能源部国家能源技术实验室年会，并作专题报告。
“这是我非常难忘的一个经历”，马骋再次强调。能够完成一场工程领域的现场测试，需要他能够独当一面，带领团队去完成这个严峻的任务。“在实验室做实验，也许产生一些数据就可以了。但是到了现场测试的环境下，可能一个螺丝钉没弄好都会出大问题。”马骋开始与各种细节“磨合”，力求达到天衣无缝，以保证现场测试的正常运转。这种磨砺，对他来说，是一种宝贵的财富。
马骋在成长。随着在光纤传感领域的深入，他的研究兴趣有了转变。“和光学成像一样，光纤传感其实也是一个获取信息的过程。”马骋说。到了博士研究的后期，他已经向光学成像倾斜了。“光纤传感获得的信息是点状的或者一维的，光学成像获得的信息是多维的。更重要的是，光学成像的生物应用非常有意思，一方面可以应用到医疗中造福人类，另一方面可以做的东西非常多。”
在马骋看来，这是一个非常自然的转变，无需刻意选择，就像他的回国，也从来不是一道选择题。
“独望蓝岭念香山”
从2006年到2016年，马骋在美国待了十年。
这十年中，他在创新、理论分析、实验技能、撰写文章等各个科研环节上都接受了良好的训练，科研能力日渐成熟。“尤其是创新”，他补充道，“导师们都会鼓励你大胆地去想，哪怕是异想天开也没关系。”
这十年中，他在王安波教授和汪立宏教授的团队中，积累了丰富的合作经验以及科研资源。曾经度过数年的两所学校，以及汪立宏教授目前就职的加州理工学院等，都是他日后重要的国际合作对象。
而这些底蕴，于他而言，也不过是为了回国而做出的积累。早在初到弗吉尼亚理工大学时，他就产生了浓郁的思乡情绪，即使出国是他谨慎做出的决定。“弗吉尼亚理工大学坐落在风景名胜蓝岭（Blue Ridge）脚下。到美国的第一个清明，望着连绵的群山，就好像还在清华园里，还可以远眺香山一样。”心有所感，马骋提笔写下一首小诗：清明望断异乡天，百乌声声花满川。此时家乡春正好，独望蓝岭念香山。
“可能很多人都有这样的感觉，出国之后反而觉得故土难离，一直想着要回国。”从那一刻起，马骋就决定一定要回来。2015年6月，清华大学提交了推荐他入围第12批青年的申报书，他也开始准备归来。2016年9月2日，他正式重归清华园。
“在国外总感觉自己是个过客，回来做事才更踏实。”在马骋的计划里，回国后的主要工作将依然集中在深层生物组织光学成像上。目前，他还是想继续深入研究波前整形和光声成像两种方法，拓展生物光子学的穿透深度，在生物学基础研究范畴内提供基于活体的、深层组织高分辨率光学成像及控制。“以后可能会开拓完全不一样的更崭新的领域，但当下，我还是想扎扎实实地推动这两个方法的实用化，在临床医学范畴内提供基于光子学的诊断、治疗以及微创手术技术，并最终实现产业化。”
当然，即使有了青年的资助，有了清华大学的科研启动金以及电子工程系的支持，此时此刻，在马骋面前还是一张白纸。买设备、建实验室、组团队、招收博士生……他已经做好充分的准备从头做起。
