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第一章 绪论 光与人类的关系 从人类利用光的角度来讲可以将它分为三类，即将光作为能量的载体、将光 作为信息的载体和将光作为科学研究的工具。前两类是人类也包括大多数动物生 来就能够享受或者利用的，而后一类则是人类主动地加以利用的活动。首先，作 为能量的载体的光，是人类生存不可缺少的物质，生命也可以理解为将日光作为 输入主体的能量转换方式，如果没有光合作用植物将不能生长，地球生物链将从 最基础的一环断裂；而作为信息的载体的光，也是我们的日常生活中不可缺少的， 没有光的照明我们的世界也将是一片黑暗，有人统计，人类摄取的信息70%以上 是由眼睛完成得的。而将光作为科学研究的工具，帮助我们在认识世界的过程中 发现了许多自然界的规律，远古以来我们的祖先就学会了将可见光应用于日常的 科学研究中，如应用光学的原理进行地球半径和行星体间距离的测量，借助放大 镜进行微小物体的观察。 而将光应用于人体疾病的诊断，是从伦琴于1895年发现X射线开始的。而 且更重要的是从那时起我们对于光的概念被扩展到了可见光以外的电磁波的范 围。在近代，从上个世纪70年代起人们就开始了尝试应用红进行人的生理过程 和脑功能的无创伤（Non-invasive）监测的研究，80年代又开始了尝试利用吸 收光谱的技术进行人体血液中糖浓度的无创伤检测的研究等，这些都属于生物医 学光子学的研究范围。进入21世纪以来，光在人类医学中的诊断或者治疗的作 用从来没有像今天这样普及和为人们所期待，光或者光学方法在一些疾病的早期 发现、在疾病的无创伤或者微创伤诊断和治疗、在疾病的高效率治疗或者与治疗 机理有关的研究等方面越来越具有其他手段所不可替代的作用。 生物医学光子学 首先我们必须定义什么是生物医学光子学(Biomedical Photonics)。生物医 学光子学，顾名思义，是关于光子在生物医学中应用的科学和技术，它涉及到了 从医学诊断、治疗以及疾病预防的宽广的应用范围。那么为什么叫生物医学光子 学而不是生物医学光学呢？众所周知，光具有波动性和粒子性，描述光的传播一 1 般应用光的波动理论，而解释光与物质的相互作用则需要考虑光的粒子性，其理 论基础是量子力学。而在我们将要涉及到的有关光在疾病的诊断、治疗或者预防 以及相关的机理的研究的科学和技术中，一方面作为研究或者应用的手段的仪器 或设备是至关重要的，其中需要大量地应用象几何光学或者物理光学等成熟的光 学原理或者象光学仪器设计等成熟的光学技术，但是更重要的是这一类手段大多 是由现代光电子科学或者技术的发展为基础、而设备的核心也是由现代光电子器 件所构成的；另一方面，更重要的是我们必须考虑象光的吸收、光的散射、波长 的选择、光的利用效率、以及光对生物提的损害等问题，所以我们更多地是要处 理光与物质的相互作用、即要考虑光的粒子性的问题，而由于光子强调的是光的 粒子性质而不是波的性质，所以在此应用生物医学光子学比应用生物医学光学的 名字更为合适。当然这里所说的光子(Photon)的频谱不局限于人眼可见光的频率 范围，而应该包括从宇宙射线、伽玛射线、X射线，紫外、可见、红外、微波， 到无线电波的频率范围。 生物医学光子学的发展（理论基础、技术基础和发展动力） 生物医学光子学发展的物理基础应该归功于量子理论的建立，量子理论不但 提供了关于电子、原子、分子以及光本身的基本知识，也奠定了分子生物学和基 因学等学科的研究基础，在其基础上分子光谱技术也得到了长足的发展，而分子 光谱技术正是能使我们在分子水平上针对诸如分子间如何结合、DNA如何促使细 胞成长以及疾病的发展过程等问题进行科学研究的技术基础。 生物医学光子学发展的技术基础得益于20世纪一系列技术革命成果，其中 最为重要的应该是激光技术、微电子技术和纳米技术的发展及应用。激光由于其 波长单一性、能量集中性和高指向性等诸多特殊性质，已经被广泛地作为光源使 用在人体疾病的诊断或者癌细胞的射线治疗等医学应用领域。随着微电子技术的 发展，光电传感器以及电路的小型化技术、成百上千个元器件集成于一个芯片上 的大规模或超大规模集成电路技术和高质低价大规模量产技术的成功，不但大大 地提高了元器件及光子学系统本身的性能，使得无创伤进行人体中的分子、组织、 器官检测乃至成像成为可能，而且极大地扩展了生物