生物醫學光學探究

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1會議概況

工業激光和生物醫學光學國際學術會議于1999年10月25~27日在華中科技大學學術交流中心舉行。H.wcber教授和干福熹院士擔任大會主席，來自14個國家和地區的221位代表(境外代表46人)出席了會議。會議得到美國SPIE的支持，正式出版了會議論文集SPIE(工業激光論文集卜3862和SPIE(生物醫學光學論文集關3863.前者共收錄論文121篇，其中，國外作者論文13篇;后者共收錄論文95篇，其中國外作者論文31篇。大會特邀了世界激光和生物醫學光學領域的著名學者作主題報告，全體大會4個特邀報告，工業激光分會8個邀請報告，生物醫學光學分會4個邀請報告，這些特邀報告和邀請報告學術水平高，均反映了當前國內外研究的前沿課題。

2工業激光研究的最新熱點

在工業激光器領域，由于半導體激光器迅速發展，準連續器件已達到4kw.因此，在許多應用領域均有采用半導體激光器代替傳統的氣體激光器及固體激光器的發展趨勢。但是，由于半導體激光器目前光束質量較差，作為過渡的發展階段是大量采用半導體激光器泵浦的固體激光器，其激光輸出功率也已達到4kw級，光束質量獲得明顯改善。因此，在世界市場上，1998年固體激光器的銷售金額，首次超過了CO:激光器。據估計，近期激光技術的應用在高功率激光器方面仍然會以COZ激光器和固體激光器為主。在激光應用領域，除了高功率激光應用以外，國外已經在激光精密加工領域開展了深入的研究工作，如法國利用準分子激光超精密打孔、劃線，精度非常高，孔徑圓整、光滑，在陶瓷如S13N;，A12O3等方面的精密處理方面已有深人的研究。本次會議涉及到準分子激光應用的文章有15篇，涉及領域有激光淀積超導薄膜，金剛石薄膜、非晶金剛石薄膜等，激光制備光柵，激光制備納米顆粒。我國大陸學者主要把準分子激光用于制備薄膜，臺灣大學是用準分子激光制備光柵，法國學者用激光制備納米顆粒。可見國外用準分子激光加工開展面比我國廣泛。從本次會議看，國外今后重點發展研究領域和前沿課題包括:高功率半導體激光器，近五年內千瓦級器件將會實現實用化;半導體激光泵浦固體激光器，特別是盤片固體激光器近五年內也將會突破千瓦級;半導體激光泵浦全固體化紫外激光器已突破3W，如果能提高一個量級，將會逐步取代紫外氣體激光器;利用準分子激光對電子元器件處理作了很深入的研究，在這些方面已成為激光超精密加工應用的重要發展方向。國內外在激光制備薄膜方面的研究始終是一大熱點。我國半導體工業基礎差，不僅在集成電路發展方面吃了大虧，現在看來在光電子工業的發展方面又要重復以前的錯誤。國內有幾個單位發展半導體激光器，主要側重在通訊應用。高功率半導體激光器及短波長半導體激光器差距很大，應予以足夠的重視。在發展高功率激光器件，包括氣體和固體與國際水平差距更大。從會上兩個非常有代表的報告可知，其一是英國He:i。t一watt大學的D.R.Hall教授報告的平板波導高功率激光器件.代表了當代國際先進水平，從基本原理到結構特性，均報告得比較詳細，內容也很豐富。其二是德國柏林技術大學H.Webe:教授報告的激光二極管泵浦的固體激光器，特別是針對激光二極管泵浦源的特點，提出了一種新型的腔體結構，很有特色與創新，在他的論文中有比較精辟的論述。此外，德國斯圖加特宇航技術物理研究所主任Willyl，.Bohn博士，介紹了他們的激光二極管泵浦圓盤型固體激光器，在一片直徑5mm，厚度不足1mm的激光介質上，可取得500W的激光輸出。部分代表與他討論了與此有關的問題:①增益長度短為何能獲得這么高的激光輸出?②高摻雜晶體將產生晶格缺陷，直徑5mm，厚度不足1mm的激光介質是如何制備出來的?③泵浦光如何進人激光介質，怎樣實現均勻的泵浦?④是否可用更多的圓盤串在諧振腔光路上獲得更大的輸出?目前德國已解決了前三個問題。對于大于5kw輸出的固體激光器介質熱畸度仍不可忽略，輸出光束質量大大下降，還有待進一步研究解決方法。在激光與材料相互作用方面，我們的研究大多注意在諸如激光的光斑直徑、功率、照射時間、速度等參數和工藝的研究上。而對激光與材料相互作用的機理研究尚不夠，如激光照射到材料表面后，激光是如何燒蝕材料表面的，材料對激光的吸收與反射，材料表面吸熱后如何進行傳熱?對材料表面組織結構改變及其形成機制，缺乏深人的研究。在激光與材料相互作用機理方面應加強研究力度。對這些基礎研究有一定深度后，在激光加工應用中的工藝就有了理論依據。

3生物醫學光學研究的最新熱點

本次會議還涉及到光學層析成像及光譜學的理論與模型、生物監測的光學成像與光譜學、適用于生物醫學和臨床的相干域光學方法、生物光譜學和顯微學、激光與組織的相互作用、激光醫療等方面。以下就生物醫學光學研究的一些最新進展和熱點問題作一概述。(l)光學層析成像及光譜學技術的理論與模型。關于生物組織光學層析成像和光譜學技術的理論與建模研究一直是國際生物醫學光學的研究重點。由BrittionChanee博士主持的“Optiealtomographyandspeetroseopy:theoryandmode1s”專題會議吸引了眾多聽眾。來自各國的科學家報道了該領域的最新研究成果和應用。俄羅斯valeryv.Tuchin教授報道了活組織光學特性參數控制的有關成果，其離體和在體的實驗均證明了通過使用葡萄糖、trazograph等滲透活性助劑可改變人眼鞏膜、皮膚等纖維組織的光散射特性。美國StevenIJ.Jacques教授做了《生物組織科學和工程中的光學技術》的特邀報告，J.R.M。盯ant教授介紹了生物組織中光散射的基本機理研究的進展。麻省理工學院的李興德博士報道了衍射層析成像技術的最新進展，提出了一種用于高散射介質中擴散光子密度波快速、近場衍射層析成像的角譜算法，該算法可用于有限大小介質，并能同時重建吸收和散射系數。賓夕法尼亞大學的張思豪博士報告了基于混濁介質中，用動態光散射技術測量深層組織中血流的一種方法，該方法可用于深層組織中的血流動力學圖像的重建。華中科技大學的張智報道了用分形理論進行人眼角膜內皮細胞圖像分析的初步結果。(2)生物組織的光學成像和用于生物監測的光譜學技術。九十年代以來，美國、歐洲、日本等國都在該領域投人了大量的人力和資金，本次會議共有26篇論文涉及此項專題。其內容包括組織光學成像和組織光學參數測量、光學腦功能成像、近紅外光譜術的血流動力學測量、組織超微弱發光檢測、擴散光子密度波和X射線層析成像等。

StevenL.Jacques教授報道了一種基于偏振光攝像機的組織成像系統.該系統可用于對淺表皮膚的成像，其優點是可避免較深層組織擴散光子對成像造成的影響，同時也能有效消除表層皮膚鏡面反射及黑色素積淀的影響。美國約翰•霍普金斯大學劉亂副教授提出了一種用于數字乳房X射線照相術的新型光學禍合電子成像技術，該技術的獨到之處在于使用新穎的CCD掃描和防輻射設計.可用小尺寸CCD成像器進行大范圍視場的成像，且不損失空間分辨率.解決了現有電子成像器在成像所需分辨率下，面積不足以覆蓋整個乳房的問題。哈佛醫學院DavidA.BoaS博士等人比較了采用近紅外光譜術和擴散光學層析成像技術，定量測量組織整體和局部血氧變化的異同。如何定量測量組織中血氧的變化是當前迫切需要解決的問題.雖然當前有幾種技術可實現定量監測，但使用不方便，因而需要研制簡便易用的檢測裝置，以滿足日益發展的市場需求。美國得克薩斯農機大學汪立宏博士•報道了聲致發光層析成像和掃頻超聲調制光學層析成像技術的最新進展。聲致發光成像技術利用聚焦超聲波激發組織內部發光，實現在生物組織內部的選擇性光激發，從而實現對較深層組織毫米量級分辨率的光學層析成像。會議中，利用無損傷的光學成像技術研究大腦功能和腦血液動力學變化成為與會者普遍關注的問題之一。華中科技大學駱清銘教授報道了用大腦功能近紅外光學成像器研究視覺刺激、手指運動時大腦視覺、運動皮層的活動以及前額葉在工作記憶和情緒活動中作用的成果;中科院心理研究所的楊炯炯博士用大腦功能近紅外光學成像器研究了左前額葉在非相關詞對編碼中的作用;日本Kagoshima大學王鋼博士報道了用基于大腦活動內源信號檢測的光學成像系統.研究不同顏色形狀的物體對猴子進行視覺刺激時其大腦皮層的活動;清華大學WemaraIicllty報道了用近紅外光譜術研究大腦活動時氧合作用變化的結果。

(3)生物醫學和臨床的相干域光學方法。在該專題中，弱相干光學層析成像(OC丁)成為會議關注的熱點。近年活躍在相干域光學方法及其醫學應用研究領域的加利福尼亞大學陳忠平博士報告了目前OCT.ODT(光學多普勒層析成像)的最新研究成果，日本的劉紀元博士也就OCT技術的進展做了特邀報告。中科院上海光學精密機械研究所、清華大學的代表都報道了各自在()CT方面的研究結果。(4)生物光譜學和顯微術。為獲得生物組織內部的微觀結構信息，從細胞、分子水平研究諸多生命現象的微觀機理，近兒十年來人們一直致力于各種顯微成像技術的發展研究。會上，代表們報道了在激光掃描共焦顯微成像、熒光與光譜成像以及散射介質中光信息的獲取等方面的研究進展。如:加拿大英哥侖比亞癌癥研究中心曾海山博士報道了一種利用熒光成像.可檢測呼吸道與胃腸道早期癌癥的系統。澳大利亞維多利亞大學顧敏教授報道了在混沌介質中，他們用角度門法代替時間門法，以提高成像的效率。(5)激光與生物組織的相互作用。激光與生物組織的相互作用和組織光學所涉及的內容十分廣泛，在生物醫學基礎理論和臨床診斷研究中具有重大的意義。代表們就激光與組織相互作用時的光散射、干涉、光機械、光熱、光化學效應，生物組織中光子的遷移規律，以及低功率激光生物效應等方面進行了廣泛深人的研究討論。在光熱效應方面，美國得克薩斯大學R.D.Glickman教授提出欽YAG激光器用于泌尿系統結石碎石治療的主要機理是光熱燒蝕作用。俄勒岡醫療激光中心解嘩博士報道了半導體激光器用于尿道焊接的研究成果。日本自由電子激光研究所的K.Awazu報道了用紅外自由電子激光研究動脈硬化區組織光熱效應的進展。昆明理工大學周凌云教授報道了生物組織激光光熱效應微觀機理的量子理論分析。另外，華南師范大學劉頌豪院士、加拿大J.R.North和匈牙利Dezso.Gal教授等還報道了光動力治療方面的研究進展。

4建議

(1)支持幾個單位重點發展高功率半導體激光器及短波長半導體激光器;(2)提高半導體激光器輸出光束質量的相關光學元件的研究與生產;(3)發展半導體激光泵浦的盤片固體激光器;(4)發展光纖相位共扼技術，解決高功率固體激光器光束質量;(5)發展萬瓦以上的C02激光器的關鍵單元技術，例如氣動窗口、固體窗口、高頻或射頻激勵技術，氣體激光動力學等，開展數萬瓦CO:激光器的研制及其應用研究;(6)法國馬賽大學的MichelAutric教授在專題發言中提出，準分子激光技術是21世紀的加工技術。我國在用準分子激光進行微加工和制備新材料方面還應加大人力和財力的投入，以趕上世界在此領域的發展。此外，部分國外代表就如何幫助華中科技大學開設生物醫學光子學方面的課程，依托華中科技大學建立生物醫學光子學虛擬研究中心，定期提供國外最新研究信息，在網上科研動態與相關科研項目，共享有關軟件與數據，提供網上教學資料等內容進行了多次討論，并達成共識。這對于國內生物醫學光子學學科的建設，將產生積極的推動作用。