浅谈生物医学光学探究

1、会议概况

工业激光和生物医学光学国际学术会议于1999年10月25~27日在华中科技大学学术交流中心举行。h.wcber教授和干福熹院士担任大会主席，来自14个国家和地区的221位代表(境外代表46人)出席了会议。会议得到美国spie的支持，正式出版了会议论文集spie(工业激光论文集卜3862和spie(生物医学光学论文集关3863.前者共收录论文121篇，其中，国外作者论文13篇;后者共收录论文95篇，其中国外作者论文31篇。大会特邀了世界激光和生物医学光学领域的著名学者作主题报告，全体大会4个特邀报告，工业激光分会8个邀请报告，生物医学光学分会4个邀请报告，这些特邀报告和邀请报告学术水平高，均反映了当前国内外研究的前沿课题。

2、工业激光研究的最新热点

在工业激光器领域，由于半导体激光器迅速发展，准连续器件已达到4kw.因此，在许多应用领域均有采用半导体激光器代替传统的气体激光器及固体激光器的发展趋势。但是，由于半导体激光器目前光束质量较差，作为过渡的发展阶段是大量采用半导体激光器泵浦的固体激光器，其激光输出功率也已达到4kw级，光束质量获得明显改善。因此，在世界市场上，1998年固体激光器的销售金额，首次超过了co:激光器。据估计，近期激光技术的应用在高功率激光器方面仍然会以coz激光器和固体激光器为主。在激光应用领域，除了高功率激光应用以外，国外已经在激光精密加工领域开展了深入的研究工作，如法国利用准分子激光超精密打孔、划线，精度非常高，孔径圆整、光滑，在陶瓷如s13n;，a12o3等方面的精密处理方面已有深人的研究。本次会议涉及到准分子激光应用的文章有15篇，涉及领域有激光淀积超导薄膜，金刚石薄膜、非晶金刚石薄膜等，激光制备光栅，激光制备纳米颗粒。我国大陆学者主要把准分子激光用于制备薄膜，台湾大学是用准分子激光制备光栅，法国学者用激光制备纳米颗粒。可见国外用准分子激光加工开展面比我国广泛。从本次会议看，国外今后重点发展研究领域和前沿课题包括:高功率半导体激光器，近五年内千瓦级器件将会实现实用化;半导体激光泵浦固体激光器，特别是盘片固体激光器近五年内也将会突破千瓦级;半导体激光泵浦全固体化紫外激光器已突破3w，如果能提高一个量级，将会逐步取代紫外气体激光器;利用准分子激光对电子元器件处理作了很深入的研究，在这些方面已成为激光超精密加工应用的重要发展方向。国内外在激光制备薄膜方面的研究始终是一大热点。我国半导体工业基础差，不仅在集成电路发展方面吃了大亏，现在看来在光电子工业的发展方面又要重复以前的错误。国内有几个单位发展半导体激光器，主要侧重在通讯应用。高功率半导体激光器及短波长半导体激光器差距很大，应予以足够的重视。在发展高功率激光器件，包括气体和固体与国际水平差距更大。从会上两个非常有代表的报告可知，其一是英国he:i。t一watt大学的d.r.hall教授报告的平板波导高功率激光器件.代表了当代国际先进水平，从基本原理到结构特性，均报告得比较详细，内容也很丰富。其二是德国柏林技术大学h.webe:教授报告的激光二极管泵浦的固体激光器，特别是针对激光二极管泵浦源的特点，提出了一种新型的腔体结构，很有特色与创新，在他的论文中有比较精辟的论述。此外，德国斯图加特宇航技术物理研究所主任willyl，.bohn博士，介绍了他们的激光二极管泵浦圆盘型固体激光器，在一片直径5mm，厚度不足1mm的激光介质上，可取得500w的激光输出。部分代表与他讨论了与此有关的问题:①增益长度短为何能获得这么高的激光输出?②高掺杂晶体将产生晶格缺陷，直径5mm，厚度不足1mm的激光介质是如何制备出来的?③泵浦光如何进人激光介质，怎样实现均匀的泵浦?④是否可用更多的圆盘串在谐振腔光路上获得更大的输出?目前德国已解决了前三个问题。对于大于5kw输出的固体激光器介质热畸度仍不可忽略，输出光束质量大大下降，还有待进一步研究解决方法。在激光与材料相互作用方面，我们的研究大多注意在诸如激光的光斑直径、功率、照射时间、速度等参数和工艺的研究上。而对激光与材料相互作用的机理研究尚不够，如激光照射到材料表面后，激光是如何烧蚀材料表面的，材料对激光的吸收与反射，材料表面吸热后如何进行传热?对材料表面组织结构改变及其形成机制，缺乏深人的研究。在激光与材料相互作用机理方面应加强研究力度。对这些基础研究有一定深度后，在激光加工应用中的工艺就有了理论依据。

3、生物医学光学研究的最新热点

本次会议还涉及到光学层析成像及光谱学的理论与模型、生物监测的光学成像与光谱学、适用于生物医学和临床的相干域光学方法、生物光谱学和显微学、激光与组织的相互作用、激光医疗等方面。以下就生物医学光学研究的一些最新进展和热点问题作一概述。(l)光学层析成像及光谱学技术的理论与模型。关于生物组织光学层析成像和光谱学技术的理论与建模研究一直是国际生物医学光学的研究重点。由brittionchanee博士主持的“optiealtomographyandspeetroseopy:theoryandmode1s”专题会议吸引了众多听众。来自各国的科学家报道了该领域的最新研究成果和应用。俄罗斯valeryv.tuchin教授报道了活组织光学特性参数控制的有关成果，其离体和在体的实验均证明了通过使用葡萄糖、trazograph等渗透活性助剂可改变人眼巩膜、皮肤等纤维组织的光散射特性。美国stevenij.jacques教授做了《生物组织科学和工程中的光学技术》的特邀报告，j.r.m。盯ant教授介绍了生物组织中光散射的基本机理研究的进展。麻省理工学院的李兴德博士报道了衍射层析成像技术的最新进展，提出了一种用于高散射介质中扩散光子密度波快速、近场衍射层析成像的角谱算法，该算法可用于有限大小介质，并能同时重建吸收和散射系数。宾夕法尼亚大学的张思豪博士报告了基于混浊介质中，用动态光散射技术测量深层组织中血流的一种方法，该方法可用于深层组织中的血流动力学图像的重建。华中科技大学的张智报道了用分形理论进行人眼角膜内皮细胞图像分析的初步结果。(2)生物组织的光学成像和用于生物监测的光谱学技术。九十年代以来，美国、欧洲、日本等国都在该领域投人了大量的人力和资金，本次会议共有26篇论文涉及此项专题。其内容包括组织光学成像和组织光学参数测量、光学脑功能成像、近红外光谱术的血流动力学测量、组织超微弱发光检测、扩散光子密度波和x射线层析成像等。

stevenl.jacques教授报道了一种基于偏振光摄像机的组织成像系统.该系统可用于对浅表皮肤的成像，其优点是可避免较深层组织扩散光子对成像造成的影响，同时也能有效消除表层皮肤镜面反射及黑色素积淀的影响。美国约翰•霍普金斯大学刘乱副教授提出了一种用于数字乳房x射线照相术的新型光学祸合电子成像技术，该技术的独到之处在于使用新颖的ccd扫描和防辐射设计.可用小尺寸ccd成像器进行大范围视场的成像，且不损失空间分辨率.解决了现有电子成像器在成像所需分辨率下，面积不足以覆盖整个乳房的问题。哈佛医学院davida.boas博士等人比较了采用近红外光谱术和扩散光学层析成像技术，定量测量组织整体和局部血氧变化的异同。如何定量测量组织中血氧的变化是当前迫切需要解决的问题.虽然当前有几种技术可实现定量监测，但使用不方便，因而需要研制简便易用的检测装置，以满足日益发展的市场需求。美国得克萨斯农机大学汪立宏博士•报道了声致发光层析成像和扫频超声调制光学层析成像技术的最新进展。声致发光成像技术利用聚焦超声波激发组织内部发光，实现在生物组织内部的选择性光激发，从而实现对较深层组织毫米量级分辨率的光学层析成像。会议中，利用无损伤的光学成像技术研究大脑功能和脑血液动力学变化成为与会者普遍关注的问题之一。华中科技大学骆清铭教授报道了用大脑功能近红外光学成像器研究视觉刺激、手指运动时大脑视觉、运动皮层的活动以及前额叶在工作记忆和情绪活动中作用的成果;中科院心理研究所的杨炯炯博士用大脑功能近红外光学成像器研究了左前额叶在非相关词对编码中的作用;日本kagoshima大学王钢博士报道了用基于大脑活动内源信号检测的光学成像系统.研究不同颜色形状的物体对猴子进行视觉刺激时其大脑皮层的活动;清华大学wemaraiicllty报道了用近红外光谱术研究大脑活动时氧合作用变化的结果。

(3)生物医学和临床的相干域光学方法。在该专题中，弱相干光学层析成像(oc丁)成为会议关注的热点。近年活跃在相干域光学方法及其医学应用研究领域的加利福尼亚大学陈忠平博士报告了目前oct.odt(光学多普勒层析成像)的最新研究成果，日本的刘纪元博士也就oct技术的进展做了特邀报告。中科院上海光学精密机械研究所、清华大学的代表都报道了各自在()ct方面的研究结果。(4)生物光谱学和显微术。为获得生物组织内部的微观结构信息，从细胞、分子水平研究诸多生命现象的微观机理，近儿十年来人们一直致力于各种显微成像技术的发展研究。会上，代表们报道了在激光扫描共焦显微成像、荧光与光谱成像以及散射介质中光信息的获取等方面的研究进展。如:加拿大英哥仑比亚癌症研究中心曾海山博士报道了一种利用荧光成像.可检测呼吸道与胃肠道早期癌症的系统。澳大利亚维多利亚大学顾敏教授报道了在混沌介质中，他们用角度门法代替时间门法，以提高成像的效率。(5)激光与生物组织的相互作用。激光与生物组织的相互作用和组织光学所涉及的内容十分广泛，在生物医学基础理论和临床诊断研究中具有重大的意义。代表们就激光与组织相互作用时的光散射、干涉、光机械、光热、光化学效应，生物组织中光子的迁移规律，以及低功率激光生物效应等方面进行了广泛深人的研究讨论。在光热效应方面，美国得克萨斯大学r.d.glickman教授提出钦yag激光器用于泌尿系统结石碎石治疗的主要机理是光热烧蚀作用。俄勒冈医疗激光中心解哗博士报道了半导体激光器用于尿道焊接的研究成果。日本自由电子激光研究所的k.awazu报道了用红外自由电子激光研究动脉硬化区组织光热效应的进展。昆明理工大学周凌云教授报道了生物组织激光光热效应微观机理的量子理论分析。另外，华南师范大学刘颂豪院士、加拿大j.r.north和匈牙利dezso.gal教授等还报道了光动力治疗方面的研究进展。

4、建议

(1)支持几个单位重点发展高功率半导体激光器及短波长半导体激光器;(2)提高半导体激光器输出光束质量的相关光学元件的研究与生产;(3)发展半导体激光泵浦的盘片固体激光器;(4)发展光纤相位共扼技术，解决高功率固体激光器光束质量;(5)发展万瓦以上的c02激光器的关键单元技术，例如气动窗口、固体窗口、高频或射频激励技术，气体激光动力学等，开展数万瓦co:激光器的研制及其应用研究;(6)法国马赛大学的michelautric教授在专题发言中提出，准分子激光技术是21世纪的加工技术。我国在用准分子激光进行微加工和制备新材料方面还应加大人力和财力的投入，以赶上世界在此领域的发展。此外，部分国外代表就如何帮助华中科技大学开设生物医学光子学方面的课程，依托华中科技大学建立生物医学光子学虚拟研究中心，定期提供国外最新研究信息，在网上发布科研动态与相关科研项目，共享有关软件与数据，提供网上教学资料等内容进行了多次讨论，并达成共识。这对于国内生物医学光子学学科的建设，将产生积极的推动作用。

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