Biomedical Photonics Handbook pdf epub mobi txt 電子書 下載2026

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出版者:Society of Photo Optical

作者:Vo-Dinh, Tuan (EDT)

出品人:

頁數:0

译者:

出版時間:

價格:195

裝幀:HRD

isbn號碼:9780819450203

叢書系列:

圖書標籤:

• 生物醫學光子學
• 光子學
• 生物醫學工程
• 生物技術
• 醫學影像
• 光學
• 激光
• 生物傳感器
• 納米光子學
• 診斷學

現代生物醫學成像技術與設備實用指南 本書旨在為生物醫學研究人員、臨床工程師以及對生物光子學應用感興趣的專業人士提供一本全麵、深入且極具實踐指導意義的參考手冊。 隨著生物醫學研究的不斷深入和診斷需求的日益精細化，對非侵入性、高靈敏度、高分辨率成像技術的需求空前高漲。本書正是立足於這一時代背景，係統性地梳理和闡述瞭當前最前沿、最成熟的各類生物醫學成像技術及其在實際應用中的操作細節與挑戰。 第一部分：生物光子學基礎與成像原理重述 本部分將首先迴顧生物光子學的基本物理原理，為後續章節的深入探討打下堅實基礎。內容涵蓋光的産生、傳播特性在生物組織中的衰減、散射與吸收機製，特彆是針對不同波長範圍（從紫外到近紅外）光與生物分子（如血紅蛋白、黑色素、水）的相互作用。 1.1 光與生物組織的相互作用模型： 詳細介紹輻射傳輸理論（Radiative Transfer Theory, RTT）在描述光在復雜散射介質中傳播的應用，包括擴散近似（Diffusion Approximation）在深度組織成像中的適用性。此外，還將探討基於濛特卡洛模擬（Monte Carlo Simulation）的先進模型，用以預測不同光縴配置和光源參數下的光場分布。 1.2 圖像重建與反演問題： 深入探討從原始測量數據（如時間分辨、空間積分信號）到清晰三維圖像重建所需的數學方法。重點分析瞭傅裏葉域重建、小波變換在降噪與特徵提取中的應用。對於層析成像技術，會詳細闡述基於綫性係統的迭代重建算法（如Landweber、Conjugate Gradient）及其在減輕病態（Ill-Posed）問題上的策略。 1.3 生物光學性質的量化與測量： 討論如何精確測量生物組織的光學參數（吸收係數 $mu_a$ 和散射係數 $mu_s$），包括使用積分球係統、空間頻率調製技術以及時間/相位分辨技術來獲取組織的光學指紋。 第二部分：核心生物醫學成像技術詳解 本部分聚焦於當前在臨床和基礎研究中最具影響力的幾大成像技術，側重於其工程實現、性能參數和實際局限性。 2.1 光學相乾斷層成像（OCT）與高分辨率成像： 基礎原理與乾涉測量： 詳述基於低相乾光乾涉原理的深度分辨機製，重點介紹時域OCT和頻域OCT（SD-OCT）的設計差異與性能權衡。 高速化與功能性拓展： 深入探討傅裏葉域軸嚮掃描（SS-OCT）和頻域血管造影（OCTA）的實現細節。OCTA部分將詳細解析其多普勒成像算法，如何有效區分血流信號與組織背景噪聲，以及在眼底和皮膚成像中的應用案例。 超高分辨率OCT (UHR-OCT)： 分析如何通過縮短光源波長、優化采集係統或采用空間復用技術來突破傳統OCT的軸嚮分辨率極限，並探討其在細胞/亞細胞結構觀察中的潛力。 2.2 熒光與多光子顯微成像技術： 雙光子與三光子顯微鏡 (2PM/3PM)： 闡述利用近紅外飛秒激光實現深層組織激發和激發態躍遷的物理基礎。重點分析深度穿透的優勢、最小化光毒性的機製，並提供瞭在活體動物模型中進行長期多維度鈣成像或神經活動記錄的實驗範例。 受激拉曼散射顯微鏡 (SRS) 與相乾拉曼掃描顯微鏡 (CARS)： 區彆於依賴於固有熒光的技術，本書詳述瞭如何利用分子振動模式産生的非綫性信號進行無標記成像。提供瞭詳細的儀器搭建指南，包括泵浦光與斯托剋斯光的波長鎖定、窄帶濾波器的選擇，以及如何實現高靈敏度的化學成像。 光聲成像 (Photoacoustic Imaging, PAI)： PAI作為光與聲的結閤體，是本手冊的重點。詳細分析激光脈衝在組織內産生的熱膨脹和超聲波發射的耦閤機製。內容涵蓋從時間分辨PAI (TR-PAI) 到頻域PAI (FD-PAI) 的演進，以及如何利用血紅蛋白光譜特性進行氧飽和度（sO2）的定量映射。 2.3 漫射光層析成像技術 (DOT) 與近紅外光譜學 (NIRS)： 漫射光穿透深度與時間分辨： 討論在強散射介質中，光子經曆多次散射後形成“漫射光”的傳播特徵。重點介紹基於時間相關單光子計數（TCSPC）或頻率域調製技術獲取光子飛行時間（TOF）或相位延遲的方法，以及如何利用這些數據反演齣深層組織的吸收率分布。 臨床應用焦點： 結閤功能性近紅外光譜（fNIRS）在腦功能監測中的應用，分析其在空間分辨率和時間分辨率之間的摺衷選擇，並提供處理低信噪比數據的統計學工具。 第三部分：儀器工程、數據處理與質量控製 本部分從工程師和實驗科學傢的角度齣發，提供瞭將理論轉化為可靠實驗係統的實用指導。 3.1 高性能光源與探測器係統： 飛秒激光器的選擇與維護： 詳細對比鈦藍寶石、摻鐿光縴激光器和可調諧半導體激光器在不同生物應用中的適用性。討論脈衝展寬、功率穩定性及環境控製對成像質量的關鍵影響。 高靈敏度探測器陣列： 深入分析科學級CMOS（sCMOS）、電子倍增CCD（EMCCD）以及雪崩光電二極管（APD）陣列在光子計數模式下的性能指標，特彆是量子效率、暗電流和讀齣噪聲的優化策略。 3.2 圖像質量評估與標準： MTF與分辨率測試： 提供標準化的方法（如邊沿響應函數法、點擴散函數分析）來量化係統的空間分辨率和對比度。 信號質量與光毒性評估： 建立一套規範化的流程，用於評估不同成像模式下的信噪比（SNR）和最大允許的生物組織光劑量，確保實驗的生物相容性和結果的可重復性。 3.3 嵌入式係統與實時處理： FPGA/GPU加速： 討論如何利用現場可編程門陣列（FPGA）和圖形處理器（GPU）加速如OCT延遲計算、PAI反投影或多光子圖像采集中的實時數據流處理，以滿足活體高速成像的需求。 --- 本書特色： 本書不拘泥於單一技術的理論推導，而是強調多技術融閤的交叉視角。通過大量圖錶、係統架構示意圖和來自一綫實驗室的實際操作案例，幫助讀者快速掌握從理論建模、硬件選型到數據分析處理的完整工程流程。它將成為生物醫學光學研究領域中連接基礎物理學與臨床工程實踐的橋梁。

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作為一名專注於神經科學影像的博士生，我購買這本書的初衷是希望找到一些關於鈣成像和光遺傳學中光場控製的尖端技術細節。這本書的廣度令人驚嘆，它幾乎涵蓋瞭從基礎的衍射理論到先進的相乾成像技術。我花瞭不少時間在“光學相乾斷層掃描（OCT）”那一章，感覺作者對非綫性光學效應的描述非常到位，特彆是時間分辨和空間分辨的權衡，講得透徹明白。然而，當我試圖將這些知識點迅速轉化到我的實驗設計中時，發現略顯不足的是，書中對當前主流商業化顯微鏡係統的具體參數優化和常見軟件算法的實用性討論較少。比如，關於新型電磁調諧激光器的選擇標準，書裏更多強調的是其物理特性，而較少提及在不同生物樣本（如活體動物腦組織）中的實際操作限製和成本效益分析。對於追求高效發錶成果的研究者來說，這種理論與實踐之間的“鴻溝”稍微有點影響閱讀體驗。它更像是一部奠基性的參考書，而不是一本能讓你第二天就上手調試復雜設備的快速指南。

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對於那些需要深入理解光與生命物質相互作用機製的理論物理學傢而言，這本書無疑是一部裏程碑式的著作。它對光場的産生、傳輸、散射和探測的基本方程的推導幾乎是無可挑剔的，結構清晰，邏輯嚴密，顯示瞭作者深厚的學術功底。我特彆欣賞其對量子光學的概念如何被巧妙地引入到傳統生物成像領域時所做的鋪墊工作，這極大地拓寬瞭我們對“看清”生命的理解邊界。但從一個專注於生物醫學信息處理的角度來看，書中對圖像重建算法和大數據分析的篇幅嚴重不足。例如，在討論復雜三維光學斷層掃描數據（如多模態融閤數據）的後處理時，僅僅停留在基礎的去噪和對比度增強，而對於現代機器學習（如深度學習）在提升信號質量和特徵提取方麵的潛力，幾乎沒有提及。一本麵嚮前沿的工具書，如果不能充分整閤最新的計算方法，那麼其在解決實際復雜生物問題時的效能就會大打摺扣，顯得不夠“全能”。

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我是一名對生物傳感和即時診斷技術（Point-of-Care）非常感興趣的工程師。從一個係統集成的角度來看，這本書在光縴傳感器的設計原理和微納光學結構製備工藝方麵提供瞭極佳的理論參考。作者對錶麵等離子體激元（SPR）效應的量子力學基礎進行瞭詳盡的闡述，這對於理解高靈敏度生物傳感器的極限非常有啓發性。然而，當我翻閱到涉及“芯片級集成”和“便攜式設備開發”的部分時，感覺內容一下子變得有些陳舊瞭。當前的生物光子學發展日新月異，特彆是微流控芯片與光子集成電路的結閤，這本書似乎未能及時跟上最近三五年內齣現的那些革命性的微加工技術，比如二維材料在傳感增強中的應用，或者最新的低功耗光電探測器的性能對比。它在經典的、基於大型實驗室設備的原理介紹上做到瞭極緻，但在麵嚮未來十年便攜化、小型化趨勢的創新點挖掘上，稍顯保守，更像是一部二十世紀末的經典匯編。

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坦白說，我購買這本書時是衝著“生物醫學”這個應用層麵去的，我主要關注的是醫學診斷和微創手術中的光熱療法。這本書的物理基礎部分確實非常紮實，關於激光與組織的熱傳導模型、能量沉積的深度計算等，都寫得非常精確，對於理解光動力學治療（PDT）的劑量學有著極大的幫助。但令人遺憾的是，在涉及臨床應用和標準化規範的部分，內容相對單薄。例如，在討論使用飛秒激光進行眼科手術時，書中對術中監測和並發癥的預防措施的論述遠不如其對激光聚焦物理的描述那樣詳盡和深入。我期待看到更多關於不同波長激光在不同組織病理學狀態下（比如，脂肪組織、縴維化組織）的吸收差異的實測數據和經驗總結，而不僅僅是基於理想模型的預測。這本書更像是物理學傢為生物醫學工程師準備的“工具箱說明書”，而不是臨床醫生需要的“操作手冊”。它需要更多來自一綫應用專傢的反饋來充實其應用章節的份量。

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這本大部頭給我留下瞭深刻的印象，盡管我主要關注的是分子生物學和蛋白質結構解析，這本書裏的光子學內容對我來說確實是一個全新的領域。我花瞭大量時間在那些關於光學成像和光譜分析的章節上，不得不說，作者在介紹復雜物理原理時，文筆流暢且深入淺齣，這一點非常難得。我個人尤其欣賞它對不同波長光與生物組織相互作用的細緻闡述，這部分內容幾乎可以作為一本獨立的光物理教科書來使用。例如，在講解瑞利散射和米氏散射如何影響深層組織成像分辨率時，書中給齣的數學模型推導極其嚴謹，即便我不是光學專業的學生，也能大緻跟上思路。不過，說實話，對於我們這些習慣於處理基因序列和細胞培養數據的研究人員來說，某些高級的傅裏葉光學和衍射極限突破技術的討論，讀起來還是有些吃力，感覺像是在啃一本高等物理習題集。我希望能找到更多將這些光學工具直接應用於特定生物問題（比如，如何用拉曼光譜快速區分癌細胞和正常細胞的生化特徵）的案例分析，而不是僅僅停留在理論層麵。總體而言，它為跨學科研究搭建瞭一座堅實的理論橋梁，但我還需要更多“實戰演練”的指導。

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