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图书名称：先进光学传感技术及其在生物医学工程中的应用 图书简介 本书聚焦于当前光电领域最前沿的先进光学传感技术，旨在系统梳理和深入探讨这些技术在生物医学工程领域中的关键原理、设计实现、性能评估及其多样化的应用场景。全书内容结构严谨，从基础的光学理论和传感原理出发，逐步深入到复杂系统的构建与实际应用案例的分析，力求为读者提供一个全面、深入且具有实践指导意义的知识体系。 第一部分：光学传感基础理论与新型光源技术 本部分首先奠定了坚实的理论基础。内容涵盖了电磁波的传播特性、光的量子力学基础，以及与传感密切相关的光与物质的相互作用（如吸收、散射、折射和荧光效应）。重点阐述了用于构建高性能传感器的基础光学元件，包括透镜系统、分光元件、光纤耦合技术以及干涉测量原理。 随后，本书深入剖析了当代生物医学成像和传感领域所依赖的新型光源技术。这包括高功率、窄线宽的激光器技术（如飞秒激光器、皮秒激光器在非线性光学中的应用）、高亮度、高稳定性的LED阵列，以及新兴的超连续谱光源（Supercontinuum Generation）在宽光谱探测中的优势。特别关注了光源的调制技术，如快速幅度调制（OAM）和频率调制（OFM）如何提升传感系统的信噪比和时间分辨率。 第二部分：核心光学传感原理与系统设计 本部分是全书的技术核心，详细介绍了构成先进光学传感系统的关键原理。 1. 傅里叶变换光谱学与干涉测量： 深入讨论了傅里叶变换红外光谱（FTIR）和傅里叶变换近红外光谱（FT-NIR）在组分分析中的优势，特别是如何通过迈克尔逊干涉仪实现高分辨率的光谱获取。此外，还详细讲解了基于马赫-曾德尔干涉仪和萨尼亚克干涉仪的传感方案，这些方案在应变测量、温度监测以及生物分子相互作用的实时监测中具有不可替代的作用。 2. 基于散射和吸收的量化技术： 探讨了如何利用光的散射特性来评估材料的微结构和组分。这包括瑞利散射、米氏散射的理论模型，以及在乳腺组织诊断中使用的广义瑞利散射成像技术。在吸收方面，系统阐述了比尔-朗伯定律的局限性及其在复杂介质（如活体组织）中如何通过多层模型进行修正，重点介绍了集成光纤传感器中的光纤布拉格光栅（FBG）和长周期光纤光栅（LPG）的原理及其在生理参数（如血压、血氧饱和度）监测中的应用。 3. 荧光与偏振光学传感： 详细阐述了荧光寿命成像（FLIM）和时间分辨荧光光谱（TRFS）在细胞代谢监测中的应用，分析了斯托克斯位移、光漂白效应及淬灭机制。在偏振光学方面，介绍了偏振敏感的成像技术，如偏振敏感光度学（Polarization Sensitive Intensity Measurement）在评估胶原纤维排列、肿瘤边缘识别中的精确度。 4. 拓扑光学与新型传感界面： 引入了近年来新兴的拓扑光子学概念，讨论了如何利用拓扑绝缘体和光子晶体结构设计具有超高灵敏度的表面等离子体激元（SPR）传感器，并分析了它们在痕量生物标志物检测中的潜力。 第三部分：先进光学传感器的实现与信号处理 实现一个高性能的光学生物传感器，不仅依赖于原理的先进性，更依赖于精密的工程实现和高效的信号处理。本部分着重于工程实践。 1. 传感器集成与微纳加工： 探讨了如何将光学元件微型化和集成化。内容涵盖了硅基光子学（Silicon Photonics, SiP）平台在集成光学传感器芯片上的构建，如利用CMOS兼容工艺制造波导、耦合器和调制器。讨论了微流控技术与光学传感器的耦合，即“光-流一体化”系统，用于高通量、低消耗的生化分析。 2. 数据采集与逆问题求解： 针对生物医学成像中固有的光信号衰减和散射问题，详细介绍了先进的信号采集策略，如单光子雪崩二极管（SPAD）阵列在时间相关单光子计数（TCSPC）中的应用。在数据处理层面，系统地讲解了如何利用迭代重建算法（如基于有限元或有限体积法的求解器）来解决生物组织光学参数的反问题，这是实现深度和定量测量的关键。 3. 人工智能在传感信号优化中的角色： 探讨了机器学习和深度学习模型如何用于处理复杂的光学数据流。例如，利用卷积神经网络（CNN）从低对比度或高噪声的光学图像中快速准确地提取生物特征，以及利用循环神经网络（RNN）对时间序列的生理数据进行异常检测和趋势预测。 第四部分：生物医学工程中的具体应用案例 本部分通过详细的案例分析，展示了上述光学传感技术在解决实际生物医学难题中的应用。 1. 体内/体外诊断与即时检验（POCT）： 详细分析了基于微流控芯片和光纤阵列的便携式、高灵敏度病原体检测系统和血糖监测设备的设计原理。重点讨论了如何通过优化光路设计，实现对极低浓度生物分子（如循环肿瘤DNA, ctDNA）的有效捕获和定量。 2. 功能性神经科学成像： 聚焦于光学成像在脑科学中的前沿应用。阐述了如何利用钙离子指示剂配合高帧频的宽场光学显微镜，实现对神经元活动的快速、大范围记录。同时，探讨了基于光声效应（Photoacoustic Effect）的成像技术，该技术能够结合光学的高对比度和超声的深层穿透能力，用于监测脑血氧水平和血流动力学。 3. 组织病理学与手术导航： 介绍了共聚焦拉曼散射显微镜（Confocal Raman Microscopy）在无标记组织化学成像中的优势，如何区分正常组织与癌变组织。此外，还详细描述了荧光引导下的手术（Fluorescence-Guided Surgery, FGS）系统，特别是如何利用近红外发射的探针，通过多模态光学成像系统实时勾勒肿瘤边界，提高手术的精确性。 4. 生物材料与组织工程监测： 阐述了如何利用光声层析成像（PAT）或光学相干层析成像（OCT）技术，非侵入性地监测再生支架内部细胞的铺展情况、血管化进程以及生物相容性，为组织工程研究提供关键的实时结构和功能数据。 全书结构上强调理论与实践的紧密结合，旨在培养读者独立设计、构建和评估先进光学传感系统的能力，使其能够适应生物医学工程领域快速迭代的技术需求。
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