生物医学光学：原理和成像 pdf epub mobi txt 电子书 下载 在线阅读 2026

内容简介

　　本书的内容分为两个主要部分：（1）光子在生物组织中传输的基本原理；（2）光学成像。在第一部分，我们首先简单介绍了生物医学光学，然后介绍了单个散射体的理论、光子传输的蒙特卡罗模拟、卷积求宽光束响应、辐射传输方程和扩散理论、混合蒙特卡罗方法和扩散理论以及光学参数和光谱的测量。在第二部分，我们介绍了弹道光成像、光学相干层析成像、扩散光学层析成像、光声层析成像、超声调制光学层析成像。本书可供生物医学光学相关专业作为教材使用，也可供相关研究人员参考使用。

作者简介

　　汪立宏，男，美国莱斯大学博士，瑞典隆德大学荣誉博士，美国AIMBE、OSA、IEEE和SPIE会士。现任加州理工学院Bren特聘教授，《生物医学光学》主编，SPIE年度光子加超声波会议主席。编纂了光声断层成像的di一本专著；出版了450篇同行评审期刊文章，赫氏指数达107；发明了功能性光声断层成像和三维光声显微镜。曾获得美国国家卫生研究院的FIRST奖和先驱奖，美国国家科学基金会的CAREER奖，OSA的C.E.K. Mees奖章，IEEE的技术成就奖和生物医学工程奖，SPIE 的Britton Chance 生物医学光学奖，IPPA 的资深奖，莱斯大学的杰出工程校友奖。本书荣获Joseph W. Goodman书本写作奖。

　　吴新一，男，美国密苏里州立大学博士。曾任美国徳克萨斯州立农工大学生物医学工程系教授，2009年退休。研究领域为X光小角散射理论、生态场论、2型糖尿病治疗控制等。

　　邓勇，女，华中科技大学博士，现任教于华中科技大学。从事扩散光学断层成像、荧光分子断层成像、低相干散射断层成像、多模式光学分子成像等方面的研究。

　　江旭，男，华中科技大学在读博士。

　　洪烨，男，目前在法国巴黎第11大学攻读硕士学位。

　　骆清铭，男，华中科技大学生物医学工程专业教授，美国AIMBE、OSA和SPIE会士，英国IET会士，国家自然科学基金“生物医学光子学”创新研究群体负责人。曾受聘教育部长江学者奖励计划特聘教授（首批），荣获国家杰出青年科学基金。

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目录

前言
第1章 概述
1.1 光学成像的动机
1.2 光在生物组织中的一般行为
1.3 光—物质相互作用的基本物理
1.4 吸收和它的生物学来源
1.5 散射及其生物学来源
1.6 偏振及其生物学来源
1.7 荧光及其生物学来源
1.8 图像的表征
习题
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第2章 单个散射体的瑞利理论和米氏理论
2.1 引言
2.2 瑞利理论简介
2.3 瑞利理论数值计算实例
2.4 米氏理论简介
2.5 米氏理论数值计算实例
附录2A 瑞利理论推导
附录2B 米氏理论推导
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第3章 光子在生物组织中传输的蒙特卡罗模拟
3.1 引言
3.2 蒙特卡罗方法
3.3 问题的定义
3.4 光子的传播
3.5 物理量
3.6 计算实例
附录3A MCML简介
附录3B 概率密度函数
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第4章 卷积求宽光束的响应
4.1 引言
4.2 卷积的一般表达式
4.3 与高斯光束的卷积
4.4 与顶帽光束的卷积
4.5 卷积的数值求解
4.6 计算实例
4.7 CONV简介
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第5章 辐射传输方程和扩散理论
5.1 引言
5.2 物理量的定义
5.3 辐射传输方程的推导
5.4 扩散理论
5.5 边界条件
5.6 漫反射率
5.7 光子的传播方式
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第6章 蒙特卡罗方法和扩散理论的混合模型
6.1 引言
6.2 问题的定义
6.3 扩散理论
6.4 混合模型
6.5 数值计算
6.6 计算实例
习题
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第7章 光学参数的测量和光谱学
7.1 引言
7.2 准直透射法
7.3 分光光度法
7.4 斜入射反射测量法
7.5 白光光谱测量法
7.6 时间分辨测量法
7.7 荧光光谱测量法
7.8 荧光建模
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第8章 弹道光成像和显微术
8.1 引言
8.2 弹道光的特性
8.3 时间门成像
8.4 空间频率滤波成像
8.5 偏振差分成像
8.6 相干门全息成像
8.7 光外差成像
8.8 雷登变换和计算机断层成像
8.9 共聚焦显微术
8.10 双光子显微术
附录8A 全息术
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第9章 光学相干层析成像
9.1 引言
9.2 迈克尔逊干涉仪
9.3 相干长度和相干时间
9.4 时域OCT(TD-OCT)
9.5 傅里叶域快速扫描光学延迟线
9.6 傅里叶域OCT(FD-OCT)
9.7 多普勒OCT
9.8 群速度色散
9.9 OCT的蒙特卡罗模拟
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第10章 穆勒光学相干层析成像
10.1 引言
10.2 穆勒计算与琼斯计算
10.3 偏振态
10.4 斯托克斯矢量
10.5 穆勒矩阵
10.6 旋光器、偏振器和相位延迟器的穆勒矩阵
10.7 穆勒矩阵的测量
10.8 琼斯矢量
10.9 琼斯矩阵
10.10 旋光器、偏振器和相位延迟器的琼斯矩阵
10.11 琼斯矩阵的本征矢量和本征值
10.12 琼斯计算到穆勒计算的转换
10.13 OCT中的偏振度
10.14 串行穆勒OCT
10.15 并行穆勒OCT
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第11章 扩散光学层析成像
11.1 引言
11.2 扩散光学层析成像的模式
11.3 时域系统
11.4 直流系统
11.5 频域系统
11.6 频域理论：基础知识
11.7 频域理论：线性图像重建
11.8 频域理论：一般图像重建
附录11 AART和SIRT
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第12章 光声层析成像
12.1 引言
12.2 光声层析成像的动机
12.3 初始光声压
12.4 一般光声方程
12.5 一般正向解
12.6 δ脉冲激发平板
12.7 δ脉冲激发球体
12.8 有限时间脉冲激发薄平板
12.9 有限时间脉冲激发小球体
12.10 暗场共聚焦光声显微术
12.11 合成孔径图像重建
12.12 一般图像重建
附录12A 声波方程的推导
附录12B 格林函数法
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第13章 超声调制光学层析成像
13.1 引言
13.2 相干光的超声调制机制
13.3 时间分辨的扫频UOT
13.4 并行散斑探测式扫频UOT
13.5 超声调制的虚拟光源
13.6 基于重建的UOT
13.7 法布里—珀罗干涉式UOT
习题
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附录A 光学参数的定义
附录B 书中用到的缩略词

现代材料科学：从原子结构到宏观应用 本书深入探讨了现代材料科学的基石、前沿发展及其在工程、技术和能源领域的广泛应用。 第一部分：材料的微观基础 本部分聚焦于理解材料性能的决定性因素——其内部结构，从原子尺度延伸至纳米级别。 第一章：晶体结构与缺陷工程 详细解析了金属、陶瓷和半导体的晶体结构，包括布拉维点阵、晶系以及密堆积原理。着重讨论了晶体缺陷（点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷）如何显著影响材料的力学、电学和光学特性。介绍如何通过热处理和应变诱导来控制和利用这些缺陷，以实现特定功能的材料设计，例如通过位错运动机制阐述金属的塑性变形。 第二章：电子结构与能带理论 从量子力学的角度阐述了固体材料中电子的能级分布。深入讲解了能带理论如何区分导体、绝缘体和半导体。详细分析了费米能级、有效质量的概念，以及杂质掺杂如何调控半导体的导电性能，为理解光电器件的工作原理奠定基础。 第三部分：热力学、动力学与相变 本章内容致力于阐明材料在不同温度和压力下的稳定性、演化过程以及相平衡。 第三章：材料热力学基础 探讨了吉布斯自由能、焓变和熵变在确定材料相图中的核心作用。详细分析了合金系统的相图解读方法，例如利用杠杆原理计算多相区的组分，以及固溶体和化合物的形成条件。关注非平衡态热力学在快速凝固和薄膜生长过程中的应用。 第四章：扩散与动力学过程 系统阐述了材料内部的原子迁移机制，特别是固态扩散（Fick定律、扩散激活能）。对比分析了晶界扩散、晶面扩散和体扩散的差异。讨论了扩散在烧结、蠕变和化学反应中的重要性，并引入了动力学模型（如Avrami方程）来描述相变速率。 第四部分：宏观性能与测试 本部分将微观结构与可测量的宏观机械、热学和电学性能联系起来，并介绍常用的表征技术。 第五章：机械性能与断裂力学 全面覆盖材料的应力-应变响应，包括弹性模量、屈服强度、拉伸强度和韧性。深入讲解了塑性变形机制、加工硬化和加工过程对微观结构的影响。引入断裂力学，解释了裂纹的萌生、扩展和断裂韧度（$K_{IC}$），并区分疲劳、蠕变和应力腐蚀开裂。 第六章：热学与电学性能 分析材料的热膨胀系数、热容和热导率的微观根源。在电学方面，详细讨论了介电常数、电阻率、导电机制以及压电效应和热释电效应，这些对传感器和储能设备至关重要。 第七章：材料表征技术 介绍了现代材料研究中不可或缺的分析工具。重点阐述X射线衍射（XRD）用于晶体结构和残余应力分析；扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）在微结构成像和元素分析（EDS/EELS）中的应用；以及光谱技术（如拉曼散射）对化学键合的洞察。 第五部分：先进功能材料与工程应用 本部分侧重于当代工程和技术驱动下的新型材料体系及其定制化设计。 第八章：半导体与光电子材料 深入探究 III-V 族和 II-VI 族半导体的特性，及其在发光二极管（LED）、激光器和光伏电池中的应用。讨论异质结的形成、载流子复合机制以及器件的效率限制因素。 第九章：聚合物与复合材料 系统介绍高分子材料的分子链结构、粘弹行为和玻璃化转变温度。详细分析了纤维增强复合材料（如碳纤维/环氧树脂）的界面力学、增强机制和各向异性行为，适用于航空航天结构件。 第十章：纳米材料与表面工程 探讨了尺寸效应如何赋予纳米材料独特的物理化学性质（如量子尺寸效应、表面能主导）。详细介绍碳纳米管、石墨烯和量子点的合成方法及其在催化、电子和生物医学领域的潜在应用。同时，讨论薄膜沉积技术（如PVD、CVD）和表面改性（如离子注入）在提高材料耐磨性和抗腐蚀性方面的作用。 结语：材料的未来与可持续性 总结了材料科学在应对全球挑战中的角色，包括能源储存（电池电极材料）、催化剂设计以及实现材料的循环利用和绿色制造工艺的重要性。 本书旨在为材料科学、化学工程、物理学及相关领域的学生和研究人员提供一个全面、严谨且与时俱进的知识框架，使读者能够从基本原理出发，设计、制造和优化下一代先进材料。内容覆盖面广，理论深度适中，侧重于将基础物理化学原理转化为可量化的工程解决方案。