光子学如何助力生命科学的精准应用

生命科学的进步正应用于医学成像、治疗和分析等众多领域。贯穿这些前沿领域的一条共同主线是：光子学显著提高了精度。

诸如可视化亚细胞动力学、以微米级精度引导手术器械或实时分析血管病变等新兴技术正在各个临床和研究领域蓬勃发展。它们都基于一个共同的基础：光子学和系统的进步使生命科学研究人员和医疗专业人员能够以前所未有的精度操控、传输和检测光。

随着光子学供应商不断提升波长选择性、能量效率和信号完整性，生命科学领域将从中受益。如今，荧光显微镜、流式细胞术、机器人辅助激光手术和光学相干断层扫描（OCT）等应用都体现了声光器件带来的精准性。

DAPI染色的鼠头宽场显微镜图像；矢状面：4倍，0.2 NA。

荧光显微镜和流式细胞术：信息密度挑战

多参数分析的发展从根本上改变了波长操控技术的性能范围。早期的流式细胞仪系统可以同时区分两到三种细胞群，但如今研究人员通常使用能够检测20多个参数的系统——而且近期的发展趋势表明，未来有望实现40个以上参数的系统。多参数流式细胞仪系统信息密度的不断提高带来了一系列光子学挑战：更多的荧光团需要更紧密的谱线间隔，这就要求更高的波长选择性以及更快的检测通道切换速度。

尽管产生激发光并非易事，但激光光源已经能够满足这些需求。真正的挑战在于后续的一切，包括将光束精确地偏转到特定的空间位置、以微秒级的响应时间调制强度，以及筛选检测路径以在日益拥挤的光谱空间中分离信号。

G&H 声光偏转器

声光器件无需机械运动即可实现动态光束控制。例如，在空间流式细胞术中，声光偏转器允许沿样品流向设置多个独立的检测点。这有效地利用单个激光源创建了多个并行分析通道，从而在不牺牲测量精度的前提下提高了通量。

声光可调滤波器也面临着类似的挑战。随着研究人员在单个检测中集成更多荧光团，光谱解混对于检测精度至关重要。能否在保持光谱边缘清晰的同时快速调谐检测波长，决定了能否分辨出紧密排列的发射峰。对特定波段的利用取决于声光晶体和滤波器基底的光学特性。因此，材料供应链的垂直整合是一项强大的优势，因为它使制造商能够控制晶体质量和光学特性，从而制造出与新兴荧光团化学性质相匹配的、工作波长范围更广的器件。

G&H 声光可调滤波器

这些波长操控能力涵盖了从声光光束控制到光谱精确可调滤波器等多种应用，并可应用于高内涵筛选（药物研究人员从单个细胞中提取多种读数）以及临床诊断（其中稀有细胞检测需要高特异性和高通量）等领域。波长控制而非生物学决定了研究人员能够可靠地进行多重分析的参数数量。

使用多光子显微镜对染色的鼠成纤维细胞进行成像，放大倍数为 60 倍，数值孔径为 1.4，视场为 160μm。

激光+机器人=精准手术

越来越多的医疗手术的精准度越来越依赖于光子元件将外科医生的意图快速准确地转化为机器人动作的能力。无论是引导消融光束穿过角膜组织，还是为机器人定位提供光学工具，光子系统都必须具备临床级别的可靠性。

眼睛是一个极其敏感和精细的器官，具有毫米级乃至亚毫米级的复杂结构和界面。眼科手术的成功取决于能否产生精确的激光束，而这种激光束的操控精度必须达到微米级——无论是用于治疗性手术（例如治疗白内障术后）还是作为预防性工具来检测潜在的眼部疾病。声光偏转器能够比机械式电流计更快、更可靠地将数字控制信号转化为物理光束定位，从而实现更高的精度。这些组件技术使得每年数百万例手术都能取得可预测的良好效果。

机器人手术平台代表着更为复杂的集成挑战。这些系统结合了多臂协调、减少震颤和增强可视化技术，从而实现更小的切口、更少的出血和更快的患者康复。支持机器人手术的光子基础设施包括用于内窥镜、成像和照明的先进光纤。虽然具体的实现方式仍属于专有技术，但其基本原理是明确的：机器人手术的精准性需要低延迟的光学反馈来协调多个自由度的运动。

机器人手术平台已从专业学术中心走向广泛的临床应用，这主要得益于手术精度的提升和并发症发生率的降低。随着这些系统的不断发展，实时微米级定位将需要极低延迟的反馈控制，而视觉引导系统则需要更高的带宽。此外，临床环境要求系统的可靠性能够经受住数千次循环的考验。

将人工智能 (AI) 与手术视觉系统相结合，有望进一步增强这些功能。光子传感器能够将数据输入算法，从而辅助导航、识别解剖结构，甚至提供决策支持。

典型的光子激光引擎图像，通常包括宽带耦合器、光延迟线、干涉结构和偏振分选接收器，以实现高分辨率 OCT 扫描。

光学相干断层扫描：超越眼科

光学相干断层扫描（OCT）使心脏病专家能够以微米级分辨率评估支架植入质量和血管壁特征，成像范围可达动脉内部。这种精细程度是传统血管造影无法实现的，它依赖于光纤耦合器来提供深层组织穿透所需的带宽以及在整个血管壁上保持一致分辨率所需的平坦光谱。

光学相干断层扫描（OCT）是组件级技术进步如何直接转化为新的临床应用能力的最佳例证之一。尽管探测器灵敏度和计算能力的提升推动了 OCT 从眼科到心脏科再到胃肠科的演进，但光纤耦合器和激光二极管同样至关重要。

光学相干断层扫描（OCT）是视网膜疾病诊断的标准方法，因为它能提供微米级的横截面图像，从而在病变影响视力之前早期发现病变。而且，OCT的应用范围正在扩展到新的解剖区域，在这些区域，横截面成像能够提供仅凭表面成像技术无法获得的临床信息。

介入心脏病学是光学相干断层扫描（OCT）技术应用领域中最具技术挑战性的分支，因为系统必须从狭窄的导管腔内对动脉壁进行成像。 该手术使用旋转式光学探头，通过动脉回撤。图像采集速度足够快，可以在血流遮挡视野之前捕捉到血管的拓扑结构。它能够实现超越传统血管造影的功能，例如评估支架位置和血管壁成分，以及识别斑块类型。

该技术需要足够的分辨率和穿透深度，因此两个组成参数尤为重要：光纤耦合器带宽和光谱平坦度。更宽的耦合器带宽能够实现更深的组织穿透，从而对数毫米厚的血管壁进行成像；而光谱平坦度则确保轴向分辨率在整个成像深度范围内保持一致。

这些光子参数直接决定诊断能力，这一点在临床上至关重要。带宽不足的耦合器会限制心脏病专家对血管壁成像的深度。光谱不均匀性会降低病变通常所在的深度处的分辨率。组件性能不仅仅是一项技术指标，更是一项临床限制因素。

医疗和非医疗成像应用对轴向分辨率和波长的要求。

倍增器：量子传感和人工智能

两项新兴技术有望进一步扩大光子学的影响——在组件层面和系统层面。

量子传感代表了测量灵敏度的新前沿。光纤耦合声光调制器与光纤耦合准直器相结合，实现了原子捕获和冷却所需的精确激光控制。这两种技术能够达到比传统光学传感器高几个数量级的灵敏度。虽然在原子钟和精密导航领域的应用已经成熟，但生物传感方面的应用仍在开发中。关键问题在于，这些量子测量能力能够以多快的速度转化为用于检测生物标志物、成像神经活动或在分子尺度上表征组织的临床工具。

G&H 光纤耦合声光调制器

人工智能作为放大器的角色呈现出不同的形式。它使生命科学用户能够从光子系统已采集的数据中挖掘更多价值。例如，在乳腺X光摄影中，人工智能算法现在可以分析光学采集的图像，从而检测放射科医生可能遗漏的癌前病变模式。在心脏病学领域，人工智能处理OCT光谱数据，实时评估斑块成分和移动性，提供超越视觉解读的洞见。在手术机器人领域，机器学习算法可以辅助导航，并基于机器视觉数据支持决策。这种模式在各个应用中都保持一致：光子学提供高质量的测量方式，而人工智能则倍增其临床价值。

下一代生命科学仪器的发展将依赖于波长控制、能量/功率效率和信号完整性方面的持续进步。随着量子传感和人工智能技术从研究工具走向临床应用，光子系统为生命科学带来的潜在价值只会成倍增长。精准性不仅是这些系统的特性，更是其赖以生存的基石。