現在的光學在生物醫學方面的最前沿的研究與應用有哪些？
既然 @Antediluvian說了應用的，那我就來講一點研究的吧，主要是關於STORM的。
在先前光學顯微鏡發展的過程中，最大的瓶頸就是衍射極限。自從1873年Ernst Abbe第一次發現光學成像具有衍射限制現象以來，物理學界就公認，顯微鏡的解析度具有極限，且該極限與光源的波長有關。這是顯微鏡發展受到的第一個瓶頸。之後，在波粒二象性的啟發之下，人們想到加速後電子的德布羅意波波長要遠遠小於可見光波長，理論上透射電鏡的解析度可以達到0.1納米。然而由於電子束的穿透性不強，所以需要將觀測樣品製成極薄的薄片；再加上電子束會對樣品本身造成一定破壞，甚至需要冷凍樣品來減少樣品的形變，所以無法觀測正常的活體組織。
Abbe解析度極限為λ/2NA，普通的光學顯微鏡解析度極限一般在200nm左右。
而近年來光學顯微技術在衍射極限方面主要有三個方向，分別為STED，SIM以及PALM/STORM。
1994年，Stefan Hell在Optics
Letters上面發表了關於STED的理論文章。STED全名為Stimulated Emission Depletion，即受激發射損耗顯微鏡。其基本原理為，使用一種合適的激發光，僅激發一個點的熒光集團使其發光，然後再用環裝光源抑制該點周圍的熒光強度，這樣只有該點發光且被觀察到。STED將普通光學顯微鏡的解析度提升了約10倍左右。
左圖為共焦顯微鏡拍攝的一個神經元，右圖則為STED方式對同一個神經元進行成像的結果[1]。
SIM全稱為Structured
Illumination Microscopy，是美國科學家Mats Gustafsson於2000年發明的。其基本原理為，由於兩個高空間頻率的圖案重疊可以形成低頻率莫爾條紋，通過分析低頻的莫爾條紋特徵來處理高頻信息。但是相比於STED，結構照明原理僅將解析度提高了1倍。
圖中為果蠅卵母細胞內的肌動蛋白3D SIM成像[2]。
2005年Eric Betzig和Harald Hess研製出了光敏定位顯微鏡（PALM，Photoactivated
Localization Microscopy），能將熒光顯微鏡的解析度提升至納米等級。
圖為PALM在哺乳動物細胞內拍攝到的黏附複合物[3]。
而STED、PALM以及STORM都是基於熒光成像技術而來的。那為什麼熒光成像能夠突破衍射極限呢？這是因為當顯微鏡需要分辨兩個或者更多個點光源時，很難突破光學解析度的極限來進行定位。但是當視野中僅存在單個熒光分子的時候，可以通過演算法的擬合來使位置判斷的精度高於光學解析度極限，從而達到納米級別。Thompson等通過結合理論推導與計算機模擬，得到了單分子在二維定位精度上的近似公式。
其中s為點擴散函數的標準方差，a為CCD像素的大小，N為收集到的光子數，b為背景雜訊[4]。
而STORM成像技術的思路，就是以下三點：
1. 隨機激發熒光（熒光分子間不重疊）；
2. 對單個熒光分子進行定位；
3. 對熒光分子失活處理並重複上述步驟。
美國華裔科學家莊曉薇所帶領的實驗組發現，對於Cy3-Cy5交聯分子對進行激光照射時，可以控制化學熒光分子Cy5在熒光激發態與非熒光態之間切換。在紅光照射下，Cy5在發出熒光後就轉變為暗態；然後在接受低強度的綠色光源的激發下，Cy5會迅速轉變為熒光態（Cy3-Cy5交聯分子的重激發速率是單獨Cy5的10^8倍）。在整個Cy3-Cy5熒光交聯分子被徹底漂白失活之前，可以完成數百次上述的明暗態轉換。基本示意圖如下[5]。在此感謝 @SHJT的提醒，之前是我記錯了。
下圖為實驗的基本步驟。A圖是一個細胞的整體，紅框部分為後續觀察的視野。由於Cy5-Cy3熒光交聯分子的激發所需時間與Cy3和Cy5之間的距離相關，所以每次使用固定時長的激光進行激發，僅有隨機的少數熒光分子受激發光。因此避免了熒光分子之間光區重疊的問題。然後利用先前提到的熒光定位方法，就能夠準確得到視野中出現的熒光分子的精確位置。之後改變激光照射時間，來進一步獲取更多的熒光分子位置信息。通過多次重複試驗，即可獲得高解析度的熒光分子分布圖像。即利用時間代價來換取空間精度。
在STORM法成像的過程中，熒游標記位點的準確測量是最為關鍵的一環。對於位置的精確測量主要受一個開關循環中，激發態下熒光分子發出的光子數量所影響。光子越少，其亮斑中心的統計誤差就會越大。而不同的熒光開關分子在發射光子數量上差別較大。例如Cy5和Alexa 647可以檢測到近6000個光子，而部分熒光分子僅能檢測到幾百個光子。
STORM法成像的另外一個關鍵點在於，每次激發要求僅激發少數熒光分子，才能保證每個點光源產生的亮斑在視野中不發生重疊，繼而才能夠對點光源進行精確定位。在這種情況下，熒光分子在非激發態下的熒光以及自然激發可能會對圖像質量造成影響。熒光分子的對比度定義為激發態下的光強比上非激發態下的光強。要求對比度至少應大於1000。
而自激發則指熒光分子在沒有受到特定激發光照射下，自行由非激發態轉變為激發態發出光子。而實驗發現，自激發的熒光分子數目與起抑制作用的綠色激發光光強成正比。
另外STORM還有在3D成像方面的發展。其基本原理，是採用一種類似於散光的原理。它在原來的成像光路當中，增加了一個較弱的圓柱形透鏡，在x和y方向上產生兩個稍有不同的焦平面。一個點光源在經過上述光路之後，將會在CCD上形成一個橢圓形的光斑，然後可以通過分析光斑的形狀來確定點光源在z軸上的位置。當點光源位於兩個焦平面的中央時，其形狀為標準的圓形。當其越趨近於，比如說x軸的焦平面，其在x方向上的解析度就越高，亮斑在x方向上的長度就越短，y方向上的長度越長。反之亦是如此。而具體點光源在z軸上的位置與其光斑在形態上的改變的對應關係，可以通過多次實驗來進行確定。左圖就是實驗結果的一個擬合[5]。
再貼一張線粒體全細胞3D成像[5]，z軸方向信息通過不同顏色來進行描述。
抱歉介紹的比較片面，希望有所幫助。
還要感謝@黃小小琪（為何總是@不上）及其男朋友提供的資料。
參考文獻：
[1]Rebecca Medda, Dominik Wildanger, Lars Kastrup, MPI BPC
[2]Hesper Rego, Margot Quinlan, Mats Gustafsson
[3]H. Shrott, C. Galbraith, J. Galbraith, E. Betzig
[4]王成, 馬俊領, 魏勛斌. 遠場超分辨隨機光重建顯微鏡 (STORM) 研究進展[J]. 光學技術, 2011, 37(1): 42.
[5]Stochastic optical reconstruction
microscopy (STORM): a method for superresolution fluorescence imaging. Cold
Spring Harb Protoc. 2013 Jun 1 ;2013(6):498-520. doi: 10.1101/pdb.top075143.
這種問題肯定沒什麼人回答啦。窩來拋磚引玉，不敢說是前沿，說些應用的：
- 光學成像方面：
比如下圖所示，成像深度和解析度不同的各種成像技術手段。如多光子顯微鏡，共聚焦顯微鏡，非線性光學顯微鏡，各類熒光顯微鏡，前幾年比較熱的幾種超分辨技術STED/STORM/PALM，再前些年比較熱的近場成像，已經在眼科廣泛應用的OCT等·
圖裡沒寫的還有：
圖裡沒寫的還有：
看上去很美但感覺沒啥用（查查乳腺癌也許可以?）的 擴散光學層析成像(Diffused Optical Tomography, DOT)
Prof. Lihong Wang（科學家中的歌星233）他們組做的 光聲層析成像(Photoacoustic tomography, PAT)
- 光學生物治療：
光動力治療(photodynamic therapy,PDT) 相對比較成熟一點
不過有意思的是，一個辭彙在不同語境下果然有不同的含義，我用百度圖片搜索「光動力」基本是國內美容機構收智商稅的東西，那一堆儀器的估計就是個大LED檯燈。。。醫學上的PDT一般是要注入病變組織選擇性吸收的光敏劑，再用光照（多為激光），光敏劑吸收光子產生高活性氧殺滅病變組織，再清除光敏劑。FDA現在批的幾種卟啉類光敏劑多有一定毒性，而且現在也是出於探索階段，沒得癌或者一些皮膚病之類的顯然不需要去做PDT。
還有一些應用是激光作用於組織以進行組織的造型，重建，熔接以及再生。最常見的就是治療近視眼的 準分子激光原地角膜消除術 (laser-assisted in situ keratomileusis, LASIK)
- 光學生物感測：
窩覺得這個方向挺有好玩的，可惜基本不懂。。。瞎扯一些
源於倏逝波現象的表面等離子共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)技術的感測器，SPR檢測已經發展成實時檢測生物分子相互作用的主要技術手段之一，有很多廠商都有相應產品。下圖為角度型SPR示意圖和一些公司的產品
光纖生物感測器
集成光學生物感測器
- 光學生物操控：
激光光鑷（可以參考這裡面一道光能把物體吸走嗎？ - 光學）
激光光刀等
寫完paper看情況再來填坑。
以各種各樣光學成像為主吧，在這裡補充一些前面沒有提到的關於研究方面的有意思的東西。
1. 光鑷技術在單分子力譜的應用。通俗的說就是把一個單個待測分子（比如雙鏈DNA或一個多肽鏈或一個蛋白質分子）的兩端分別固定在一個微米尺度的小球上。用強激光把其中一個小球trap住，觀測另一個小球的位移（通常是用激光把這個小球拖遠一點，然後放開這個小球，這個小球如何弛豫回原位置則反映鏈接兩個小球的生物分子的力學性質，比如蛋白摺疊這個坑爹的問題）。
當然以上為了描述容易一些，我僅舉例涉及兩個小球optical tweezers，最早其實只有一個小球，但是原理差不多。
很多實驗室都在用這個技術，我所知道的比較厲害的有
http://research.physics.berkeley.edu/bustamante/research.html
Tinoco Group --- How RNA folds and unfolds
2. 單分子熒光測序技術。原理就是給不同的核苷酸標記好染料，然後等它們一個一個合成到DNA上時利用單分子的高的時間和空間解析度來識別他們，以實現高通量高效率的進行測序。
有些實驗室已經開始跟公司合作進行測序研究
比如這個公司 Pacific Biosciences: Home www.pacificbiosciences.com
比如這個實驗室 He Group - University of Chicago
這裡想多說一句就是因為現在表觀遺傳學，鹼基類似物，鹼基修飾去修飾，DNA損傷及修復的相關話題非常熱鬧，如何測出DNA序列中的ATCG四種鹼基已經升級到如何測出DNA序列中有甲基化（或者甲氧基，或者羧基，等等）修飾的鹼基，如何測出缺失鹼基的位點等等，因此我有點傾向認為測序技術的發展空間很大，至少對該技術的需求在一段時間內會一直比較高。
3. 超快激光的應用。這個其實我知道的不太多，所以寫成「超快激光的應用」...超快光譜在動力學上的應用很多，因為是time-resolved，包括2D-IR之類的。另外在研究一些熒光分子的光物理性質時也多有用到，比如熒光上轉換之類的技術，不是很了解。在單分子領域裡紅極一時的還有TCSPC，也是通過刺激後的弛豫來研究生物分子動態學的一種技術。
wiki對超快激光的簡單介紹Ultrafast laser spectroscopy
當然在這裡還不得不提及無標記光學成像。
以上所說的成像實際上都需要對目標分子進行熒游標記，這樣有兩個弊端，一個是熒游標記可能會影響到待測的結構等，另一個是熒游標記給活體活細胞帶來了一些麻煩（所以人們會用熒光蛋白這種東西，但其實熒光蛋白的光物理性質往往沒有有機熒光染料分子那麼好，所以熒光蛋白在我看來是不得已的事情）。因此如果不用標記進行活體光學成像（非電子顯微鏡之類的）就是一個成像的breakthrough了。
因此就有了無標記成像（這個「因此」放在這不科學，大家看看就好）。簡單的說熒光分子有其特徵的熒光譜（比如我們標記個alexa fluor 647到某個蛋白上，那麼在660-670nm附近接收到的信號就是alexa fluor）從而能被識別，那麼如果目標待測分子本身就有個什麼特徵譜的話就不用額外標記了。無標記光學成像就是這個思路，只不過因為它關注的是分子本身的拉曼散射信號，所以其激發和信號檢測都與熒光手段略有不同。
謝曉亮在這塊的工作非常顯著，這裡給一個創業的例子...
Invenio Imaging Inc.
4. 電信號和光學信號結合應用。大家都知道2014化學諾獎WE Moener吧，實際上我認為他最顯著的工作並非光學超分辨，而是單分子技術。
話不多說先上個鏈接Moerner Lab
Moener的單分子技術和最簡單最被普遍使用的單分子技術不同，他並非是通過biotin-avidin相互作用把單個分子固定在表面，而是利用幾個電極，通過電場作用把單獨一個分子trap在某個很小的區域內以實現對單獨一個分子的固定。分子往哪個方向動一下，會反饋給電極，電極會做出負面響應把他給弄（neng）回去。
注意這裡是用電場來trap分子，和前面用光強梯度來trap小球是兩回事，不要試圖利用強光的光強梯度來直接trap生物分子，它們和他們的PhD們一樣脆弱經不起蹂躪。
下面還要說一個電信號和光學信號結合應用的例子。Adam Cohen，WE Moener的學生，前面講到的電場trap就是這學生做的，後來他自己在哈佛有了實驗室就可是做一些更...
Cohen Lab
這個鏈接一定要看，那個movie非常震撼...
這個movie就是利用神經細胞樹突軸突膜電位的改變來改變膜（熒光）蛋白的光學性質，這樣一來，電位的改變就能映射為熒光蛋白的熒光強度的變化，你萌看那個movie，其實就是在看一個神經細胞，受了一個電信號的刺激之後，它是如何發神經的.....!
不請自來。我從Rochester的Biomedical Optics碩士畢業，回答這個問題應該還算合適。
我認為對於這個問題最好的總結資料來自於NIH美國國立衛生研究院的官網。文末把NIH網站上的信息貼出來，哪些熱點、哪些NIH感興趣投經費的，一目了然。
這裡先介紹一個很多人聽都沒聽過的東西，很有趣的。
用Shack–Hartmann wavefront sensor來做眼睛檢測，可以做到比傳統近視、散光驗光更快、更准、獲取更多信息。
原理是這樣的：
（圖片來自於Wiki Shack）
一束低能量鐳射打到眼底，發生漫發射。可以認為眼底是一個點光源，向眼球外發出光線。
如果眼球是個完美的成像系統，那麼眼底應該剛好是焦點處。如此一來，從眼底發出的點光源經過眼睛向外的話應該是一束平行光。
所謂Shack–Hartmann wavefront sensor其實就是一個微小透鏡的陣列，如果平行光打到這個陣列上，成的像應該是一個個完美的格點，如上圖左邊灰色圓點所示。
然而，眼睛是個不完美成像系統，那麼出射的光線就不是平行光，這就會導致經過Shack–Hartmann wavefront sensor後成的像點偏離原來的完美格點。就如上圖中的橙色圓點。
我們可以通過演算法，用橙色圓點偏離完美位置多少的數據來重構出Shack–Hartmann wavefront sensor位置上的wavefront波前面是怎樣的，從而進一步推算出眼球具有哪些光學像差，以及每項像差有多大。傳統的驗光，按照光學界術語說，只看到一階像差，而這個方法可以檢查出高階的。
用這個方法驗光只需要幾秒鐘。安全、準確、不用擔心驗光師水準帶來的偏差。
不過從實驗室的Prototype到商品還有一段路要走。已經有幾家Startup在做這個產品了，其中有的已經到了field test這一步了。
我在其中一家Ovitz玩過，幫他們基於Zernike多項式推導數據處理的公式，想想也是滿有意思的。希望他們的產品能儘早上市。
Ovitz - Your vision is our vision
Smart Vision Labs
EyeNetra - Smartphone-powered Refraction
這裡是上面說的NIH網站上的內容，就不做翻譯了吧……
Optical Imaging
What types of optical imaging are there and what are they used for?
Multiphotonmicroscopy of amyloid deposits in mouse model of Alzheimer"s Disease.
Source: M. Garcia-Alloza, Massachusetts General Hospital
Optical imaging includes a variety of techniques that use light to obtain images from inside the body, tissues or cells.
Endoscopy: The simplest and most widely recognized type of optical imaging is endoscopy. An endoscopeconsists of a flexible tube with a system to deliver light to illuminate an organ or tissue. For example, a physician can insert an endoscope through a patient』s mouth to see the digestive cavity to find the cause of symptoms such as abdominal pain, difficulty swallowing, or gastrointestinal bleeding. Endoscopes are also used for minimally invasiverobotic surgery to allow a surgeon to see inside the patient』s body while remotely manipulating the thin robotic arms that perform the procedure.
Optical Coherence Tomography (OCT): Optical coherence tomography is a technique for obtaining sub-surface images such as diseased tissue just below the skin. OCT is a well-developed technology with commercially available systems now in use in a variety of applications, including art conservation and diagnostic medicine. For example, ophthalmologists use OCT to obtain detailed images from within the retina. Cardiologists also use it to help diagnose coronary artery disease.
Photoacoustic Imaging: During photoacoustic imaging, laser pulses are delivered to a patient』s tissues; the pulses generate heat, expanding the tissues and enabling their structure to be imaged. The technique can be used for a number of clinical applications including monitoring blood vessel growth in tumors, detecting skin melanomas, and tracking blood oxygenation in tissues.
Diffuse Optical Tomography (DOT): DOT can be used to obtain information about brain activity. A laser that uses near-infrared light is positioned on the scalp. The light goes through the scalp and harmlessly traverses the brain. The absorption of light reveals information about chemical concentrations in the brain. The scattering of the light reflects physiological characteristics such as the swelling of a neuron upon activation to pass on a neural signal.
Raman Spectroscopy: This technique relies on what is known as Raman scattering of visible, near-infrared, or near-ultraviolet light that is delivered by a laser. The laser light interacts with molecular vibrations in the material being examined, and shifts in energy are measured that reveal information about the properties of the material. The technique has a wide variety of applications including identifying chemical compounds and characterizing the structure of materials and crystals. In medicine, Raman gas analyzers are used to monitor anesthetic gas mixtures during surgery.
Back Scattering interferometry for molecular imaging. Source: D.J. Bornhop, Vanderbilt University
Super-resolution Microscopy: This form of lightmicroscopy encompasses a number of techniques used in research to obtain very high resolution images of individual cells, at a level of detail not feasible using normalmicroscopy. One example is a technique called photoactivated localization microscopy (PALM), which uses fluorescent markers to pinpoint single molecules. PALM can be performed sequentially to create a super-resolution image from the series of molecules isolated in the sample tissue.
Terahertz Tomography: This relatively new, experimental technique involves sectional imaging using terahertzradiation. Terahertz radiation consists of electromagnetic waves, which are found on the spectrum between microwaves and infrared light waves. They are of great interest to scientists because terahertz radiation can 「see」 what visible and infrared light cannot, and holds great promise for detecting unique information unavailable via other optical imaging methods.
What are NIBIB-funded researchers developing in the area of optical imaging to improve biomedical research and medical care?
Source: Hari Shroff, NIBIB
Handheld OCT for diagnosis and monitoring: NIBIB-funded researchers are developing a hand-held OCT scanner for use by primary care physicians. The project is testing OCT for diagnosis of two common but potentially serious conditions: middle ear infections and diabetic neuropathy. For middle ear infections, the sensitivity of OCT will enable doctors to identify the specific bacteria causing the infection to allow for better decisions regarding treatment with antibiotics.
Diabetic retinopathy (damage to the retina of the eye due to diabetes complications) is a major health problem, as the number of overweight and obese individuals who develop nerve damage from high blood sugar increases. The OCT system will allow identification and monitoring of this condition by primary care doctors and enable rapid referral to the appropriate specialists. Swift diagnosis of diabetic retinopathy is critical, as loss of vision can occur if not aggressively treated.
Enhanced endoscopy for detection of precancerous lesions: Researchers have created an endoscopesystem capable of detecting abnormal but invisible cells that are likely to progress to cancers of the epithelium (layer of cells that covers most organs). The instrument uses an optical system known as light scattering spectroscopy (LSS). In early studies, the LSS endoscope successfully identified pre-cancer in the epithelial tissue of five different organs, including in patients with Barrett』s esophagus, a condition featuring an abnormal change in the cells of the lower esophagus. The device will provide physicians with a tool to rapidly survey Barrett"s esophagus patients, and identify precancerous regions. This non-invasive approach is vastly superior to the present strategies of performing random biopsies. Thus it will provide a powerful tool for identifying and starting early treatment of precancerous lesions.
Photoacousticultrasound imaging improves minimally invasive surgery: Scientists are using novel ultrasound imaging techniques for minimally invasive surgery and other interventions such as biopsies, tumor ablation, and robotic surgery. These techniques will enable fusion of intraoperativeultrasound (IOUS) images with video from endoscopic cameras, and preoperative CT or MRI images. Such multi-modal imaging will assist surgeons in performing surgery more accurately, quickly, and safely. Current research efforts examine the removal of kidney and liver tumors. However, the techniques developed will be broadly useful across a wide range of clinical applications.
Transcutaneous Raman spectroscopy for diagnosis of serious infections in diabetics: People with diabetes often develop osteomyelitis—an infection of the bone or bone marrow—in the bones of their feet. This is a serious complication that can require prolonged administration of antibiotics, surgical removal of dead tissue, or even amputation. Current methods of diagnosis are inadequate and costly. Researchers are using transcutaneous Raman spectroscopy (TRS) as a non-invasive diagnostic device to define changes in bone composition and quality that are specific to diabetic osteomyelitis. The handheld TRS will use laser light to rapidly identify infected bone in patients with diabetic foot ulcers. Rapid diagnosis will allow early treatment to avoid highly invasive treatments in late stages of the disorder.
說個前沿光學頻譜成像的例子。
上面的大部分答案是在跟提高解析度打交道，無論熒光的還是無標記成像，還有在超快成像領域的例子，但超快成像持續不了多長時間，通常稱為burst-mode，單次照射，單次成像，而我要介紹的這種是continuous-mode，連續時間內以很高的幀率（重複頻率可達到2GHz）捕捉事件（就跟微型攝像頭似的），因為使用的近紅外波長的光（1064nm、1550nm等等），所以解析度達不到那麼高，也就測測不同細胞的形貌（好像細胞流量計啊），捕捉一下稀有隨機事件（機器放在那不管它，開很長時間捕捉幾個特殊細胞或者波形），還有在化學方面觀察分子運動變化（當然不是鍵位斷裂結合那種超精細的啦）的一些應用~~話說有其他好的應用想法大家可以指出呀~
這種方法最早是2009年UCLA 的Jalali實驗室（JALALI-LAB @ UCLA）提出的，刊載於nature，後來這哥們領導的小組又發了nature photonics、PNAS，學徒學成歸來在日本、中國香港搞了個分部研究這個玩意~內地清華大學、中科院，還有上海幾家單位也在弄，除了清華的那個其他文章都比較水。
貌似這個實驗室之前（包括現在）一直在做信號處理和硅光波導研究，雛形來源於把攜帶信息的極小脈寬的信號（飛秒或者亞飛秒）展寬成至少是亞納秒級別（示波器能夠不失真地探測到的級別）。這種方法使用的探測光功率低，不會損傷被測物體，不過暫時也沒有活體實驗~
大概就是幀率很高的脈衝源在空間或者光纖中傳播，經過一個色散裝置，把一個圓形光斑的脈衝空間色散成一個方形的波面（或者1D-rainbow線掃描），面上不同位置處波長不一樣（下圖從紅到紫一條條排列），直射到object上，不同位置對應不同波長，接收到object的信息，再回到光纖裡面，在色散補償光纖中傳輸，將頻譜信息轉化到時域上，最後單點探測（比如用光纖光電探測器），然後進行圖像重構（對比式）就可以看到物體長啥樣了~
時域和頻域波形產生對應關係（光譜儀達不到那麼高幀率的掃描速度，所以要用色散傅里葉變換弄到時域上來看）
被測物是解析度板USAF-1951，最小的大概幾微米。
圖中的object可將解析度板換作人造細胞管道（管道會產生一種特殊的力讓細胞沿著管道一個一個地向前傳播，從而被掃描的時候是一個個細胞掃過去）
圖像重構結果比較：
明顯看出STEAM在快速流動的中有更優異的性質，同時把含有抗體的外壁也可以較清晰地顯現出來。
但是，這個方向出的一些文章引用率好低好低，幾乎沒人玩這個方向看來。。
文獻：1. High-throughput single-microparticle imaging flow analyzer
2. Serial time-encoded amplified imaging for real-time observation of fast dynamic phenomena
介紹一點Diffused Optical Tomography (DOT)以及Near-infrared spectroscopy (NIRS)的研究吧。拋磚引玉啦。
雖然DOT實在偏門，研究的組少，不過@Antediluvian這麼說還是絕對啊～
DOT是利用近紅外光譜(Near-infrared spectroscopy (NIRS)) 或者熒光進行成像的一種方法。
基本原理是假定光在組織（tissue）中的傳播可以近似的由光子擴散方程描述。[1]
在人體表面設置很多個紅外激光源和探測器(Near-infrared source and detector)。 根據光源和探測器的位置，測量到的散射光的強度和相位，結合上面的方程就可以反解出組織的光學參數（）的分布，從而得到組織的結構成像。對於這個問題，利用有限元（FEM）或者Monte Carlo法都是很有效的。
DOT一個特別的優勢就在於可以同時得到組織的結構成像以及功能的信息（例如血紅蛋白(hemoglobin), 水(water content)或者脂肪(lipid concentration)）。［2］
我對於NRIS比較熟悉一些。目前所了解到的主要應用在於腫瘤檢查（特別是乳腺癌）以及神經科學（neuroscience）上。
應用於腫瘤檢查：一個典型的NIRS系統如下圖［3］
得到的乳房的切面圖如下：
當然DOT可以做3D重建，這裡作者只選取一個切面。
當應用於神經科學中：
相比較PET／fMRI，fNIRS的時間採樣率比較高（～10Hz），相對於EEG／MEG，fNIRS的空間解析度比較高（1-3cm）。因此相較於現有的成像技術取得了一個在時間採樣率和空間解析度的折衷。並且fNIRS可以同時測量oxy- (Δ[HbO]), deoxy- (Δ[HbR]) 和 total hemoglobin (Δ[HbT])的變化，因此要比blood-oxygenation-level-dependent (BOLD) fMRI 測量結果更全面一些。所以現在也有組利用fNIRs做大腦功能連接(brain connectivity）的研究。［4］
fNIRS用於Brain Connectivity分析示意圖如下: [5]
這篇文章綜述了近年來利用fNIRS進行Brain Connectivity分析的例子，並且與fMRI的結果進行了對照。綜合來看fNIRS還是一種比較有效的用於Brain Connectivity分析的方法。（這裡似乎與成像關係不大，更多的是用於功能分析。）
就醬～
PS：一些參考文獻：
[1] A. Yodh, and others, "Spectroscopy and imaging with dif-
fusing light,」 Phys. Today 48, 34–40 1995 .
[2] Yong Xu, and others, "Absorption and scattering images of heterogeneous
scattering media can be simultaneously reconstructed
by use of dc data," Appl Opt. 2002 Sep 1;41(25):5427-37.
[3] Christoph H. Schmitz, and others. "Instrumentation for real-time dynamic optical tomography", SPIE, November 02, 2001
[4] Han Zhang and others. "Functional connectivity as revealed by independent component analysis of
resting-state fNIRS measurements," Neuroimage. 2010 Jul 1;51(3):1150-61.
[5] Haijing Niu and others. "Resting-State Functional Brain
Connectivity: Lessons from Functional
Near-Infrared Spectroscopy," Neuroscientist. 2014 Apr;20(2):173-88
醫學光聲成像
中國人的驕傲啦。在美國的中國教授做的成果。
平心而論是我這些年最看好的成果。
也是把高精度的探測和成像推到了一個極致。因為紅外線的投射深度遠高於其他光線。所以成像最高可以到5cm深度。牛逼把。意味著不用切開某處皮膚只要照照紅外線突然你就可以看到皮膚下5cm處有沒有腫瘤啊啥的。而且精度這麼高。簡直不能忍啊。
3d模型的建立也很強大，光數據量就大的不得了。感覺他們團隊真是夜以繼日啊。3年中每年都聽他們的報告。次次都有驚喜。果斷拜之。
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我自己的團隊在做的幾個項目：
1. fluorescence tomography(熒光3d醫學成像)
此技術摒棄了傳統的CT，MRI所使用的X光，強磁場，我們在患者體內注入特殊納米分子，然後使用紅外線激發熒光。然後根據掃描結果重建3D圖像。此法非常安全，相對而言更經濟，然而工程難度極大，要求很高。是未來醫學光學的走向。
2. IR tumor treatment（紅外光腫瘤治療）
使用紅外光的熱效應燒死腫瘤。根據3D模型判斷使用光強和時長。此法簡潔安全，不用開刀，不流血，痛感低。特別適合年紀大的人和比較敏感的區域。我們用在前列腺癌的治療了。。。
3. ICG tumor marking.(生物熒光染料腫瘤標記)
Indocyanine green 標記腫瘤細胞，此染料安全，精度高。常備用於婦科手術和乳腺癌手術的標記。3d模擬和實時圖像的擬合也常以此標記為關鍵點。
4. raman spectroscopy for tumor cell detection in nano tubes (使用拉曼光譜和納米管分類細胞)
這個是最前沿的科技了。非常非常新。個人覺得10年內不會有大的進步，雖然每年發的文章都堆起來了。納米管是可以分類細胞的，由於粘性和大小的不同，細胞在納米管中的走向和速度會有變化。使用拉曼光譜斷定細胞速度和走向並對比已知性息，可以斷定具體的細胞種類。計劃用於快速活檢。
5. transparent|reflected light spectroscopy for Hepatocellular carcinoma（反射透射光譜輔助肝切除手術）
肝癌複發率極高，並且手術時偶爾出血量極大。很難分辨分離區域大小。然而正常肝臟的光學性質比較穩定，且體積大表面光滑，比其他器官更容易測定反射透射光譜。由光譜變化測定此區域是否病變從而輔助分離術。
6. Time of flight
此法可以使用的地方太多了。可以用於血氧量測量，心肺功能測量。各種。也有很多人用在其他地方。個人覺得，此實驗實在是太慢了。一等幾個小時。。。。做的好辛苦。個人喜歡快的。喵
LIBS技術之前@包濟瑋提到了，他說不知道有沒有，我來補一下文獻。
利用激光誘導等離子體光譜技術對生物組織進行元素檢測：Laser spectrometry for multi-elemental imaging of biological tissues : Scientific Reports : Nature Publishing Group
目的是觀察金屬釓在小鼠腎內的代謝情況，取注射Gd不同時間後的小鼠腎臟製成樣本；然後用激光誘導擊穿光譜技術進行分析，可以得到腎內多種元素的分布情況，過程如上圖所示，畫得很清楚了，再來一張檢測結果的圖，還是蠻好看的：
活體動物體內血細胞的光學捕獲與操縱。
光鑷技術不僅可以用於單分子水平的研究，也可以捕獲操縱單個細胞，甚至可以在活體內不用開刀就進行一次非接觸式的微型手術。
目前這個技術已經在小鼠和斑馬魚身上實現。
小鼠：
http://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n4/full/ncomms2786.html
實驗錄像：
http://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n4/extref/ncomms2786-s1.swf
http://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n4/extref/ncomms2786-s2.swf
http://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n4/extref/ncomms2786-s3.swf
http://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n4/extref/ncomms2786-s4.swf
http://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n4/extref/ncomms2786-s5.swf
斑馬魚：
Optical micromanipulation of nanoparticles and cells inside living zebrafish : Nature Communications : Nature Research
目前的研究方向是參考光聲成像技術，提高工作深度（現在的工作深度在1毫米左右，也就是老鼠耳朵那麼厚），以及開發出一套有效測量體內被捕獲細胞的光阱剛度的方法（測量了光阱剛度意味著能夠準確標定細胞所受的光阱力）。
貼一個不完整版的本校Microscopy for Life課程教學大綱，有的技術已經運用很久了，另外一些技術不完全算是光學的吧。共聚焦，多光子，超解析度，光遺傳學等技術其他答案均有介紹。
Live cell and confocol imaging
Second harmonic and multiphoton microscopy
Differential interference contrast (DIC)
Correlative electron microscopy
Bending light for biological applications
【這個還蠻有趣的，但是我不知道具體在生物/醫學方面的應用。貼兩個含video的網頁，不知道需不需要翻牆：
How to see around corners : Nature News Comment
A one-trillion-frames-per-second camera?
】
Optogenetics
Forster resonance energy transfer (FRET) and Fluorescence-lifetime
microscopy (FLIM)
Super resolution imaging
Total internal reflection fluorescence (TIRF)
Atomic force microscopy
================================================medical
imaging 分割線================================================
Spectral micro/OCT (optical coherence tomography)
Genetically encoded biosensors
Single molecule imaging
Metabolic imaging
MicroCT
Molecular imaging
Ultrasound imaging
Functional MRI
MicroPET
其實做光學的圈子真的很小，因為本身不是熱門學科。
不過在生物醫藥領域的化，基本都是和成像，物質探測有關的了。
1.1 成像領域的話，最前沿的應該是2014年的諾貝爾化學獎了，超過光學極限的顯微鏡，主要是通 過熒光分子來實現的，使用不同的激光來激發光，通過一個納米一個納米地掃描，就可以得到解析度高於阿貝極限的圖像。
不過個人認為，這不算是傳統的光學領域，算的上是和生物領域融合的產物，而且方法比較巧妙，比較有技巧性。
這個應該不算很前沿的東西，但是可能不常用，就用來給樓主做參考。
其實原理很簡單，從一個點光源發射的探測光通過透鏡聚焦到被觀測物體上，如果物體恰在焦點上，那麼反射光通過原透鏡應當匯聚回到光源，這就是所謂的共聚焦，簡稱共焦。共焦顯微鏡在反射光的光路上加上了一塊半反半透鏡，將已經通過透鏡的反射光折向其它方向，在其焦點上有一個帶有針孔，小孔就位於焦點處，擋板後面是一個光電倍增管、雪崩管等測光強。
基本就是這樣啦。這個原理衍生出許多其他應用，例如
基本就是這樣啦。這個原理衍生出許多其他應用，例如全內反射熒光顯微鏡（TIRFM）、海德堡視網膜地圖（HRT），對視網膜進行重建三維結構，診斷青光眼等。這個是維基百科的，因為我只大概了解共聚焦，這是我們實驗室經常見到的。具體可以查看這裡
共聚焦顯微鏡- 維基百科，自由的百科全書
1.3 近場顯微鏡
這個也不是非常前沿的東西啦，但是外行看起來應該會覺得蠻高大上的。
雖然這麼說，這些東西都是很貴的。我只是說說而已。
近場顯微鏡也能突破阿貝極限，但是目前還沒有應用到生物醫藥領域，或者我不知道有沒有，但是我覺得潛力非常大。傳統的顯微鏡都是通過透鏡來實現聚焦成像的，近場顯微鏡說白了就是。。。。小孔成像，但是這個小孔極小，而且很難製作。
這樣就突破了衍射極限，研究距離物體表面幾個納米之內的關學現象。有超高解析度的成像。
在生物學研究應用
由於光子的特性，近場光學顯微鏡在生物研究中具有許多優點：
(1)超越光學衍射極限的解析度，甚至可達到亞納米量級；
(2)光學顯微技術，無侵入性，可在生物的自然狀態環境下
進行觀測研究；
(3)能夠觀測吸收、 反射、 熒光、 偏振對比度，透視生物樣品內部光學性質；
(4)光譜學分析，對化學狀態具有高解析度；
(5)局域(納米級)光與樣品的相互作用；
(6)單分子水平觀測靈敏度，1 photon/ sec ；
(7)納米空間解析度，高時間解析度(飛秒) ；
(8)能在室溫條件下工作。
純屬百度百科，
近場光學顯微鏡_百度百科
超高分辨散射式近場光學顯微鏡
這個儀器，只要買了就能發Nature，但是你要有錢買。
1.4 顯微拉曼，近場拉曼
拉曼是個非常好的東西，檢測方面幾乎是無損的，所以在生物醫藥方面應該應用很廣。近場拉曼這幾年非常熱門，各家大儀器廠商都在紛紛出自己的產品。非常牛逼。
檢測的話，主要集中在光譜。主要是我比較了解，其他的應該有很多，不夠全面請補充，謝謝。
光譜的話，應該不是什麼非常前沿的了：
2.1 拉曼檢測
通過檢測樣品的拉曼信號，主要是通過一個激光激發，然後獲得拉曼光譜，基本上是分子化學鍵的特徵了，通過比對資料庫，就可以確定物質的成分含量了。這個在醫藥公司都應用非常廣泛了，藥物生產流水線上。
2.2 紅外光譜
通過檢測物質的紅外吸收特徵峰，就可以判斷含有的物質，這個在鑒別蘇丹紅，地溝油上面很有用。但是也不算非常前沿的方向。
2.3 libs
這個不知道有沒有應用在生物醫藥領域的，主要原理是通過強激光灼燒樣品，通過測量樣品的任致發光來判斷含有的元素。
這是勇氣號探測器，上面就有一個libs系統，用於檢測火星的生物存在可能。
這是勇氣號探測器，上面就有一個libs系統，用於檢測火星的生物存在可能。
【多圖】好奇號火星車全方位解讀 | 航天探索小組 | 果殼網 科技有...
ok，這些大概是我能所知的，可能有用的一些東西了。
不羅列參考文獻了。謝謝！我想說說前一陣流行的冰桶那個ALS的方面 我們組也在做 應用光遺傳的方法 使得小鼠肌肉帶有一種感光離子通道 這個通道在被特定波長的光刺激時會打開並且使肌肉運動 因為ALS是一種運動神經元退化症 等於肌肉失去了驅動程序 所以我們應用這個方法使肌肉活動 保持活力 這是我認為很有趣的一個光學在生物上的應用 我們都叫他開燈就會跳的肌肉 哈哈
如果只是光學的話，恐怕大部分是在成像領域了，如果包括光纖的話範圍就要廣很多了。
提到光纖大家可能想到的是通信領域，實際上光纖感測器件已經廣泛的應用到各感測領域。光纖體積小，易集成，光信號不受電子干擾。光纖中的光信號可以被認為是禁錮在光纖中的某一維度，各種干涉現象不像空間光那樣受限制，以上是基於光纖技術角度。
從生物角度，光纖作為基底來測量特異性生化物質已經可以實現，傳統感測器是電信號的強度變化為判斷標準，對於光纖感測，大部分是通過波長的移動來判斷，大部分干擾量可以影響強度，但是能影響波長（或者可以理解為本徵模式）的卻不多，所以假陽性的問題會更容易避免。
光纖生物感測的問題是精度不如電感測，但不是光纖的問題，而是相對於發展了幾十年的電感測來說，剛處於起步階段。
P.S.本人最近的論文就是利用光纖測DNA的
參見2014年諾貝爾化學獎。
optogenetics。光控基因技術。字面直譯也叫光遺傳學，但是光控基因技術更貼切點。
想要裝的學術點而來的更新分割線 --&>
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還未進入臨床，但是動物實驗上已經成功。
光敏蛋白在神經細胞上重建離子通道，遇到相應波長光線 能夠打開活著關閉他們的離子通道從而使神經活動或者靜息。
光控神經活動比電刺激神經更為精準，電具有傳導性，不僅僅是目標部位受到刺激，連接到周圍神經也受到一定程度上的影響。而神經原本不受光刺激的影響，加了光敏蛋白之後，光控就可以指哪打哪了。
且光照時間的長度，和強度都對神經活動產生影響， 電刺激能令神經興奮，但是光不僅可以讓他興奮，也能讓他安靜。
functional brain mapping 以後可以精準到神經單位。
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結果只是更新2張照片.....
那什麼，有空再來~~~
我比較喜歡回答問題
看了各路答案知乎確實是受益頗豐。醫療器材也有很多光電相關的，微創手術之類的也一直圍繞著激光做文章…我只是想提醒一下各位答主，答題前自己導師(或前導師)同意了么？…
推薦一個微信公共號：Nanoscopy，上面有主流超分辨光學成像的介紹和最新進展。
我感覺我現在做的spr算是一個光學生物上的應用吧。目前的進度是運用spr系統檢測exosomes。
應該說還沒有量化但是系統還是可以檢測出來exosomes的存在。
關於spr是啥，https://en.m.wikipedia.org/wiki/Surface_plasmon_resonance
中文百度百科好像也有。
其實理論挺簡單，檢測也不用標記，但是這玩意太sensitive了，對系統穩定性要求很高。所以我們一直在優化穩定系統。
研究領域前沿：光聲成像，特別是脈衝X光激發軟組織產生超聲波的成像，光能轉化為熱，熱能導致局部軟組織微形變振動，振動為超生頻率，通過三維的超聲探測陣列來實現快速三維成像；quantitative imaging，molecular imaging或nanoparticle fluorescence imaging；現在有人用小孔成像方法試圖對gold nanoparticle fluorescence進行成像，類似於SPECT的手段，但要用X光照射激發金子的螢光，由於納米金的濃度分布可以與X光激發出的螢光強度相對應，所以可以用圖像來標定體內濃度，從而確定聚集較多的病變組織，納米金是要注射進去的，再結合photon-counting detector可以有效將X光光子能量譜的背景隔離掉；molecular imaging局限在紅外激光照射上，無法解決穿透能力低下的缺陷，但是目前在in-vitro的研究和內窺鏡結合的研究很廣，並已經發展到治療領域，就是photodynamic therapy領域；x-ray laser的發展也很逐漸變熱，至少現在不冷了。
應用前沿這幾年出了臨床用的breast tomosynthesis，和臨床用的breast cone beam CT，X光領域就這些，別的不太瞭解。可能在OCT領域，由於wavelength swept laser的成熟，掃描速度會有很大改善，是否已經應用到臨床設備上了，我想也差不多了，因為那類激光器也發展有些年頭了。
單純成像技術發展而言，人們在追求「看」得更小（空間解析度更高），更大（視野更大），更遠（望遠系列），更深（透過散射介質，如生物組織、霧霾），更快（時間解析度），更豐富（多光譜），更多模式（與聲、磁、力、熱結合的成像，如光聲，光磁，光鑷，熱成像等技術的融合）。
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