“生物医学光子学新技术及进展”专题 前言

    

——张镇西 屈军乐

    

[摘要]生物医学光子学已成为多学科交叉和高速发展的领域,也是生命科学和医学成像等重要学科前沿领域研究的重要组成部分。如新近出版的《生物医学光子学:诊断、治疗和监测》(Biomedical Photonics Diagnosis, Therapy and Monitoring,西安交通大学出版社,2017年8月版)所述,生物医学光子学作为一门新兴的交叉学科,近年来的发展已经渗透到生物物理、生物化学、分子生物学和细胞生物学等...

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  • 研究论文

植入式生物医疗光电子器件与系统

史钊 李丽珠 赵钰 付汝兴 盛兴

清华大学电子工程系

[摘要]植入式电子信息设备已成为生物科学研究及医疗临床应用不可缺少的工具。以植入式光电子器件与系统为主题,介绍了面向生物医疗的各种植入式无源器件和有源器件的材料制备、工艺集成和可植入化策略,分类介绍了植入式光电子器件的能量信息传输方式;并从生物医学的研究和应用入手,介绍了具有代表性的植入式光电子系统。较为全面地阐述了现有的方法和技术,并结合实际应用和生物相容等需求,分析总结了各种技术方案的特点及其未来的发展趋势和面临的挑战。

实时拉曼光谱分析技术及其在临床早期癌症检测中的应用

王爽 Haishan Zeng

西北大学光子学与光子技术研究所; Imaging Unit-Integrative Oncology Department, BC Cancer Agency Research Centre; Photomedicine Institute, Department of Dermatology and Skin Science, University of British Columbia

[摘要]拉曼光谱分析技术可以在分子水平上研究物质分子结构和生化组成信息,具有快速、准确、无创(或低创)等优点,已成为临床早期癌症检测和组织病理生理分析的重要工具。近年来,激光技术、光纤探测器件和光电检测技术的发展,不仅极大促进了新型拉曼光谱分析仪器与技术的研发,更进一步扩展了其临床应用的广度和深度,彰显出其独特的科学内涵与应用价值。对临床拉曼光谱分析技术的理论基础进行了阐述,归纳总结了临床快速拉曼光谱分析集成系统设计思路。在此基础上,以作者相关研究工作为例,探讨了拉曼光谱分析技术在临床癌症早期检测与病理分析中的应用特点,为推动相关基础研究及技术创新提供有益参考。

血糖监测系统的研究进展

孙凯 周华 杨膺琨 吴长锋

吉林大学电子科学与工程学院集成光电子国家重点实验室; 南方科技大学生物医学工程系

[摘要]糖尿病是一种以高血糖为特征的代谢障碍性疾病,是21世纪人类最需要重点解决的健康问题之一。因为降糖类药物的使用剂量需要根据血糖水平随时进行调整,所以血糖监测成为了糖尿病护理最重要的组成部分。经过半个多世纪的研究,大量的葡萄糖传感器被开发出来,不同的检测方法相继得到发展。通过梳理整个血糖监测系统的发展过程,阐述各类葡萄糖传感器的技术方案和特点,针对研究现状及存在问题进行总结讨论,并对未来的机遇与将要面对的挑战进行了展望。

并行谱域光学相干层析成像技术的研究进展

沈毅 陈志彦 邱建榕 丁志华

浙江大学光电科学与工程学院, 现代光学仪器国家重点实验室

[摘要]介绍了并行谱域光学相干层析成像(PSD-OCT)技术,重点报道了丁志华课题组在PSD-OCT的方法与系统研制方面取得的研究进展,包括基于全局优化的大视场PSD-OCT系统、基于复干涉信号与相位信息的真伪缺陷识别方法及基于空间光谱编码与重叠数据互相关算法的运动伪影校正方法。利用所建立的PSD-OCT系统,可实现玻璃表面及内部缺陷的检测,避免伪缺陷的误判。通过引入空间光谱编码单元,该系统还可校正非受控运动。

生物组织黏弹性激光散斑检测方法研究进展

陈肖 陆锦玲 李鹏程

华中科技大学-武汉光电国家研究中心, Britton Chance生物医学光子学研究中心; 华中科技大学工程科学学院, 生物医学光子学教育部重点实验室, 生物医学工程协同创新中心

[摘要]生物组织的黏性和弹性在许多疾病发生和发展的过程中会发生改变,因此检测生物组织黏弹性对疾病诊疗具有重要意义?;诖?,介绍了基于激光散斑技术的生物组织黏弹性测量方法。从弹性波调制下的激光散斑衬比变化,布朗运动下的光强自相关函数和低频交变应力作用下的散斑位移3个方面,分别介绍生物组织黏弹性激光散斑检测的理论基础和研究现状。

激光散斑衬比血流成像技术研究进展

李晨曦 陈文亮 蒋景英 范颖 杨婧孜 徐可欣

天津大学精密仪器与光电子工程学院; 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室; 天津市计量监督检测科学研究院

[摘要]激光散斑衬比血流成像技术是在动态光散射理论及近似模型的基础上,通过分析散斑强度空间或时间起伏特性,实现活体组织中血流成像的技术。该技术具有成像面积大、速度快、分辨率高等优点,在生物医学成像研究及临床诊断中应用广泛。研究人员针对激光散斑成像技术的理论模型、成像方法与应用进行了大量研究。综述了近年来激光散斑成像方法及应用方面的主要进展,并针对提高激光散斑衬比成像分辨率、对比度、成像深度和定量能力进行了讨论。同时对该方法在眼科、微循环、脑科学、皮肤科及术中监测等各领域的应用进行了总结。

数字断层融合成像技术及其在乳腺癌筛查方面的应用

王森豪 刘逸清 陈颖 张镇西

西安交通大学, 生物医学信息工程教育部重点实验室, 生物医学分析技术及仪器研究所; 南伊利诺伊大学电气与计算机工程系

[摘要]乳腺癌严重威胁着女性的生命健康,其治疗的关键手段在于早期诊断。乳腺数字断层融合技术是当前乳腺癌早期筛查的重要方式之一,成为乳腺成像领域的研究热点。数字断层融合成像技术使用影像重建算法将不同角度获取的一系列低剂量乳腺X射线影像重建,得到与探测器平面平行的乳腺任意深度层面的影像。相对于传统的二维X射线乳腺成像,数字断层融合成像技术具有检出率高、病灶成像不重叠、成像清晰等优点,被广泛应用于科学研究和临床治疗中。在陈颖博士多年研究的基础上,结合国内外最新的相关研究现状,从研究背景、技术原理、临床应用等方面,综述了乳腺数字断层融合成像技术在乳腺癌筛查诊断中的研究和应用现状。

肿瘤微环境响应的智能纳米载体在肿瘤光动力治疗中的应用

蓝善优 张达 刘小龙 曾永毅

福建医科大学孟超肝胆医院; 福建医科大学; 福建省肝病科学研究中心; 福建医科大学附属第一医院

[摘要]光动力治疗是基于微创的新型肿瘤治疗方法,利用光敏剂吸收外源可见-近红外光光能促使光敏剂与分子氧反应,产生高活性光化学产物——活性氧物质,诱导肿瘤细胞凋亡或坏死,具有低免疫原性、低成本、高选择性等特点,已成为癌症治疗基础研究与临床转化的新热点。然而,实体肿瘤内微环境因子导致的光动力治疗效果下降及肿瘤细胞耐受等问题,阻碍了光动力治疗的发展与临床医学应用。随着纳米技术与生物医学工程等交叉领域的快速发展,以及对肿瘤微环境的深入研究,利用肿瘤微环境因子设计的智能响应性纳米载体用于癌症的诊断与协同治疗近年来受到广泛关注?;诖?,综述了肿瘤环境响应的智能化纳米载体系统在肿瘤光动力治疗中的最新研究进展,为肿瘤的光动力治疗提供参考与新的研究思路。

生物细胞定量相位测量与恢复方法研究进展

张璐 赵春晖 康森柏 赵宏 张春伟 袁莉

西安交通大学机械学院; 西安交通大学第一附属医院检验科

[摘要]细胞定量相位测量与恢复方法采用免标记非干预式的检测手段,实现静态及动态生物样本空间形态的定量重构,为细胞动力学过程中复杂生物物理信息的可视化检测提供了实现条件。重点介绍同步相移式、数字全息式和流体聚焦式等新型动态生物细胞相位检测技术,同时简要综述同轴干涉与离轴干涉式的传统静态细胞相位检测技术的发展。对各种方法的采样速率、成像分辨率、细胞检测精度等关键参数进行比较,阐明不同测量方法适用的生物信息检测类型及应用领域,同时介绍动态与静态细胞相位检测中对应各类相位恢复方法的特点与发展。

双光子荧光寿命成像在肿瘤诊断研究中的应用

李慧 夏先园 陈廷爱 余佳 李曦 郑炜

中国科学院深圳先进技术研究院生物医学光学与分子影像研究室; 北京大学深圳医院消化内科

[摘要]双光子荧光寿命成像技术在对生物组织进行高分辨三维成像的同时能获得生物组织的生化特性信息,实现结构和功能的精细定量表征,为生物组织的非侵入、无标记、活体成像提供了一种强有力的工具。该技术在肿瘤检测方面具有广阔的临床应用前景,已成为当前生物医学领域研究的热点之一。首先简要介绍了双光子荧光寿命的概念和常用检测方法;其次,结合课题组开展的胃癌和神经胶质瘤诊断等相关研究成果,详细介绍了双光子荧光寿命成像技术在消化道肿瘤、脑肿瘤及皮肤癌等肿瘤检测方面的最新研究进展;最后展望了该技术在未来临床应用中的潜在优势和可能面临的挑战。

傅里叶域光学相干层析成像技术的研究进展

李培 杨姗姗 丁志华 李鹏

浙江大学现代光学仪器国家重点实验室, 光电科学与工程学院

[摘要]光学相干层析成像(OCT)可以实现生物组织内部微观结构的实时、高分辨率、三维成像,在临床诊疗与基础科学研究领域得到了广泛的应用。近年来,得益于光源与探测技术的发展,傅里叶域OCT已经成为OCT的主流模式,尤其推动了OCT微血管造影等功能成像技术的发展。以傅里叶域OCT为重点,回顾了OCT的工作原理,阐述了系统主要的性能参数及其影响因素,介绍了傅里叶域OCT在成像量程、成像速度以及功能成像方面的现状并对OCT的研究作了展望。

超灵敏原子磁力计在生物磁应用中的研究进展

王晓飞 孙献平 赵修超 朱茂华 叶朝辉 周欣

中国科学院武汉物理与数学研究所波谱与原子分子物理国家重点实验室; 中国科学院大学

[摘要]生物体产生的生物磁场信号携带有重要的生物电生理和病理信息,通常用超导量子干涉器件探测这些生物磁。随着原子磁力计发展到飞特斯拉水平,作为一种超灵敏磁场探测器,超灵敏原子磁力计在生物磁的测量和研究中扮演一个非常重要的角色。简要介绍了生物磁场信号来源及其特性,超灵敏原子磁力计的物理机制和分类,以及超灵敏原子磁力计在心磁、脑磁和神经科学等生物磁场测量领域的应用,展望了超灵敏原子磁力计在生物医学领域的应用与发展。

八马彩票网网址 www.2pmb.com.cn 基于稀土上转换发光纳米平台的光动力抗菌疗法的研究进展

赵一铭 刘成程 王晶 胡敏

西安交通大学理学院化学系; 西安交通大学医学部基础医学院病原生物学与免疫学系; 西安交通大学生命科学与技术学院生物医学分析技术与仪器研究所

[摘要]稀土上转换发光纳米颗粒(UCNPs)可将近红外光转化为紫外可见光,能有效解决光动力抗菌疗法(PACT)中组织穿透深度小、治疗效率低的问题。综述了基于稀土上转换发光纳米平台的光动力抗菌疗法的研究进展,并对新型联合抗菌平台的开发及其在临床上的应用进行了展望。

多光子显微技术在医学诊断中的应用

林宏心 左宁 卓双木 陈建新

福建师范大学医学光电科学与技术教育部重点实验室, 福建省光子技术重点实验室

[摘要]多光子显微(MPM)技术通过探测由飞秒激光与生物组织内在成分相互作用而产生的双光子激发荧光和二次谐波等光信号,可实现对组织的无损、非标记成像。MPM具有对组织微结构灵敏度度和可实现高空间分辨成像、对生物组织杀伤性低和成像深度深、能够获取组织的生化信息等优点,在疾病诊断中具有很大的应用潜力。简要介绍MPM的基本原理,总结其在消化道肿瘤、皮肤疾病,以及角膜疾病诊断中的应用,并对MPM的发展前景进行展望。

激光光谱技术在呼吸气体分析中的发展与未来

姜琛昱 孙美秀 李迎新 王储记

中国科学院苏州生物医学工程技术研究所; 中国科学院生物医学检验技术重点实验室; 美国密西西比州立大学

[摘要]呼吸气体分析技术在疾病诊断和代谢监测方面无创性、实时性的优势使其成为一个颇具前途的研究领域,也是未来新型诊断仪器的发展方向。目前大多呼吸生物标志物的检测和定量分析均采用气相色谱-质谱联用技术。近几年来,激光光谱技术和激光光源的发展加速推进了呼吸气体分析研究的进展。与质谱技术相比,激光光谱技术不但具有高灵敏度、高选择性的优点,而且具有低成本、实时性及即时检测(POCT)的功能特点。目前,在已确定的35种呼吸生物标记物中,研究人员采用可调谐半导体激光吸收光谱、光腔衰荡光谱以及光声光谱技术进行了多种呼吸生物标记物人体呼吸气体实验,其相应生物标记物的光谱“指纹”涵盖了从紫外到中红外的光谱范围。

基于sCMOS相机的超分辨定位成像技术

桂丹 商明涛 黄振立

华中科技大学-武汉光电国家实验室(筹), Britton Chance生物医学光子学研究中心; 华中科技大学工程科学学院, 生物医学光子学教育部重点实验室, 生物医学工程协同创新中心; 武汉软件工程职业学院电子工程学院

[摘要]超分辨定位成像是一种代表性的超分辨成像技术,弱光探测器是该技术不可或缺的组成部分。和传统的串行输出EMCCD相机相比,并行输出sCMOS相机具备成像视场大、成像速度快和读出噪声低等优点,为超分辨定位成像带来了新的机遇,可在视频速率成像和大视场成像中取得明显成效?;趕CMOS相机的超分辨定位成像技术面临着高速相机带来的海量数据,需要解决数据传输、存储和计算等多环节的问题。从超分辨成像技术及相机的发展着手,讨论了基于sCMOS相机的超分辨定位成像技术的发展现状以及面临的机遇与挑战。

高光谱成像技术在生物医学中的应用进展

刘立新 李梦珠 赵志刚 屈军乐

西安电子科技大学物理与光电工程学院; 1深圳大学光电工程学院, 深圳大学光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室

[摘要]高光谱成像技术(HSI)是将成像技术和光谱技术相结合的多维信息获取技术,具有图谱合一的重要特征。通过HSI获得的空间分辨光谱成像提供了关于组织生理学,形态学和组成的诊断信息。HSI是医学应用的新兴成像模式,在生物医学领域,特别是在疾病诊断和图像引导手术中,具有极广阔的应用前景。介绍了HSI的基本原理、系统的基本构成及特点,总结和阐述了近年来HSI在生物医学领域的发展及其在疾病诊断和手术指导中的应用进展。指明该技术领域今后的重点研究方向,并对其发展前景进行了分析和展望。

无透镜显微成像技术在即时检测中的应用进展

李聪慧 曹若凡 许夏瑜 李菲 张镇西 徐峰

西安交通大学生命科学与技术学院生物信息工程教育部重点实验室; 西安交通大学仿生工程与生物力学中心; 西安交通大学理学院化学系

[摘要]疾病诊断、食品安全监测和环境污染检测等领域常涉及细菌等微生物的即时检测,光学显微镜是常用于检测和分析这些微小样品的工具。无透镜显微成像技术是将样品与电荷耦合元件(CCD)或互补金属半导体氧化物(CMOS)芯片等光检测器紧密接触、无需光学元件、直接对样品进行成像的技术,较传统显微装置具有结构简单、体积小巧、操作简便、价格低廉等优点,已被应用于微小组织结构检查、细胞形态数量分析、微生物检测等领域。根据成像原理,无透镜显微成像技术可分为阴影成像、荧光成像及数字全息成像三类。分别阐述了三种无透镜显微成像技术的成像原理和物理结构,并综述了无透镜显微成像技术在即时检测中的应用,最后展望了无透镜显微成像技术的发展。

光学相干层析技术在血管流场检测方面的研究进展

高峰 樊金宇 孔文 史国华

中国科学院苏州生物医学工程技术研究所

[摘要]光学相干层析技术(OCT)能对生物样品进行高分辨、无损的结构成像。通过分析信号中相位或强度的变化,可将成像样品中的运动组织和静态组织区分开,进而提取样品的流场信息;总结了多种血管中血流形态信息的测量方法。OCT不需要注入其他辅助试剂即可对皮肤或眼睛的血管部位成像,逐渐成为临床上血管微循环测量的有力手段。对傅里叶OCT(FD-OCT)中基于强度或相位原理的血管检测和流场测量的6种典型方法进行综述,包括相位多普勒分辨、相位多普勒方差、基于强度的相位多普勒方差、散斑方差、分频幅去相干血管造影和光学微血管造影。在解决相位稳定、流速测量、信噪比、实时性等问题上,每种方法都有各自的优缺点。通过进一步理解成像原理,介绍了一系列的优化造影方法。最后,对这些技术的发展和应用进行了展望。

用于肿瘤光热治疗的有机纳米材料研究进展

梁国海 邢达

华南师范大学生物光子学研究院激光生命科学教育部重点实验室

[摘要]激光光热治疗被认为是有潜在应用价值的肿瘤微创/无创治疗技术,具有快速、微创、毒副作用小等优点,因而受到了广泛关注。为提高光热治疗效果,研究人员对不同类型的光热治疗剂进行了研究。相比于无机纳米材料,基于有机材料的光热治疗剂具有更理想的生物相容性和生物降解性能,更容易实现临床应用,因此近年来发展迅速。对典型的有机光热治疗剂(包括包裹近红外染料的纳米胶束、基于蛋白结构的光热治疗剂、卟啉脂质体和聚合物近红外吸收材料)在近年来的研究进展进行阐述,介绍了它们各自的优势和存在的问题,最后对本领域的研究方向进行思考和探讨。

多样本光学相干血流运动造影技术及应用

李培 李鹏

浙江大学光电科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室

[摘要]血流是衡量机体生理功能和病理状态的重要指标,血流检测需要一种有效的、活体、无标记、毛细血管水平的三维血流灌注成像手段。光学相干血流运动造影(OCTA)技术将血红细胞与周围组织的相对运动作为内源性的血流标记特征,取代常规外源性的荧光标记物。综合利用光学低相干技术的空间散射信号收集能力以及动态光学散射技术的运动识别能力,在三维空间中识别动态血流区域,剔除静态周围组织,实现一种活体、无标记、三维光学血流运动造影,快速获取毛细血管水平的血流灌注形态结构与生理功能信息。针对多样本OCTA技术进行了系统性的回顾,主要包括无标记血流造影的运动对比度机制,微小血流运动高灵敏度检测方法,独立多样本的高效并行采集策略,以及该技术在脑皮层血流成像中的应用研究。

微流控芯片核酸分析系统及其精准医学应用

黄世光 靳翔宇 林荣赞 林雪 薛宁 范云倩 祖国 马丽 罗贤波 黄国亮

清华大学医学院; 北京航空航天大学北京学院; 首都医科大学生物医学工程学院; 生物芯片北京国家工程研究中心

[摘要]目前临床病原菌检测主要依赖细菌培养的方法,该方法周期长、准确性低,且容易产生交叉污染和人体感染等问题。提出微流控芯片核酸恒温扩增分子诊断技术,开发离心进样空气隔离微流控芯片和共焦面成像光学检测系统,采用旋转扫描信号采集方法和薄层空气浴流动加热比例-积分-微分温控方法对呼吸道病原菌进行实验和分析。研制恒温扩增微流控芯片核酸分析系统,将系统检测灵敏度提高至10 copies,降低样品试剂消耗量至0.94 μL,在45 min内能够同时进行多种病原菌指标的并行分析鉴定。通过100例临床样品实验测试,得到所提系统与传统聚合酶链反应所得结果的总符合率大于98%,可满足医院、社区医疗、乡镇卫生诊所等低成本精准医疗应用的需要。

面向精准化生物医学的多功能纳米光子学技术

陈越 王璐玮 宋军

深圳大学光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室

[摘要]基于纳米材料的生物分子检测、光热治疗、光动力治疗和药物靶向输送等新方法,正逐渐成为生物医学领域中重要的诊疗手段。但由于传统纳米材料本身的局限性或治疗手段的缺陷,当前纳米医疗技术存在药物利用率低、毒副作用大和治疗效果低等问题。将纳米技术和光子学相结合,可以在纳米范围内精确控制光与物质的相互作用,从而使生物医学诊疗技术更加精准和稳定。从四个方面总结回顾了近年国内外面向精准化生物医学的多功能纳米光子学技术的发展状况,这四个方面分别为依靠光学技术改善纳米生物医学的稳定性、依靠光学技术实现对肿瘤纳米治疗过程的精准监控、依靠光学技术深入理解纳米生物医学的作用机制以及依靠新型光学技术获取前沿生物医学精细化研究新手段。

光响应纳米基因载体的研究进展

李炯 刘小龙 吴名

福建医科大学孟超肝胆医院

[摘要]光响应纳米基因载体可借外界光源实现基因的定时、定点释放,已逐渐成为非病毒基因载体研究的热点。根据响应光波长的不同,可将光响应纳米基因载体分为紫外/可见光响应的纳米基因载体和近红外光响应的纳米基因载体。综述了这两类载体材料当前的研究进展,阐述了其响应机理和释放过程,并总结了光响应纳米基因载体在构建过程中亟待解决的问题。

荧光分子层析成像图像重建研究进展

邓勇 骆清铭

华中科技大学武汉光电国家研究中心, Britton Chance生物医学光子学研究中心; 华中科技大学工程科学学院, 生物医学光子学教育部重点实验室, 生物医学工程协同创新中心

[摘要]荧光分子层析(FMT)成像是一种具有深度分辨能力的宏观光学成像技术,可定位和量化生物体内的荧光分子探针,在蛋白质相互作用研究、药物作用机制解析以及肿瘤治疗效果评价等方面具有巨大的应用潜力。然而,FMT的一个关键挑战是其逆向问题具有高度病态性,这意味着图像重建对测量噪声及各种数值误差非常敏感。要获得良好的图像重建结果,除了尽可能提升系统的性能以减小测量噪声外,还主要取决于两个方面:一是提高正向问题求解的精度以降低数值误差;二是缓解逆向问题的病态性使其抗噪声能力更强。本综述介绍了目前FMT图像重建在这两个方面的研究进展。

结合光片照明与超分辨的三维荧光显微成像

谢新林 陈蓉 赵宇轩 费鹏

华中科技大学光学与电子信息学院; 华中科技大学Britton Chance生物医学光子学研究中心

[摘要]随着科学的进步,生命科学的研究对象由单个器官向组织体、离体组织切片及发育过程中的活体胚胎转变。荧光特异性标记的出现,为追踪物质在单细胞、组织体、器官甚至整个胚胎内的转移过程提供了手段。为了实现整个追踪过程,需要对活体胚胎进行无损、非侵入式的亚细胞级别成像,这就对荧光显微技术提出了更高的要求。在传统荧光显微技术基础上发展了光片照明和超分辨荧光显微技术。前者通过选择平面照明方式,只激发探测物镜焦平面附近的样品,因其具有高穿透深度、低漂白和高成像速度而广泛应用于三维活体组织成像;后者利用特殊的光调控手段将显微镜的分辨率提升至纳米水平,成为研究亚细胞水平生命活动的有力武器。通过介绍2大技术的发展、融合以及目前所遇到的问题,探究新型的、适宜观察三维厚组织样品亚细胞结构和生命过程的成像方法。

拉曼光谱成像技术及其在生物医学中的应用

路交 朱姗姗 崔笑宇 陈硕 姚育东

东北大学中荷生物医学与信息工程学院; 斯蒂文斯理工学院电气与计算机工程系

[摘要]拉曼光谱是一种用于分析分子化学成分、结构等信息的检测技术,具有信息丰富、制样简单、水的干扰小、非侵入等特点,在生物医学等研究领域中具有广泛应用。拉曼光谱成像作为一种结合拉曼光谱和成像的混合模式,通过采集空间中每个像素处的拉曼光谱信息,将分子信息在空间上展现,并定性、定量与定位地分析物质分子。相对于传统的拉曼光谱测量,拉曼光谱成像可额外提供生物医学应用中极为重要的空间信息,因此,以图像形式观测物质成分与结构等信息的拉曼光谱成像技术在生物样本检测、临床诊断及治疗等生物医学领域中具有重要的应用价值。从拉曼光谱原理出发,介绍了拉曼光谱成像技术及其发展,并综述了近年来拉曼光谱成像技术在生物医学领域中的应用,最后总结并展望了拉曼光谱成像技术及其发展趋势。

光声显微成像技术研究进展及其应用

陈重江 杨思华 邢达

华南师范大学生物光子学研究院激光生命科学研究所暨激光生命科学教育部重点实验室

[摘要]光声显微成像技术是近年发展迅速的一种基于光学吸收差异的成像技术,它继承了光学成像对比度高、超声成像深度深的优点,表现出纯光学显微成像技术所无法比拟的优越性。光声显微成像实现了从声学分辨率至光学分辨率的多尺度成像,发展出从单纯的吸收结构到功能的多参量成像、从依靠内源吸收体到外源对比剂的多对比度成像、从依赖超声换能器到全光学激发与探测、从单一吸收成像到与光学相干层析成像、荧光成像、双光子成像、二次谐波成像等结合形成多模态的光声显微成像技术。现已在血管生物学、肿瘤学、神经学、眼科学,以及皮肤学等生物医学领域得到应用。

基于荧光随机涨落的超分辨显微成像

曾志平

福州大学物理与信息工程学院

[摘要]基于荧光随机涨落的超分辨显微成像技术具有成像速度快、空间分辨率高、系统成本低和光毒性小的成像优势,在对生物亚细胞结构及其动态运动过程的成像和监测中具有广阔的应用前景。近年来,基于荧光发射的间歇性,发展出多种图像重建算法实现荧光涨落超分辨成像,在无须对传统的荧光显微镜做任何硬件改造的情况下,显著提升了光学成像的空间分辨率,实现了突破光学衍射极限的超分辨成像。从重建算法、成像速度、分辨率提升和图像重建质量等方面,对比分析不同类型荧光涨落超分辨方法的差异和适用范围,为生命科学研究人员针对特定的生物学问题选择最佳的超分辨方法提供参考依据。

组织光声弹性成像

王成 董肖娜 蔡干 项华中 郑刚 张大伟

上海理工大学医疗器械与食品学院生物医学光学与视光学研究所; 上海理工大学教育部光学仪器与系统工程研究中心上海市现代光学系统重点实验室

[摘要]触诊和弹性成像是测量组织硬度、反映疾病状态的常见医学诊断方法,在现有的组织弹性成像技术中超声弹性成像已经相当成熟。光声成像利用组织吸收脉冲光产生的光声信号进行成像,兼具光学成像高选择性和纯超声成像高成像深度的优点;弹性成像是将材料的弹性信息转换成图像,一般分为诱导形变、测量形变和形成图像这几个步骤?;诠馍际醯牡蕴讲饧俺上竦幕砗图际跻延斜ǖ?,回顾了当前光声弹性探测的研究成果。在此基础上,基于光声信号本身即为组织热弹性形变产生的超声波,即超声波的传输与组织的弹性特性相关,提出基于光声信号的组织弹性分析,结合光声的功能成像实现功能和弹性的多功能成像,为疾病,特别是肿瘤的诊断与治疗提供更精确的信息。

纸质表面增强拉曼散射基底的制备及其应用进展

杨玥 翁国军 赵婧 李剑君 朱键 赵军武

西安交通大学生命科学与技术学院生物医学信息工程教育部重点实验室

[摘要]表面增强拉曼散射(SERS)光谱具有高灵敏度、高分辨率的优点,可表征分子的指纹振动光谱,实现对样品的无损测量,在光谱分析领域具有重要应用。SERS光谱的灵敏度、稳定性及可重复性与所用的SERS基底性能密切相关。目前常用的SERS硬质基底存在制备过程复杂、柔性差、不便携带且易碎的缺点。利用纸张作为支撑的SERS纸质基底能有效解决硬质基底存在的问题,满足未来分析检测领域快速、便携以及个性化的需求。介绍了当前制备纸质SERS基底的主要方法,包括直接浸泡/滴加法、喷墨打印法、化学反应法和物理喷镀法,并对纸质SERS基底在生物医学分析与传感、环境分析以及食品安全等领域的具体应用进展进行了阐述。

光学投影断层成像技术及其研究进展

李颖超 刘昂 李贵叶 刘丽娜 胡学娟 陈玲玲

深圳市激光工程重点实验室; 深圳大学先进光学精密制造技术省高校重点实验室 ; 深圳大学光电工程学院

[摘要]光学投影断层成像技术是一种新颖的针对毫米至厘米量级的介观尺寸的三维荧光成像技术,具有经济、快速、分辨率高和成像范围广等优异性能,是当今生物医学光子学领域的研究热点之一。综述了光学投影断层成像的技术原理、发展研究现状以及其广泛的应用领域,阐述了不同光学投影断层成像技术的特点。目前光学投影断层成像技术的发展主要集中在系统自身(包括焦平面扫描、角度复用、角度滤波等方法)的改进、后期图像重组算法的改进以及该技术结合多维度荧光成像技术三个方面。通过技术细节的改进和发展,光学投影断层成像在生物医学、组织形态学和组织病理学、活体成像和荧光标记追踪等研究领域获得广泛应用。

金纳米荧光分子信标在BRCA1 mRNA检测中的应用

刘若男 李婷婷 周秋梅 顾月清

中国药科大学生物医学工程教研室

[摘要]为实时检测活细胞中乳腺癌易感基因1(BRCA1)的信使核糖核酸(mRNA)的表达量,设计并成功制备出一种新型金纳米荧光分子信标。 研究了该信标的特异性、灵敏度、稳定性和毒性,并通过激光共聚焦和流式细胞术技术检测了该信标的荧光恢复强度,实现了对人胃癌细胞BGC823和其耐药细胞BGC823/DDP中BRCA1 mRNA表达量的检测。利用逆转录-聚合酶链反应(RT-PCR)技术,验证了该信标用于检测细胞中BRCA1 mRNA表达量的可靠性。结果表明,该信标具有优良特性,能可靠检测出肿瘤细胞中BRCA1 mRNA的表达水平。

偏振频域OCT系统光谱错位分析及光谱校准

陈艳 李中梁 南楠 步扬 卢宇 宋思雨 王向朝

中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室; 中国科学院大学

[摘要]偏振频域光学相干层析成像(FD-PS-OCT)可以通过测量样品的偏振特性实现某些疾病的早期诊断。偏振参数的测量精度关系到疾病诊断的准确性。在FD-PS-OCT中,正交的两路干涉信号即使仅存在很小的光谱错位,也可能导致偏振参数计算结果产生较大的误差。光谱校准是提高偏振参数测量精度的前提,而在进行光谱校准之前,有必要明确光谱错位对偏振参数计算精度的影响。通过理论分析和仿真计算,深入分析了光谱错位与偏振参数计算误差之间的关系。在此基础上,提出了一种光谱校准方法,该方法通过判断已知样品延迟量和快轴方位角的误差大小来实现光谱缩放和平移的校准。最后进行了波片测量实验,验证了该方法的有效性,证明了误差分析的正确性。

基于多波长透射光谱的水体细菌生长阶段特征参数反演研究

胡玉霞 赵南京 甘婷婷 段静波 刘建国 刘文清

中国科学院环境光学与技术重点实验室, 中国科学院安徽光学精密机械研究所; 中国科学技术大学; 安徽省环境光学监测技术重点实验室

[摘要]研究细菌的生长规律,快速获取细菌在生长过程中浓度、结构、化学组分等特征参数的变化,能够为环境评估、微生物研究等领域的细菌快速检测提供依据。采用紫外-可见光分光光度法测定水体常见大肠埃希氏菌(大肠杆菌)在生长过程中240~900 nm波段的透射光谱,基于Mie散射理论对测量得到的可见光波段的透射光谱进行解析,得到细菌的浓度和大小等信息;以核酸、发色团氨基酸吸收特性为基础,根据细菌紫外吸收光谱计算了细菌的核酸含量。结果表明:通过透射光谱反演出的参数能够反映细菌在生长过程中浓度、大小和化学组分的变化,这些变化表明大肠杆菌在适宜的生长条件下经历了不同的生长时期,符合细菌生长规律。多波长透射光谱技术可以对细菌在生长过程中进行动态跟踪检测,获得细胞形态学和化学组分信息,为研究细菌多参数测量提供了一种新方法。

基于激光消融技术的斑马鱼条纹再生的研究

蒋鹏翀 魏巍 胡芬 张心正 潘雷霆

南开大学物理科学学院, 泰达应用物理研究院, 弱光非线性光子学教育部重点实验室; 山西大学极端光学协同创新中心; 南开大学生物治疗协同创新中心

[摘要]使用355 nm纳秒脉冲激光对斑马鱼体表条纹进行消融处理,通过分析色素细胞簇的再生过程研究斑马鱼体表图案的形成及再生机制。结果表明:斑马鱼体表的黄色素细胞簇能够促进周围一定区域内黑色素细胞的再生,该区域限于稍远于紧邻黄色条纹的位置,但在半个条纹宽度以内;这种促进作用具有方向特异性,即黄色素细胞更多地促进其本身条纹纵向处的黑色素细胞再生,但不促进其本身条纹横向处的黑色素细胞再生。这一结果可为理解斑马鱼自主形成周期性条纹提供新的实验支持。

扩散拉曼层析成像方法的可行性模拟研究

吴雨桐 贾梦宇 王兵元 赵会娟 高峰

天津大学精密仪器与光电子工程学院; 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室

[摘要]扩散拉曼层析成像(DRT)结合了拉曼光谱的分子指纹特性和扩散光学层析成像的深度分辨能力,是一种新型的无标记在体三维光学成像技术。提出一种基于蒙特卡罗光子输运模型的DRT可行性研究方法,该方法应用互易原理建立了快速有效的拉曼数据模拟器,可对实验条件下不同信噪比的拉曼测量数据进行客观模拟,同时结合扩散荧光层析线性成像原理,实现多波段下薄层组织的拉曼光谱分析。通过开展178个波段下5种物质成分的薄层组织模型的模拟重建研究,表明线性DRT图像重建方法能有效构建多种成分浓度的三维空间分布。

纳米尺度下的光声效应及纳米探针光声转换机制研究

石玉娇 邢达

华南师范大学生物光子学研究院激光生命科学研究所 激光生命科学教育部重点实验室

[摘要]构建高转换效率的纳米探针是推动光声(PA)分子成像发展的关键。传统光声探针的设计思路是使探针在组织光学窗口波段的光吸收系数最大化,而对探针的光声转换性质的研究却未得到足够重视。以金纳米球为例,讨论了在热膨胀机制介导的光声效应中纳米探针的微观光声转换机制,使理性设计高转换效率探针成为可能。通过理论分析和有限元分析发现,由于小尺寸效应,纳米探针不再满足热禁闭条件,在激光脉冲范围内即有热量从球体向周围介质扩散,从而使得纳米探针本身及其周围介质的热膨胀对光声信号均有贡献。

基于双点光学参数监测的生物组织激光热毁损评估

贾威威 戴丽娟 花国然 钱志余

南通大学机械工程学院; 南京航空航天大学生物医学工程系

[摘要]以波长为720 nm处的散射光强I720为评估光学参数,探讨了激光热毁损过程中用远中心处双点光学参数实时评估近中心处热毁损效果的可行性。首先,对离体猪肝进行激光热毁损实验,实时采集距离毁损中心4,8,12 mm处的I720,当8 mm处的I720上升至初值的6倍时停止加热,共进行20组实验(A组),构建加热时间、8 mm和12 mm处I720上升倍数与4 mm处I720上升倍数的数学模型;然后,分别以4 mm处I720上升至初值的3、4、5、6倍为停止加热的条件,重复上述热毁损实验和实时数据采集,每种条件下各进行10组实验,共40组(B组);最后,对B组实验的样本进行切片分析,建立I720上升倍数与毁损效果的对应关系。实验表明,利用加热时间、8 mm和12 mm处I720上升倍数估算4 mm处I720上升倍数的准确率可达90%以上??捎迷独爰尤戎行牡乃愎庋Р问凳逼拦澜行拇す馊然偎鹦Ч?。

基于静电富集-表面增强拉曼光谱联用技术的抗生素检测

马???张旭 钟石磊 史晓凤 马丽珍 马君

中国海洋大学青岛市光学光电子重点实验室; 青岛大学物理科学学院

[摘要]利用表面增强拉曼光谱(SERS)和静电富集(EP)相结合的技术,实现了水环境中磺胺甲基嘧啶、丁胺卡那霉素、恩诺沙星和环丙沙星的有效富集和快速痕量探测。实验结果表明,与非静电富集SERS探测相比较,磺胺甲基嘧啶和丁胺卡那霉素的特征峰强度提高了大约10倍,恩诺沙星和环丙沙星的特征峰强度提高了2~3倍;4种抗生素的最低检测浓度分别为1.9×10-8,1.7×10-8,5.5×10-8 ,6.0×10-8 mol·L-1;当被检测目标的浓度较低时,特征峰强度与探测浓度具有良好的线性关系。EP-SERS技术可有效提高水环境中抗生素的检测灵敏度。

纳秒激光在水和金纳米球溶液中的光致击穿研究

付磊 王思琪 辛静 张镇西 王晶

西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室

[摘要]利用等离子体成像、散射光检测技术综合研究了聚焦的纳秒激光在去离子水和24 nm粒径的金纳米球溶液中的光致击穿现象。随着激光能量的增加,强击穿过程中产生的明亮等离子体区域增大,且沿轴向逐渐产生多个明亮等离子体区域,即多点击穿;同时,产生的明亮等离子体区域沿光轴方向的延伸具有不对称性,低浓度的金纳米球溶液中更加明显。弱击穿通常只发生在激光能量比较低的情况中,激光能量到达一定阈值时,只出现强击穿。低浓度的金纳米球溶液能显著降低光致击穿所需的最低能量;而金纳米球浓度增加,光致击穿所需能量增加。与去离子水中相比,金纳米球溶液中的光致击穿更容易获得亚微米尺度的空化气泡,且产生的空泡尺寸更加稳定。

基于黑磷荧光淬灭特性的肿瘤细胞探测

闫武娟 王秀翃 姚倩 乔鹏飞 Lang Marion C

北京工业大学激光工程研究院生物医学光子学实验室

[摘要]黑磷(BP)纳米片可淬灭荧光染料的荧光,基于这一特性,合成了可特异性识别人乳腺癌细胞MCF7的脱氧核糖核酸(DNA)适体,并用荧光染料5-羧基荧光素(FAM)将其标记。当BP纳米片与该适体混合时,其荧光被淬灭。而当MCF7细胞存在时,DNA适体由于可以识别该细胞并与之结合,会从BP纳米片上脱离,从而实现荧光恢复?;指吹挠馇慷扔胂赴砍氏咝怨叵?。实验结果表明,利用BP纳米片检测乳腺癌细胞具有高效、特异、灵敏的优势,这一方法可以推广至其他肿瘤细胞的检测。

基于分水岭及半监督最小误差重构的荧光微球分割及分类方法

黄鸿 金莹莹 李政英 段宇乐 石光耀

重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室

[摘要]针对荧光微球图像分割存在粘连及有限标记样本分类困难等问题,提出了一种基于改进分水岭及半监督最小误差重构分类器(SSMREC)的荧光微球图像分割及分类方法。采用改进分水岭方法对荧光微球图像进行分割,有效分离粘连,得到独立的荧光微球对象;对微球对象的色调(H)、饱和度(S)、明度(V)即HSV颜色空间进行非均匀量化,去除冗余信息,提取鉴别特征;采用半监督误差重构分类器实现荧光微球分类。将本文方法与线性鉴别分析分类器(LDA)、随机森林分类(RFC)、稀疏表示分类器(SRC)、K近邻分类器(KNN)、支持向量机(SVM)分类方法进行比较。实验结果显示,针对每类样本随机选取2,4,6,8个有类别标记的样本时,本文方法的总体分类精度比其他算法高3.5%~14.3%,该算法在类别标记样本量较少的情况下,能够有效提高分类精度。

基于压缩感知的高密度分子定位算法比较

张赛文 于斌 陈丹妮 吴晶晶 李四维 屈军乐

深圳大学光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室; 深圳大学光电工程学院; 深圳生物医学工程重点实验室

[摘要]为了提高荧光超分辨显微技术的时间分辨率,提出了各种高密度荧光分子定位算法。对基于压缩感知模型的凸优化(CVX)工具箱的内点算法、同伦算法以及正交匹配追踪(OMP)算法的重构密度、定位精度、定位时间进行比较。模拟结果表明,CVX方法和同伦算法能够在高密度情况下实现精确定位,OMP算法与同伦算法运行时间比CVX算法短,但OMP算法在高密度的情况下定位精度相对其他2种算法明显下降。实验结果表明,3种算法都能实现高密度的荧光分子定位,CVX方法和同伦算法具有较好的重构效果;在500幅图像重构中,同伦算法与OMP算法的速度相比于CVX算法分别提高了14.9倍和21.2倍,大幅度缩短了重构时间。

基于强度传输方程和微分干涉相差显微镜的定量相位成像及其在乳腺癌诊断中的应用

蔡双双 郑龙飞 曾碧新 李润 徐敏

温州医科大学生物医学工程学院; 温州医科大学激光与光子生物医学研究所; 费尔菲尔德大学机械工程系; 温州医科大学激光与光子生物医学研究所

[摘要]结合光的强度传输方程和微分干涉相差(DIC)显微镜设计了一套定量相位显微成像系统,用以同时揭示癌变过程组织微结构的三维改变以及由此导致的光散射特性的变化。采集257例乳腺浸润性导管癌未染色石蜡包埋组织切片的DIC图像,由强度传输方程获得其二维分布相位图,并由散射相定理进一步导出空间分辨的光散射特性图。结果表明:乳腺浸润性导管癌的分级与组织的约化散射系数、各向异性因子高度相关;随着癌症分级的提高,乳腺浸润性导管癌组织的约化散射系数显著增大,各向异性因子显著减小。利用所得的光散射特性参数预测乳腺浸润性导管癌的癌症分级,准确率可达88%。DIC显微镜自身具有的无标记、高图像衬度等特点使得该实验方法也可以用于新鲜组织或冰冻组织切片,并可用于实时、快速的病理诊断。

基于体积补偿的荧光分子断层图像重建算法

方二喜 邹玮 胡丹峰 王加俊

苏州大学电子信息学院

[摘要]在荧光分子断层图像重建过程中,对于生物组织体内具有相同光学参数、相同深度,但不同体积的荧光团,重建出的荧光团光学参数存在较大误差。提出了一种基于体积补偿的荧光分子断层图像重建算法。该算法利用改进的迭代自组织数据分析技术(ISODATA),设计了初始聚类中心选择和初始期望聚类个数确定的方法,对预迭代的重建图像进行聚类分析。根据聚类得出的荧光团体积大小,设计了一种基于对数运算的体积权值系数计算方法,对重建的荧光光学参数进行非线性补偿。仿真实验结果表明,非线性补偿方法能够较好地修正因荧光团体积大小不一而造成的图像重建误差,显著提高重建图像的质量。

高定位精度三维动态追踪成像系统研究及应用

李恒 陈丹妮 于斌 郭宝平

深圳大学光电工程学院光电子器件与系统(教育部/广东省)重点实验室; 深圳大学信息工程学院

[摘要]在活体细胞内研究其亚细胞结构以及细胞器和分子之间或不同分子之间的相互作用过程是目前生命科学研究的主要挑战,而发展一种能够实时检测完整细胞内多个生物分子随时空变化的单分子探测和追踪技术对于研究生命过程中的分子机制具有重要意义。设计并搭建了基于变形光栅和双螺旋点扩展函数的显微成像系统,实现了在三维空间内扩展景深和纳米定位功能,极大地扩展了成像深度。通过模拟分析,该系统在高定位精度下可实现12 μm厚样品的动态探测,并实现了完整活细胞中动态粒子的实时定位和追踪。

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张娜 冯金超 李哲 贾克斌

北京工业大学信息学部; 先进信息网络北京实验室; 北京工业大学未来网络科技高精尖创新中心

[摘要]光声成像结合了光学成像和声成像的优点,是一种具有高空间分辨率、高对比度的无损成像技术,成为当前生物医学成像的研究热点之一。重建光声图像是一个典型的逆问题,具有严重的病态性。针对光声成像的病态性和较大的系统矩阵会导致重建速度慢的问题,提出了一种基于Lanczos双对角化的快速指数滤波重建方法,并通过数值仿真证实了该方法的有效性。仿真结果表明,所提方法在保证重建图像高质量的同时极大地提高了重建速度,其重建时间是指数滤波和后投影方法的1/67~1/47。

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