Author Affiliations
Abstract
1 School of Optics and Photonics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, P. R. China
2 School of Medical Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, P. R. China
3 Department of Laser Medicine, First Medical Center of PLA General Hospital, Beijing 100853, P. R. China
4 Britton Chance Center for Biomedical Photonics – MoE Key Laboratory for Biomedical Photonics, Advanced Biomedical Imaging Facility, Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei, P. R. China
5 Precision Laser Medical Diagnosis and Treatment Innovation Unit, Chinese Academy of Medical Sciences, Beijing 100000, P. R. China
Vascular-targeted photodynamic therapy (V-PDT) is an effective treatment for port wine stains (PWS). However, repeated treatment is usually needed to achieve optimal treatment outcomes, possibly due to the limited treatment light penetration depth in the PWS lesion. The optical clearing technique can increase light penetration in depth by reducing light scattering. This study aimed to investigate the V-PDT in combination with an optical clearing agent (OCA) for the therapeutic enhancement of V-PDT in the rodent skinfold window chamber model. Vascular responses were closely monitored with laser speckle contrast imaging (LSCI), optical coherence tomography angiography, and stereo microscope before, during, and after the treatment. We further quantitatively demonstrated the effects of V-PDT in combination with OCA on the blood flow and blood vessel size of skin microvasculature. The combination of OCA and V-PDT resulted in significant vascular damage, including vasoconstriction and the reduction of blood flow. Our results indicate the promising potential of OCA for enhancing V-PDT for treating vascular-related diseases, including PWS.
Vascular-targeted photodynamic therapy (V-PDT) optical clearing agent (OCA) treatment efficacy enhancement skin-fold window chamber port wine stains Journal of Innovative Optical Health Sciences
2024, 17(2): 2350023
西安邮电大学 通信与信息工程学院，陕西西安710121
由于卷积操作的局限性，现有的皮肤病变图像分割网络无法对图像中的全局上下文信息建模，导致其无法有效捕获图像的目标结构信息，本文设计了一个融入交叉自注意力编码的U型混合网络，用于皮肤病变图像分割。首先，将设计的多头门控位置交叉自注意力编码器引入到U型网络的最后两个层级中，使其能够在图像中学习语义信息的长期依赖关系，弥补卷积操作全局建模能力的不足；其次，在跳跃连接部分引入一个新的位置通道注意力机制，用于编码融合特征的通道信息并保留位置信息，提高网络捕获目标结构的能力；最后，设计一个正则化Dice损失函数，使网络能够在假阳性和假阴性之间权衡，提高网络的分割结果。基于ISBI2017和ISIC2018数据集的对比实验结果表明，本文网络的Dice分别为91.48%和91.30%，IoU分别为84.42%和84.12%，分割精度在整体上优于其他网络，且具有较低的参数量和计算复杂度，即本文网络能够高效地分割皮肤病变图像的目标区域，可为皮肤疾病辅助诊断提供帮助。
医学图像分割 皮肤病变 交叉自注意力编码 位置通道注意力 medical image segmentation skin lesion cross-self-attention coding position channel attention
1 佛山科学技术学院物理与光电工程学院粤港澳智能微纳光电技术联合实验室，广东 佛山 528225
2 广东唯仁医疗科技有限公司，广东 佛山 528000
3 佛山科学技术学院机电工程与自动化学院，广东 佛山 528000
4 广州市第一人民医院烧伤整形美容与创面修复科，广东 广州 510180
5 天津大学电气自动化与信息工程学院天津市过程检测与控制重点实验室，天津 300072
6 解放军总医院第一医学中心激光医学科，北京 100853
7 天津恒宇医疗科技有限公司，天津 300308
8 哈尔滨医科大学附属第二医院教育部心肌缺血重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
皮肤烧伤是一种常见的皮肤疾病，对皮肤烧伤程度的判别对于后续的治疗具有重要意义。光学相干层析技术是一种具有非侵入性、无损伤性和高分辨率等特点的光学检测技术。偏振敏感光学相干层析成像（PS-OCT）具有传统光学相干层析成像没有的双折射信息对比度，能够对病变皮肤进行高分辨率高对比度的实时三维成像。为推动PS-OCT在烧伤诊断中的临床应用，发展了一种简单紧凑且灵活高效的基于扫频光源、单模光纤和圆偏振态输入的PS-OCT技术，对离体猪皮组织进行了烧伤成像研究，并通过直方图相关性算法获得了图像的差异性量化指标。实验结果表明，与正常的皮肤组织相比，烧伤皮肤组织的胶原蛋白受高温影响后产生了明显的双折射变化。利用偏振均匀度（DOPU）、累积相位延迟（CPR）、Stokes偏振参数等，可以明显观察到烧伤后的皮肤组织变化。研究表明，该PS-OCT技术在烧伤诊断中具有很大的应用潜力，可以辅助医生进行烧伤程度的判断。
生物光学 生物医学成像 光学相干层析成像 偏振 皮肤成像 烧伤诊断
Author Affiliations
Abstract
1 College of Engineering and Applied Sciences and Collaborative Innovation Center of Advanced Microstructures, Nanjing University, Nanjing 210023, China
2 School of Physics, Nanjing University, Nanjing 210023, China
3 Department of Cardiology, Affiliated Drum Tower Hospital, Medical School of Nanjing University, Nanjing 210008, China
Systemic blood circulation is one of life activity’s most important physiological functions. Continuous noninvasive hemodynamic monitoring is essential for the management of cardiovascular status. However, it is difficult to achieve systemic hemodynamic monitoring with the daily use of current devices due to the lack of multichannel and time-synchronized operation capability over the whole body. Here, we utilize a soft microfiber Bragg grating group to monitor spatiotemporal hemodynamics by taking advantage of the high sensitivity, electromagnetic immunity, and great temporal synchronization between multiple remote sensor nodes. A continuous systemic hemodynamic measurement technique is developed using all-mechanical physiological signals, such as ballistocardiogram signals and pulse waves, to illustrate the actual mechanical process of blood circulation. Multiple hemodynamic parameters, such as systemic pulse transit time, heart rate, blood pressure, and peripheral resistance, are monitored using skin-like microfiber Bragg grating patches conformally attached at different body locations. Relying on the soft microfiber Bragg grating group, the spatiotemporal hemodynamic monitoring technique opens up new possibilities in clinical medical diagnosis and daily health management.
spatiotemporal hemodynamic monitor skin-like photonic devices microfiber Bragg grating Opto-Electronic Advances
2023, 6(11): 230018
1 中国人民解放军军事科学院军事医学研究院辐射医学研究所，北京 100850
2 河北大学生命科学学院，保定 071000
为探讨不同剂量 1 064 nm激光照射后猪皮肤组织损伤效应和修复的规律，为扩大激光的临床应用提供指导，本文采用基模光纤激光器输出不同功率 1 064 nm的连续激光，通过方格阵列法对活体猪皮肤进行单次照射，剂量由小到大依次照射后，即刻观察皮肤损伤反应并计算其发生率，采用加权概率单位法计算损伤阈值 ED50，并在照后 6 h至 28 d动态观察激光皮肤损伤斑的愈合情况和病理形态学变化。随着激光辐照剂量的增加，皮肤损伤由轻到重依次出现红斑、白斑和焦斑等不同类型的损伤斑。剂量低于 70.0 J/cm2时，猪皮肤损伤表现为可逆的红斑反应；剂量为 192.2 J/cm2时，猪皮肤损伤以焦斑为主（发生率约为 51.4 %）；而剂量为 425.0 J/cm2时，猪皮肤焦斑发生率可达到 100.0%。1 064 nm激光致猪皮肤损伤阈值 ED50为 50.8 J/cm2。病理形态学观察结果显示，照射后 3～28 d，各照射组创面均出现不同程度的修复趋势，但这种趋势随着照射强度的增加而趋于减弱，且高于 192.2 J/cm2的激光辐照组恢复趋势缓慢。小型猪皮肤经 1 064 nm激光照射后，辐照剂量越大，皮肤损伤越重，组织修复趋势越慢，显示出较好的量效关系。本研究为激光皮肤损伤和修复过程的医疗应用提供了重要的试验和理论依据。
1 064 nm激光 小型猪 皮肤损伤阈值 皮肤损伤效应 1 064 nm laser miniature pig skin damage threshold skin damage effects repair
1 上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240
2 清华大学材料学院，新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，北京 100084
3 上海交通大学材料科学与工程学院,上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室，上海200240
4 上海交通大学材料科学与工程学院，上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室，上海200240
闪烧技术自发现以来已经被广泛研究了10多年，但其实际应用却极少被讨论，闪烧应用的主要挑战是烧结大尺寸样品时的困难。在典型直流电闪烧中，电流主要集中在样品的中心，样品内部和表面之间存在显著的温度梯度，导致最终样品的微观结构不均匀，甚至样品中的内应力会致使样品开裂。本工作利用不同频率的交流电来研究频率对闪烧中这种不均匀性问题的影响。结果表明，增加频率显著提高了样品的均匀性，其原因主要是由于交流电闪烧中存在显著的“趋肤效应”，即电流密度集中在样品的表面而不是样品中心，这补偿了表面较高的辐射热损失，从而导致更均匀的样品温度。本工作提供了一种潜在的方法，可以显著提高闪烧在工业领域的实际应用。
交流电闪烧 微观结构均匀性 趋肤效应 alternating current flash sintering microstructure homogeneity skin effect
1 中国人民解放军军事科学院军事医学研究院辐射医学研究所, 北京 100850
2 中国人民解放军军事科学院军事医学研究院辐射医学研究所, 北京 100850河南科技大学信息工程学院, 洛阳 471023
3 河南科技大学信息工程学院, 洛阳 471023湖南三一工业职业技术学院, 长沙 410129
4 河南科技大学信息工程学院, 洛阳 471023
深度学习作为机器学习领域的重要研究方向, 其强大的特征学习能力以及优秀的可移植性使得深度学习技术渗入到科学研究的各个领域, 尤其是深度学习中前沿领域的成果对医学图像的识别、分类、分割、量化等方面起到了积极作用。光学相干断层扫描成像( OCT)技术具有非侵入、分辨率高的特点, 能够无创获取生物组织内部微米级的高分辨率三维切面图像, 在生物医学的眼科、血管、皮肤科等方面有着广泛应用。本文首先介绍了 OCT及深度学习的基本原理以及二者相结合在皮肤领域的应用优势, 然后详细阐述了深度学习在皮肤 OCT医学图像领域的应用, 主要包括在皮肤癌的分析分类、美容领域、指尖图像的分割以及在损伤皮肤的定性定量评估中的应用。
光学相干断层扫描成像 医学图像 深度学习 皮肤疾病 卷积神经网络 optical coherence tomography medical imaging deep learning skin disease convolutional neural network
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
在基于近红外光谱法的无创血糖测量领域, 受人体皮肤状态波动的影响, 血糖预测模型无法长时间使用, 极大地限制了该方法在临床上的应用。 皮肤血流灌注是与人体生理状态密切相关的参数, 直接影响着皮肤中水分的流动, 它还难以像温度、 压力那样借助外部手段进行控制。 在皮肤光谱的测量中, 血流灌注会通过水分的迁移间接影响真皮层的厚度, 并使得光谱产生较大变化。 借助蒙特卡洛模拟方法仿真了在1 000~1 700 nm波段真皮层厚度变化±30 μm时三层皮肤的漫反射光强、 光子穿透深度与平均光程, 研究了真皮层厚度变化后的光谱变化规律。 对两个光源-探测器距离下的衰减度进行差分, 用于消除真皮层厚度变化的影响, 对1 000~1 700 nm的波长均给出了适宜的差分测量距离。 发现1 200 nm波长附近, 当真皮层厚度变化时, 漫反射衰减度在每个测量距离下的变化都非常小, 因此是较适宜的测量波长。 而对于水的吸收峰1 450 nm附近的波长而言, 漫反射衰减度随着光源-探测器距离的增加而变大, 且在一定范围内急剧变化; 因此, 应避免选择这些光源-探测器距离。 对于常用的血糖测量波长1 200、 1 300及1 600 nm波长而言, 光源-探测器距离可选在小于0.1 cm或大于0.4 cm的范围, 此处漫反射衰减度变化随着光源-探测器距离变化较缓慢, 采用差分处理可较好地消除真皮层厚度变化对光谱的影响。 考虑到不同光源-探测器距离下对应的真皮层光子百分比不同, 可选择主要对应于真皮层的光源-探测器距离, 该工作采取80 %真皮光子百分比为界限。 综上, 综合现有仪器能达到的测量精度水平, 对于1 200、 1 300和1 600 nm波长, 可选择0.03~0.1 cm范围内的两个光源-探测器距离进行差分测量, 可以较好地抑制真皮层厚度变化的影响, 从而有效减小皮肤血流灌注变动的影响。
近红外漫反射光谱法 无创血糖测量 蒙特卡洛模拟 皮肤血流灌注 三层皮肤模型 真皮层厚度 差分测量 Near-infrared diffuse reflectance spectroscopy Non-invasive blood glucose measurement Monte Carlo simulation Cutaneous blood perfusion Three-layered skin model Dermal thickness Differential measurement 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2699
1 中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院，山东 青岛 266100
2 中国海洋大学三亚海洋研究所，海南 三亚 572024
为了减少由海天视场的时空不匹配引起的海表皮温测量误差，设计了循环水膜装置，结合红外热像仪，提出了一种海表皮温校正方法。在循环水膜装置中，通过水的循环流动，打破冷表皮效应，水膜的表皮温度可被测温仪精确测量。该方法使用热像仪对已知表皮温度的水膜进行测量，通过计算水膜表皮温度的真实值与测量值之差，校正热像仪对海表皮温的测量值，从而去除天空辐射对海表皮温测量的影响，得到准确的海表皮温数据。经实验验证，本文方法在降低海表皮温测量设备成本的同时，可提升天空辐射在时空多变时的测温精度。
海表皮温 循环水膜装置 红外热像仪 天空辐射 光学学报
2023, 43(24): 2412003
1 曲阜师范大学计算机学院，山东 日照 276826
2 中国科学院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所，广东 深圳 518055
光声计算层析成像（PACT）不需要外源性对比剂便可获取厘米级深度的光声图像。然而，来自皮肤的高强度光声信号遮盖了皮下深层组织信息，阻碍了感兴趣区域光声图像的正面显示和分析。因此，笔者提出了融合多尺度感知和残差连接的U型深度学习模型，并采用该模型实现了PACT光声图像中皮肤信号的智能分割。首先，提出以单类皮肤区域标注为基准标签图像的非像素级皮肤区域标注方法，该方法不需要像素级图像标注，能够显著降低数据处理的复杂度；然后，设计了皮肤完整性拟合和皮肤掩膜生成算法，并采用该算法实现了PACT图像中皮肤信号的自动去除。使用PACT成像实验获得的人体腿部外周血管光声图像验证了所提方法在皮肤组织高精度智能提取和去除方面的正确性和有效性。与现有的皮肤去除工作相比，本文所提皮肤去除算法对MAP图像的重建误差下降了50%~70%，峰值信噪比平均提升了约4.5 dB，为深层组织PACT图像的高清晰显示提供了一条有效途径。
生物光学 光声成像 皮肤分割 深度学习 外周血管成像 中国激光
2023, 50(21): 2107111
