Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Radio Frequency Heterogeneous Integration (Shenzhen University), Shenzhen 518060, China
2 Key Laboratory of Optoelectronic Devices and Systems of Guangdong Province & Ministry of Education, College of Physics and Optoelectronic Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China
Fluorescence lifetime imaging can reveal the high-resolution structure of various biophysical and chemical parameters in a microenvironment quantitatively. However, the depth of imaging is generally limited to hundreds of micrometers due to aberration and light scattering in biological tissues. This paper introduces an iterative multi-photon adaptive compensation technique (IMPACT) into a two-photon fluorescence lifetime microscopy system to successfully overcome aberrations and multiple scattering problems in deep tissues. It shows that 400 correction modes can be achieved within 5 min, which was mainly limited by the frame rate of a spatial light modulator. This system was used for high-resolution imaging of mice brain tissue and live zebrafish, further verifying its superior performance in imaging quality and photon accumulation speed.
adaptive optics iterative optimization two-photon fluorescence lifetime imaging microscopy wavefront correction Chinese Optics Letters
2024, 22(4): 041702
1 浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
2 浙江大学嘉兴研究院智能光电创新中心，浙江 嘉兴 324000
在光学相干层析血流造影（OCTA）系统的实际应用中，高质量数据的采集受到多种因素的干扰，如屈光调节、扫描区域移动、动态成像过程中受试对象眼睛状态波动等。笔者构建了一种基于图像处理单元（GPU）的OCTA数据实时处理框架，使用C++和CUDA开发系统软件，实现了逆信噪比-复值退相关光学相干层析血流造影（ID-OCTA）的实时信号处理与图像显示，线处理速度达到了365 kHz。同时，通过闪烁光刺激诱发小鼠视网膜功能性充血实验，证明了本研究实现的OCTA投影图像实时显示功能有助于操作人员调节系统，监测受试对象的状态，从而提高数据采集成功率。
生物医学成像 光学相干层析血流造影 实时成像 功能性充血
1 西北工业大学深圳研究院，广东 深圳 518057
2 西北工业大学光电与智能研究院，陕西 西安 710072
3 南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
4 解放军总医院第一医学中心激光医学科，北京 100853
皮肤疾病是一种较为常见的人类疾病，其检测与诊断十分重要。传统的检测方法因医师主观影响和皮肤创伤问题不利于对皮肤病作出准确高效的判断，故皮肤成像技术逐渐被用于辅助诊断。光声成像技术作为一种新兴的成像方式，结合了光学成像的高对比度和超声成像的深穿透优势，逐渐被人们所关注。本文针对光声皮肤成像技术进行了回顾与总结，按照成像方式对光声皮肤成像系统进行了分类与归纳，从重构算法提升角度总结了现有的性能提升方法与策略。此外，按照皮肤病类别探讨了当前光声皮肤成像技术的临床应用，验证了光声皮肤成像技术的发展前景与潜力。最后针对现有方法的缺点与限制，对未来光声皮肤成像技术的发展方向和关键环节进行了设想与讨论。
医用光学 生物医学成像 光声成像 皮肤成像 皮肤疾病 皮肤诊断
浙江大学生物医学工程与仪器科学学院，浙江 杭州 310027
乳腺癌早期筛查、精准诊断、有效治疗是提高患者生存率的重要因素，而影像学是筛查、诊断、治疗评估的主要手段。基于现有的影像技术，乳腺临床诊治流程虽然已逐步规范化，但在高效灵敏筛查、无创精准诊断以及治疗监测评估等方面仍存在核心局限。例如，传统的医学影像技术存在诊断特异性低、成像速度慢、使用电离辐射或注射造影剂等局限，仍存在重大临床诉求。光声成像作为一项新兴的医学影像技术，可以与传统技术形成优势互补，提供快速（如10~15 s完成全乳腺扫描）、高分辨率、信息丰富的医学影像。其光学对比度和声学分辨率使之具备揭示肿瘤微环境结构、功能、分子细节特征的能力。本文简述了光声成像的技术原理和主要设计形态，概述并评价了乳腺肿瘤筛查、诊断和治疗评估领域的代表性光声成像研究。最后讨论了光声成像在乳腺临床上的应用前景，其有望成为继钼靶、超声、核磁共振之后的“第四大”乳腺成像技术。
医用光学 光声成像 乳腺肿瘤微环境 乳腺癌筛查 早期精准诊断 新辅助化疗评估 肿瘤切缘检测
1 南开大学现代光学研究所，天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室，天津 300350
2 中国科学院自动化研究所，中国科学院分子影像重点实验室，北京 100190
3 河北医科大学第二医院神经外科，河北 石家庄 050000
脑胶质瘤是一种侵袭性的恶性原发性脑肿瘤，术中准确区分胶质瘤和正常脑组织极具挑战性。基于高分辨偏振敏感光学相干层析术（PS-OCT）对正常小鼠脑和胶质瘤模型小鼠脑进行成像，计算了强度、累积相位延迟和累积光轴信息。结果表明，从PS-OCT图像中可以清楚地显示出鼠脑中的纤维结构及其取向；借助PS-OCT图像中丰富的偏振信息，可以准确区分鼠脑胶质瘤区和正常区；基于计算的光轴标准差可以有效区分胶质瘤和正常脑组织。研究结果表明，高分辨PS-OCT在脑组织成像及脑胶质瘤识别方面具有很大的临床应用潜力。
医用光学 偏振敏感光学相干层析术 脑成像 胶质瘤
1 北京理工大学医学技术学院，北京 100081
2 北京理工大学自动化学院，北京 100081
3 中国船舶集团有限公司系统工程研究院，北京 100094
4 北京理工大学集成电路与电子学院，北京 100081
长时程细胞成像及分析在生物医学研究中具有重要意义。然而，由于荧光显微镜存在光漂白和光毒性等问题，其应用受到一定限制。非标记成像技术为克服这些限制提供了可行的解决方案。研究了干涉光谱分析技术作为解决非标记长时程活细胞监测问题的潜在方法，并提出了一种基于高光谱干涉重构的非标记定量显微成像技术。通过建立描述干涉信号的数学模型，设计样本定量重构算法，从而获取活细胞纳米结构和干质量分布的定量信息。系统采用自反射式干涉结构，不依赖复杂的光学调制元件，结构简单、操作便捷。此外，本文还在光学显微成像的基础上集成了具有细胞培养能力的微型细胞培养箱，实现了原位长时程成像。利用该系统，研究了不同细胞全细胞周期内的纳米结构定量和干质量变化，展示了本工作在生物医学领域的应用潜力。
计算成像 定量干涉 非标记成像 纳米级精度 原位细胞监测
1 广州医科大学生物医学工程学院医学影像创新实验室，广东 广州 511436
2 广州医科大学附属第一医院呼吸疾病国家重点实验室，广东 广州 510120
巨噬细胞作为炎症阶段的主要吞噬细胞，其高表达是急性呼吸道炎症发展过程的临床特征之一。目前还没有一种成像方法能够以深组织穿透性和高分辨率的方式呈现巨噬细胞在急性炎症中的表达。以吲哚菁绿纳米颗粒（Nano-ICG）作为一种高效的光声成像（PAI）增强造影剂，评估了急性呼吸道炎症中巨噬细胞的表达量。激光共聚焦显微镜下的成像效果证实，Nano-ICG能够快速地被巨噬细胞吞噬。利用Nano-ICG增强光声成像效果后，气管内的PAI结果显示了巨噬细胞在炎症后气管壁上的分布区域。Nano-ICG增强的光声成像能够无创、定量地评估急性呼吸道炎症的发展程度，有望为呼吸疾病相关基础研究和临床诊疗提供新的影像技术支持。
医用光学 光声成像 急性呼吸道炎症 吲哚菁绿纳米颗粒 巨噬细胞
1 北京工业大学信息学部计算智能与智能系统北京市重点实验室，北京 100124
2 先进信息网络北京实验室，北京 100876
近红外光谱断层成像是一种可以获得乳腺组织内部光学特性，弥补传统乳腺影像学检查方法的不足，具有无创无辐射、高特异性等特性，在乳腺成像中有重要应用价值的光学成像技术。近红外光谱断层成像系统对该技术在乳腺疾病临床诊断中的应用起着重要的作用。然而，近红外光谱断层成像系统的空间分辨率低，限制了其在乳腺成像中的应用。将连续波模式与频域或时域测量模式相结合，并融合临床用的数字乳腺断层摄影、超声或核磁共振成像等技术有助于解决上述问题。先对近红外光谱断层成像系统的测量模式、多模态系统和多模态融合技术进行梳理、对比，然后介绍了该技术在乳腺成像中的最新应用，进一步讨论了乳腺近红外光谱断层成像系统未来的发展方向。
成像系统 生物光学 近红外光谱断层成像 乳腺成像 多模态
1 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院磁共振波谱与成像全国重点实验室（中国科学院），湖北 武汉 430071
2 华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
3 中国科学院大学，北京 100049
磁场量子传感器（超导量子干涉仪、激光泵浦型原子传感器、金刚石氮-空位色心等）利用量子效应对磁场进行精密测量。激光泵浦型原子传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低和易维护的优点，已成为当前快速发展的一个研究领域。激光泵浦型原子传感器已被应用于核磁共振领域，用来获取物质更精确的核磁共振波谱以及实现特殊条件下对样品的测量。特别地，在延伸至零场-超低场（磁感应强度B<1 μT）的核磁共振研究中，激光泵浦型原子传感器展现出了许多重要应用特性，拓展了人们对生物、化学物质更精细结构的探测和解析能力，进而使得核磁共振测量与研究覆盖了高场（B>1 T）、低场（μT<B<1 T）和零场-超低场（B<1 μT）整个工作磁场范围。本文简要介绍了基于激光泵浦型原子传感器的零场-超低场核磁共振的基本原理和相关技术，包括核磁样品的极化增强（强磁场热极化、激光泵浦极化、动态核极化、仲氢诱导极化等）以及传输、编码和探测等，综述了近几年来基于激光泵浦型原子传感器的核磁共振研究进展，并展望了该技术的发展趋势和应用前景。
医用光学 零场-超低场核磁共振 激光泵浦型原子传感器 样品极化增强 波谱 磁共振影像
1 西安建筑科技大学 信息与控制工程学院，陕西 西安 710055
2 陕西省文物保护研究院，陕西 西安 710075
3 陕西省考古研究院，陕西 西安 710054
使用现有边缘检测方法提取古代壁画的线稿，存在噪声干扰大且丢失信息较多的问题。本文提出一种融合像素差卷积的壁画最优波段线稿提取方法，利用最小噪声分离方法将壁画多光谱数据的有效信息和噪声分离，选择最优主成分波段进行线稿的提取。针对传统卷积提取图像梯度信息的问题，引入像素差卷积提高边缘检测的图像梯度信息。在侧输出网络加入尺度增强模块（SEM）丰富多尺度特征，同时针对像素级别不平衡引起的像素错误分类问题，设计了基于图像相似度的Dice损失函数策略，逐级最小化像素距离获得清晰图像边缘，并利用壁画数据集先验知识微调模型解决数据集不足的问题。实验结果表明，本文方法可以在壁画褪色和噪声较多的场景下提取出较为清晰的线稿，线稿图像的SSIM和RMSE均优于其他算法，分别提高了2%~10%和2%~4%；在公开数据集BIPED上对模型进行验证，所提方法的ODS和OIS较PiDiNet分别提高0.005和0.007。该方法对褪色及具有病害的壁画可以提取出清晰完整的线稿图像。
线稿提取 光谱成像 像素差卷积 像素级平衡 壁画 sketch extraction spectral imaging pixel difference convolution pixel-level balancing mural
