北京航空航天大学医学科学与工程学院，北京 100191
扩散光学成像技术在生物医学领域有着广泛的应用。相较于磁共振成像（MRI）、计算机X射线断层扫描（CT）、正电子发射断层扫描（PET）和超声成像等成像方式，扩散光学成像利用经组织吸收和散射的扩散光进行成像，可无创、无标记、宽场、定量测量氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、血氧、水分、脂质、黑色素等成分浓度和组织功能信息，在安全性、特异性和系统成本等方面有明显优势。本文介绍了扩散光学成像的基本原理，包括光与组织的相互作用和光传播模型，并总结扩散光学成像的相关方法和应用，包括脉搏血氧术、漫射光谱、扩散光学层析成像、荧光分子层析成像和空间频域成像，并对它们的未来发展进行了展望。
扩散光学成像 组织光学 功能信息 生物医学光学 激光与光电子学进展
2024, 61(8): 0800001
温州医科大学眼视光学院(生物医学工程学院)，浙江 温州 325035
针对目前临床上尚缺乏有效可行的烧伤程度精准诊断的难题，本课题组研究了基于空间频域成像的烧伤程度无创定量评估方法。本课题组通过基于单次快照多频解调方法的空间频域成像技术，实时、大面积、高分辨地反演出了与烧伤组织结构、生理特性紧密相关的光学参数(吸收系数与约化散射系数)，并结合系统聚类方法与多参数降维分析，提高了烧伤程度分类的准确性，缩短了分类时间。鼠烧伤模型的实验结果表明：动态监测光学参数的变化趋势可以显著区分出三种不同的烧伤程度，系统聚类分析缩短了分类时间，基于主因子的多参数降维分析表现出了更强的抗干扰性。本文方法为临床烧伤的早期诊断提供了一种极具潜力的实现途径。
医用光学 医学生物成像 空间频域成像 烧伤程度评估 组织光学参数 中国激光
2022, 49(24): 2407205
上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海 200240
生物组织的吸收系数和散射系数与组织的生理状态相关，是检测人体健康状态的重要指标。当前双层生物组织模型的光学参数反演方案中，吸收系数和散射系数的预测精度受到上层组织厚度等参数的影响较大，限制了模型的实际应用范围。为此，提出一种对上层组织厚度等参数不敏感的吸收和散射系数反演方法。通过采集漫反射光信号的空间和时间分布信息，并利用卷积神经网络来反演双层生物组织的吸收系数和散射系数，在随机的上层组织厚度和折射率等参量下实现较高的吸收系数和散射系数反演精度。在仿真实验中，基于改进的蒙特卡罗模拟获得双层皮肤模型在不同空间探测位置处、不同时刻的漫反射光强信息，然后利用卷积神经网络实现对两层皮肤组织吸收系数和散射系数的预测。结果表明：在固定的上层组织厚度和折射率参数下，吸收系数和散射系数反演的平均相对误差均小于4%；而当上层组织厚度和折射率存在随机变化时，吸收系数和散射系数的平均相对误差仍小于8%。相较其他方法，所提的测量方案和反演算法进一步提升了反演精度和扩展了实际应用场景，为生物组织光学参数的无创测量提供了新思路。
激光与光电子学进展
2022, 59(6): 0617018
北京理工大学光电学院, 精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室, 北京 100081
针对逆向求解生物组织光学特性参数存在测量精度不高、在体测量困难等问题,提出了一种利用神经网络模型反演生物组织光学参数的方法,该方法以蒙特卡罗算法输出的不同检测距离r处的漫反射率R(r)作为输入,以吸收系数和散射系数作为输出。本文将神经网络算法反演的吸收系数、散射系数值与蒙特卡罗算法获得的吸收系数和散射系数值进行了对比。仿真实验表明:选择r=0.1 cm以及r=0.3 cm距离处的漫反射率作为输入,利用神经网络模型反演的吸收系数和散射系数的平均绝对误差分别为0.003和1.574,一致性决定系数R2分别为0.9997和0.9915。神经网络模型反演的生物组织参数与蒙特卡罗算法获得的吸收系数、散射系数具有较好的一致性,且反演精度高,操作简单,为生物组织光学参数的在体测量提供了新思路。
生物光学 组织光学特性 吸收系数 散射系数 神经网络 漫反射率 光学学报
2021, 41(11): 1117001
中国人民武装警察部队工程大学装备管理与保障学院，陕西 西安 710086
为了进一步定量分析激光对生物组织的物理剂量问题，为医疗、**等领域的相关研究提供理论依据，需要对生物组织光学特性参数进行准确的测量。为此，系统地综述了目前国内外测定生物组织光学特性参数的主流技术和方法，总结了各个方法的适用范围并将相关方法的优势与缺点进行了横向和纵向的对比分析。回顾了大多数仿真及实验的理论基础，同时对该领域的最新研究成果及应用进行了总结，便于研究者快速准确地追踪前沿。最后总结了目前该领域研究中所面临的主要问题并对今后的发展方向做出了一定的展望。
生物光学 组织光学 参数测量 积分球 （非）迭代法 逆蒙特卡罗模型 逆加倍法 激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0300004
天津大学精密仪器与光电子工程学院精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
高光谱成像方法可同时获取在体组织的二维图像与光谱信息,具有空间与光谱分辨率高、成像范围大、无损快速等优点,为在体诊断提供了丰富的信息。近年来,研究人员在成像方法、仪器与应用方面进行了大量研究,取得了长足进展。本文综述了高光谱在体组织成像方法及应用研究的主要进展,探讨高光谱成像分光方法、系统组成与特点。从光谱重构方法、组织光学参数测量、基于深度学习的图像处理方法等方面,介绍在体组织成像与成分检测方法的研究进展。同时,对高光谱成像在临床医学,如皮肤创伤与愈合过程检测,糖尿病足与视网膜疾病诊断,手术中检测及微循环功能评估等方面的应用进展进行了总结。
成像系统 高光谱成像 生物医学光子学 组织光学成像 激光与光电子学进展
2020, 57(8): 080002
天津大学理学院光电信息技术科学教育部重点实验室, 天津 300072
研究了光源附近微区的漫反射率R 与收集孔径 、约化散射系数μ's和散射相函数相关的参数γ之间的关系。根据不同的生物组织,选取不同的散射相函数,采用Monte Carlo 模拟方法得到了光子经生物组织后的漫反射率数据,用得到的数据来验证反射率R 与无量纲的约化散射系数μ's 之间的关系。结果表明:当μ's <2时,R 对散射相函数的变化是敏感的,且与μ's 呈线性关系,其斜率与γ呈二次函数关系。光源附近微区的漫反射率R 对γ的变化是敏感的,这为测量与生物组织微观结构相关的散射参数γ提供了一种较为简单的方法。
医用光学 组织光学 半经验模型 蒙特卡罗模拟 二阶光学参量 散射相函数 激光与光电子学进展
2019, 56(18): 181701
1 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, 福建 福州350007
2 中国人民解放军总医院激光医学科, 北京 100853
3 多伦多大学, 生物物理与成像研究部, 玛格丽特癌症研究所, 大学大道610, 多伦多M5G 2M9, 加拿大
光动力疗法(PDT)是一种联合利用治疗光源、光敏剂和氧分子, 选择性治疗恶性肿瘤和良性疾病的精准靶向疗法。光源作为PDT治疗的关键要素之一, 其发光波长、照光方式和剂量直接影响疗效。本文详细介绍了太阳光、近红外光、X射线、在体发光和发光二极管等5种PDT光源的研究新进展, 并分析了这五种治疗光源在生物组织穿透深度上的不同特性以及所存在的不足。随后, 重点讨论了以提高PDT治疗精度为目标的体表照光和体内照光等两种个性化照光模式。研发操作简便、价格低廉、性能优异的新型PDT光源是未来的发展方向。
光动力疗法 光源 组织光学 近红外光 X射线 发光二极管 photodynamic therapy light tissue optics near infrared light X-ray light emitting diode
西北大学 西安市影像组学与智能感知重点实验室, 西安 710127
契伦科夫荧光的宽谱特性带来的组织光学特性差异导致传统的光传输模型的简化球谐函数近似和扩散方程无法兼顾准确度和效率, 为了解决该问题, 采用基于自适应混合简化球谐波近似-扩散方程的光传输模型作为多光谱契伦科夫荧光断层成像的前向模型.该模型利用组织光学特性参数自适应地选择合适的方程描述光在生物组织中的传输, 充分发挥传统光传输模型各自的优势, 以提供准确性和效率之间的平衡.通过简单规则几何实验和数字鼠实验验证所提出模型的准确性和效率.实验结果表明, 与简化球谐近似模型相比, 所提模型具有相同的准确度和更少的计算时间, 与扩散方程模型相比具有更高的准确度, 与简化球谐波近似-扩散方程的简单组合模型相比具有更好的自适应能力, 适合作为多光谱契伦科夫荧光断层成像的光传输模型.
契伦科夫荧光断层成像 混合光传输模型 多光谱策略 组织光学 自适应 Cerenkov luminescence tomography Hybrid light transport model Multispectral strategy Tissue optics Adaptive 光子学报
2018, 47(11): 1111001
