南京航空航天大学自动化学院生物医学工程系，江苏 南京 211106
近年来，乳腺癌已成为威胁女性健康的头号恶性肿瘤，对其实现快速精准的筛查和诊断变得尤为重要。针对现有临床病理学检查需要染色突显细胞形态并依赖医生主观经验判断的局限性，立足于明场显微成像和偏振显微成像构建多模态显微成像技术，获取正常与癌变乳腺组织未染色冰冻切片的形态结构及其异质性信息并对之进行分析和诊断研究。首先对正常与癌变组织切片进行多角度正交偏振成像、明场显微成像并分析图像差异性；然后实施像素级图像融合；接着利用卷积神经网络模型，对多模态融合图像进行深度学习的特征提取与分类，有效提升准确率(0.8727)和受试者特征曲线下面积(AUC，0.9400)等参数，进而实现精准的乳腺癌智能诊断。该技术有助于医生进行快速准确的临床诊断，为实施乳腺癌术中快检以辅助精准手术治疗提供有效的技术手段，具有突出的临床潜力和应用前景。
中国激光
2022, 49(24): 2407102
南京航空航天大学自动化学院生物医学工程系, 江苏 南京 211106
传统荧光显微成像技术以荧光强度为成像对比度,在获取生物分子位置和浓度信息中具有重要作用,为分子层面的生物医学研究提供了成像工具。而偏振作为荧光的另一重要特性,可以在另一维度提供分子的方向和结构信息,已被广泛应用于荧光偏振显微成像技术中。除此之外,荧光偏振调制也可以通过增强荧光图像稀疏性进而增强图像对比度来获取超分辨尺度的生物分子的位置和方向信息。从物理基础、技术原理、基本实现装置和生物应用等方面,总结了基于荧光偏振特性的不同荧光偏振调制成像技术在分子方向结构成像、超分辨显微成像以及二者的结合方面的发展概况,并对该技术未来的发展方向进行了展望。
荧光偏振显微成像 偏振调制 超分辨显微 线性二向色性 荧光各向异性 激光与光电子学进展
2021, 58(24): 2400006
南京航空航天大学自动化学院生物医学工程系, 江苏 南京 211106
骨关节炎是一种威胁中老年人群公共健康和生活质量的重大医学疾病。 骨关节炎的早期病变主要表现在细胞外基质成分含量的变化, 患者自身很难发现, 现有的临床方法和实验方法也不能较准确地识别骨关节炎的早期病变。 近年来, 傅里叶变换近红外(FTNIR)光谱技术因为其分析速度快、 成本低、 易于穿透组织获得样本的光谱信息等特点已被用于手术导航、 无损检测和疾病诊断等各个领域。 基于以上优势, 采用FTNIR技术对不同深度分区(表层区、 过渡区、 深层区)的健康和骨关节炎的关节软骨进行NIR光谱采集和预处理, 结合主成分分析(PCA)和Fisher判别(FDA)分别研究不同的预处理方式对判别结果的影响、 不同深度下基质成分含量的变化以及骨关节炎分期识别。 比较其他2种(基线校正、 二阶导数3次多项式25点Savitzky-Golay平滑)预处理方式, 同分区中一阶导数2次多项式21点Savitzky-Golay平滑预处理的判别结果最优, 其中表层区的识别率高达95%(初始案例)和90%(交互验证案例); 表层区的判别结果优于过渡区, 更优于深层区, 恰可证明骨关节炎的早期病变主要发生在表层区。 在骨关节炎分期识别中, 经数据优化后模型的初始案例识别率为100%, 交互验证识别率为93.3%, 预测集的识别率为87.5%。 结果表明: NIR光谱的一阶导数预处理结合PCA-FDA方法能有效地鉴别关节软骨病变与否并进行骨关节炎的分期诊断, 对骨关节炎监测和早期诊断研究具有重要意义, 并有潜力应用于骨关节炎的原位分期和早期临床诊断。
骨关节炎 NIR光谱 导数预处理 主成分分析 Fisher 判别 分期诊断 Osteoarthritis NIR spectra Derivative preprocessing Principal component analysis Fisher discrimination Stage diagnosis 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2770
南京航空航天大学生物医学工程系, 江苏 南京 210016
骨关节炎是由多种因素引起的慢性退行性关节疾病, 严重影响患者的肢体功能和日常生活, 是影响人类健康最常见的关节疾患之一。 当骨关节炎发展到一定程度时, 形成不可逆疾病。 因此, 骨关节炎的及时检测和诊断是至关重要的。 拉曼光谱在分子水平上显示出微创、 无标记和客观诊断的潜力, 因此越来越多的被用于骨关节炎的研究。 在目前本领域流行研究的基础上综述了拉曼光谱在关节软骨和骨关节炎研究中的创新性研究成果和进展, 并简要分析了目前国内外拉曼光谱技术应用的部分局限性以及未来的发展方向。 全文所述分别基于不同拉曼测量模式即宏观拉曼、 显微拉曼、 光纤拉曼三种拉曼光谱技术, 检测在骨关节炎发展中关节软骨等组织中的细胞外基质、 细胞周围基质、 以及软骨细胞中蛋白质、 脂质、 核酸成分等的变化, 甚至关联的软骨下骨和滑液的主要成分变化及其对应的部分骨关节炎特征或生理功能的变化。 该综述表明拉曼光谱检测骨关节炎组织成分变化的有效性和可行性, 可为骨关节炎的后续研究提供参考。 另一方面, 拉曼光谱技术诸多的检测和诊断优势, 特别是不受水影响的特征, 使其非常有潜力发展为本领域临床早期诊断和康复监测的有力的分子光谱技术和临床工具。
拉曼光谱 骨关节炎 关节软骨 Raman spectroscopy Osteoarthritis Articular cartilage 光谱学与光谱分析
2020, 40(7): 2029
不同的生物样本和切片,在进行拉曼探测时,会因为聚焦位置的差异及系统自身的原因导致同一光谱多次检测得到的信号强度不同,难以作定量分析。因此,需要找到一种可行性强的内标或外标的方法,从而有利于比较分析不同强度的拉曼带,实现定量检测。本文以犬类髋关节软骨切片为例,在偏振与非偏振情况下,研究标准正态变换(SNV)及多元散射校正(MSC)等常用方法对拉曼光谱的处理效果,并探究伊红染色剂(Eosin)作为一种新的内标的实际使用效果。结果发现:在非偏振条件下,MSC处理效果更理想；在偏振条件下,以伊红的特征峰1501 cm-1作为拉曼内标效果更理想。本研究证明了伊红的拉曼光谱不具有各向异性,有利于实现生物组织偏振拉曼光谱测量的归一化,且操作简单,结果更可靠。本文的结果为生物样本的拉曼光谱定量分析提供了一种可行的新方法。
定量分析 拉曼光谱 伊红染色剂 软骨 Quantitative analysis Raman spectroscopy Eosin MSC MSC SNV SNV Cartilage
南京航空航天大学生物医学工程系, 江苏 南京 211106
在生物医学领域,拉曼光谱学越来越多地应用于目标样本或组织的在体原位无损探测。拉曼探头作为重要的拉曼检测部件,正朝着多样化和功能化方向发展。拉曼信号本身极其微弱,且易被其他噪声信号干扰,因此拉曼探头的设计生产要求极高。对现有拉曼探头的设计及构造进行了深入介绍,包括光纤选择、探头顶端设计、过滤膜/片添加和探头后端优化等;综述了拉曼探头技术在生物医学领域的拓展和应用。其中,拉曼与其他光谱或成像模式结合的探头应用,给生物医学及临床探测等领域带来了新的活力和广阔的应用前景。
医用光学与生物光学 拉曼探头 生物医学 激光与光电子学进展
2019, 56(11): 110005
南京航空航天大学生物医学工程系， 江苏 南京 210016
为探讨原位条件下关节软骨及下骨组织成分含量变化等深层次微观信息， 采用拉曼光谱技术结合组织光透明技术来研究软骨组织的光透明效果。 选用甘油、 碘海醇作为光透明剂， 对在不同光透明剂浓度和浸渍时间下的犬膝关节股骨端软骨样本进行拉曼光谱采集。 通过计算磷酸基团(920~960 cm-1 ) 和酰胺Ⅰ带(1 595~1 700 cm-1)的积分强度， 获得拉曼强度比（磷酸基团/酰胺Ⅰ）， 探索在不同浸渍时间（10~60 min）、 不同浓度下（甘油40%， 60%， 80%和100%， 碘海醇50， 150， 250和350 mg·mL-1）组织光透明的规律， 即寻找合适的透明浓度和透明时间。 结果显示： 相比于无透明剂情形， 两种透明剂均使该强度比信号增强。 在同一时间范围内， 甘油和碘海醇分别在60%和150 mg·mL-1 浓度下能获得较好的透明效果； 而在不同浓度下， 甘油的透明效果均在20 min最强， 而碘海醇的透明效果一般是在50 min后开始增强。 在光透明剂的作用下激发光透过软骨可以直接探测到软骨下骨的拉曼光谱信息， 这为研究骨关节炎深层次病因提供了方法和思路。
拉曼光谱 光透明 关节软骨 软骨下骨 Raman spectroscopy Optical clearing Articular cartilage Subchondral bone 光谱学与光谱分析
2018, 38(8): 2425
1 南京航空航天大学生物医学工程系, 江苏 南京 210016
2 淮海工学院, 江苏 连云港 222005
搭建了可用于生物医学检测的小型近红外拉曼光谱仪。 通过理论计算, 几何光路设计, 完成了系统组装。 有别于传统反射式准直结构: (1)本光谱仪色散系统采用透射式准直的方法, 将散射光投射到光栅上进行色散； (2)经二向色镜分光, 采用物镜对入射光会聚和散射光收集, 设计了与色散系统入射狭缝相匹配(共焦面)的外光路系统, 进而有效收集拉曼信号和去除杂散光； (3)实现了高分辨率(3 cm-1)、 高重复性和高灵敏度光谱检测, 检测范围500~2 200 cm-1(785 nm激发)； (4)小型化设计, 整个系统尺寸约240 mm×200 mm×130 mm, 自由度高。 将此自开发小型拉曼光谱仪应用于葡萄糖和膝关节软骨的拉曼光谱测试, 获得了与大型商业拉曼光谱仪相媲美的结果, 验证了该光谱仪具有高分辨率, 高重复性和高灵敏度的优越性能, 可灵活地应用于生物医学等多领域的研究。
小型近红外拉曼光谱仪 生物医学 透射式准直 二向色镜 Small NIR-Raman spectrometer Biomedical Transmission-based collimating Dichroic 光谱学与光谱分析
2018, 38(6): 1933
南京航空航天大学生物医学工程系, 江苏 南京 211106
为提高偏振荧光图像序列的获取速度,提出利用电光调制器对激发光的偏振方向进行控制并配合相机记录偏振荧光图像的高速偏振荧光显微系统。对激发光路的偏振畸变进行测量和有效补偿,以确保样本平面激发光偏振方向的精确控制。利用巨型单层囊泡样本对实验系统进行测试,结果表明该系统能够以近视频帧率对分子方向信息进行成像,具备监测动态样本分子方向信息的能力。
显微 偏振荧光显微 电光调制器 生物分子方向 偏振畸变 光学学报
2017, 37(11): 1118001
