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
深圳大学物理与光电工程学院，光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室，广东 深圳 518060
高时空分辨可视化技术是脑科学研究的重要工具。荧光显微成像技术在特异性、多样性、图像对比度和时空分辨率等方面具有显著优势，但由于光在组织中的穿透深度有限，无创的荧光成像难以在活体水平获取深层脑区神经血管单元的高分辨结构和功能信息。因此，在脑科学研究中，荧光内窥显微成像技术受到越来越多研究者的青睐。得益于相关科学技术的发展，内窥镜探头在保持高性能的同时，实现了小型化并提供了更大的灵活性，可以植入活体大脑的不同深度处，开展特定深层脑区的功能调控研究。本综述介绍了基于梯度折射率透镜和单根多模光纤这两种探头的植入式荧光内窥显微成像技术及其发展和迭代进程，概述了它们在高分辨活体脑成像研究中的应用，以及在临床神经外科手术中的初步探索性应用。最后，展望了荧光内窥脑成像技术未来的发展前景。
显微 荧光内窥显微成像 活体脑成像 梯度折射率透镜 多模光纤
1 广西大学 物理科学与工程技术学院和脑与智能研究中心, 广西 南宁 530004
2 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所, 江苏 苏州 215163
双光子显微镜在厚生物组织中依然可以保持良好的空间分辨率，这一优点使得其诞生不久就被应用于在体脑成像研究。而神经网络在时空多个维度均具有跨尺度的特点，为满足脑科学研究中在体跨尺度脑成像的需求，双光子显微镜近年来有了快速且显著的发展。本文首先介绍了双光子显微镜的工作原理，然后在成像视野、成像通量、成像深度、分辨率、微型化5个方面详细综述了双光子显微镜研究的新进展，并深入分析了跨尺度双光子在体显微成像技术的难点及未来挑战。
在体脑成像 跨尺度 双光子显微镜 in-vivo brain imaging cross-scale two-photon microscopy
1 华南师范大学 激光生命科学教育部重点实验室，广东 广州 510631
2 华南师范大学 生物光子学研究院，广东 广州 510631
基于激光诱导超声机制的光声成像技术结合了光学成像的高对比度和超声成像的深穿透性，能无标记、非侵入反映生命体内源性吸收物质的分布，适合啮齿类动物模型全脑的即时成像。为了证明光声技术在脑科学研究和脑疾病监测中的应用，搭建了光声显微成像系统，其空间分辨率可达几十微米，有效成像深度可达1 mm以上，并以APP/PS1转基因阿尔茨海默症（Alzheimer’s disease, AD）模型小鼠和野生型WT小鼠为研究对象，从脑组织切片、离体全脑和活体全脑三个层面探究了光声成像在表征AD鼠和WT鼠脑结构变化和血管网络的能力，证明了光声技术在研究脑疾病发展过程中监控脑结构变化和脑血管网络特征的巨大潜力，可以为诸多脑科学研究和神经退行性疾病发展机制提供更深入的见解。
光声成像 脑成像 阿尔茨海默症 光声血管成像 photoacoustic imaging brain imaging Alzheimer's disease photoacoustic angiography 红外与激光工程
2022, 51(11): 20220541
超分辨显微成像技术是生物医学领域的重要成像工具，它通过突破光学衍射的极限，以纳米级尺度解析大脑神经元的结构，其在活体大脑成像中的应用对于神经科学的发展具有重要影响。由于组织光散射、生物相容性、成像系统兼容性等因素，超分辨显微成像技术在活体大脑成像的深度、速度、时间等方面都受到限制。基于传统的双光子显微成像策略，本文介绍了目前应用于活体大脑成像的受激发射损耗显微成像和结构光照明显微成像的研究进展，分析了它们存在的困难和挑战，最后总结了应对挑战的思路并对未来的发展进行了展望。
中国激光
2022, 49(20): 2007301
1 厦门大学公共卫生学院分子影像暨转化医学研究中心, 福建 厦门 361102
2 厦门大学公共卫生学院分子疫苗学和分子诊断学国家重点实验室, 福建 厦门 361102
3 厦门大学医学院, 福建 厦门 361102
随着激光技术、计算机技术与图像处理分析技术的飞速发展, 单一模态的医学影像技术正向一体化、多模态及跨尺度影像技术进行革命性转变。多模态影像技术不仅可以实现对同一生物体进行多角度、多参数及分子层面的结构与功能综合特征信息的提取, 而且可以弥补单一模式存在的局限性与不足, 从而提高疾病早期检测的准确性, 为患者提供更加经济合理、精准有效的诊疗方案, 对提高人们的生活质量具有非常重要的临床意义。本文重点阐述目前光声/超声双模态成像技术在生物医学以及脑相关疾病中的应用及新进展, 系统讨论了该双模态融合技术在未来生物医学领域中的发展前景。
光声/超声双模态成像 多模态成像 生物医学 脑成像 photoacoustic/ultrasound bimodal imaging multimode imaging biomedicine brain imaging
Author Affiliations
Abstract
1 School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, P. R. China
2 Britton Chance Center for Biomedical Photonics, Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, P. R. China
We present a three-dimensional (3D) isotropic imaging of mouse brain using light-sheet fluorescent microscopy (LSFM) in conjunction with a multi-view imaging computation. Unlike common single view LSFM is used for mouse brain imaging, the brain tissue is 3D imaged under eight views in our study, by a home-built selective plane illumination microscopy (SPIM). An output image containing complete structural information as well as significantly improved resolution (～4 times) are then computed based on these eight views of data, using a bead-guided multi-view registration and deconvolution. With superior imaging quality, the astrocyte and pyramidal neurons together with their subcellular nerve fibers can be clearly visualized and segmented. With further including other computational methods, this study can be potentially scaled up to map the connectome of whole mouse brain with a simple light-sheet microscope.
Light sheet fluorescent microscopy multi-view deconvolution mouse brain imaging isotropic. Journal of Innovative Optical Health Sciences
2017, 10(5): 1743006
1 伊犁师范学院电子与信息工程学院, 新疆 伊宁 835000
2 南京大学电子科学与工程学院, 江苏 南京 210046
近红外光谱的 650～1000 nm是大脑成像的“光学窗口”, 功能近红外光谱技术对大脑成像具有非侵入、无需注射造影剂、成本低和方便等优点, 被应用于脑成像。概述了近红外光谱在大脑成像中的原理、方法及发展, 总结分析了功能近红外光谱技术对大脑探测在提高系统分辨率方法的 3个主要阶段, 提出了存在的问题和发展前景。
功能近红外光谱 大脑成像 多通道探测 高密度探测 functional near infrared spectroscopy brain imaging multi-channel detection high density detection
美国宾夕法尼亚大学物质结构研究实验室, 费城 PA-19104, 美国
在乳腺癌成像、大脑的功能激活及临床研究、癌症治疗监测和肌肉疾病的研究等各种医疗解决方案中,功能性扩散光学成像和组织的光谱学技术逐渐成为一种重要的诊断方法。在简要介绍扩散光学的概念后,回顾了实验室多项近期的临床研究,特别是那些针对乳腺癌和脑功能的研究。乳腺癌研究的核心在于试点性的临床试验,目前已经进展到了对扩散光的定量评估,以用于肿瘤的检测和表征,也有助于癌症治疗检测等衍生问题的解决。扩散光学方法的第二个重要应用是在脑功能和生理学研究领域,这个领域中,组织氧消耗、维管联结和调节效应之间的相互作用甚少为人所知。这一方法在脑研究中的应用将会以多个示例介绍,包括临床上对急性缺血性脑卒中病人的看护等。
近红外光学成像 大脑成像 扩散光学断层成像 乳腺癌症检测 荧光分子断层成像 near-infrared imaging brain imaging diffuse optical tomography breast cancer detection fluorescence molecular tomography
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Biomedical Engineering Tufts University, Medford, MA 02155, USA
2 Department of Computer Science Tufts University, Medford, MA 02155, USA
We have applied functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) to the human forehead to distinguish different levels of mental workload on the basis of hemodynamic changes occurring in the prefrontal cortex. We report data on 3 subjects from a protocol involving 3 mental workload levels based on to working memory tasks. To quantify the potential of fNIRS for mental workload discrimination, we have applied a 3-nearest neighbor classification algorithm based on the amplitude of oxyhemoglobin (HbO2) and deoxyhemoglobin (HbR) concentration changes associated with the working memory tasks. We have found classification success rates in the range of 44%–72%, which are significantly higher than the corresponding chance level (for random data) of 19.1%. This work shows the potential of fNIRS for mental workload classification, especially when more parameters (rather than just the amplitude of concentration changes used here) and more sophisticated classification algorithms (rather than the simple 3-nearest neighbor algorithm used here) are considered and optimized for this application.
Diffuse optical imaging near-infrared spectroscopy functional brain imaging working memory mental workload Journal of Innovative Optical Health Sciences
2008, 1(2): 227–237
