1 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004
2 桂林电子科技大学信息与通信学院，广西 桂林 541004
短磁聚焦脉冲展宽分幅相机是一种具有长漂移区的二维超快诊断设备。通常采用轴上和离轴的点空间分辨率对其近轴空间分辨能力和工作面积进行评估，但由于像场弯曲会引起高斯像面的空间分辨不均匀，因此难以评价相机的整体空间分辨能力，所以研究一种能量化空间分辨能力的方法具有重要意义。为探讨新方法，采用COMSOL软件建立模型，基于场曲特性重建三维成像曲面，采用标准差分析成像曲面与高斯像面之间的偏离程度，通过融合点空间分辨率和整体调制度构建高斯像面空间分辨率，并运用相对误差量化高斯像面空间分辨均匀性。研究结果显示，在组合磁透镜的孔距为200 mm、漏磁缝隙为10 mm、轴向宽度为100 mm、漂移区长度为400 mm、成像半径为21 mm、阴极为-3.75 kV的情况下，随着成像磁场变化，成像曲面与高斯像面之间的偏离程度，以及高斯像面空间分辨率均呈开口向上的抛物线形状，并在成像磁场为41.97 Gs（1 Gs=10-4 T）时，两像面偏离程度标准差达到最小，为2.82 mm，高斯像面空间分辨率提升至最优，为292.80 μm，表征空间均匀性的调制度差值降低至最小，为330%。本文研究为评估短磁聚焦脉冲展宽分幅相机的最优空间分辨性能提供了一种可量化的参考方法。
超快诊断技术 脉冲展宽分幅相机 短磁聚焦 高斯像面 空间分辨能力 激光与光电子学进展
2024, 61(8): 0811010
针对轨道扣件表面结构复杂导致的线结构光照射分布不均匀问题，研究了一种基于改进灰度重心法的光条中心线提取方法，精准重构了轨道扣件点云模型。基于点云模型提取了轨道扣件的结构特征信息，建立了轨道扣件缺陷检测组合分类器模型，实现了轨道扣件的弹条缺失、扣件歪斜、螺母缺失等缺陷检测。研究了基于表面法向量的螺母上平面解析方法，通过螺母松动测量实验实现了轨道扣件的松动检测。搭建了扣件故障诊断实验平台并开展了相关实验研究，实验结果表明，系统扣件故障检出率达到96%，扣件松紧度测量的总体误差低于0.2 mm，扣件故障诊断系统的检测效果和鲁棒性较好，对列车安全运行具有重要的现实意义。
测量 三维图像处理 轨道扣件 线结构光 中心线提取 故障诊断
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
荧光寿命显微成像（FLIM）已经广泛应用于生命科学研究领域，具有高灵敏和高特异性的特点，在对组织微环境进行定量表征方面具有独特优势，但由于成像速度相对较慢，限制了FLIM的活体应用。近年来，随着光电子器件和人工智能等技术的发展，开启了FLIM活体成像新篇章。介绍通过优化硬件和算法两方面提升时域和频域FLIM技术的成像速度，以及其在生物医学基础研究和临床疾病诊断中的应用研究进展。最后，对活体FLIM成像的未来发展进行展望。
荧光寿命显微成像 人工智能 活体成像 癌症诊断 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618005
桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004
基于磁聚焦成像的脉冲展宽分幅相机是具有超快时间分辨的诊断设备，空间电荷效应是制约其时空性能向更高量级提升的主要因素。为研究脉冲展宽分幅相机中的空间电荷效应，基于电子脉冲电势分布和电场力方程建立研究模型，将电子脉冲动态特性融入模型分析。研究结果显示，由成像磁场引起的电子脉冲动态半径对空间电荷效应时空弥散影响显著，当轴上磁场强度为4.585×10-3 T时，随着离轴位置增加至15 mm，磁场强度提高到4.763×10-3 T；由于离轴电子脉冲散焦使动态半径较大，因此在降低电子密度的同时，使空间电荷效应的时间弥散由2.94 ps减小至483 fs，空间弥散由668 μm减小至22 μm；当轴上磁场强度由4.585×10-3 T降低至3.359×10-3 T时，与最优空间分辨性能相似，空间电荷效应时空弥散在磁场3.4×10-3~3.5×10-3 T区域内达到最小，此时离轴15 mm内的时间弥散范围为256~392 fs，空间弥散范围为3.1~15.4 μm。研究结论为分析磁场对脉冲展宽分幅相机空间电荷效应的影响提供一定的理论参考。
超快光学 超快诊断技术 脉冲展宽分幅相机 空间电荷效应 成像磁场 时空弥散
山东中医药大学智能与信息工程学院，山东 济南 250355
甲状腺结节是成人临床最常见的结节性病变之一，发病率一直居高不下。甲状腺结节有良性和恶性之分，后者即为甲状腺癌，会造成患者呼吸吞吐困难甚至危及患者生命。因此，识别甲状腺结节的良恶性是诊断和治疗甲状腺结节的首要问题。深度学习能够自动提取结节特征，并完成甲状腺结节的良恶性初步分类。随着深度学习分类准确率的不断提高，目前它已成为甲状腺结节良恶性辅助诊断的重要手段。为更好地进行甲状腺结节良恶性分类辅助诊断研究，对常用的结节分类性能评价指标进行介绍；按卷积神经网络、Transformer、深度神经网络、生成对抗网络、迁移学习、集成学习以及基于深度学习的计算机辅助诊断系统进行分类，对它们在甲状腺结节良恶性分类中的应用进行阐述，并进行综合对比分析；总结了目前研究中存在的问题，并对未来的研究方向进行了展望。
甲状腺结节 良恶性分类 深度学习 图像处理 辅助诊断 激光与光电子学进展
2024, 61(8): 0800002
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Bio-Resource and Eco-Environment, Ministry of Education, College of Life Sciences, Sichuan University Chengdu 610064, Sichuan, P. R. China
2 Research Center of Analytical Instrumentation, School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610064, Sichuan, P. R. China
3 Key Laboratory of Green Chemistry & Technology of Ministry of Education, College of Chemistry, Sichuan University Chengdu 610064, Sichuan, P. R. China
4 State Key Laboratory of Membrane Biology, Beijing Advanced Innovation Center for Structural Biology, School of Life Sciences, Tsinghua University, Beijing 100084, P. R. China
Laser spectroscopic imaging techniques have received tremendous attention in the field of cancer diagnosis due to their high sensitivity, high temporal resolution, and short acquisition time. However, the limited tissue penetration of the laser is still a challenge for the in vivo diagnosis of deep-seated lesions. Nanomaterials have been universally integrated with spectroscopic imaging techniques for deeper cancer diagnosis in vivo. The components, morphology, and sizes of nanomaterials are delicately designed, which could realize cancer diagnosis in vivo or in situ. Considering the enhanced signal emitting from the nanomaterials, we emphasized their combination with spectroscopic imaging techniques for cancer diagnosis, like the surface-enhanced Raman scattering (SERS), photoacoustic, fluorescence, and laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). Applications of the above spectroscopic techniques offer new prospects for cancer diagnosis.
Laser spectroscopy tumor imaging tumor diagnosis nanomaterials Journal of Innovative Optical Health Sciences
2024, 17(1): 2330008
1 中国科学技术大学生物医学工程学院（苏州），生命科学与医学部，江苏 苏州 215163
2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏省医用光学重点实验室，江苏 苏州 215163
人类表皮生长因子受体-2（HER2）的异常扩增会导致癌细胞的过度增殖和肿瘤恶化。在采用常规光学显微成像技术检测扩增水平较高的乳腺癌细胞HER2基因时，荧光原位杂交探针的荧光信号斑点呈簇状分布，难以精确计数。应用结构光照明超分辨成像技术对HER2基因荧光原位杂交的病理切片进行成像，从而分辨距离较近的荧光探针。通过大视场扫描成像和图像拼接，对数百个细胞进行成像和统计分析，提高了高扩增水平病理切片上HER2探针计数的准确性。
乳腺癌病理诊断 荧光原位杂交 结构光照明超分辨成像 图像拼接 激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0411009
1 南开大学现代光学研究所，天津 300350
2 应用光学国家重点实验室，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
3 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室，天津 300350
4 汕头市中心医院乳腺疾病诊疗中心，广东 汕头 515041
5 汕头市中心医院临床医学研究中心，广东 汕头 515041
三次谐波源于强脉冲激光照射样品时产生的三倍频光响应，可对生物组织实现无标记、亚细胞量级分辨率、近乎实时的成像。通过与二次谐波信号和双/三光子荧光信号相结合，三次谐波显微成像可在肿瘤术中揭示肿瘤组织的典型病理特征信息，比如细胞增生与血管增生等，从而为医生判断肿瘤边界进而做出肿瘤组织彻底切除与否的决策提供实时帮助。本文阐述了三次谐波显微成像的基本原理，讨论了它在肿瘤术中诊断方面的应用，探讨了基于三次谐波的小型化便携术中诊断仪器，并总结了三次谐波内窥成像的发展现状，这些内容的讨论有望推动三次谐波成像技术的临床化。
医用光学 三次谐波成像 无标记成像 肿瘤诊断 小型化 内窥成像
Author Affiliations
Abstract
1 University of Warwick, Department of Physics, Coventry, United Kingdom
2 Warwick Medical School, University of Warwick, Coventry, United Kingdom
3 Institute of Applied and Translational Technologies in Surgery, University Hospitals Coventry and Warwickshire NHS Trust, Coventry, United Kingdom
This study introduces a handheld terahertz (THz) scanner designed to quantitatively evaluate human skin hydration levels and thickness. This device, through the incorporation of force sensors, demonstrates enhanced repeatability and accuracy over traditional fixed THz systems. The scanner was evaluated in the largest THz skin study to date, assessing 314 volunteers, successfully differentiating between individuals with dry skin and hydrated skin using a numerical stratified skin model. The scanner measures and displays skin hydration dynamics within a quarter of a second, indicating its potential for real-time, noninvasive examinations, opening up opportunities for in vivo and ex vivo diagnosis during patient consultations. Furthermore, the portability and ease of use of our scanner enable its widespread application for in vivo and ex vivo diagnosis during patient consultations, potentially allowing in situ biopsy evaluation and elimination of histopathology processing wait times, thereby improving patient outcomes by facilitating simultaneous tumor diagnosis and removal.
terahertz real time stratum corneum hydration in vivo diagnosis noninvasive examination Advanced Photonics Nexus
2024, 3(1): 016012
