奚邦朝 1,2,3,4杨佳羽 1,2,3,4黄绍磊 1,2,3,4戴皓正 1,2,3,4[ ... ]张东旭 1,2,3,4,*
1 厦门大学公共卫生学院，福建 厦门 361102
2 分子疫苗学和分子诊断学国家重点实验室（厦门大学），福建 厦门 361102
3 国家传染病诊断试剂与疫苗工程技术研究中心（厦门大学），福建 厦门 361102
4 国家药品监督管理局传染性疾病检测技术研究与评价重点实验室，福建 厦门 361102
随着医学检验对核酸检测技术要求的不断提高，现场检测（POCT）已经成为该领域的研究重点和难点。为了规避目前使用的POCT核酸检测仪器的缺点，构建了一种直轴型多通道光学检测系统，兼顾实现了多通道核酸实时荧光检测与即地即检。首先，基于正交式几何关系搭建了光路；然后，设计了一种新的直轴型多通道集成与切换装置以实现多个荧光检测通道的实时切换；最后，通过仿真验证了光路设计的有效性，并将本系统集成于自主设计的聚合酶链式反应装置上，以新型冠状病毒标准品进行了实时荧光检测实验。实验结果显示：本系统的变异系数最小可达0.02%；通道分辨率最低可达0.49 ，且没有通道串扰。同时，拥有良好的现场检测能力，可以配合仪器完成“样本进、结果出”的现场检测，为核酸POCT的多通道实时荧光检测提供了一种新思路。
医用光学与生物技术 核酸现场检测 光路设计 多通道光学检测 激光与光电子学进展
2023, 60(17): 1722001
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 133033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 温州医科大学眼视光学院，浙江 温州 325000
MicroRNA（miRNA）是癌症等重大疾病检测过程中一类非常重要的标志物。定量实时聚合酶链式反应由于逆转录限制主要存在扩增偏差大的问题，Northern印迹杂交存在灵敏度低的不足，下一代测序和单分子阵列技术兼有检测限低及灵敏度高的优势。然而，扩增偏差大或缺乏简化的工作流程不利于即时点对点医疗诊断、治疗以及预后。基于此，提出一种基于单分子检测原理的miRNA检测方法。首先，依据泊松分布，利用三明治夹心结构形成复合物，链霉亲和素-poly-HRP与酪胺-Alexa Fluor 488分子通过催化沉积的方式生成并放大信号；然后，运用纤维蛋白水凝胶而非微流控芯片固定复合物；最后，进行单分子计数处理，通过样点寻址、样点筛选、图像重合及信息提取等4个步骤识别并统计阳性点个数，从而实现miRNA超灵敏定量检测。以人类miR-21为检测对象，检测下限是6 fmol/L。该方法在体外诊断检测miRNA方面有较好的潜在应用价值。
医学光学与生物技术 miR-21 纤维蛋白水凝胶 数字分析 光学检测 光学学报
2023, 43(13): 1317001
1 太原理工大学物理与光电工程学院，山西 太原 030024
2 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室，山西 太原 030024
通过混沌相关光纤环衰荡传感系统实时监测氧化石墨烯沉积过程，并采用氧化石墨烯功能化锥形光纤作为传感元件对血红蛋白传感进行了实验研究。通过实时监测氧化石墨烯对锥形光纤功能化过程中衰荡时间的变化，分析了功能化过程中锥形光纤表面羟基化、硅烷化和氧化石墨烯沉积对光传输损耗的影响。通过扫描电子显微镜对氧化石墨烯功能化锥形光纤效果进行检测。研究了不同浓度的氧化石墨烯功能化锥形光纤作为传感元件时对血红蛋白传感灵敏度的影响，实验结果表明：与未功能化锥形光纤相比，使用氧化石墨烯功能化锥形光纤进行血红蛋白传感，灵敏度提高了一个数量级。在功能化过程中，氧化石墨烯浓度将影响功能化后锥形光纤的传感灵敏度，且随着浓度的增加传感灵敏度增强。该研究成果有望在生物传感领域得到应用。
医用光学与生物技术 锥形光纤 氧化石墨烯 光纤环衰荡 血红蛋白 传感 激光与光电子学进展
2023, 60(5): 0517001
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
为提高放疗的治疗精度，需要实时监测放疗中患者病灶区域的位移。针对放疗过程中患者体表被热塑膜遮挡的特点，通过标志物的材质、形状等设计，最大限度地减少热塑膜遮挡对标志物定位精度的影响。首先根据标志物的颜色特征分割出热塑膜遮挡下的标志物并用凸包算法计算标志物的外轮廓；其次采用改进的最小二乘椭圆拟合算法拟合标志物外轮廓上的点并定位标志物；最后，基于标志物的位置特征匹配标志物并计算患者的位移值。通过搭建模拟实验平台多次实验，验证了该方法测量患者位移的精度是0.2 mm，帧频可以达到30 Hz，可以满足放疗中位移监测的实时性和精度要求。
医用光学与生物技术 图像处理 位移监测 体外标志物 最小二乘椭圆拟合 精确放疗 激光与光电子学进展
2023, 60(2): 0217004
1 南昌航空大学航空制造工程学院，江西 南昌 330063
2 宿州学院化学化工学院，安徽 宿州 234099
3 江西洪都航空工业集团有限责任公司，江西 南昌 330024
基于金纳米颗粒薄膜基底和金纳米棒薄膜基底，使用表面增强拉曼光谱（SERS）技术对环丙沙星（CIP）的含量进行了分析检测，为食品中CIP残留检测提供了新方法。通过使用柠檬酸钠还原氯金酸制备金纳米颗粒胶体，以及通过晶种生长法制备金纳米棒胶体，以应用于SERS增强基底。通过不同激发光波长对CIP进行SERS检测，确定了最佳激光波长为780 nm。使用校正集CIP标准溶液，建立CIP浓度-SERS信号强度的工作曲线，使用检验集样本观察工作曲线的预测能力。结果表明：使用金纳米颗粒基底进行CIP的SERS检测，回收率在97.1%~105.0%；使用金纳米棒基底进行SERS检测，回收率在96.3%~121.8%。因此，SERS在检测CIP抗生素领域具有高灵敏度、快速检测等优势。
医用光学与生物技术 表面增强拉曼光谱 环丙沙星 金纳米颗粒 金纳米棒 激光与光电子学进展
2022, 59(23): 2317001
江西理工大学信息工程学院，江西 赣州 341000
图像配准广泛应用于图像引导的肺肿瘤放射治疗，但现有算法对形变较大的图像配准效果不佳。针对该问题提出一种算法利用多尺度并行下采样模块缩减图像大小，得到多尺度低分辨率特征图；并采用金字塔空洞卷积模块提取图像特征，以提高模型的感受野。该算法通过自适应通道注意力模块调整神经网络对不同形变特征的偏重，以解决模型偏重于较大形变而对小形变配准效果不佳的问题；同时在损失函数中加入平滑性约束来提高形变场的平滑性；并通过对训练样本数据扩增的方法提高算法模型的稳定性和泛化性。在DIR-lab、Creatis数据集测试中，提出算法的目标配准误差（TRE）分别为1.71、1.50 mm，而全卷积神经网络（FCN）算法的一次迭代TRE分别为2.83、2.01 mm，实验结果表明提出算法的TRE明显小于FCN算法，且其泛化性和稳定性也较好。
医用光学与生物技术 计算机断层扫描图像配准 通道注意力 非刚性配准 多尺度 空洞卷积 激光与光电子学进展
2022, 59(16): 1617004
1 中南大学自动化学院，湖南 长沙 410083
2 湖南省高强度紧固件智能制造工程技术研究中心，湖南 常德 415701
肝脏分割是计算机辅助肝脏疾病诊断、治疗和手术的重要步骤，提出一种基于空间模糊C均值和图割的CT图像肝脏分割方法。首先，为去除毗邻器官和组织对肝脏分割的影响，采用阈值、投影和三维区域生长法从原始CT图像中去除脊柱、肋骨，接着采用K-means聚类和二值形态学重建方法去除右肾。然后，采用空间模糊C均值从初始切片中分割肝脏，再结合CT切片的空间、形状和灰度特性运用图割算法迭代分割剩余切片。最后，根据形态学操作和解剖学知识去除肝脏分割结果中的下腔静脉区域。实验结果证明，与其他同类方法相比该方法可获得更好的分割效果。
医用光学与生物技术 图割 肝脏分割 空间模糊C均值 先验知识 激光与光电子学进展
2022, 59(12): 1217002
1 吉林大学化学学院超分子结构与材料国家重点实验室，吉林 长春 130012
2 吉林大学药学院，吉林 长春 130021
3 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室，吉林 长春 130033
4 吉林大学物理学院，吉林 长春 130012
5 吉林大学化学学院理论化学研究所，吉林 长春 130012
基于双输出皮秒脉冲激光器和激光扫描显微镜平台，构建了一套可实现双光子和多种四波混频（FWM）效应的多模式成像系统，可实现光谱采集和良好的成像功能。等离激元材料可以提高FWM信号，在FWM成像下具有超高的成像对比度。以5 nm金纳米粒子作为成像探针，利用等离激元增强FWM成像追踪了其在小鼠肝脏和肾脏组织内的代谢残留。该研究为体内蛋白类药物的代谢评价应用提供可能。
激光与光电子学进展
2022, 59(6): 0617024
1 中国科学技术大学物理学院，安徽 合肥 230026
2 南京航空航天大学自动化学院，江苏 南京 211106
3 中国科学技术大学工程学院，安徽 合肥 230026
4 精密科学仪器安徽普通高校重点实验室，安徽 合肥 230026
在光声断层成像中，通常利用超声换能器阵列接收光声信号，其制造成本较高，并且阵元数量对最终成像质量有重要影响。为了提升稀疏视角下光声重建的图像质量，提出了一种基于改进的U-Net神经网络结构的稀疏视角光声图像质量增强方法，该方法采用的改进的U-Net网络的特点在于通过添加连续卷积层替换跳接层，提升编码器和解码器拼接特征的匹配度；同时利用了基于多尺度结构相似性指数的损失函数对网络进行训练。基于仿体数据集和活体数据集的实验结果表明，改进的U-Net网络具有很好的图像细节重建能力，其所得的重建图像质量优于经典的U-Net网络。
激光与光电子学进展
2022, 59(6): 0617022
深圳大学物理与光电工程学院教育部/广东省光电子器件与系统重点实验室，广东 深圳 518060
贝塞尔光束具有无衍射、自重建等特性，在光镊、生物成像等领域具有重要的应用价值。基于角谱理论，分析了贝塞尔光束被障碍物遮挡后的自重建行为，提出利用互相关系数来表征贝塞尔重建光束和原光束截面光强分布的相似性，从而在理论模拟中确定恢复距离，并得到障碍物不同参数对贝塞尔光束自重建的影响。理论模拟结果表明，恢复距离和障碍物大小并非简单的线性关系，障碍物只有在阻挡更多的光束旁瓣时，恢复距离才会增加，而且离轴障碍物比轴上障碍物需要更长的恢复距离；对于轴上障碍物而言，当其尺寸小于高阶贝塞尔光束的中空区域时，高阶贝塞尔光束有着更强的自愈能力。同时进行了实验验证，利用空间光调制器产生可调控的贝塞尔光束用于验证仿真结果，实验结果与仿真结果吻合，说明基于角谱理论的互相关系数法可以用于精准验证贝塞尔光束的自重建特性。
激光与光电子学进展
2022, 59(6): 0617021
