作者单位
摘要
1 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
2 中国科学院深圳先进技术研究院生物医学光学与分子影像研究中心,深圳市分子影像学重点实验室,广东省生物医学光学影像技术重点实验室,中国科学院健康信息学重点实验室,广东 深圳 518055
3 北京理工大学长三角研究院(嘉兴),浙江 嘉兴 314019
光声分子影像技术在生物医学中具有广泛的应用。实现分子探针浓度的准确解析,对于相关疾病的研究具有重要意义。然而,活体探测时,来源于生物组织的信号与探针的信号混叠,增加了准确解析的难度。当前改善的方法:或需要使用多波长进行探测,导致解析速度慢而且过程复杂;或使用单波长的方法,但需要依托于一类特殊探针的开关功能,导致普适性不足。鉴于此,提出了一种基于Grüneisen弛豫非线性光声效应的单波长浓度解析方法,并分别对色素染料与罗丹明6G探针两类样品开展了解析实验。结果表明,本文提出的方法获得的解析结果比线性单波长方法的解析结果误差更小,并且具有较好的普适性,为光声分子影像的浓度解析方法提供了新的思路。
生物技术 光声效应 Grüneisen弛豫 浓度解析 分子影像 
光学学报
2023, 43(23): 2317001
Weitong Li 1,1,2Mengfei Du 1,1,2Yi Chen 1,1,2Haolin Wang 1,1,2[ ... ]Xin Cao 1,1,2,**
Author Affiliations
Abstract
1 School of Information Science and Technology, Northwest University, Xi’an, Shaanxi 710127, P. R. China
2 National and Local Joint Engineering Research Center for Cultural Heritage Digitization, Xi’an, Shaanxi 710127, P. R. China
Cerenkov Luminescence Tomography (CLT) is a novel and potential imaging modality which can display the three-dimensional distribution of radioactive probes. However, due to severe ill-posed inverse problem, obtaining accurate reconstruction results is still a challenge for traditional model-based methods. The recently emerged deep learning-based methods can directly learn the mapping relation between the surface photon intensity and the distribution of the radioactive source, which effectively improves the performance of CLT reconstruction. However, the previously proposed deep learning-based methods cannot work well when the order of input is disarranged. In this paper, a novel 3D graph convolution-based residual network, GCR-Net, is proposed, which can obtain a robust and accurate reconstruction result from the photon intensity of the surface. Additionally, it is proved that the network is insensitive to the order of input. The performance of this method was evaluated with numerical simulations and in vivo experiments. The results demonstrated that compared with the existing methods, the proposed method can achieve efficient and accurate reconstruction in localization and shape recovery by utilizing three-dimensional information.Cerenkov Luminescence Tomography (CLT) is a novel and potential imaging modality which can display the three-dimensional distribution of radioactive probes. However, due to severe ill-posed inverse problem, obtaining accurate reconstruction results is still a challenge for traditional model-based methods. The recently emerged deep learning-based methods can directly learn the mapping relation between the surface photon intensity and the distribution of the radioactive source, which effectively improves the performance of CLT reconstruction. However, the previously proposed deep learning-based methods cannot work well when the order of input is disarranged. In this paper, a novel 3D graph convolution-based residual network, GCR-Net, is proposed, which can obtain a robust and accurate reconstruction result from the photon intensity of the surface. Additionally, it is proved that the network is insensitive to the order of input. The performance of this method was evaluated with numerical simulations and in vivo experiments. The results demonstrated that compared with the existing methods, the proposed method can achieve efficient and accurate reconstruction in localization and shape recovery by utilizing three-dimensional information.
Cerenkov luminescence tomography optical molecular imaging optical tomography deep learning 3D graph convolution 
Journal of Innovative Optical Health Sciences
2023, 16(1): 2245002
穆根 1,2张振辉 1,2石玉娇 1,2,*
作者单位
摘要
1 华南师范大学生物光子学研究院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省激光生命科学重点实验室,广东 广州 510631

光声成像结合了光学成像的高对比度和超声成像的深穿透性优势,能够利用内源性、外源性造影剂对比显示组织的结构、功能、代谢特征和分子、动力学信息等,同时可以实现从细胞器、细胞、组织到器官的多尺度成像,在生物医学研究中发挥着越来越重要的作用。简要回顾了光声成像的基本原理,重点总结了光声计算断层成像(PACT)、光声显微成像(PAM)、光声内窥成像(PAE)和光声分子成像近年来的研究热点及技术进展,主要涉及成像探测方式的选择与改进、低成本激发光源的替代方案、图像重建算法的进步、系统成像速度和分辨率的提高以及分子探针的新兴设计策略等,最后展望了光声成像的应用前景。

生物光学 成像系统 光声成像 光声计算断层成像 光声显微成像 光声内窥成像 光声分子成像 
中国激光
2022, 49(20): 2007208
作者单位
摘要
福建医科大学孟超肝胆医院,福建 福州 350025
肿瘤是严重威胁人类健康和社会发展的重大公共卫生问题之一。针对肿瘤的治疗,外科手术切除仍是最普遍、最理想的策略。目前,外科医师在术中主要通过肉眼观察、超声等方法确定肿瘤边界、残余病灶以及微小转移病灶,然而,这些方式存在手术切缘肿瘤易残留、难以实时发现微小转移灶等问题,导致肿瘤术后复发、转移率高,严重影响病人的预后和远期生存。荧光手术导航的快速发展为解决这一问题提供了新的技术支撑。本文聚焦于荧光手术导航用荧光探针,重点对荧光手术导航系统和各类有机、无机近红外二区荧光分子探针进行系统阐述,分析其临床转化与应用面临的瓶颈问题,探讨可能的解决思路,以期为国内外相关领域的研究提供思路与参考。
生物医学 荧光手术导航 荧光探针 近红外二区 腹腔镜手术系统 分子影像探针 
中国激光
2022, 49(5): 0507102
作者单位
摘要
福建医科大学医学技术与工程学院,福建 福州 350004

光声成像技术是一种非入侵式和非电离式的新型生物医学成像方法,它有效结合了声学成像和光学成像的优势,可得到高分辨率和高对比度的生物组织结构及功能图像,为疾病的早期诊断及评估等提供重要依据。然而,任何单一的成像技术在具备其独特成像优点的同时都不可避免存在一定的局限性。将光声成像与其他成像技术如光学相干层析成像、超声成像等成像技术相结合形成多模态成像系统,可以实现各成像技术的优势互补,使其具有更好的成像深度和空间分辨率,提供更加全面的生物组织信息。多模态光声成像技术已经应用到了各种疾病的诊断与治疗中,其在眼科学中的应用潜力也正在被人们发掘,多模态光声眼部成像不仅可以提供眼部解剖学信息,而且可以提供一定的功能信息。在一些眼部疾病发生发展过程中会伴随着一些参数指标的改变,如血氧饱和度、氧代谢率、分子标志物等,通过实时定量测量眼内相关参数变化,可以早期精准监测和诊断眼部疾病。概述了多模态光声成像技术及其在眼科学中的应用研究进展情况,并尝试对其未来发展情况进行了探讨。

医用光学 光声成像 多模态 眼科学 分子成像 
激光与光电子学进展
2022, 59(6): 0617014
胡杰 1,2,3,*郭勇尉 1,2,3朱浩淼 1,2,3,**
作者单位
摘要
1 中国科学院福建物质结构研究所,中国科学院功能纳米结构设计与组装重点实验室,福建 福州 350002
2 中国科学院海西研究院厦门稀土材料研究中心,厦门市稀土光电功能材料重点实验室,福建 厦门 361021
3 福州大学化学学院,福建 福州 350108

近年来光学相干层析成像(OCT)作为“光学活检”手段在临床上得到了快速发展与应用。在与造影剂结合后,还可以获得分子活动信息。但是单一模式的OCT技术存在穿透深度低等不足,多模态成像技术可以弥补这一短板,同时还可以充分发挥OCT的技术优势,从多层面获取生物体的综合信息。综述了目前造影剂用于OCT与荧光成像、光声成像、磁共振成像耦合的多模态成像进展,以及多模态造影剂未来的发展趋势。

光学相干层析成像 造影剂 多模态成像 分子成像 
激光与光电子学进展
2022, 59(6): 0617008
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Molecular Vaccinology and Molecular, Diagnostics & Center for Molecular Imaging and Translational Medicine, School of Public Health, Xiamen University, Xiamen 361102, P. R. China
2 Department of Pharmacy, Xiamen Medical College, Xiamen, Fujian 361023, P. R. China
Noninvasive molecular imaging makes the observation and comprehensive understanding of complex biological processes possible. Photoacoustic imaging (PAI) is a fast evolving hybrid imaging technology enabling in vivo imaging with high sensitivity and spatial resolution in deep tissue. Among the various probes developed for PAI, genetically encoded reporters attracted increasing attention of researchers, which provide improved performance by acquiring images of a PAI reporter gene's expression driven by disease-specific enhancers/promoters. Here, we present a brief overview of recent studies about the existing photoacoustic reporter genes (RGs) for noninvasive molecular imaging, such as the pigment enzyme reporters, fluorescent proteins and chromoproteins, photoswitchable proteins, including their properties and potential applications in theranostics. Furthermore, the challenges that PAI RGs face when applied to the clinical studies are also examined.
Photoacoustic imaging reporter genes noninvasive molecular imaging genetically encoded probe theranostic application 
Journal of Innovative Optical Health Sciences
2020, 13(3): 2030005
龙晓云 1,2田超 1,2,*
作者单位
摘要
1 中国科学技术大学工程科学学院, 安徽 合肥 230026
2 精密科学仪器安徽普通高校重点实验室, 安徽 合肥 230026
光声成像兼具光学成像对比度高和超声成像在深层生物组织中分辨率高等优点,是近年来迅速发展起来的一种生物医学成像模态。光声显微成像(PAM)是光声成像的一种重要实现方式,利用其可以无创提供活体生物组织结构和功能信息的优点,研究人员已开展了临床前和临床应用研究。为了使不同领域的研究人员了解这一快速发展的成像技术,本文综述了光声显微成像的发展现状、最新技术和研究进展。文章首先介绍了PAM的基本原理和典型的系统实现,然后概述了包括空间分辨率、成像深度、扫描方式、信号探测手段和多模态成像等方面的重要研究进展,接着阐述了PAM在生物医学领域的应用现状,最后总结了其未来发展面临的挑战。
生物医学 光声成像 光声显微成像 多模态 结构成像 功能成像 分子成像 
中国激光
2020, 47(2): 0207016
作者单位
摘要
大连理工大学生物医学工程学院, 辽宁 大连 116024
生物发光断层成像(BLT)是一种非侵入、高灵敏度的光学分子影像技术,可以通过探测生物体表面的光信号重建出生物体内部光源的三维分布情况。由于光在组织中传播时,散射占据主导作用,导致BLT重建问题的病态性,给光源重建带来巨大的挑战。在BLT重建中,基于光源稀疏分布的特征,稀疏正则化方法相比于传统的L2范数正则化取得了显著进展。更进一步,由于生物发光光源的分布具有的空间聚集特征,利用该特征将有助于进一步提高BLT重建的准确性。相比于传统的针对求解域中所有未知量进行稀疏重建的算法,探索了利用块稀疏进行生物发光断层成像重建的可行性,首先通过对系统矩阵进行相关系数分析将求解域划分成一系列数据块,然后利用块稀疏贝叶斯算法对生物发光光源的分布进行三维重建。通过仿真实验与小鼠活体实验,并与传统稀疏重建算法L1-LS进行了比较,结果表明该方法可以有效缓解BLT重建问题的病态性,抑制噪声,并且可提高重建结果的准确性。
成像系统 光学分子影像 生物发光断层成像 块稀疏贝叶斯学习算法 重建问题 
光学学报
2019, 39(2): 0211005
Author Affiliations
Abstract
Ministry of Education Key Laboratory of Laser Life Science and Institute of Laser Life Science, College of Biophotonics, South China Normal University, Guangzhou 510631, P. R. China
Photoacoustic imaging (PAI) breaks through the optical diffusion limit by making use of the PA effect. By converting incident photons into ultrasonic waves, PAI combines high contrast of optical imaging and high spatial resolution in depth tissue of ultrasound imaging in a single imaging modality. This imaging modality has now shown potential for molecular imaging, which enables visualization of biological processes with systemically introduced functional nanoparticles. In the current review, the potentials of different optical nanoprobes as PAI contrast agents were elucidated and discussed.
Photoacoustic imaging optical nanoprobes molecular imaging 
Journal of Innovative Optical Health Sciences
2017, 10(4): 1730004

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