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
西南石油大学 新能源与材料学院, 成都 610500
化学动力学疗法(CDT)利用肿瘤细胞内源性H2O2与芬顿催化剂反应生成高毒性的羟基自由基(•OH), 从而杀死肿瘤细胞, 但内源性H2O2不足和纳米粒子转运效率较低导致抗癌效果不理想。本研究制备了一种分散性良好、尺寸较小的铜掺杂介孔二氧化硅(Cu-MSN), 负载化疗药物阿霉素(DOX)和抗坏血酸盐(AA)后, 表面经叶酸(FA)和二甲基马来酸酐(DMMA)改性的壳聚糖(FA-CS-DMMA)以及羧甲基壳聚糖(CMC)包裹, 得到pH响应型靶向纳米催化剂FA-CS-DMMA/CMC@Cu-MSN@DOX/AA(缩写为FCDC@Cu-MSN@DA)。扫描电镜显示纳米粒子FCDC@Cu-MSN@DA粒径约为100 nm。体外48 h内Cu2+释放量可达80%, 药物DOX释放达到57.3%。释放的AA经自氧化后产生H2O2, 诱导Cu2+发生类芬顿反应, 从而增强CDT。细胞实验证明, FCDC@Cu-MSN@DA联合化疗药物表现出优异的抗肿瘤活性, 说明该多功能纳米催化剂在癌症治疗中具有潜在应用前景。
癌症治疗 铜离子 过氧化氢 纳米催化剂 化学动力学疗法 tumor therapy copper iron hydrogen peroxide nanocatalyst chemodynamic therapy
1 广东医科大学 生物医学工程学院, 广东 东莞 523808
2 广东外语外贸大学, 广东 广州 510420
3 广东省人民医院, 广东 广州 510080
4 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
光散射光谱(Light Scattering Spectroscopy, LSS)是一种可以实时、无创地对细胞核以及细胞器结构进行探测的光谱技术, 并且能够在细胞和亚细胞尺度上获得生物组织的结构特征。LSS将微小粒子的光散射特性与它们的大小、折射率和形状联系了起来。生物组织具有结构特异性, 当被光照射时会产生不同角度和偏振特性的散射光, 因此可以获得有关组织宏观和微观的结构信息。这项技术在相关领域得到了深入的研究, 并被扩展到癌细胞的检测。本文首先对LSS技术的基本原理进行了介绍, 然后详细阐述了该技术在早期癌症诊断中的研究和应用, 最后, 我们总结了LSS技术的优势并对其未来的发展进行了展望。
光散射 癌症 光学诊断技术 light scattering cancer optical diagnostic technique
1 延边大学融合学院生物功能分子学, 吉林 延吉 133002
2 延边大学理学院化学系, 吉林 延吉 133002
3 延边大学化学国家级实验教学示范中心, 吉林 延吉 133002
空心硅酸锰纳米材料是一种新型无机材料, 其形貌主要包括空心纳米球、纳米颗粒、核壳结构等。其中空心硅酸锰纳米材料具有高比表面积、大孔容、可调的孔尺寸等特性, 同时具有良好的生物相容性和可降解性, 已被应用于生物、医药等领域。综述了空心硅酸锰及其复合纳米材料的合成方法, 主要包括水热法和沉淀法, 并对所合成的材料形貌和尺寸进行了总结, 介绍了其在癌症诊断、癌症治疗以及癌症的联合诊疗等方面的应用, 对今后硅酸锰纳米材料的研究重点和发展方向进行了展望。
空心硅酸锰 合成 磁共振成像 癌症诊断 癌症治疗 hollow manganese silicate synthesis magnetic resonance imaging cancer diagnosis cancer treatment
1 1.广西大学 化学化工学院, 南宁 530004
2 2.广西大学 物理科学与工程技术学院 纳米能源研究中心, 南宁 530004
3 3.中国科学院 北京纳米能源与系统研究所, 北京 101400
4 4.中国科学院大学 纳米科学与技术学院, 北京 100049
随着纳米医学的发展, 利用纳米材料在外源超声波的刺激下催化产生过量的活性氧物种(Reactive Oxygen Species, ROS)以治疗疾病的方法, 被称为声动力疗法(Sonodynamic Therapy, SDT), 已引起人们的广泛关注。目前, 开发可用于SDT的高效声敏剂用于提高ROS产率, 仍然是当前研究和未来临床转化的最大挑战之一。近年来, 得益于压电电子学和压电光电子学的兴起, 基于压电半导体纳米材料的新型声敏剂在SDT中崭露头角, 显示出良好的应用前景。本文从压电半导体的结构出发, 介绍了压电半导体纳米材料应用于SDT的机理研究, 以及利用压电半导体纳米材料作为声敏剂在声动力学癌症治疗及相关抗菌性能方面所取得的研究进展。最后, 本文对该领域存在的问题以及未来的发展趋势进行了展望。
压电半导体 压电效应 压电光电子学 声动力疗法 癌症 综述 piezoelectric semiconductor piezoelectric effect piezophototronics sonodynamic therapy cancer review
1 西安电子科技大学光电工程学院，陕西 西安 710071
2 中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术重点实验室，陕西 西安 710119
3 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
高光谱显微成像(HMI)是一种新型无损光学诊断技术，其光谱数据能够反映样本的内部微环境变化，图像数据可以反映样本空间结构信息，因此可以作为癌症诊断工具，在未来具有广阔的应用前景。但HMI数据量大且数据结构复杂，将其应用于癌症诊断领域需要进行系统详细的数据解译。设计并搭建了一套推扫式HMI系统，并编写了系统控制、数据采集和数据分析软件，可提供多种基于机器学习的数据处理方法。基于MATLAB编制了具有图形化用户界面的HMI数据采集和数据分析软件，该软件可给出分析结果，为医生病理诊断提供了便利。利用该系统和软件进行皮肤癌的分类与分期研究，验证了系统的性能。HMI系统的光谱范围为465.5～905.1 nm，光谱分辨率约为3 nm，视场尺寸为400.18 μm×192.47 μm，放大倍率为28.15，实际分辨率范围为1.10～1.38 μm。分别采集基底细胞癌、鳞状细胞癌和恶性黑色素瘤组织的HMI数据，利用图像数据实现了三种皮肤癌的分类，准确率为85%；利用光谱数据实现了鳞状细胞癌的分期鉴别，准确率达到96.4%。
医用光学 高光谱显微成像 皮肤癌 图形用户界面 癌症诊断 中国激光
2022, 49(20): 2007105
1 山西医科大学第一医院核医学科, 分子影像精准诊疗协同创新中心山西 太原 030001
2 山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室, 激光光谱研究所山西 太原 030006
生命科学的发展一直伴随着显微技术的创新。基于超快光学的单分子相干调制显微成像技术在量子力学的理论基础上, 通过结合超快光学和显微技术使观测生物的微观量子现象成为可能。这篇综述首先介绍了该技术利用飞秒激光脉冲对实现了单分子量子相干态的操控, 并通过调制解调技术获得单分子周围相干信息的基本原理。然后分别介绍了其在生物方面的两个应用: (1)通过降低生物自荧光和背景噪声,实现了生物成像对比度两个数量级的提高; (2)通过提取相干可视度V获得了单分子周围微观的量子信息, 为生物体微环境的观察提供了有效手段。最后文章对基于单分子相干调制显微成像在癌症研究方面做了展望, 该方法将为癌症的早期诊断和预后评估提供新的途径。
显微成像 单分子相干调制 超快光学 成像对比度 相干可视化 癌症检测 microscopy single-molecule coherent modulation ultrafast optics imaging contrast coherent visualization early cancer diagnosis
1 重庆大学 光电技术与系统教育部重点实验室，重庆 400044
2 重庆大学附属肿瘤医院 病理科，重庆 400030
卷积神经网络在癌症病理图像分割中具有突出表现，但在临床应用上依然面临着切片染色多样、分辨率差异大等挑战。针对上述问题，提出了一种病灶分割网络HU-Net，提高了癌症病理图像的分割精度。HU-Net使用U-Net网络作为基本结构，利用经过预训练的EfficientNet-B4作为网络特征编码器，解码器部分在U-Net网络上进行改进，将不同深度特征重新进行组合进行特征融合，提升了深层特征在预测中的作用。在此基础上，利用各深度层融合特征预测输出，构建多损失函数共同训练，使深层语义信息更具鉴别力。最后，采用改进的通道注意力模块对融合特征进行选择，使网络对不同分辨率图像的适应性增强，提升了模型筛选重要特征的能力。在BOT数据集和SEED数据集上分别进行癌症病灶分割实验，所提方法的DICE系数得分在两个数据集上分别达到77.99%和82.94%，准确度得分分别达到88.52%和87.42%。该方法相较于U-Net和DeepLabv3+等网络有效提升了癌症病理图像病灶分割精度，实现了更准确的癌症病灶定位和分割。
计算机图像处理 分割算法 特征融合 癌症 病理图像 深度学习 Computer image processing Segmentation algorithm Features fusion Cancer Pathology image Deep learning
1 西安交通大学生命科学与技术学院生物医学信息工程教育部重点实验室，陕西 西安 710049
2 浙江西安交通大学研究院，浙江 杭州 311200
表面增强拉曼散射（SERS）属于分子振动光谱，具有灵敏度高、选择性好、检测无损等特点，在材料、生物医学、**等领域具有广泛的应用。目前的研究主要利用拉曼信号分子特征峰强度变化进行检测。由于受到各种因素的影响，拉曼信号分子特征峰会发生移动，相比峰强度变化，拉曼特征峰平移具有更高的稳定性和更好的重现性，由此基于拉曼特征峰平移的SERS检测应用逐渐受到关注。在总结拉曼特征峰平移机制的基础上，介绍了基于拉曼特征峰平移的SERS在癌症与疾病诊断、环境监测及食品安全检测等领域的研究进展，这些研究进展为发展具有高稳定性SERS检测方法提供了新的策略与思路。
激光与光电子学进展
2022, 59(6): 0617015
1 北京工业大学信息学部，北京 100124
2 先进信息网络北京实验室，北京 100124
3 北京工业大学计算智能与智能系统北京市重点实验室，北京 100124
扩散相关光谱（DCS）技术是一种新兴的组织血流无创检测技术。该技术将近红外光照射到组织表面，通过计算组织表面散射光斑的光强自相关函数推算组织中红细胞的运动状态，以实现组织血流变化的定量检测。相比于其他血流检测技术，如激光多普勒（LDF）、核磁共振成像（MRI）、正电子发射断层成像技术（PET）等，该技术具有无创、无辐射、可长时间连续实时检测、适用范围广、检测要求低等优势，适宜床边监测。分别从DCS技术的基本原理、系统与方法、临床应用等方面对其进行简要综述，并对DCS技术的未来发展趋势进行展望。
激光与光电子学进展
2022, 59(6): 0617006
