基于快速扫频光源的光学频域成像技术是新一代光学相干层析成像(OCT)技术,相比传统时域OCT技术,具有成像速度快、灵敏度高等优势,是OCT领域乃至生物医学光学成像领域最活跃的研究热点之一。综述了快速扫频光源的研究现状与最新进展,介绍了基于快速扫频光源的光学频域成像技术与应用,并就目前该领域存在的主要问题以及技术发展的趋势进行了探讨。

回顾了相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微成像技术的理论和技术的发展,介绍和比较了CARS显微成像技术对抽运光源的要求,以及典型的CARS显微成像系统。对CARS显微成像技术中无法避免的最重要的非共振背景噪声问题做了详细的分析,对不同的抑制非共振背景噪声的方法进行了比较和讨论,对CARS显微成像技术目前存在的问题和可能解决途径进行了简要的分析。

功能内稳态(FSH)通过利用负反馈机制维持功能特异的条件来实现功能的充分发挥。低水平光(LLL)所定义的单色光或激光对处于FSH的功能没有调节作用,但可以调节远离FSH的功能。FSH的品质包括功能的复杂性和FSH的稳定性。FSH的稳定性由介导寿命延长作用的长寿因子维持。功能复杂性与FSH稳定性之间彼此适应,因此存在FSH特异的长寿因子活性。对研究最多的长寿因子组蛋白去乙酰化酶(SIRTs),也存在FSH特异的SIRTs活性(FSSA)。FSH的品质越高,FSSA越高。如果细胞的SIRTs活性低于FSSA,LLL可以提高SIRTs活性直到达到FSSA。如果SIRTs活性稍高于FSSA但细胞能够回复到FSH,LLL可以通过提高其他细胞的SIRTs活性促进这些细胞康复到FSH。如果SIRTs活性远远高于FSSA,LLL促进具有更高FSSA的新的FSH的建立。总之,LLL的细胞康复作用是由SIRTs介导的。

提出了一种基于波长编码的扫频光学相干层析(SS-OCT)内窥成像方法,详细分析了该方法的工作原理,从理论分析上证明了其可行性。从系统时间脉冲响应和传递函数推导出系统干涉信号的数学表达式;模拟了简单样品的干涉信号,并给出Morlet小波分析的解码结果;讨论了系统的一些关键性能参数,如横向成像点数、成像分辨率、成像范围、成像速度等,指出系统横向分辨率和纵向分辨率相互制约,提高扫频光源的扫频范围是优化系统分辨率的有效方法。

光学相干层析术(OCT)在人体皮肤病的临床诊断及科学研究方面有着广阔的应用前景。为获得活体状态下人体皮肤形态结构图像及其散射特性参数,研制了一套OCT系统(16 μm纵向分辨率,-90 dB的系统灵敏度),应用该系统对人体多个部位的皮肤进行了活体成像,基于扩展的Huygens-Fresnel原理推导了OCT外差信号的表达式,利用该表达式对不同区域的OCT纵向信号曲线段进行线性拟合,提取人体皮肤的散射系数。从获得的结构图像可以清晰地分辨出角质层(掌趾部位)、表皮层、真皮上层等皮肤结构,分析得到了角质层和表皮层的厚度信息以及散射系数。从而验证了OCT用于表层皮肤研究的可行性。

采用光学相干层析成像技术(OCT)系统对分别经低频超声波,80%甘油和二者同时作用于皮肤组织进行实时监测而获取图像,并运用计算机软件对皮下深度为0.012 mm处及表皮层OCT图像一维的灰度值进行皮肤组织的光学透明性的定量分析。结果表明,低频超声波和80%甘油相结合将有利于在短时间内改善生物组织的成像深度,两者在组织的光透明性方面具有协同效应。

扩散光学层析(DOT)中的图像重建是一个面向大参数集的非线性最优化问题,其标准求解方法为牛顿类迭代法,需要对整个Jacobian矩阵进行构建、求逆和存贮,这对大规模的三维问题是不可行的,为此常采用基于逐行线性逆策略的非创伤性填充(ART)技术,图像质量受到严重制约。采用共轭梯度算法,直接求解非线性目标函数梯度,可避免对Jacobian矩阵的操作,为有效降低步长因子求解引起的附加计算量,采用一维不精确搜索算法。通过对双非均匀目标体的平板模型进行模拟成像,与代数重建算法结果进行比较,表明共轭梯度法的重建质量、收敛速度和收敛性都优于ART算法。

为了获得人眼眼底高分辨率图像,将液晶自适应光学(AO)技术引入到传统检眼镜中。采用基于夏克哈特曼波前探测器(SHWS)和硅基液晶空间光调制器(LCOS-SLM)的自适应光学系统来校正人眼的高低阶像差,获得了细胞量级的高分辨眼底图像,为眼科疾病及其相关疾病的早期诊断提供了有力工具。采用闭环和开环两种校正模式,都获得了清晰的眼底图片,认为液晶自适应光学系统在活体人眼眼底高分辨率成像上具有巨大潜力。

介绍了基于光纤迈克尔孙干涉仪的三维谱域光学相干层析(OCT)系统。系统探测器部分为自行研制的高速高分辨率光谱仪,其光谱分辨率高达0.05 nm,使OCT成像探测深度范围达3.4 mm。系统信噪比(SNR)测量值为51 dB,纵向分辨率8.5 μm。系统成像速率达10×103 line /s,通过二维扫描和三维重建,可达到2 s采集一幅三维OCT图像的速度。借助三维相干层析成像技术,可以对眼底视网膜等生物组织进行更加直观和精确的显示。

主要研究了基于单探测器的偏振光学相干层析技术(PS-OCT),探索并验证其定性检测生物组织双折射性质的能力。论述了单探测器PS-OCT系统检测组织双折射性质的理论,并利用Monte Carlo方法模拟了双折射对Stokes矢量分布的影响。在此基础上,搭建了单探测器PS-OCT系统,系统的纵向分辨率可达10 μm。利用该系统对牛软骨组织进行成像实验,获得反映牛软骨双折射性质的组织图像。理论和实验结果均表明,基于单探测器的PS-OCT系统可以检测组织双折射性质的变化,能够应用于医学诊断组织病变。

以颅骨标本作为建模素材,通过螺旋CT扫描技术及三维影像技术完成初步重建,建立上颌骨及牙列的三维有限元模型(FEM),在此基础上运用快速原型技术得到修复体并进行颌面修复。运用此方法可以获得形态细致逼真的上颌骨及牙列三维重建生物力学模型和修复体,修复后形态与功能得以很好重建。可以为不同患者设计不同的方案,生成个性化的缺损模型和修复体模型。外形美观,成本费用低,术后并发症少,为临床探索上颌骨及牙列的修复设计了一套完整思路。

报道了一种适用于平衡探测型光学相干层析(OCT)成像系统的透射式快速扫描光学延迟线(RSOD)。该透射式RSOD主要由反射型闪耀光栅、傅里叶透镜、快速扫描振镜、直角棱镜和反射镜组成,具备了反射式RSOD同样的相位调制、轴向扫描、调节色散功能。实验表明,基于透射式RSOD构建的平衡探测型OCT系统,与基于反射式RSOD的非平衡探测型OCT系统相比,图像质量明显提高。

提出一种基于Osher-Sole-Vese(OSV)模型的迭代规则化医学图像去噪方法。该方法使用迭代规则化方式,通过加入分解出的纹理和细节震动信号以修正原始OSV模型的全变分去噪结果,在一定程度上克服了医学图像去噪过程中对细节和纹理信息的过渡平滑。同时给出了迭代规则化医学图像去噪方法的实现步骤。实验结果表明,新方法能较好地保护医学图像的细节和纹理信息。

提出了一种同时重建荧光参数的全三维时域荧光分子层析方法,通过选择一对合适的拉普拉斯变换因子提取时间扩展曲线的特征信息,求解时域耦合扩散方程。在图像重建过程中,应用代数重建技术求解线性逆问题,且引入归一化玻恩比方法。基于多通道时间相关单光子计数系统对模拟仿体进行了透射和反射式时间分辨数据测量,利用所提方法同时重建了荧光产率和寿命的三维图像。实验结果表明利用反射式测量数据目标体位置、大小、形状等方面具有一定的偏差,透射式达到了较好的重建效果,而两种模式相结合重建效果最优。

超声内窥镜系统将微型超声探头通过电子内窥镜的活检通道插入消化道器官,既可通过内窥镜直接观察粘膜表面的病变形态,又可进行超声扫描成像,获得消化器官管壁各个断层的组织学特征。利用编码激励技术,以4位Barker编码的方式激励换能器,在不增加峰值负声压的前提下,显著提高超声换能器的发射功率,增大系统探测深度以及成像的信噪比;用数字下变频技术实现超声回波的中频采样、编码信号的脉冲压缩以及信号包络的提取;采用装有超声耦合液的玻璃烧杯作为实验样品,对其进行旋转扫描,得到256级灰度的超声图像,轴向分辨率达0.4 mm,验证了系统原理的正确性。

谱域光学多普勒层析(ODT)技术相对于传统的时域ODT技术,具有更快的成像速度和更大的测速动态范围。发展了基于谱域ODT技术的绝对速度测量方法,该方法综合运用多普勒频移和多普勒展宽信息实现多普勒夹角的确定,进而实现流体绝对速度的测量。给出了谱域ODT中计算多普勒频移和多普勒展宽的理论分析,并对毛细玻璃管内聚苯乙烯小球水溶液的流速进行了实际测量,实验结果和期望值能很好吻合。最后展示了该方法在老鼠脑部血管流速测量中的应用。

以腹膜接种人胃癌细胞SGC-7901的裸鼠为胃癌腹膜播散的动物模型,模拟外科手术,在体探测不同种植期的裸鼠腹膜癌结节及正常腹膜组织的激光诱导自体荧光光谱,比对各组光谱形态,采用层次聚类分析和判别分析方法进行分类。结果表明,还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)荧光峰强度随肿瘤细胞生长时间的增加而降低,而原卟啉IX峰逐渐升高;当类间距离的测度方法选择为欧氏距离平方,分类数取3时,可有效区分正常组、肿瘤细胞种植时间较长和较短的肿瘤组的在体荧光光谱。激光诱导自体荧光(LIAF)技术可辅助提高手术中转移癌的判断准确性。

设计并实现了结合客观和主观的方法测量人眼波前像差。建立了主客观结合的人眼波前像差测量系统,客观测量在瞳孔自然扩大时通过4.8 mm人造瞳孔进行测量,主观测量是在被测者观察视标的过程中进行。实验获得了活体人眼主客观测量的像差,两种方法的测量结果在特征级进行加权信息融合,这种方法结合了主客观测量的特点,能够较准确反映出人的视觉质量,为个性化的人眼视觉矫正提供更合理的指导。

评估脉冲CO2激光和Er:YAG激光用于颅骨组织消融的可行性与有效性。以健康新西兰兔为实验动物,常规手术暴露颅盖骨组织,并置于由计算机自动控制的一维电动平移台上,调节工作距离和扫描速率,分别用两种激光进行非接触式垂直扫描照射,获得长约3 cm的消融凹槽。以电钻为对照组,肉眼和显微镜观察切削凹槽形貌和形态学改变;常规病理切片并摄取图像,测量切削凹槽截面几何尺寸和不同部位热损伤厚度,分析比较两种波长激光的消融率和消融效率。结果表明,两种激光都可以用于骨头的切削,并产生类似电钻的切削效果。脉冲CO2激光的消融率高于Er:YAG激光,但热损伤严重;Er:YAG激光可以获得更高的消融效率和更小的热损伤,其切削效果优于脉冲CO2激光。此外,血液对光的吸收会影响消融效率和热损伤,临床应用中必须尽量减少出血量。

对描述激光辐照生物组织光热响应的经典生物热传递模型和生物热波模型进行比较,分析两种模型的适用条件及影响因素。结果表明,当激光辐照时间接近或小于生物组织热释放时间时,基于生物热波模型的结果与经典生物热传导模型的结果差异明显,采用后者对热损伤进行评估引起的误差较大。对于生物热波模型,考察点所在深度越浅,非傅里叶导热特征越明显。比较两种生物热传导模型,第一层血液灌注率和吸收系数对辐射原点的瞬态温度分布均有影响,但不改变其热特征。

设计了一种测量米勒(Mueller)矩阵的斜入射正接收的实验装置结合新的数据处理算法,测量了仿生物组织和真实生物组织的后向散射Mueller矩阵。利用该法对生物组织等混浊介质后向散射Mueller矩阵进行研究,在混浊介质检测和医疗诊断等方面有潜在的应用价值。

通过Monte Carlo 方法研究了经超声场调制的散射光在双层和三层生物组织中的传播规律。给出了超声调制的散射光及其调制深度与介质厚度、吸收系数、散射系数和各向异性因子的关系。Monte Carlo 模拟结果表明,经超声调制后的散射光会随着超声区外生物组织的光学参数和组织结构的变化而变化,而调制深度只与超声区的声光特性有关,与超声区外生物组织的光学特性、组织结构等无关,是超声调制光学成像技术最终进行图像处理与重建的关键物理量。

通过离体牙实验,采用Er:YAG激光和Er,Cr:YSGG激光对人恒牙牙釉质进行消融阈值的实验研究。使用渐增的2-10 J/cm2能量密度对70个牙釉质样本进行辐照,应用体视显微镜和扫描电镜观察辐照后牙釉质表面的形态改变。结果表明,Er:YAG激光和Er,Cr:YSGG激光均能有效地消融牙釉质,Er:YAG激光消融牙釉质的阈值为3.19~4.36 J/cm2,Er,Cr:YSGG激光消融牙釉质的阈值为4.12~4.80 J/cm2。

探讨低功率氦氖激光照射对荷瘤小鼠T细胞CD59表达及其功能的影响。将(BALB/C)小鼠分为4组:Ⅰ组不做处理;Ⅱ组仅致瘤;Ⅲ组致瘤后每日照射胸腺区;Ⅳ组致瘤后隔日照射胸腺区。致瘤后第20天处死小鼠,分离培养胸腺T细胞。采用噻唑蓝(MTT)比色法测T细胞增殖,用免疫组化和免疫荧光测T细胞CD59表达量,然后用酶联免疫吸附测定法(ELISA)测T细胞活化后白介素2(IL-2)水平,用激光共聚焦测T细胞胞浆内钙离子变化,以及用流式细胞术测T细胞活化为CD+25T细胞的能力。结果表明,照射组肿瘤生长受抑;荷瘤组T细胞的CD59表达量、白介素2水平、增殖能力、钙离子浓度及活化的CD+25T细胞水平均低于正常组,但照射组明显高于非照射组。由此可见,激光照射促进了荷瘤小鼠T细胞CD59的表达,增强了其活化信号的转导。

紫外辐射诱导的细胞凋亡是一个包括DNA损伤、死亡受体启动、线粒体破裂等一系列反应的复杂过程。有研究报道,由紫外辐射引发的DNA损伤可以激活肿瘤抑制因子p53,从而触发细胞凋亡级联反应,其中一个重要的事件就是上调促凋亡蛋白(p53 up-regulated modulator of apoptosis,PUMA)的表达。但是,PUMA 在紫外辐射诱导凋亡过程中的作用机制尚不清楚。 利用荧光共振能量转移技术(Fluorescence resonance energy transfer,FRET),在人类肺腺癌细胞(ASTC-α-1)内实时研究了紫外辐射诱导凋亡过程中PUMA,Bax,Bcl-Xl三者之间的相互作用关系,从而揭示PUMA的作用机制。 用120 mJ/cm2的紫外辐射剂量诱导细胞凋亡,通过共转染荧光探针GFP-PUMA和YFP-Bcl-Xl或者CFP-Bcl-Xl和YFP-Bax,在激光共聚焦扫描显微镜下实时检测PUMA和Bcl-Xl或者Bcl-Xl和Bax之间的相互作用。 结果显示,紫外辐射后GFP-PUMA与YFP-Bcl-Xl之间的FRET现象逐渐增强,说明PUMA与Bcl-Xl的作用越来越强;CFP-Bcl-Xl与YFP-Bax之间的FRET现象逐渐减弱,说明Bcl-Xl与Bax的作用越来越弱,此过程伴随有YFP-Bax在线粒体的明显定位。该实验结果暗示PUMA是竞争结合了Bcl-Xl,解除了Bcl-Xl对Bax的抑制作用,进而活化了Bax。

根据红细胞(RBC),最佳地选择了球、核式和盘式光学模型,应用光散射理论和光学虚拟仿真技术,分别研究了这3种模型下光散射幅值和相位的分布特征,发现红细胞的光散射全息信息,尤其是相位分布特征与真实细胞的形态密切相关,也就是说,由细胞的相位分布特征完全可以解析出其形态结构。因此,无需进行细胞的三维重建就可以直接由细胞的相位分布特征对细胞进行模式识别和分类检测。

分别采用5 mW·mm-2He-Ne激光辐照、10.08 kJ·m-2·d-1增强紫外线-B(UV-B)辐射及二者组合对“晋麦8号”小麦幼苗进行处理,5 d后测定各处理幼苗叶片和根的RNA酶(RNase)和DNA酶(DNase)活性变化。结果表明,经UV-B辐射后,小麦幼苗叶片和根的核酸酶活性均有明显升高,电泳图谱中其酶谱带均没有增加,只是酶活性的升高;复合处理的小麦幼苗其酶活性较之单独UV-B辐射的有显著或极显著降低,电泳后的酶谱带也没有减少,只是活性下降。因此认为一定剂量的He-Ne激光辐照能抑制UV-B辐射后小麦幼苗核酸酶活性的升高。

中国科学院“计划”和合肥工业大学博士基金(GDBJ2008043)资助项目。

针对提高生物细胞形态检测速度和分类精确度的这一研究热点,以血细胞为主要研究对象,通过对几种典型血细胞的光学特征和形体结构的分析,建立了相应的光学模型。应用VirtualLab光学虚拟实验系统进行仿真模块设计和仿真实验。对所获得的血细胞包裹相位分布进行解包裹、去噪光滑处理后,结合相位分布特征分析的结果提出了一种血细胞相位分检快速、精确识别的方法。

为了在实验上分析人正常胃上皮细胞与癌变细胞的显微后向散射光谱的区别,为临床医学检测提供实验依据,在光纤共聚焦显微成像技术基础上,结合细胞散射理论,建立了一套基于光纤共聚焦的细胞检测显微光谱分析装置,能够同时获取细胞显微图像和显微光谱医学信息。利用本装置测量了贴壁人正常和癌变胃上皮细胞,得到细胞水平的显微光谱特性。波长在500-800 nm,癌变细胞的散射光强明显高于正常细胞所对应的散射光强;正常细胞所对应的光谱曲线中,800-1000 nm范围内有规则的强度变化,癌细胞没有出现这种干涉;说明本装置适用于细胞的癌变检测,而且实验结果与现有理论预测结果一致。理解不同病理阶段的细胞光散射特性有助于为在体实时检测早期癌变组织提供有利的光学手段。

分析俄歇电子辐射对基因结构及成分的影响,探讨其基因损伤的机制。应用激光拉曼散射测定,以放射性碘125(125I)标记甲胎蛋白(AFP)基因引物与AFP基因杂交结合辐射后,不同时间内其俄歇电子对基因结构的变化以及对碱基成分的损害程度。结果显示,DNA的骨架构像及碱基的特征振动光谱发生偏移,谱线强度在2-24 h改变较大,而24 h与72 h变化较小。拉曼光谱显示俄歇电子近距离辐照可以引起DNA的磷酸二酯骨架结构损伤,基因中碱基暴露,基团损伤,甚至破坏,基因构像由B型转变为C型特征光谱。结果表明,俄歇电子辐照可改变靶基因骨架结构和构像,损伤或破坏碱基,从而影响靶基因的生物功能。

抑制血管生成是肿瘤治疗的重要方法之一,若能从分子水平检测血管损伤的机制,对治疗将更具指导意义。拉曼光谱是一种无损、信息非常丰富的光谱技术,可以应用于固态、溶液或液态的生物分子分析。基于激光共焦拉曼光谱技术设计一方案,测量分析了鸡胚微血管在抗血管药物沙利度胺作用前后的拉曼光谱。加药5 h与对照组血管的平均拉曼谱在位置和形状上类似,但某些特征峰在强度上却发生变化,如波数1441 cm-1,1527 cm-1及1657 cm-1的强度明显增强而971 cm-1和1081 cm-1的强度明显减弱,这些变化可能是药物作用血管后,使血管内的核酸、蛋白质、磷脂等重要生物分子在结构或含量上发生了不同的改变而引起的。研究结果表明拉曼光谱有可能成为从分子水平分析抗血管生成药物对血管作用的一种有效方法。

采用光镊拉曼光谱(LTRS)方法收集一例重型α地中海贫血患者单个红细胞的拉曼光谱,分析同一群体内不同细胞间的光谱差异,从中了解地中海贫血红细胞的病理过程。结果发现,重型α地中海贫血患者红细胞的拉曼光谱信号显著低于正常对照,并检测到一定比例的有核红细胞;正常对照的红细胞拉曼光谱均一,而重型α地中海贫血患者的细胞形态和拉曼光谱均显示出多样性;中等大小、形态接近正常的一类红细胞,其细胞间光谱差异最大;单细胞拉曼光谱可观察到部分外表形态正常的红细胞,其血红蛋白可能发生了血红素凝集和蛋白质变性。

采用电解法制备了粒径分布为(50±8) nm,表面呈正电性的纳米银粒子。基于该纳米银粒子,采用静电自组装技术在经过特殊处理、表面呈负电性的玻璃基底上生成了具有高效、稳定性的二维纳米结构银膜。该银膜外层纳米银粒子平均粒径约200 nm,相邻纳米银粒子之间形成了不规则的纳米微区,平均尺寸达到200 nm左右。基于该纳米银膜,采用便携式拉曼光谱仪对20个正常人血清样本进行了表面增强拉曼散射(SERS)光谱的检测。同时,也对同一正常人血清基于同种条件下制备的不同纳米银膜的SERS光谱进行了检测。实验发现:该纳米银膜对人血清的拉曼散射具有较好的增强效果,有望为人血清的研究提供新的途径。

采用405 nm发光二极管(LED)作为激发光源,选用孟加拉红(RB)作为光敏剂,可对早期口腔肿瘤进行诊断。正常的口腔黏膜不会被孟加拉红染色,而当口腔产生癌前病变或者生成肿瘤时,孟加拉红就会将病变部位染色。通过光谱测量可知,被染色病变部位的特征荧光光谱波长范围为570-600 nm,而正常口腔组织的特征荧光光谱中心波长约在480 nm。当癌前病变发展成恶性肿瘤之后,其特征荧光光谱发生改变,在630 nm和690 nm处各有一个典型的卟啉峰。以此为依据并结合光致荧光技术,采用荧光比例法,可以对口腔癌前病变进行诊断,灵敏度和特异性分别可达到95%和92.5%。这种无创、快速、早期的诊断方法,可以显著提高口腔癌患者的存活率。

为区分动脉粥样硬化斑块和血管壁,给激光血管成形术的实时监控提供依据,研究了动脉粥样硬化斑块和血管壁的激光诱导荧光光谱(LIFS)和拉曼光谱。日本雄性大耳白兔15只,以高脂饲料喂养3个月,取主动脉弓作纵行切开,分别采用380 nm紫外激光和532 nm绿激光作为激发光源诱导动脉粥样硬化斑块和血管壁的荧光光谱;采用532 nm绿激光作为激发光源诱导动脉粥样硬化斑块和血管壁的拉曼光谱。结果表明,380 nm紫外激光诱导的动脉粥样硬化斑块和血管壁的荧光光谱在416 nm处均有明显特征峰,但前者的强度显著高于后者;532 nm绿激光诱导的动脉粥样硬化斑块和血管壁的荧光光谱在800 nm处均有明显特征峰,但强度无明显差别;动脉粥样硬化斑块的拉曼光谱在3000 nm和3300 nm处存在明显的波峰和波谷,而血管壁的拉曼光谱曲线较光滑,无明显特征峰。说明380 nm紫外激光诱导的荧光光谱和拉曼光谱均有可能有效区分动脉粥样硬化斑块和血管壁,而532 nm绿激光诱导的荧光光谱不能有效区分动脉粥样硬化斑块和血管壁。

为了探讨飞秒激光在兔眼角膜上行深板层切削的可行性,获得深板层切削的较适参数,并了解在水肿角膜上行深板层切削的准确性,将兔眼置于由同心圆扫描程序控制的三维平台上,将不同能量的飞秒激光(800 nm /50 fs)精确定位于角膜深板层,伴随平台移动激光便在角膜深板层切削。利用光学显微镜和扫描电镜(SEM)观察激光作用后角膜的形态学变化,并同徒手器械分离的板层角膜对比。当平台移动速度为200 μm/s,激光能量为4.4 μJ时切削表面比较平滑;当速度为300 μm/s,能量为6.4 μJ时切削表面较为平滑。激光组切削层面的光滑程度优于徒手器械分离组;当平台移动速度为200 μm/s,能量为6.4 μJ时飞秒激光同样可以完成在水肿角膜的400 μm深度的聚焦切削,且切削表面较为光滑。

分别从细胞层面和在体层面研究单壁碳纳米管(SWNT)对近红外区980 nm激光热疗的增强效应。 细胞层面研究:对照组无处理,单壁碳纳米管组孵育单壁碳纳米管2 h,激光组照射980 nm激光,激光+单壁碳纳米管组孵育单壁碳纳米管2 h后照射980 nm激光,各处理组细胞继续培养12 h,CCK8检测细胞死亡率。 在体层面研究:对照组无处理,单壁碳纳米管组在肿瘤部位注射单壁碳纳米管,激光组照射980 nm激光,激光+单壁碳纳米管组在肿瘤部位注射单壁碳纳米管6 h后照射980 nm激光。比较4组的杀伤效果、肿瘤增长、生存情况等。 结果表明,相对于激光治疗组,激光+单壁碳纳米管组具有显著的杀伤效果,有效抑制肿瘤增长,明显提高治愈率。说明单壁碳纳米管能够显著地增强980 nm激光热疗效果。

提出了考虑组织气化温度动态变化的选择性光热解(SP)光热作用新模型,模型包括模拟激光能量在组织内分布规律的基于网格的三维Monte Carlo模拟方法,计算组织内温度分布的考虑组织热物性参数和气化温度动态变化的三维Pennes生物传热方程,以及计算组织热损伤程度的Arrhenius方程3个部分。研究表明,滞留水蒸气系数k对结果有很大影响。k=0,0.022,0.18和1时的动态气化温度SP模型的数值结果分别接近于恒定100 ℃气化温度SP模型、恒定110 ℃气化温度SP模型、恒定130 ℃气化温度SP模型和不考虑气化影响的SP模型。

通过对24例良性前列腺增生患者(平均年龄71.00±9.74岁)使用100 W绿激光手术系统行光选择性前列腺气化术(PVP)手术,探讨了PVP治疗良性前列腺增生(BPH)的有效性及安全性。对前列腺体积、手术用时、术中出血、术后留置导尿时间及住院天数进行观察,并对手术前后残余尿(PVR)、最大尿流率(Qmax)及国际前列腺症状(I-PSS)评分进行比较。结果表明,PVP治疗良性前列腺增生安全、有效,具有术中出血少、留置导尿时间短、住院时间短等特点,并可适用于高龄、高危、抗凝治疗的患者,其长期疗效需长时间随访。

制冷剂低温喷雾冷却是激光治疗葡萄酒色斑的主要辅助手段,可以有效保护表皮不受热损伤。目前采用的R134a制冷剂不易抵消深色人种皮肤的黑色素对激光能量的大量吸收,采用沸点更低的R404a制冷剂可以更好保护黄色与黑色人种的皮肤。针对单个液滴建立了蒸发过程的理论模型,水滴蒸发实验的预测结果与实验结果非常吻合,验证了模型的有效性。利用该模型比较了R404a液滴与R134a液滴的蒸发冷却效果,发现R404a液滴可以达到更低的温度。分析了不同初始直径和环境蒸气质量分数对R404a液滴蒸发特性的影响,所得结果对于黄色和黑色人种激光手术治疗鲜红斑痣的制冷剂喷雾手术有参考价值。

选病理分期T1,T2的膀胱癌病人60例,随机分成3组进行治疗。试验组A\[经尿道膀胱肿瘤切除(TURBT)+光动力学治疗(PDT)\]17例和试验组B(TURBT+PDT+膀胱内灌注化疗)15例,常规治疗对照组(TURBT+膀胱内灌注化疗)28例。试验组A和B(PDT组)在口服光敏剂CDHS801(200 mg/50 kg)24 h后进行PDT,能量密度为50 J/cm2。72 h后行TURBT手术,治疗期间不避光。试验组患者分别进行膀胱内灌注化疗或者不进行内膀胱灌注化疗,对照组按照常规治疗方式进行TURBT手术和膀胱内灌注化疗。研究结果表明,试验组A的患者生活质量显著优于对照组(P<0.05);试验组A和B患者的肿瘤复发率也显著低于对照组(P<0.05);而5年生存率和肿瘤进展率两项指标试验组与对照组相比无统计学差异。所以,在治疗T1,T2期膀胱癌时,作为常规手术切除的辅助治疗,术前进行PDT治疗与术后行膀胱内灌注化疗相比,可能存在肿瘤复发率低、患者生存率以及患者生活质量有所提高的优势。

为探讨光动力疗法(PDT)对人工龋菌斑生物膜的的作用,选用变形链球菌在体外构建符合人体生理环境的人工龋模型,选择血卟啉单甲醚(HMME)为光敏剂,激光照射选用半导体激光器,波长为635 nm,输出功率为10 mW,能量密度为12.47 J/cm2。用50个釉质块形成人工龋模型,随机分成5组,每组10块,分别为:1) HMME组;2) 激光照射组;3) PDT防龋组;4) 0.05%(质量分数)洗必泰处理组为阳性对照;5) 0.9%(质量分数)生理盐水处理组为阴性对照。依照平板细菌计数法观察不同处理方法对人工龋菌斑生物膜变形链球菌活力的影响。结果表明,与阴性对照组相比,HMME组人工龋口腔生物膜中变形链球菌数量(CFU/mL)无显著性差异(P>0.05),杀菌率仅为0.05%;激光照射和0.05%洗必泰均能使人工龋口腔生物膜中变形链球菌数量显著减少(P<0.05),杀菌率分别为59.94%和58.52%;而PDT防龋处理可使人工龋口腔生物膜中变形链球菌数量更为显著减少(P<0.05),杀菌率高达99.36%。HMME-PDT可有效杀灭人工龋口腔生物膜中的变形链球菌,为预防龋病提供了一种有效的新途径。

通过对人免疫缺陷病毒复制过程的抑制作用研究,探索光动力疗法(PDT)在艾滋病防治中的潜在价值。使用不同稀释浓度的光敏剂血卟啉单甲醚(HMME)和亚甲蓝(MB)分别与人免疫缺陷病毒HIV-1ⅢB或宿主细胞MT4,C8166或H9/HIV-1ⅢB孵育2 h,以波长630 nm能量密度0.3 J/cm2的半导体激光进行照射。继续孵育若干小时后,用噻唑蓝(MTT)比色法检测细胞存活率或合胞体计数,同时收集培养上清液用ELISA法检测HIV-1 p24抗原。结果表明,光动力疗法能显著抑制人免疫缺陷病毒诱导的细胞细胞融合(HMME-PDT抑制率64.68%,MB-PDT抑制率61.56%)和病毒细胞融合(HMME-PDT抑制率85%,MB-PDT抑制率73.64%),并对游离病毒有很强的杀伤作用,最高可达到100%。光动力疗法不能抑制慢性感染期和急性感染2 h后病毒的复制过程。可见光动力疗法对游离病毒和病毒感染诱导的膜融合有显著抑制作用,有可能为艾滋病的防治提供一种新的方法。

为了探索选择性激光烧结(SLS)技术制作耳廓赝复体蜡模型的可行性,采用层析法获得左侧耳廓数据,三维重建左侧耳廓数字模型,镜像反求出右侧耳廓的三维数字模型,应用选择性激光烧结及复合蜡粉(PCP1)制作出右侧耳廓的快速原型制造(RPM)蜡模型并进行皮肤纹里及毛孔的雕刻,最后经过水浴加热法去蜡复制出硅橡胶耳赝复体。所得的耳廓蜡模型具有良好的外形和精度,达到了临床应用的要求,而且蜡模型可以直接进行赝复体的后期处理工作,制得耳赝复体。研究表明,选择性激光烧结技术和复合蜡粉PCP1可以用于制备复杂形态的耳赝复体蜡模型,该方法与传统制作方法相比,节约了时间和材料,减少了制作步骤,为该技术及材料在颌面赝复体制作中的应用提供了依据。

以统计学析因设计分组,X射线衍射(XRD)仪进行物相分析,研究了激光快速成形工艺参数对生物陶瓷复合涂层物相组成的影响,并优选出适合生物陶瓷物相生成的工艺参数。结果表明,高功率下涂层中非生物陶瓷相CaO和CaTiO3占优势,低功率下生物陶瓷相磷酸三钙(TCP)大量存在,非生物陶瓷相CaO和CaTiO3消失,激光功率对涂层物相的种类和含量均有影响;高扫描速度(1500 mm/min)下涂层物相由TCP,CaO和CaTiO3组成,其中TCP的含量最大,随扫描速度降低,陶瓷相TCP的含量降低,非陶瓷相CaO和CaTiO3含量增加,扫描速度仅影响涂层物相的含量,而对物相的种类无影响。800 W+500 mm/min的工艺参数下制备的涂层中生物活性成分较多,因此比较适合制备生物陶瓷物复合涂层。

针对铝合金激光熔注(LMI)工艺过程中对激光反射率高、表面存在氧化膜且导热率高等主要问题,开发了激光钨极氩弧(TIG)复合熔注工艺。研究了激光-TIG复合方式,送粉方式,送粉载气流,TIG保护气流,激光功率,TIG电流等工艺参数的影响。研究发现,为实现有效的熔注强化效果,应选择后送粉方式;熔注层深度随TIG电流增加单调增加,随激光功率增加熔注层深度呈先增后降。送粉载气和TIG保护气相互匹配,是影响熔注工艺的关键因素。通过工艺参数匹配和优化,成功制备了WCp/Al表面复合材料层。熔注层厚度为0.5-4.3 mm,深度可根据需要通过合理调节工艺参数来控制。

以大豆为实验材料,研究了波长为532 nm的Nd:YAG倍频激光不同功率密度和不同照射时间对大豆发芽率、幼苗平均株高、幼苗子叶及叶片异黄酮含量的影响。从光合效率和植物异黄酮合成代谢起始酶苯丙氨酸转氨酶(PAL)活性两方面探讨激光预处理大豆种子提高其幼苗异黄酮含量的机理。结果表明,大豆种子经激光预处理后,其幼苗可溶性糖、蔗糖、淀粉等光合同化产物及异黄酮合成代谢起始酶PAL活性均得到提高,其中以15 mW/mm2激光预处理大豆种子5 min的效果最佳。幼苗光合效率得到了提高,为异黄酮的大量积累提供了基础。

单级声光可调谐滤波器(AOTF)存在旁瓣过高的问题(-9 dB左右),这给其应用带来了一定的局限性。研究了用多级滤波结构实现旁瓣抑制,通过对单级和多级AOTF滤波特性的理论计算值、实验测量结果的分析比较,说明了多级滤波的优越性。利用耦合模理论分析了单级共线型和单级准共线型AOTF的滤波原理,推导出了多级级联滤波的转换特性表达式。计算结果表明,较之单级滤波,多级级联不仅具有较强的旁瓣抑制能力,还具有良好的带宽压窄作用。实验测量了三级滤波,其旁瓣被抑制到-27 dB左右,并且滤波带宽也得到了压窄。该实验结果说明,多级滤波结构在更为有效地抑制旁瓣的同时也能够很好地压窄带宽。

利用得到的精确佛克脱线型的表达式,给出了计算佛克脱线型激光等离子体的光学深度的方法。以镁原子激光等离子体为例,计算了其光学深度的大小,基于此光学深度的值,计算了镁原子等离子体逃逸几率,所得结果与实验结果一致。指出了在不同线型下利用光学深度计算激光等离子体逃逸因子的方法。

多物理场耦合有限元方法被用来模拟光抽运垂直外腔面发射半导体激光器(OPS-VECSEL)内部的热分布情况,特别对OPS-VECSEL芯片帽层表面与金刚石散热片毛细键合(capillary bond)的情况做了计算。计算表明,在没有金刚石散热片的情况下,从窗口以下首个量子阱到末个量子阱的温差达到150 K;在有金刚石散热片的情况下,器件中各个量子阱的温差很小,其共振波长差只有几纳米;在芯片的分布式布拉格反射镜(DBR)一侧焊接有硅微通道冷却器的情况下,各量子阱间的温差进一步减小,器件性能得到最大改善。模拟计算也表明,在抽运功率不变的情况下,适当增加抽运光的半径,可显著降低器件的热效应,尤其热透镜效应。

利用倾斜放置于光镊光路中的旋转玻片对激光束进行斩波可以实现分时复用多光阱。详细讨论了光镊光路中引入玻片后,光阱位置的变化随玻片位置、厚度以及倾斜角度等因素的变化关系。设计了可以加载不同厚度玻片的8孔转盘,通过直流电机带动转盘旋转实现玻片对激光束的机械斩波,进而获得分时复用多光阱。利用分时复用多光阱实现了两个、三个不同大小聚苯乙烯小球的稳定捕获,通过改变玻片倾角可以改变光阱之间的距离,实现对捕获小球距离的控制。给出了分时复用多光阱的初步结果,从实验上证实了方法的可行性。

自由空间光通信(FSO)的信道是随机的,会受到灰尘、雨滴、雾等粒子散射的影响,正交频分复用(OFDM)调制方式可以很好地抵御大气散射的影响,但简单地将OFDM与FSO结合的系统复杂度较高。为了降低传统FSO-OFDM系统的复杂度及改善系统性能,借鉴Alamouti空时编码理念,设计了一种新的时频码。依据大气信道的特点,建立了信道模型。在介绍了系统模型之后,详细地陈述了时频码的编译码方法,分析了系统误码率(BER)与信道特性关系。最后通过Monte Carlo仿真实验进一步证明了该时频码的有效性。结果表明,以雨天为例,采用该时频编码不仅可以降低FSO-OFDM系统的复杂度,而且误码性能得到了显著的提高。

主振荡功率放大器(MOPA)固体激光系统中的功率放大器会将热致波前畸变引入到被放大的激光束中,造成输出光束质量变差,可以通过自适应光学(AO)系统实时补偿光束的波前畸变以改善光束质量。采用随机并行梯度下降(SPGD)算法控制一个37单元变形镜,通过光电探测器测量远场光斑的桶中功率作为评价光束质量的判据,建立了一个迭代速率为100 Hz的最优化自适应光学系统,对由Nd:YAG主振荡器与Nd:YAG功率放大器组成的MOPA激光系统在不同抽运电流情况下的输出光束进行了净化实验。结果显示,净化后光束质量都得到了提高,甚至β因子大于9的光束在净化后其β因子也减小了58%,表明基于随机并行梯度下降算法的自适应光学方法确实可以用于光束净化。