早在1916年，爱因斯坦提出了受激辐射理论。而在1960年，西奥多·梅曼研制出世界上第一台激光器,真正实现了“受激辐射光放大”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，LASER）（激光）。1961年激光就用于视网膜脱落的治疗，开启了激光在医学领域的应用。60年来，激光已经融入现代科学技术和社会经济的各个领域，全息照相技术、激光冷却俘获原子、超短激光闪光成像技术、高强度和超短激光脉冲等多项与激光密切相关的研究成果获得诺贝尔奖。进入21世纪，激光在生物医学和医疗健康领域的研究方兴未艾，基础研究和临床转化应用如火如荼，日新月异，绿色荧光蛋白、超分辨光学成像、光镊技术等也先后获得诺贝尔奖。这些重大突破进一步揭示了激光与生物组织相互作用的光物理与光化学机制，推动并促进了光学成像、光学诊断、光遗传，以及激光治疗与监测等方向的发展与临床应用。为了集中展示生物医学光子学领域的研究成果及进展，《中国激光》在2018年推出了“生物医学光子学专题”。该专题收到稿件95篇，录用54篇，收录48篇在专题中刊出。为纪念第一台激光器发明60周年，特别是充分展示中国在生物医学光子学领域的最新成果及研究进展，《中国激光》在2020年第2期推出“六十载激光与生物医学融合发展”专题，得到了本领域专家学者的积极支持。本专题共刊发20篇综述论文和22篇研究论文，涵盖了激光在生物医学中应用的多个领域，包括超分辨光学成像、二次谐波成像、多模态光学成像、医学光子治疗、纳米生物光子学、生物医学传感器、光声成像、光学相干断层成像和时间分辨多光子显微技术等。“六十载激光与生物医学融合发展”专题的论文由国内有影响力的一些团队撰写，有利于读者全面、深入了解我国在相关领域的最新研究进展和后续发展趋势。根据论文的研究和应用领域，我们将激光与生物医学融合发展的机遇与挑战归纳为三个方面。

近年来,随着新型光学器件的出现与数据处理能力的提升,偏振光学成像技术在生物医学领域的应用逐渐增多。穆勒矩阵因可以完备地表述样品的偏振信息,且测量装置可与传统光学仪器兼容,非常适合于生物医学样品的研究。同时,与非偏振光学方法相比,穆勒矩阵对亚波长结构敏感,还可以额外提供包括双折射、二向色性在内的样品的光学各向异性信息。介绍了穆勒矩阵偏振成像的基本理论与装置,包括穆勒矩阵参量的提取、背向散射成像、偏振显微成像、偏振内窥与偏振染色等在生物医学检测中具有一定应用潜力的方法和技术,并展示了穆勒矩阵成像在肝癌、乳腺癌、胃肠肿瘤等多种病理组织辅助诊断中的最新研究进展。穆勒矩阵偏振成像作为一种非标记、定量化、无损伤的快速检测技术,在生物医学领域显示出了广阔的应用前景。

纤维状结构是生物组织的一种基本结构形式。疾病的发生和演化常常伴随着纤维状结构空间取向的相应变化。对生物组织内纤维状结构空间取向的定量表征方法和主要应用进行了简单综述,着重介绍了空间取向信息在几种重要疾病模型中的研究进展,包括伤口愈合、骨关节炎、乳腺癌、腹膜癌扩散、脑损伤等,并在特定的人工组织模型中探究了组织结构与功能的关系。对生物组织纤维状结构的高灵敏、高精度描述,为研究疾病的发生和演化提供了新思路和手段,有望实现特定疾病的早期诊断和病理机制的深入理解。最后,对该方法的应用前景进行了展望。

鉴于动物研究在基础研究中的重要作用,近年来几种在人眼视网膜成像中广泛应用的光学成像技术也在动物视网膜中得到了成功应用,无需组织学切片即可实现对动物视网膜的高精度细胞级别成像,这为使用动物视网膜进行基础研究的科研工作者提供了强有力的工具。与之相应的是,动物视网膜的研究工作中也开发了一些新型的、可以应用于人眼的成像技术,或者增强了对人眼视网膜功能机理的理解。结合自身在小鼠视网膜多种活体成像方式上的技术积累和研究经历,从若干方面阐述了近年来在小鼠和人眼视网膜高精度光学成像领域出现的技术突破,侧重于展示当前技术所能达到的成像水平,希望能起到抛砖引玉的效果,为促进动物视网膜影像和人眼视网膜影像之间的相互交流和相互促进起到积极的作用。

光学相干层析显微成像(OCM)技术是一种使用相干探测的光学显微成像技术。OCM不仅具有光学相干层析成像技术(OCT)高轴向分辨、高信噪比、无需标记的优势,而且能通过高倍物镜获得高横向分辨能力,能实现微米量级的空间分辨率。首先介绍OCM技术的基本原理和实现方案,然后详细阐述OCM技术的原理以及在国际上的研究进展。针对OCM技术中如何实现超高分辨成像、焦深限制成像深度等问题,对目前该研究领域一些先进的OCM技术进行总结。OCM技术在生物医学、材料检测等领域具有广泛的应用前景。

相干拉曼散射显微技术作为一种新型的成像技术,具有无标记、高特异性、非侵入等优点,已被广泛用于化学结构及物质成分分析。近年来,光子学、生物医学和显微成像技术等领域的相互交叉和融合发展,极大地推动了相干拉曼散射显微成像技术在生物医学领域的应用。简要介绍了相干拉曼散射显微成像的基本原理、分类、系统构成,同时概述了相干拉曼散射显微成像技术近年来在生物医学领域的应用,包括检测、脂类分析和蛋白质构象变化等,最后对其未来发展进行了展望。

光动力疗法(PDT)作为选择性治疗恶性肿瘤和良性疾病的精准靶向疗法,已获得了广泛的临床应用。如何利用先进的光学成像技术实现对PDT剂量的实时监测,是开展PDT个性化精准治疗的理论基础。本文介绍了PDT治疗过程中光敏剂、氧、单线态氧以及血管响应等所需监测的4个重要参量,重点总结了用于实时监测PDT参量的光学成像技术,并比较分析了这些技术的优势和局限性,最后讨论了光学成像技术在PDT临床转化应用中面临的挑战。

现代光学成像技术与荧光标记技术不断发展,为高分辨地获取生物组织三维结构信息提供了重要的工具。然而,大多数生物组织具有不透明特性,限制了光在组织中的穿透深度,进而限制了光学成像技术在大组织或整体器官成像中的应用。近年兴起的组织光透明技术通过多种物理、化学手段降低组织对光的衰减,增加光穿透深度,从而提高光学成像的成像深度与成像质量,为整体组织器官的三维成像提供了全新的思路。本文从离体组织光透明方法、大组织器官标记方法、三维整体成像技术三个方面,对整体器官的光透明成像方法进行综述。

二次谐波成像是近年来发展的一种新的光学成像技术,作为生物结构检测和耐久追踪标记的新工具已经受到广泛的关注。二次谐波成像技术避免了经典荧光探针会遇到的许多固有缺点,是一种理想的活体成像方法,具有很好的生物医学应用前景。本文系统介绍了二次谐波原理及其成像装置,二次谐波介质分类及特点,二次谐波在生物医学成像中的应用,最后对二次谐波成像未来的机遇和将要面对的挑战进行了展望。

由于天然克服光谱串扰的能力以及高灵敏和无损伤的特性,基于光谱分离的荧光共振能量转移(FRET)定量检测(spFRET)方法被公认为是最有应用潜力的活细胞定量FRET检测技术。首先简要介绍FRET定量检测方法以及国内外的相关研究进展;其次重点介绍基于发射光谱线性分离(Em-unmixing)和基于激发发射光谱线性分离(ExEm-unmixing)的两种定量FRET检测技术的原理、发展进程,并比较了这两种检测技术的稳健性;最后对这两种spFRET技术在活细胞FRET应用中的潜在优势进行展望。

光遗传学技术是一种新型的生物技术,融合了光学及遗传学技术,可以实现光对细胞活动的控制。在光遗传学应用当中,靶向细胞可用基因来改造和表达光敏蛋白质,并可被光所调控。光遗传学技术利用光敏离子通道蛋白对特定神经细胞进行精准、快速的光控,已经掀起了神经科学研究领域的一场革命。除了光敏离子通道之外,能产生蛋白质相互作用的光敏蛋白也已被广泛应用于光遗传学研究。本文讨论了常见的基于蛋白-蛋白相互作用的光敏蛋白,然后介绍了基于光控蛋白-蛋白相互作用的光遗传学技术在光控基因表达、相分离、代谢工程和细胞器运输中的应用。

肿瘤是现代医学亟须克服的难题,肿瘤的早筛查、早治疗始终是临床医学的重大需求。本文评述了基于纳米粒子、纳米线、纳米管和纳米阵列来检测肿瘤标志物的纳米生物传感器的基本原理和检测特性。壳核纳米粒子具有丰富的修饰功能;纳米线多被制成场效应管以检测肿瘤标志物;基于良好的尺度效应,纳米管多用于载体运输及平台检测;金属纳米阵列和金属氧化物纳米阵列可利用电化学阻抗谱的原理来检测癌细胞。除由不同形态结构决定的优势和应用特点以外,与传统的检测方法相比,光学纳米生物传感器检测癌细胞具有快速便捷、检出质量浓度低等优势,因而在医学检测和肿瘤研究中得到了一定的应用,具有较大的发展潜力。

新兴的光动力抗菌疗法是一种无创激发式治疗手段,主要利用近红外光作为光源,激活富集在病灶部位的光敏剂并产生活性氧自由基,最终实现对目标病菌的杀伤。近年来,随着生物材料与纳米医学技术的发展,小分子光敏剂纳米功能化后其生物兼容性和生物安全性得到优化,量子产率和病灶部位富集率显著提升,在抗菌治疗方面有很大的临床应用前景。本文结合小分子光敏剂纳米化策略方法实例,综述了纳米技术在光动力抗菌疗法的应用和发展。

小型化探头是内窥光学相干层析成像(Optical coherence tomography, OCT)中的普遍需求。介绍了包括基于球透镜、光纤透镜、自聚焦光纤、自由曲面透镜、无透镜的OCT技术的发展历程,总结和比较了各种技术的优劣,为探头的小型化设计提出了建议。研究探头的焦深拓展技术对分辨人体内细胞的在体成像的发展具有重要意义。介绍了几种重要的适用于小型化探头的焦深拓展技术,其中基于模式干涉的探头由于易于制作、结构紧凑、传输效率高,同时具有可以优化工作距离、焦深和轴向光强均匀性的优点,在拓展小型化探头的焦深方面具有一定的发展潜力。

太赫兹(THz)波对生物医学组织具有天然的非电离性、水含量敏感性和浅层穿透性等特点,这使得其非常适合应用于生物医学成像。由于太赫兹量子级联激光器(THz QCL)具有激射功率高、光束质量好、调制速率高、体积小的特点,基于THz QCL的生物医学成像系统相较于其他主动式生物医学成像系统成像信噪比高、成像分辨率高、成像速度快、结构更紧凑。基于此,对基于THz QCL的生物医学成像研究进展进行综述,并对THz生物成像优势、THz QCL生物医学成像优势、生物医学成像系统、生物医学成像目标进行了总结,对其未来发展方向进行了展望。

基于光学相干层析成像(OCT)的功能成像技术得以不断发展。光学相干血流造影(OCTA)技术将血红细胞与周围组织的相对运动作为内源性的血流标记特征,通过分析OCT中空间散射信号的动态光学散射特性,提取血流运动信息。OCTA技术通过在三维空间区分动态血流区域及其周围静态组织,实现了在体、无标记、三维高分辨率的血流运动造影。光学衰减系数(OAC)算法通过分析OCT中空间散射信号随深度的衰减特性,评估组织损伤程度,准确揭示组织活性。OCTA技术和OAC算法使得对脑中风过程的在体、无标记、三维高分辨率的长期监测成为可能,包括缺血及血流再灌注过程、组织损伤及其恢复程度的实时评估。针对OCTA技术和OAC算法的发展进行了系统性回顾,并介绍了相关脑中风研究的进展,上述OCT技术在生物医学领域具有重要的应用价值。

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。

稀土掺杂的上转换纳米发光材料(UCNP)可以将低频光子转化为高频光子,通常是近红外光激发,可见光发射,这个独特的光学性质使其具有良好的生物学应用前景。近年来,UCNP已经在成像、传感等领域取得了重要进展,本文对近年来UCNP的合成、表面修饰以及在生物检测等方面的应用进行综述,涵盖了生物检测方面的重要进展,包括基于上转换荧光的温度、离子、小分子以及生物体内的重要蛋白与核酸等检测应用。

对病变组织进行快速成像以获取足够的诊断信息,可以帮助医生在术中做出重要决策。受激拉曼散射显微技术是一种新兴的无标记成像技术,利用生物分子自身的光散射性质,在不需要对组织进行任何处理的情况下即可获取类比于传统病理的成像结果。越来越多的研究表明受激拉曼散射显微技术作为一种“虚拟组织成像”工具,可以迅速区分病变与正常组织。这篇综述主要阐述了受激拉曼散射显微成像的基本原理、发展现状及其在组织成像上的应用。

光声成像具有无损、高分辨率、高对比度等特点,在心脑血管研究、肿瘤研究、脑科学研究与疾病初期诊断等领域有广泛的应用。随着光机电技术的进步,小型化光声成像技术得到了较快发展。本文围绕光声成像系统的小型化与集成化应用,分别对光声成像在手持式、可穿戴式、便携式和内窥式方面的研究进展进行了综述。

作为一种非侵入式的高精度微操控和力传感工具,光镊已被广泛应用于生命科学领域的研究。全息光镊利用空间光调制器调控光场,可以灵活地产生任意排布的光阱阵列,具有比传统单光镊更高的灵活性,目前已在生物医学领域展现出巨大的应用价值。本文综述了全息光镊的基本原理、全息图算法,以及全息光镊在生物学领域的研究进展,希望可以为全息光镊在生物学中的应用研究提供一定的参考。

提出了一种新的表征方法——膜电位测量。膜电位恢复时间与膜穿孔尺寸相对应,因此建立起细胞膜穿孔尺寸的大小与激光能量阈值之间的关系,可为准确地向细胞内递送不同分子量的外源物质提供理论支持。将金纳米颗粒与胃癌细胞共同培养,在保证细胞不受金纳米颗粒毒性影响的前提下,选择不同能量纳秒脉冲激光照射共孵育后的胃癌细胞,并采用碘化丙啶(PI)和钙黄绿素乙酰甲酯(Calcein-AM)对穿孔后的细胞进行染色验证。结果发现:当加入直径为100 nm的金纳米颗粒,其数量与细胞数比为400∶ 1,激光能量密度在20 mJ/cm 2时,可以在保证细胞活性的前提下成功实现532 nm脉冲激光的细胞膜穿孔;在穿孔条件下,采用光标测技术测量细胞膜电位,发现细胞膜电位先增加后复原,最大增量为50 mV,恢复时间为250 s。膜电位结果再次验证,光穿孔造成的细胞膜损伤是可以恢复的,而且可以用膜电位变化来表征。

发展适用于低光子数应用环境的荧光寿命分析方法对快速荧光寿命显微成像(FLIM)方法的发展和应用都具有重要意义。受高密度单分子定位显微成像中压缩感知算法的启发,将荧光寿命分析看成一个稀疏逆问题,提出了一种基于交替下降条件梯度(ADCG)的荧光寿命分析新方法,并通过对模拟数据和实验数据进行分析,验证了ADCG-FLIM算法即使在低光子数情形下依然能够较好地分析荧光寿命,从而有利于活细胞快速FLIM技术的发展和应用。

采用频率为0.1 THz、功率密度为2.65 mW/cm 2的太赫兹光源分别辐射SD大鼠海马神经元5,15,25 min,通过神经元膜电位的变化,研究了太赫兹辐射对海马神经元兴奋性的影响,结果发现,15 min和25 min的太赫兹辐射会显著诱发海马神经元去极化,从而提高其兴奋性。为了探究太赫兹辐射提高神经元兴奋性的原因,检测了神经元内Ca 2+、Na +和K +浓度的变化,结果表明,此辐射使海马神经元内Ca 2+、Na +浓度增加,K +浓度减小。研究证实了太赫兹辐射(0.1 THz,2.65 mW/cm 2)通过调节海马神经元内带电离子的浓度促使其兴奋,为太赫兹辐射技术在生物医学领域应用的发展奠定了前期实验基础。

随机光学重构显微(STORM)的时间和空间分辨率相互制约,难以实现活细胞的超分辨成像,且超分辨图像的后处理分析与重构算法对图像质量也有非常重要的影响。基于此,针对高密度标记与高采样率所导致的单帧图像中光斑重叠及过多的背景噪声,提出一种用于单分子定位显微成像的新型噪声校正主成分分析(NC-PCA)方法,对单分子定位显微成像采集的图像进行预处理后再进行定位重构,提高了现有定位方法的定位精度,同时还实现了重叠分子的区分定位,从而提高了生物样品的标记密度,改善了超分辨成像的时间分辨率,可为活细胞单分子定位成像提供技术支持。

采用光谱和时间分辨的多光子显微技术对8例未染色的人体冠状动脉组织进行研究,根据荧光光谱分离出冠状动脉内膜中的弹性纤维和胶原纤维,并计算粥样硬化病变与非病变冠状动脉内膜中两种纤维信号的比值,从而获得胶原纤维和弹性纤维相对含量的变化。采用荧光寿命评估了冠状动脉粥样硬化组织中弹性纤维生化特性的变化,结果显示,冠状动脉硬化斑块区域具有较短的平均荧光寿命。光谱和时间分辨的多光子显微技术能有效识别冠状动脉粥样硬化斑块,有望成为研究冠状动脉粥样硬化病变的新方法。

将二维表面增强拉曼(SERS)增强基底与甲胎蛋白适配体相结合,开展甲胎蛋白(AFP)超灵敏定量检测。通过修饰有甲胎蛋白适配体的二维SERS基底和修饰有适配体互补序列的银纳米粒子间的碱基互补配对耦联来构筑纳米间隙SERS“热点”。该适配体互补序列修饰有拉曼信号标记分子ROX,AFP的加入会破坏这种纳米间隙“热点”结构,导致标记分子SERS信号强度减弱,根据ROX的SERS光谱信号变化工作曲线实现对AFP的超灵敏定量检测。这种检测方法的检测限为145 fg/mL,较传统临床检测方法提高了一个数量级,此外,设计的这种AFP SERS探针具有良好的特异性与抗干扰性能。研究结果表明提出的新型检测方法很有可能为准确检测AFP提供一种快速、有效的分析手段。

切伦科夫激发的荧光扫描成像(CELSI)作为一种新兴分子成像技术,具有空间分辨率高和成像深度深的优点,在监测放疗过程中肿瘤的生理变化方面具有巨大潜力。前期工作基于Tikhonov方法成功实现了CELSI断层成像,但该方法无法对位置深度超过3 cm或低对比度的荧光目标进行准确重建。为克服这一问题,提出了一种基于近似信息传递算法的断层CELSI稀疏重建方法。为说明该算法的优点,将其与传统的Tikhonov正则化算法以及3种基于稀疏的重建算法进行比较。实验结果表明,就均方误差和对比噪声比而言,本文算法可以获得最优的重建结果。

回音壁模式是光子在一个准二维平面内运动,并不断地在微腔边界发生全反射而不折射出腔的一种光学模式,具有高的Q值和小的模式体积,对外部环境的变化极其敏感。利用回音壁模式可以使宽带荧光实现窄光谱的激光输出。利用掺杂DG(dragon green)荧光染料的聚苯乙烯微球作为回音壁模式光学微腔,通过细胞的吞噬功能,使荧光微球到达细胞内部,利用纳秒脉冲激光进行泵浦,实现了细胞内的回音壁模式激光输出。与在纯水环境中的激光输出相比,细胞内荧光微球回音壁模式的谐振峰发生了红移,且红移量与细胞类型有关,说明可以用回音壁模式实现细胞种类的无标记识别。

由β-淀粉样蛋白(Aβ)生成的Aβ斑块是阿尔兹海默症(AD)产生的重要病理特征之一。在阿尔兹海默症治疗的相关研究中,实现对Aβ斑块的有效检测和降解是需要解决的重要科学问题。由于Aβ单体聚集成斑块后具有较强的自体荧光,因此本研究利用非线性光学成像方法实现对Aβ斑块的无标记成像,同时利用光敏剂的光动力效应对Aβ斑块进行降解。比较了不同浓度下光敏剂对Aβ斑块的降解效果,制备了相应的脂质体并成功地将其用于对Aβ斑块的降解。探讨了无标记光学成像及光动力疗法在阿尔兹海默症研究中的潜在应用价值,为优化阿尔兹海默症的诊断和治疗提供了新的途径。

食源性致病菌的快速检测是解决食品安全问题最有效的途径之一。为了实现对食源性致病菌的快速、高效、无标记检测和分类,提升了原有的光纤共聚焦后向散射光谱系统的性能,将其光场直径减小到适合较小生物样品的水平,即达到单菌水平检测。在无标记条件下,测定了三种常见的形态相近的食源性致病菌(肠炎沙门氏菌、大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌)的后向散射光谱。选取500~800 nm范围的特征波段,将主成分分析和模糊聚类分析相结合,建立多元分析模型。主成分分析结果表明,所得的前5个主成分已经包含80.41%的特征区光谱信息。将前5个主成分分量作为模糊聚类分析的变量。由所求得的隶属度矩阵可知,三种细菌聚类结果的准确率均为100%。该结果说明光纤共聚焦后向散射光谱方法结合主成分分析和聚类分析法能够快速、高效、无标记地对单个细菌进行分析和分类。

提出了一种基于光楔的全新的并行荧光擦除图案产生方法,使用光楔及配套反光镜来调控损耗光束入射辅助物镜时的物方倾斜角,可充分利用显微物镜的数值孔径,产生出周期更小的并行荧光擦除图案。仿真结果显示:当使用数值孔径为1.4的显微物镜且损耗光波长为760 nm时,所提方法能产生出周期为282.0 nm×283.6 nm的正方形网格状并行荧光擦除图案,能实现更高的成像分辨率。

搭建了一套多角度扫描的高灵敏度光声介观(OPAM)实验系统,可同时实现高灵敏度测量和多角度信息获取,并利用该系统对小动物肿瘤的结构信息与功能信息进行了初探。通过仿体实验验证了所搭建系统的空间分辨能力,满足OPAM成像需求;通过对两种小动物肿瘤模型进行OPAM实验,可获得肿瘤的结构图像以及两种肿瘤较为明显的类型特征;之后利用该系统在双波长测量条件下获得了肿瘤的血氧饱和度值。实验表明,该OPAM系统可以为肿瘤学研究提供一定的参考与指导,在生物医学研究领域具有较好的应用前景。

光声成像作为一种新型的生物医学成像技术,其成像过程结合了光学成像的高分辨率以及声学成像的深层组织穿透性能,突破了传统生物医学成像的“软极限”。然而,大多数的肿瘤,尤其是在早期阶段,并无明显的光声对比度,因此,开发出有效的外源性光声成像造影剂至关重要。基于此,研究了一种新型二维材料——锑烯纳米层片(AMNFs),它在300~900 nm波段范围内具有较好的光学吸收性,且具备优异的光热转换效率和光声性能。用此材料作为对比剂,可以实现活体小鼠体内小肿瘤的高质量光声成像。

光学相干断层血管造影术(OCTA)是研究微血管网络和微循环的重要工具。采用高灵敏度和高分辨率的光学相干断层血管成像技术对细菌诱导的裸鼠耳朵炎症模型进行监测和评估。成像结果表明:光学相干断层血管造影术可以高灵敏度和高分辨率地监测细菌诱导性炎症过程中,小鼠耳朵免疫血管反应诱发的微血管网络密度差异和血管形态变化;细菌感染之后,小鼠耳朵的OCT(optical coherence tomography)血管信号明显增强,这是由于细菌诱导的血管发炎促进了血管中红细胞的增多,从而增强了OCT信号。最后,健康被试者手掌处的高密集血管网络图像,证明了光学相干断层血管造影术用于临床评估炎症的可能性。该方法有助于进一步认识炎症的病理机制,为临床评估炎症开辟了新途径。

在光声显微成像中,系统的探测灵敏度是决定成像质量和探测深度的关键因素,也将进一步影响光声成像在生物医学领域中的应用范围。通过将微型放大芯片集成至换能器单元,实现信号的前置放大和输出阻抗的匹配,提高了探测灵敏度和信噪比;基于制备的原型换能器搭建了光声显微成像系统,并通过仿体和大鼠耳部血管的三维成像实验,验证了该系统进行高灵敏光声显微成像的可行性。实验结果表明:基于集成放大芯片换能器的光声显微成像技术可使光声信号的信噪比提升10 dB以上,具有应用于微弱生理、病理变化检测和定量分析的潜力。

报道了一种用于神经外科手术立体定向导航的原位同轴投影技术。该技术可以自动完成图像与患者位置的配准,并将术前重建的手术靶点和规划入路实时原位地投射到手术部位,指导术者按照预定靶点和入路进行精准手术。同轴标定实验表明该系统在工作距离下的平均投影仪重投影误差为0.4 mm,具有较高的摄影-投影同轴度。立体定向投影精度实验表明该系统在不同投射角度下的靶点平均投影误差为1.2 mm,具有较高的立体定向导航精度。仿体实验表明该系统在不同的模拟手术条件下可达到0.3 mm到3.1 mm的平均投影误差,具备良好的临床应用可行性。 跟其他立体定向导航系统相比,原位同轴投影技术摈弃了屏幕显示,可以避免术者视角在显示器和术野之间频繁切换带来的不便和操作误差,提升了手术效率,在脑肿瘤及脑血肿手术导航中具有广阔的临床应用前景。

癫痫治疗手术往往依靠对致痫灶的准确定位,目前各种定位方式都存在着一定限制。临床上使用的脑皮层电位图(ECoG)具有很高的时间分辨率,但是其空间分辨率不能满足要求。基于人脑中存在的神经血管偶联机制,提出一种利用微型光极与微型超声探头,通过探测脑微血管血流量来进行癫痫致痫灶定位检测的新方法。动物模型实验结果表明:脑皮层表面检测到的光极信号与癫痫发作期ECoG电信号有着良好的对应关系;在脑皮层以下1 mm深度内,超声回波功率谱与ECoG电信号同样具有较好的对应关系。因此,该方法有望为临床癫痫致痫灶检测与定位提供一种新的有效手段。

提出一种光透过散射介质的散斑恢复算法,可实现大视场任意位置的聚焦。通过仿真模拟光路测量散射介质的传输矩阵并进行二值化处理,再利用数字微镜器件对入射光进行二值振幅调制,实现透过散射介质的单点或多点聚焦。由于不同聚焦位置的独立性,所提算法能够实现大视场任意位置聚焦。仿真结果表明:聚焦位置的光强增强因子随着采样数目的增加而增加;与传统三步相移法相比,在采样数目减少1/3的情况下,所提算法能够获得55%的增强比,比三步相移法高12%。所提算法对透过散射介质实现大视场范围扫描聚焦有重要意义,在生物医学成像领域具有广阔应用前景。

采用一种基于光学相干层析成像(OCT)技术的深度分辨散射系数计算方法来量化表征细胞分布特性。该方法基于单散射模型获取深度分辨散射系数分布图,并通过散射系数直方图统计发现细胞分布规律。通过多层散射介质模型验证了该方法的有效性。实验结果表明:根据散射系数分布图可以深度分辨细胞分布特性,相比OCT强度图像,细胞和背景的对比更明显;不同浓度细胞悬浮液的OCT强度信号直方图无明显区别,散射系数直方图则出现了表征细胞浓度的特征峰,且该特征峰与背景散射特征峰的偏离程度与细胞浓度呈线性关系。利用OCT散射系数分布图检测到生物三维打印水凝胶支架内细胞分布与H&E染色结果有较好的对应关系,且相应的散射系数直方图分布中出现了表征细胞浓度的特征峰。

考虑到肿瘤的形状特征以及激光间质热疗时激光的传输方式为内置光源,首先建立了内插光纤的双层球体生物组织模型,然后假设光子从球体中心发射,建立了光子在组织内、球体边界及内插光纤表面的传输方式,最后采用Visual Studio软件编程,基于蒙特卡罗法对光在该组织模型中的传输进行仿真。仿真结果表明:光纤主要对光子出射端面附近的光子的运动产生影响;位于光子出射面下方的组织对光子能量的吸收大于出射面上方组织对光子能量的吸收;内层球体的半径越小,内边界的吸收值越大。与传统的蒙特卡罗方法相比,所建模型更接近于激光间质热疗的实际情况,对后续准确预估激光间质热疗的热毁损范围具有重要的实际意义。

为了获取眼科激光手术中规划手术部位的深度空间信息,搭建了双光纤环形器结构的扫频光相干断层成像(SS-OCT)系统。在样品臂中加入二向色镜,将其与互补金属氧化物半导体(CMOS)相机系统进行整合。对OCT坐标系与相机图像坐标系的几何关系进行匹配,设计了多角度线性扫描、环形扫描等模式,实现了相机视频图像下任意指定位置的多模式扫描成像。该成像系统的纵向分辨率为13.68 μm,横向分辨率为29.8 μm,在空气中的成像深度为17.25 mm,测量的最大横向偏差为275 μm,最大纵向偏差为70 μm,能够满足手术的定位要求。该研究初步实现了眼内指定部位深度信息的快速获取,有望应用于眼科疾病诊断和白内障手术导航。

非接触式心冲击描记术(BCG)通过测量血液循环过程中血液对血管壁产生的周期性压力来测量心率。这种压力会引起包括头部在内的身体各部位周期性弱机械运动,这种运动十分微弱,并且从身体运动中提取的BCG信号有着较低的信噪比,限制了其心率的测量精度。利用光学杠杆放大头部运动(Optical lever amplified BCG,OLA-BCG),提出了一种非接触式高精度心率检测算法。该方法以激光作为主动光源,结合附着在头部的平面镜,实现头部运动的放大;同时利用加权质心跟踪算法提取头部运动轨迹并采用独立成分分析过滤掉干扰噪声,得到BCG信号。最后,对提取的BCG信号进行频谱分析,计算出心率值。实验结果表明,OLA-BCG方法可以有效提高从头部运动中提取的BCG信号的信噪比和心率的测量精度。