1 香港理工大学生物医学工程系，香港 九龙999077
2 香港理工大学深圳研究院，广东 深圳 518055
3 香港理工大学光子技术研究院，香港 九龙999077
4 香港理工大学体育科技研究院，香港 九龙999077
光学技术在生物医学中扮演着越来越重要的角色，其非电离辐射、高分辨率、高对比度和对生物组织异变高度灵敏等特性使其非常适用于生物组织的研究，包括成像、传感、治疗、刺激以及控制等。然而由于光折射因子在生物组织中的分布是不均匀的，光在生物组织中的传播会受到很强的散射影响，故纯光学技术的穿透深度和空间分辨率是“鱼和熊掌不可兼得”；高分辨率光学成像应用仅限于样品浅表层，当成像深度增加时分辨率急剧下降。实现光在深层生物组织里的高分辨率成像或应用是人们期盼已久的目标。近年来，为解决这一问题，研究者提出了不同的方法，例如切换到更长的光波长以减小组织散射系数，在信号检测时将漫射光转换为散射不明显的超声信号，逆转或者预先补偿由光的多次散射所带来的相位畸变，或借助光纤等微创光学通道实现深层生物组织的高分辨率光学成像、刺激等。基于团队在深层生物组织光学相关领域多年的耕耘，从光在生物组织中的传播特性出发，梳理和总结了近年来研究人员在光-声结合和光学波前整形技术等方面展开的诸多探索，以及在生物组织操控、成像、光学计算以及人工智能等领域中的应用尝试。虽然尚有诸多不足，但随着硬件设备的更新和计算技术的发展，在不远的将来有望实现活体深层生物组织光学高分辨率应用。在这一求索过程中，新方法和新能力将不断激发新的应用灵感，为光学尤其是生物医学光子学带来全新的理念和机遇。
1 曲阜师范大学网络空间安全学院，山东 济宁 273100
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，广东 深圳 518055
3 香港理工大学生物医学工程系，香港 999077
4 香港理工大学深圳研究院，广东 深圳 518055
双光子成像技术已被广泛应用于活体肿瘤成像、神经功能成像以及大脑疾病研究等领域，但双光子成像视场较小（视场直径一般在1 mm以内），限制了其进一步应用。虽然通过特殊的光学设计或者自适应光学技术能够有效增大视场，但复杂的光路设计、高昂的器件成本以及繁琐的操作过程限制了这些技术的推广。提出了一种利用深度学习技术替代自适应光学技术扩展双光子成像视场的新思路，在低成本（无须特殊物镜，无须相位补偿装置）、易操作的前提下实现了大视场双光子成像。设计了一种适用于光学显微系统中扩展双光子成像视场的nBRAnet网络框架，为使该网络框架可以更好地利用特征图信息，在该框架中引入残差模块和空间注意力机制，同时去除了数据归一化处理，以增加图像对比度信息。实验结果表明：所提深度学习方法可以有效地代替自适应光学技术，增强扩展视场中的精细结构特征，并恢复扩展视场的成像分辨率和信噪比，使双光子成像视场直径扩展到3.46 mm，峰值信噪比超过27 dB。深度学习方法具有成本低、操作简单、图像增强效果显著等特点，有望为跨区域脑成像或全脑成像提供一种经济实用的方案。
显微 深度学习 自适应光学 大视场 双光子成像
夹塞与介质的交界面并非总是完美界面,即位移应力在边界上并非是连续且相等的,入射P波在不完美界面发生的动态响应与在完美界面的动态响应有所差别。为了研究平面P波在具有不完美界面夹塞上的动应力响应情况,引入弹簧模型作为不完美界面模型,该界面模型假定为厚度无穷小且无惯性的弹性粘结层。利用波函数展开法计算平面P波入射时不完美界面周边的动应力集中因子。分析了弹簧模型的重要参数弹簧刚度对动应力集中因子的影响。计算结果表明：弹簧刚度对低波数时的动态响应有明显影响,而随着波数的增大这种影响会逐渐减弱,同时在高波数时能观察到共振散射现象。采用常见的地震波子波—雷克子波作为瞬态扰动波形,基于稳态结果利用Fourier变换得到瞬态波入射时不同弹簧刚度条件下的瞬态响应。瞬态DSCF变化情况与稳态条件下相似,但是幅值有所增加。另外,雷克子波的主频与瞬态DSCF成负相关。
平面P波 圆柱形夹塞 不完美界面 瞬态P波散射 动应力集中因子 plane P wave circular inclusion imperfect interface transient P-wave scattering dynamic stress concentration factor
红外与激光工程
2022, 51(11): 20220550
1 贵州大学 a.物理学院
2 b.贵州省光电子技术与应用重点实验室, 贵阳 550025
3 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室, 深圳 518055
本文提出利用离轴抛物镜共焦中继系统来改善双光子成像视场边缘像质变差的问题, 进而提升双光子成像视场。不同于传统的双胶合透镜扫描中继系统, 离轴抛物镜共焦扫描中继系统由一对离轴抛物镜构成, 扫描振镜位于抛物面镜焦点处。仿真和试验结果均显示, 该系统能有效优化视场边缘的像散、场曲和畸变情况, 提高成像质量。利用该扫描系统, 我们实现了视场为2.4 mm×2.4 mm, 横向分辨率为1 μm的大视场双光子显微成像, 能清晰分辨小鼠大脑切片中的神经轴突结构。
离轴抛物面反射镜 双光子成像 共焦扫描中继 像差 大视场 off-axis parabolic mirror two-photon microscopy afocal scanning relay aberration large field-of-view
1 重庆大学化学化工学院 化学系, 重庆400044
2 沈阳师范大学 物理科学与技术学院, 辽宁 沈阳110034
利用基于密度泛函理论框架下的平面波赝势法和广义梯度近似, 计算分析了ZnTe结构本体、掺入杂质Cu(Zn0.875Cu0.125Te)及Zn空位(Zn0.875Te)体系的晶格常数及缺陷形成能, 得到了不同体系的态密度、能带结构、集居数、介电函数、损失函数、吸收光谱、光电导率、复折射率及反射率。结果表明, 掺杂Cu和Zn空位对ZnTe的晶胞参数、能带结构以及光学性质都产生了一定程度的影响。由于空位及杂质能级的引入, 缺陷体系体积减小, 晶胞参数也产生了一定的改变, 同时缺陷体系禁带宽度减小并给受主能级价带顶提供n型电导性; 此外, 缺陷体系吸收光谱产生红移, 电子在可见光区的跃迁明显增强并出现介电峰, 改善了ZnTe的光学性质。
第一性原理 电子结构 光学性质 ZnTe ZnTe first-principles electronic structure optical property
