1 中国医学科学院生物医学工程研究所，天津 300192
2 天津医科大学总医院消化内科，天津 300050
胃癌是我国主要的致死癌症之一，大部分患者发现时已处于进展期，如果能通过大规模筛查在早期发现胃癌，则可大大提高患者生存率。制约我国胃癌大规模筛查的障碍有二，其一是内镜的侵入性高，患者接受度低，其二是我国内镜医师相较于庞大的人口数量严重短缺。第一个障碍可通过胶囊内镜机器人得到缓解，第二个障碍则有望通过人工智能技术解决。将领域前沿的Big Transfer（BiT）技术迁移到一个小样本的早期胃癌内镜图像数据集上，构建了基于白光内镜图像的早期胃癌分类识别模型。在实现迁移过程中，对BiT的超参数调整规则进行了本地化适配，根据GPU内存的限制，选择了单批次数量；利用线性缩放规则，根据单批次数量动态调整了优化算法的初始学习率；固化小型目标数据集上的训练图像总量为256000张，在此基础上设置了迁移学习的其他超参数。对多个模型进行实验，所有模型的结构均为ResNet-v2，只是深度和宽度不同。最佳模型的深度为101，宽度为初始结构的3倍，在测试集上的准确率为97.14%，F1分值为94.77%，敏感度为90.67%，特异度为99.73%。此外，结果表明，单批次数量对模型训练效果的影响不具有显著的统计学差异。所提模型通过对BiT进行本地化适配，成功地在小规模内镜图像数据集上实现了较大模型的迁移，这将会促进大模型技术在内镜图像分析领域的应用，从而有助于早期胃癌大规模筛查的实现。
激光与光电子学进展
2022, 59(6): 0617028
1 中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所, 天津 300192
2 国家康复辅具研究中心, 北京 100176
光动力疗法是目前临床上出现的一种新型治疗肿瘤的方法, 利用光敏剂吸收可见-近红外光并在组织氧的参与下发生光化学反应, 产生活性氧物质进而诱导肿瘤细胞凋亡或坏死。光动力疗法对肿瘤侵袭性低, 具有较高的选择性和良好的患者依从性, 因此被广泛用于各种消化道恶性肿瘤的姑息性治疗和挽救性治疗。本文对近年来国内外应用光动力疗法治疗消化道肿瘤的文献进行综述, 对所报道的疾病类型、治疗病例数、光敏剂和光源、疗效和安全性等信息进行分类整理, 并对所面临的挑战和近期的研究进展进行了汇总, 以期全面和客观地了解光动力疗法在治疗消化道肿瘤中的应用和研究进展, 探讨目前的新应用及存在的问题和可能的发展方向。
光动力疗法 消化道肿瘤 姑息疗法 光动力诊断 光敏剂 photodynamic therapy gastrointestinal cancer palliative treatment photodynamic diagnosis photosensitizer
1 天津工业大学电子与信息工程学院, 天津 300387
2 中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所激光医学实验室, 天津 300192
间充质干细胞(mesenchymal stem cells, MSCs)具有自我更新和多向分化的潜能, 但分化方向缺乏引导性, 受基因、细胞因子、内环境等多种因素的影响。干细胞移植是神经性疾病治疗的常用手段, 本文就MSCs定向神经分化的诱导方法如神经营养因子、化学诱导剂、光生物调节、中药诱导等及其可能机制进行阐述。
间充质干细胞 神经分化 弱激光 神经营养因子 mesenchymal stem cells neural differentiation photobiomodulation neurotrophic factor
1 中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所， 天津 300192
2 中国医学科学院北京协和医学院医学实验动物研究所， 北京 100021
3 天津大学精密仪器与光电子工程学院， 天津 300072
介绍一种基于光谱检测和数据驱动模型的非接触式血液物种识别技术。 选取了4个物种（猴144， 大鼠203， 狗133， 人169）共计649个血样作为原始样本。 超连续谱激光光源的波长范围是450～2 400 nm。 分别采集抗凝管盛装血液样本的后向散射可见光谱（294～1 160 nm）和十个不同空间位点的前向散射近红外光谱（1 021～1 757 nm）， 将十一条光谱数据顺序连接为一维数据作为每个样本的原始数据。 利用主成分分析法对数据集进行特征信息提取， 保留原始差异信息量的99.99%， 同时将数据量压缩为原始数据量的1.5%， 提高分类识别的运算效率。 对不同数量的训练集和验证集进行训练预测实验表明， 十折交叉验证的识别误差率随着样本数量的增加而降低， 样本库规模的增大可以提高识别的精确度。 由于数据驱动模型是基于机器学习算法的数据流处理模型， 因而可以采用多种不同的分类算法实现。 通过比较人工神经网络、 支持向量机、 偏最小二乘回归、 多元线性回归、 随机森林和朴素贝叶斯的识别效果可以发现， 不同算法的识别效果具有类别差异性， 即各个算法的正确识别率排序在不同的物种中是有差异的。 因而实际应用中， 在选择数据驱动模型时， 除了需要考虑算法的整体识别率之外， 当对部分类别的识别效果有额外要求时， 还应该考虑算法本身的类别差异性。
非接触式血液物种识别 数据驱动模型 分类算法 Non-contact blood species recognition Data driven model Classification algorithm 光谱学与光谱分析
2018, 38(8): 2483
1 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所, 江苏 苏州 215163
2 中国科学院生物医学检验技术重点实验室, 江苏 苏州 215163
3 中国医学科学院生物医学工程研究所, 天津 300192
4 美国密西西比州立大学, 美国 密西西比 MS 39762
呼吸气体分析技术在疾病诊断和代谢监测方面无创性、实时性的优势使其成为一个颇具前途的研究领域，也是未来新型诊断仪器的发展方向。目前大多呼吸生物标志物的检测和定量分析均采用气相色谱-质谱联用技术。近几年来，激光光谱技术和激光光源的发展加速推进了呼吸气体分析研究的进展。与质谱技术相比，激光光谱技术不但具有高灵敏度、高选择性的优点，而且具有低成本、实时性及即时检测（POCT）的功能特点。目前，在已确定的35种呼吸生物标记物中，研究人员采用可调谐半导体激光吸收光谱、光腔衰荡光谱以及光声光谱技术进行了多种呼吸生物标记物人体呼吸气体实验，其相应生物标记物的光谱“指纹”涵盖了从紫外到中红外的光谱范围。
医用光学 呼吸气体分析 生物标记物 可调谐半导体激光吸收光谱 光腔衰荡光谱 光声光谱
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2 中国医学科学院生物医学工程研究所, 天津 300192
基于二组分混和食用油的吸收系数是各自组分吸收系数按照掺杂比例的线性组合的假设以及朗伯-比尔吸收机理, 提出并推导了二组分食用混合油的线性混合数学模型。 该数学模型可根据相同厚度的两种原料油和其二组分混合油对相同光源的吸收光强变化计算出混合油的组分比例。 根据误差理论, 利用全微分公式分析了组分比例计算值的误差, 表明通过选择使两种原料油的透射光强和吸光度差值的乘积较大的波长位置, 可以优选出检测波长。 搭建了可见-近红外光谱检测系统, 利用花生油掺杂玉米油、 花生油掺杂大豆油和玉米油掺杂大豆油三种混合油对模型进行了验证。 结果表明, 该模型对掺杂10%以上的混合油的成分比例计算值和实际值的相对误差在5%以内, 相关系数分别达到0.999 4, 0.999 7和0.999 3, 标准误差分别为0.006 9, 0.005 1和0.007 6, 并证实本研究的波长选取方法是合理的。 此外, 对3种按同样比例组合的、 未混合的分立油样本进行了检测, 计算组合比的相对误差也可控制在10%以内, 同时揭示入射光源的平行度和待测装置的垂直度对检测精度有一定影响。 试验证明, 不同于传统的光谱结合化学计量学的检测方法, 本方法可以仅通过检测原料油和混合油在选定波长上的吸收光强即可准确计算得到掺杂比例。
线性混合 朗伯-比尔定律 掺杂 吸收光谱 定量分析 Linear mixing The Lambert-Beer’s Law Adulteration Absorption spectrum Quantitative analysis 光谱学与光谱分析
2017, 37(8): 2486
1 中国医学科学院北京协和医院口腔科, 北京 100730
2 中国医学科学院生物医学工程研究所激光医学实验室, 天津 300192
目的: 980 nm半导体激光可用于种植体周围软组织处理和种植体周围炎治疗, 但其对种植体的作用尚未完全被了解。本文研究980 nm半导体激光照射对种植体表面结构和温度变化的影响, 以期为临床使用参数设置和操作方法提供依据。方法: 980 nm半导体激光照射纯钛圆盘试件, 扫描电镜观察钛盘表面结构变化, 热电偶检测钛盘温度变化范围和到达骨组织损伤温度升高阈值(10 ℃)的照射时长。结果: 实验全部参数设置下980 nm半导体激光照射, 钛盘表面结构均无明显改变。脉冲模式输出功率1 W, 移动照射20 s钛盘温度上升19.8 ℃; 经过10.2 s钛盘温度升高可达10 ℃。连续输出模式或增加输出功率, 钛盘温度显著上升, 并可在数秒内超过10 ℃。结论: 980 nm半导体激光照射对种植体表面结构无损伤, 但存在种植体温度升高造成周围组织热损伤的风险。
980 nm半导体激光 表面 温度 种植体周围炎 980 nm diode laser surface temperature peri-implantitis
中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所, 天津 300192
肌筋膜疼痛综合征是一种以慢性疼痛为特征的常见疾病, 其发病率高、发病人群广、严重影响劳动效率, 临床上常采用物理疗法进行治疗。弱激光疗法作为常用物理治疗方法之一, 具有消炎、镇痛、消肿等作用, 近年来已成为肌筋膜疼痛综合征临床研究领域的新热点。综述了弱激光照射治疗肌筋膜疼痛综合征的基础研究、激光参数设置、疗效评价手段等方面的最新进展, 旨在为优化弱激光的作用机制研究、改进临床治疗方法、提高临床疗效提供依据。
医用光学 弱激光疗法 肌筋膜疼痛综合征 肌筋膜激痛点 激光与光电子学进展
2017, 54(2): 020006
1 中国医学科学院生物医学工程研究所激光医学实验室，天津 300192
2 天津大学精密仪器与光电子工程学院太赫兹研究中心，天津 300192
3 天津医科大学生物医学工程学院，天津 300070
太赫兹波（THz）是一种介于微波和红外线波之间的电磁波。由于生物体对THz波的独特响应性，太赫兹波在生物医学领域的应用研究特别是其与生物组织的相互作用成为了研究热点。该研究旨在探索太赫兹波能否激发光敏剂产生光敏效应。采用纳焦级宽谱（1~3 THz）的脉冲太赫兹光源对光敏剂（PS）血卟啉单甲醚（HMME）照射30 min，用DPBF作为单态氧的捕获剂检测单态氧产率。采用相同的太赫兹光源照射常规培养的HepG2细胞，光学显微镜下观察细胞形态，MTT法检测细胞活性。PS+THz组单态氧产率显著高于单纯太赫兹波组（21.04% vs. 2.39%）；PS+THz组HepG2细胞形态较对照组略圆，细胞有收缩趋势；细胞活性检测结果显示，太赫兹波照射后HMME孵育的HepG2细胞的活性降低至81.13%（THz组为99.21%）。实验结果表明宽谱1~3 THz纳焦级太赫兹波可激发光敏剂HMME，激发效率约为20%。
医用光学 太赫兹波 光敏效应 单态氧 血卟啉单甲醚 中国激光
2015, 42(s1): s104001
1 中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所, 天津 300192
2 天津医科大学生物医学工程学院, 天津 300070
研究和比较双波长低能量激光疗法(LLLT)对人皮肤成纤维细胞(CCC-ESF)的生长、酶活性以及生长因子等的影响,讨论弱激光促进伤口愈合的作用机理.体外培养CCC-ESF,实验分为对照组和照光组(635 nm 组、808 nm 组和635 nm/808 nm 组),照光剂量为20 mW/cm2、12 J/cm2,分别检测细胞增殖情况、活性氧(ROS)产量、抗氧化酶活性[过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)]、脂质氧化能力(MDA)以及细胞生长因子含量.635 nm 组细胞增殖速度明显大于其他各组；635 nm、808 nm 和635 nm/808 nm 组ROS 水平分别比对照组提高了14.55%、7.49%和14.92%；CAT 和SOD 酶活力提高；808 nm 激光促进MDA 增加；双波长激光使人白介素1(IL-1)和成纤维细胞生长因子(FGF)分泌量显著增多；808 nm 激光增加了人胰岛素样生长因子(IGF-1)和人胶质细胞源性神经营养因子(GDNF)的分泌.LLLT 诱导产生的低水平氧化应激反应可促进CCC-ESF 增殖,提升细胞活力,增强细胞对外界环境的抵抗能力.LLLT 刺激细胞分泌多种细胞因子,调控创伤愈合的进程.双波长激光产生的生物效应优于单一波长.
医用光学 低能量激光 成纤维细胞 活性氧 生长因子 激光与光电子学进展
2015, 52(8): 081703
