符荣鑫 1,*艾昕 1张书豪 2费捷 3[ ... ]李航 1
作者单位
摘要
1 北京理工大学医学技术学院,北京 100081
2 北京理工大学自动化学院,北京 100081
3 中国船舶集团有限公司系统工程研究院,北京 100094
4 北京理工大学集成电路与电子学院,北京 100081
长时程细胞成像及分析在生物医学研究中具有重要意义。然而,由于荧光显微镜存在光漂白和光毒性等问题,其应用受到一定限制。非标记成像技术为克服这些限制提供了可行的解决方案。研究了干涉光谱分析技术作为解决非标记长时程活细胞监测问题的潜在方法,并提出了一种基于高光谱干涉重构的非标记定量显微成像技术。通过建立描述干涉信号的数学模型,设计样本定量重构算法,从而获取活细胞纳米结构和干质量分布的定量信息。系统采用自反射式干涉结构,不依赖复杂的光学调制元件,结构简单、操作便捷。此外,本文还在光学显微成像的基础上集成了具有细胞培养能力的微型细胞培养箱,实现了原位长时程成像。利用该系统,研究了不同细胞全细胞周期内的纳米结构定量和干质量变化,展示了本工作在生物医学领域的应用潜力。
计算成像 定量干涉 非标记成像 纳米级精度 原位细胞监测 
中国激光
2024, 51(9): 0907018
戴太强 1,2,3,4马英 5杜宇轩 1,2,3,4侯燕 1,2,3,4[ ... ]孔亮 1,2,3,4,*
作者单位
摘要
1 口颌系统重建与再生全国重点实验室,陕西 西安 710032
2 国家口腔疾病临床医学研究中心,陕西 西安 710032
3 陕西省口腔疾病临床医学研究中心,陕西 西安 710032
4 第四军医大学口腔医院颌面外科,陕西 西安 710032
5 西安电子科技大学物理学院,陕西 西安 710171
6 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室,陕西 西安 710119
分离培养SD大鼠骨髓间充质干细胞,传代纯化后接种至共聚焦培养皿,置于自主研发搭建的平场定量相位显微镜下,利用荧光及相位双通道证实线粒体特征后,进行长时间无标记观察,分析平场定量相位显微镜观察到的线粒体分裂、融合过程,以及细胞凋亡过程中的线粒体变化。平场定量相位显微镜无标记观察到的线粒体可与荧光标记的线粒体完全重叠,表明平场定量相位显微镜可以清晰观察线粒体并进行无标记高分辨率成像。同时,平场定量相位显微镜可以对培养条件下的骨髓间充质干细胞进行长时间无标记观察,并高分辨率记录线粒体分裂、融合过程。此外,还利用平场定量相位显微镜首次完整记录了CCCP作用下线粒体的变化,该变化直观地呈现了线粒体途径的细胞凋亡过程。平场定量相位显微镜可以对培养的细胞进行长时间无标记高分辨率观察,为线粒体动力学的研究提供了一种新的观察手段。
无标记成像 平场定量相位显微镜 骨髓间充质干细胞 线粒体动力学 
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618020
Author Affiliations
Abstract
1 Duke University, Durham, North Carolina, United States
2 Friedrich-Alexander University, Erlangen, Germany
3 UC San Diego, La Jolla, California, United States
4 Yonsei University, Seoul, Republic of Korea
5 UC Berkeley, Berkeley, California, United States
6 Duke University Medical Center, Durham, North Carolina, United States
We report tensorial tomographic Fourier ptychography (T2oFu), a nonscanning label-free tomographic microscopy method for simultaneous imaging of quantitative phase and anisotropic specimen information in 3D. Built upon Fourier ptychography, a quantitative phase imaging technique, T2oFu additionally highlights the vectorial nature of light. The imaging setup consists of a standard microscope equipped with an LED matrix, a polarization generator, and a polarization-sensitive camera. Permittivity tensors of anisotropic samples are computationally recovered from polarized intensity measurements across three dimensions. We demonstrate T2oFu’s efficiency through volumetric reconstructions of refractive index, birefringence, and orientation for various validation samples, as well as tissue samples from muscle fibers and diseased heart tissue. Our reconstructions of healthy muscle fibers reveal their 3D fine-filament structures with consistent orientations. Additionally, we demonstrate reconstructions of a heart tissue sample that carries important polarization information for detecting cardiac amyloidosis.
computational imaging three-dimensional imaging phase retrieval microscopy polarization-sensitive imaging label-free imaging 
Advanced Photonics
2024, 6(2): 026004
作者单位
摘要
1 南开大学现代光学研究所,天津 300350
2 应用光学国家重点实验室,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033
3 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室,天津 300350
4 汕头市中心医院乳腺疾病诊疗中心,广东 汕头 515041
5 汕头市中心医院临床医学研究中心,广东 汕头 515041
三次谐波源于强脉冲激光照射样品时产生的三倍频光响应,可对生物组织实现无标记、亚细胞量级分辨率、近乎实时的成像。通过与二次谐波信号和双/三光子荧光信号相结合,三次谐波显微成像可在肿瘤术中揭示肿瘤组织的典型病理特征信息,比如细胞增生与血管增生等,从而为医生判断肿瘤边界进而做出肿瘤组织彻底切除与否的决策提供实时帮助。本文阐述了三次谐波显微成像的基本原理,讨论了它在肿瘤术中诊断方面的应用,探讨了基于三次谐波的小型化便携术中诊断仪器,并总结了三次谐波内窥成像的发展现状,这些内容的讨论有望推动三次谐波成像技术的临床化。
医用光学 三次谐波成像 无标记成像 肿瘤诊断 小型化 内窥成像 
中国激光
2024, 51(3): 0307101
作者单位
摘要
南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094
全场光学相干层析术(FF-OCT)探测生物组织亚细胞水平折射率扰动的本征信号,为无标记成像提供了丰富的显微结构信息。动态全场光学相干层析技术(D-FFOCT)结合全场OCT低相干层析成像与动态散射光测量原理,可为细胞或组织提供亚细胞动态对比度。介绍了近年来D-FFOCT技术的发展,讨论了基于D-FFOCT的多模态成像技术,分析了成像系统的空间分辨率、信噪比和成像深度。针对目前D-FFOCT干涉信号易受扰动而产生图像伪影缺陷的问题,分析比较了运用高速相机、瞬时移相法、基于希尔伯特变换的算法和基于奇异值分解的图像滤波算法等消除伪影的方法,概述了D-FFOCT在基础生物学、精准医疗领域和药物研究方面的研究,并展望该技术在这些领域的发展前景和未来研究方向。
生物光学 无标记成像 全场光学相干断层扫描技术 动态散射光测量 图像伪影 精准医疗 
中国激光
2022, 49(5): 0507202
杨泽文 1张璐 1,*吕宁 1王慧君 1[ ... ]袁莉 3
作者单位
摘要
1 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,陕西 西安 710049
2 西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室,陕西 西安 710049
3 西安交通大学第一附属医院检验科,陕西 西安 710061
折射率是生物样本最重要的光学属性,经常作为内源性“标记物”进行无标记定量成像。虽然通过测量光程差获取相位信息的传统定量相位成像方法已被广泛研究,然而其获取的相位结果是样本折射率与厚度的耦合产物,无法重建三维形态学信息。近年来,以光学投影层析方法为开端,研究人员率先开启了以三维折射率定量成像为目标的形态学特征重建方法研究。然而光学投影层析方法未考虑衍射效应,导致其精度不足。为解决该问题,基于散射反演求解的光学衍射层析技术应运而生,并在无标记生物三维成像方面展现出巨大的潜力。本文锁定生物折射率三维无标记定量成像研究,聚焦光学投影层析和光学衍射层析两种方法的发展历程,从正向测量模型、反演算法以及实现方法三方面进行综述,并对该研究未来的工作进行展望。
医用光学 三维显微成像 无标记成像 折射率定量成像 光学投影层析 光学衍射层析 散射反演 
中国激光
2022, 49(5): 0507201
作者单位
摘要
1 北京航空航天大学生物与医学工程学院北京市生物医学工程高精尖创新中心,北京 100191
2 北京大学生物医学前沿创新中心,北京,100871

生物样品存在着丰富的物质信息,每一种物质都有其自身独特的性质及功能,对这些物质在生物体内的产生、转运、分布等进行研究可以使我们更加深入地了解生物系统。具备良好化学特异性的光学显微镜为这些研究提供了强大且可靠的工具。拉曼散射技术由于解决了荧光显微镜所需的外源性标记所带来的问题,极大地促进了生物医学的发展。高光谱相干拉曼散射(hyperspectral coherent Raman scattering,HS-CRS)技术可对不同成分物质进行无标记化学成像,通过同时提供图像和光谱信息,对样品内物质的性质、含量和分布状况做出判断,为科研人员提供了更多维度的物质信息。HS-CRS技术在近几十年内进行了不断的技术更新并在生物医学领域完成新的技术应用,本文对主要的HS-CRS技术的实现形式及方案进行了介绍,并总结了HS-CRS技术在生物医学领域的应用。

高光谱成像 相干拉曼散射显微术 无标记成像 医用光子学 
激光与光电子学进展
2022, 59(6): 0617003
Author Affiliations
Abstract
1 Korea Advanced Institute of Science and Technology, Department of Physics, Daejeon, Republic of Korea
2 KAIST Institute for Health Science and Technology, KAIST, Daejeon, Republic of Korea
3 Asan Institute for Life Science, Asan Medical Center, Seoul, Republic of Korea
4 Johns Hopkins Medical Institutions, Sol Goldman Pancreatic Cancer Research Center, Department of Pathology, Baltimore, Maryland, United States
5 University of Ulsan College of Medicine, Asan Medical Center, Department of Pathology, Seoul, Republic of Korea
6 Tomocube Inc., Daejeon, Republic of Korea
Histopathology relies upon the staining and sectioning of biological tissues, which can be laborious and may cause artifacts and distort tissues. We develop label-free volumetric imaging of thick-tissue slides, exploiting refractive index distributions as intrinsic imaging contrast. The present method systematically exploits label-free quantitative phase imaging techniques, volumetric reconstruction of intrinsic refractive index distributions in tissues, and numerical algorithms for the seamless stitching of multiple three-dimensional tomograms and for reducing scattering-induced image distortion. We demonstrated label-free volumetric imaging of thick tissues with the field of view of 2 mm × 1.75 mm × 0.2 mm with a spatial resolution of 170 nm × 170 nm × 1400 nm. The number of optical modes, calculated as the reconstructed volume divided by the size of the point spread function, was ~20 giga voxels. We have also demonstrated that different tumor types and a variety of precursor lesions and pathologies can be visualized with the present method.
optical diffraction tomography histology volumetric imaging label-free imaging wide field of view 
Advanced Photonics
2021, 3(2): 026004
Author Affiliations
Abstract
1 The Chinese University of Hong Kong, Department of Biomedical Engineering, Hong Kong, China
2 Massachusetts Institute of Technology, Department of Mechanical Engineering, Cambridge, Massachusetts, United States
3 Massachusetts Institute of Technology, Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory, Cambridge, Massachusetts, United States
4 Zhejiang University, College of Information Science and Electronic Engineering, Hangzhou, China
5 Massachusetts Institute of Technology, Department of Materials Science and Engineering, Cambridge, Massachusetts, United States
6 Massachusetts Institute of Technology, Laser Biomedical Research Center, Cambridge, Massachusetts, United States
7 Massachusetts Institute of Technology, Department of Biological Engineering, Cambridge, Massachusetts, United States
8 The Chinese University of Hong Kong, Shun Hing Institute of Advanced Engineering, Hong Kong, China
A new optical microscopy technique, termed high spatial and temporal resolution synthetic aperture phase microscopy (HISTR-SAPM), is proposed to improve the lateral resolution of wide-field coherent imaging. Under plane wave illumination, the resolution is increased by twofold to around 260 nm, while achieving millisecond-level temporal resolution. In HISTR-SAPM, digital micromirror devices are used to actively change the sample illumination beam angle at high speed with high stability. An off-axis interferometer is used to measure the sample scattered complex fields, which are then processed to reconstruct high-resolution phase images. Using HISTR-SAPM, we are able to map the height profiles of subwavelength photonic structures and resolve the period structures that have 198 nm linewidth and 132 nm gap (i.e., a full pitch of 330 nm). As the reconstruction averages out laser speckle noise while maintaining high temporal resolution, HISTR-SAPM further enables imaging and quantification of nanoscale dynamics of live cells, such as red blood cell membrane fluctuations and subcellular structure dynamics within nucleated cells. We envision that HISTR-SAPM will broadly benefit research in material science and biology.
quantitative phase microscopy label-free imaging material inspection cell dynamics observation 
Advanced Photonics
2020, 2(6): 065002
作者单位
摘要
1 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, 深圳 518060
2 深圳大学医学部, 深圳 518060
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。
医用光学 无标记成像 非线性光学成像 光动力治疗 阿尔兹海默症 纳米脂质体 
中国激光
2020, 47(2): 0207029

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