1 解放军总医院第二医学中心,北京 100853
2 中国科学院自动化研究所中国科学院分子影像重点实验室,北京 100190
3 中国科学院大学人工智能学院,北京 100049
4 解放军总医院第一医学中心,北京 100853
5 中国人民解放军总医院肾脏疾病全国重点实验室,北京 100853
浅静脉清晰成像对于透析患者动静脉内瘘术前手术路径规划和术中引导手术治疗等具有重要作用,对临床疾病的诊断和治疗具有重要作用。目前临床上常用的血管成像方法能够清晰地实现血管的成像,但对静脉血管网的成像效果难以满足临床需求。笔者利用临床获批的荧光染料吲哚菁绿(ICG)开展了前臂血管的近红外二区(NIR-II)荧光成像,结合人工智能算法获得分辨率更高的血管NIR-IIb荧光图像,更准确地描绘浅表细小血管的直径。在此基础上,笔者继续结合Fluent流体仿真模拟方法,辅助医生在术前判断主干引流静脉,并在术中结扎中选择主干引流静脉进行保留,对大侧枝引流静脉进行结扎,提高患者肾透析血液通路手术的成功率。利用荧光血管造影技术结合模拟方法引导肾透析血液通路手术将桡动脉接入头静脉,手术的早期通畅率为100%(8/8),而接受常规手术的对照组的早期通畅率为73.33%(11/15)。本研究验证了NIR-II荧光血管造影技术的安全性和有效性,并在此基础上进一步验证了荧光成像结合人工智能算法在肾透析血液通路手术中潜在的应用价值。
医用光学 近红外二区荧光 荧光血管造影 吲哚菁绿 人工智能 计算机仿真模拟
1 东南大学智能影像与介入医学国家级重点实验室培育建设点,江苏 南京 210009
2 中国科学院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所劳伯特生物医学成像研究中心医学成像科学与技术系统重点实验室,广东 深圳 518055
近红外二区(NIR-Ⅱ)金纳米团簇(Au NCs)具有明亮的多色荧光、良好的生物相容性和可肾脏清除的特性,已成为当前生物医学光子学领域中备受关注的纳米材料。首先介绍了NIR-Ⅱ Au NCs的合成方法,讨论了其面临的低产率和缺乏规模化制备的问题。其次,介绍了NIR-Ⅱ Au NCs的表面调控技术,讨论了调控团簇表面结构、组成和形态的方法,以及增大发光波长和提高荧光量子产率的方法。然后,总结了NIR-Ⅱ Au NCs在血管成像、淋巴管和淋巴结成像、肿瘤成像以及成像引导治疗等方面的最新研究进展。最后,讨论了NIR-Ⅱ Au NCs在生物医学光子学领域中面临的机遇与挑战。
生物光学 金纳米团簇 近红外二区荧光 生物医学光子学 生物成像 成像引导治疗
厦门大学公共卫生学院分子疫苗学与分子诊断学国家重点实验室 分子影像暨转化医学研究中心,福建 厦门 361102
由于具备组织散射少、穿透深度深、时空分辨率高等许多优势,近年来近红外二区(NIR-Ⅱ,1000~1700 nm)荧光成像在生物成像领域取得了显著的进展。基于花菁染料的有机荧光分子,具有荧光量子产率高、吸光系数高、合成过程相对简单、生物相容性好等优势,其在NIR-Ⅱ的荧光特性使其成为一类极具研究价值的分子探针,在医学应用方面展现出巨大的潜力。首先简要介绍了花菁染料的基本特性,其次对最近开发的近红外二区花菁染料在多种疾病(如肿瘤、炎症性疾病和损伤)应用中的最新研究进展进行总结,最后对其未来的发展方向与前景进行了展望。
医用光学 花菁染料 近红外二区 疾病应用
1 厦门大学 分子疫苗学与分子诊断学国家重点实验室,分子影像暨转化医学研究中心,福建 厦门 361102
2 南京邮电大学 有机电子与信息显示国家重点实验室,信息材料与纳米技术研究院,江苏 南京 210023
基于光子反射、散射和自发荧光的减弱,近红外二区窗口能够实现高分辨率和信噪比的生物荧光成像,在各种生物医学应用中发挥着重要作用。构建供体⁃受体⁃供体结构是设计近红外二区有机小分子的有效方法,基于苯并噻二唑结构的近红外二区有机小分子不仅能够实现光学成像,还能利用光激活的激发态能量转换实现光学治疗。本文总结了基于苯并双噻二唑(Benzobisthiadiazole,BBT)和[1,2,5]噻二唑[3,4‑g]喹喔啉([1,2,5]thiadiazolo[3,4⁃g]quinoxaline,TQ)结构的近红外二区有机小分子在生物成像和成像引导的治疗中的研究进展,并对未来近红外二区有机小分子的设计和应用进行了展望。
近红外二区 苯并噻二唑 生物成像 光学治疗 NIR-Ⅱ benzothiadiazole bioimaging phototherapeutics
1 南通市口腔医院,江苏 南通 226000
2 南通市中西医结合医院,江苏 南通 226000
3 北京大学长三角光电科学研究院,江苏 南通 226000
4 人工微结构和介观物理国家重点实验室,北京大学物理学院,北京 100871
与可见光区(400~700 nm)和近红外一区(NIR-I,700~900 nm)荧光成像(FL)相比,近红外二区(NIR-II,1000~1700 nm)荧光成像具有更深的穿透深度、更高的信噪比。开发亮度高、吸收/发射波长长、生物相容性好的NIR-II荧光探针一直是NIR-II荧光成像领域的一个重要研究方向。有机NIR-II荧光探针以其优异的生物相容性和良好的药代动力学特性而备受关注。本文从红移吸收/发射波长、提高荧光量子产率/摩尔吸光系数、改善生物相容性等角度系统总结了近年来花菁类染料、D-A-D小分子、聚合物点等有机NIR-II荧光探针的研究进展,重点介绍了具有代表性的荧光探针在活体NIR-II荧光成像中的应用,最后讨论了有机NIR-II荧光探针迈向临床应用面临的潜在挑战。
医用光学 近红外二区 荧光探针 花菁类染料 有机小分子 聚集诱导发光 共轭聚合物 中国激光
2023, 50(21): 2107101
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094
2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所医用光学室,江苏 苏州 215163
3 济南国科医工科技发展有限公司,山东 济南 250102
为满足目前生物医学活体成像研究领域对多波段荧光成像的迫切需求,提出并设计了一种可见光(486~656 nm)、近红外(900~1700 nm)双波段长后工作距有限远变焦光学系统。针对双波段、长后工作距变焦系统带来的色差变化范围大、组分光焦度选择受限等技术难题,通过理论分析,选择了适合该双波段系统的变焦结构,计算得到了系统4组变焦结构的初始光焦度,并利用理想近轴面验证变焦方案初始结构的可行性,在此基础上对系统每一组元进行独立像差设计,共光路部分兼顾双波段像差进行优化,后组采用分光棱镜对两个波段分光,并针对双波段设计不同的后固定组以校正系统残余像差,同时实现长后工作距下的双波段成像。系统公差特性良好,变焦曲线平滑无拐点,变倍过程中像面稳定,成像质量良好。
几何光学设计 变焦光学系统 双波段成像 近红外二区 激光与光电子学进展
2023, 60(21): 2122004
1 中国科学院长春应用化学研究所 稀土资源利用国家重点实验室,吉林 长春 130022
2 中国科学技术大学 应用化学与工程学院,安徽 合肥 230026
3 清华大学 化学系,北京 100084
目前,荧光成像技术已成为生物医学应用中的重要工具之一,但其易受到光的穿透能力有限、组织自体荧光干扰等因素的影响。与可见光和近红外一区(NIR?Ⅰ)光相比,近红外二区(NIR?Ⅱ)荧光成像具有更深的穿透深度、更高的成像分辨率和灵敏度、更低的背景噪音和更高的信噪比,因此在脑血管成像和重大脑疾病的成像诊断方面展现出潜在的应用前景。本文主要介绍了不同类型NIR?Ⅱ荧光探针及优化其光学性能的策略。同时,总结了这些探针在脑成像方面的研究进展,并对未来临床应用所面临的问题进行了探讨。
荧光成像 近红外二区 荧光探针 脑疾病 fluorescence imaging NIR-Ⅱ fluorescence probe brain diseases