期刊基本信息
创刊：
1974年 • 半月刊
名称：
中国激光
英文：
Chinese Journal of Lasers
主管单位：
中国科学院
主办单位：
中国科学院上海光机所
中国光学学会
中国光学学会
出版单位：
中国激光杂志社
主编：
李儒新
执行主编：
罗毅
副主编：
骆清铭 张镇西 李学春 陈岐岱 顾冬冬 周朴
ISSN：
0258-7025
刊号：
CN 31-1339/TN
电话：
021-69917051
邮箱：
地址：
上海市嘉定区清河路390号
邮编：
201800
定价：
155元/期
本期栏目 2022, 49(20)
中国激光 第49卷 第20期
激光热疗是多种眼底视网膜疾病的首选疗法。然而，激光参数选取不当造成的感光细胞损伤概率可达50%以上。构建准确的全眼三维传热模型可为临床医生选取激光参数提供依据。为此，本团队基于真实眼球结构建立了全眼宏观传热模型，通过数值模拟分析了人眼外部环境、眼前部组织吸收和脉络膜血流灌注对激光手术过程中眼底温度分布的影响。结果显示：角膜与环境间的对流换热会导致眼球温度发生变化，但对眼底手术的影响较小；在临床常用的450～900 nm波段内，不考虑眼前部组织对激光能量的吸收时，眼底各层温升误差可达24%；脉络膜血流灌注项对激光手术中眼球温度分布的影响主要取决于脉宽，经瞳孔温热疗法下考虑和忽略脉络膜血流灌注效应时眼底温升分别为11.54 ℃和21.15 ℃，计算误差可达83%。
医用光学 激光 眼底疾病 光热效应 生物传热 血流灌注 
远程手术指导在解决全球外科医学发展不均衡问题上发挥着关键作用，但目前远程指导设备在外科手术标记的显示方面存在一些不足，如，基于显示器的设备需要医生不断地切换视野，头戴式设备分辨率和视野有限，投影式设备的投影亮度有限，而且以这些方式显示的标记都会在组织变形时失效。为了克服这些不足，尤其是解决标记无法随组织一同变形的问题，本团队设计了一种同轴视觉光致变色标记系统和一种具有生物兼容性的光致变色薄膜，标记系统照射贴在体表的薄膜使其变色，就可以将远程手术指导标记直接保留在患者皮肤表面。该标记系统能在7 s内扫描出长为160 mm的外科手术标记，而且该标记能在20 min内清晰可见，系统扫描出的标记与专家绘制的指导标记的重合度(IoU)可达0.93±0.02。仿体对比实验和离体组织实验结果表明，该系统相较于观看显示器手绘指导标记的优势更加明显，为远程医疗提供了安全准确且直观高效的显示方案，具有广阔的临床应用前景。
医用光学 仪器 光致变色材料 远程指导 手术导航 癌症的早期发现可以显著降低死亡率，所以癌症的早期检测与诊断已成为生物医学领域最关注的研究方向之一。肿瘤生物标志物在癌症风险评估、筛查诊断、预测治疗、预后监测等方面具有重要作用和巨大的应用潜力。目前，生物标志物的检测方法主要有放射免疫分析法、酶联免疫分析法、质谱法、光学方法、纳米技术、电化学法、微流控技术等。荧光方法具有高灵敏度、高分辨率、操作简便等特点，在无创检测和快速检测上具有重要的应用前景。本文介绍了荧光方法在肿瘤生物标志物检测方面的最新进展，从循环肿瘤细胞、循环肿瘤DNA、外泌体及肿瘤标志物蛋白(癌胚抗原、甲胎蛋白、前列腺特异性抗原)等方面进行了综述，总结了最新的荧光检测技术，对基于液体活检技术的肿瘤早期检测研究具有指导意义。
医用光学 荧光 肿瘤生物标志物 纳米材料 液体活检 高光谱显微成像(HMI)是一种新型无损光学诊断技术，其光谱数据能够反映样本的内部微环境变化，图像数据可以反映样本空间结构信息，因此可以作为癌症诊断工具，在未来具有广阔的应用前景。但HMI数据量大且数据结构复杂，将其应用于癌症诊断领域需要进行系统详细的数据解译。设计并搭建了一套推扫式HMI系统，并编写了系统控制、数据采集和数据分析软件，可提供多种基于机器学习的数据处理方法。基于MATLAB编制了具有图形化用户界面的HMI数据采集和数据分析软件，该软件可给出分析结果，为医生病理诊断提供了便利。利用该系统和软件进行皮肤癌的分类与分期研究，验证了系统的性能。HMI系统的光谱范围为465.5～905.1 nm，光谱分辨率约为3 nm，视场尺寸为400.18 μm×192.47 μm，放大倍率为28.15，实际分辨率范围为1.10～1.38 μm。分别采集基底细胞癌、鳞状细胞癌和恶性黑色素瘤组织的HMI数据，利用图像数据实现了三种皮肤癌的分类，准确率为85%；利用光谱数据实现了鳞状细胞癌的分期鉴别，准确率达到96.4%。
医用光学 高光谱显微成像 皮肤癌 图形用户界面 癌症诊断 乳腺组织自体荧光光谱法通常采用420～512 nm波段的光源，本次实验采用波长为405 nm的激光源获取乳腺组织切片的自体荧光光谱，避免了活体检测时脂肪和血液对光谱的干扰。荧光光谱是多种发光基团的叠加光谱，基于荧光光谱对乳腺癌细胞的生化信息进行定性和定量分析时，光谱特征峰不易分辨。本文提出了高斯函数拟合乳腺组织切片荧光光谱的方法，该方法可有效分离重叠峰。与正常组织相比，癌变组织的荧光特征峰出现了明显的红移现象。通过面积比值法分析了正常与癌变乳腺组织中荧光物质的差异，癌变组织在517 nm和635 nm处的峰面积与492 nm处的峰面积之比(A517/A492和A635/A492)分别是正常组织的2.4～5.5倍和5.4～8.5倍，可作为诊断乳腺癌的标准。最后，本文分析了支持向量机(SVM)算法对乳腺组织荧光光谱进行分类的可行性，分类准确率为87.50%，为乳腺癌的快速诊断提供了新方向。
医用光学 高斯函数拟合 乳腺癌 荧光光谱 支持向量机 为了获得飞秒激光工艺参数对生物组织融合效果的影响规律，基于单因子试验法，分析了激光功率、离焦量等工艺参数对离体皮肤组织融合形貌、切口抗拉强度及热损伤的影响规律。结果表明，激光功率及扫描速度对焊后离体皮肤组织外观形貌及切口抗拉强度具有重要影响，激光功率对组织热损伤具有决定性影响；降低激光功率及扫描速度，采用多次重复扫描方法，焊后离体皮肤组织的切口抗拉强度较大；在保证一定连接强度的条件下，焊接后组织热损伤参数在10－3数量级左右。在此基础上，对工艺参数进行优化，结果表明，在该工艺条件下，组织切口可实现全层融合，外观形貌良好，热损伤低于采用连续激光得到同等抗拉强度时组织所产生的热损伤。
医用光学 组织焊接 激光材料加工 热效应 组织性能 参数优化 光学相干层析成像(OCT)能通过微型光纤探头实现人体内部组织和器官的三维结构或功能成像，在生物医学成像领域具有重要应用。本课题组提出并改进了基于大纤芯光纤的微型探头，同时通过调制大纤芯光纤的模式能量分布、模式相位差、模式干涉场的放大方式以及模式数量实现了出射光束的调控和成像性能的优化，以期同时获得较高的横向分辨率、较长的焦深和工作距以及较好的轴向光强均匀性。本文提出了相应的快速仿真方法，解决了模式数量多、模式干涉场复杂情况下探头参数的优化问题。仿真和实验显示，基于大纤芯光纤的探头能实现2～3.8倍的焦深拓展和2.1倍的工作距拓展，且在成像效果上相对于传统光纤探头有显著提升。由于具有尺寸小、成像质量好、结构牢固的优点，基于大纤芯光纤的探头在OCT内窥成像尤其是窄小空间内的高分辨率成像方面具有巨大的应用潜力。
光纤光学 光学相干层析成像 光纤探头 优化 大纤芯光纤 心血管疾病是一种严重威胁人类健康的常见病。目前常用手段之一是以昆虫为模式生物，利用RNAi等技术抑制特定基因表达，通过表型检测或监测其心脏功能参数等来开展此类疾病致病机理的研究。光学相干层析技术(Optical Coherence Tomography，OCT)因其无创、实时、高分辨率等特点，被成功应用于昆虫等模式生物的心脏功能检测方面。但目前的检测计算方法仍存在效率低、对图像质量要求高、参数测量不准确等问题，尤其不适用于生物实验中大样本量的检测分析。提出一种基于OCT的昆虫心脏功能参数高速自动检测定量分析计算方法。该算法结合OCT心脏M-Mode图，采用人机交互的模式确定种子点所在的位置，通过自动分割图像、划分目标区域等一系列处理，可以快速准确地测量心脏舒张末期直径(EDD)、收缩末期直径(ESD)、舒张末期面积(EDA)、收缩末期面积(ESA)及心率(HR)等心脏功能参数。该方法有助于提升高通量生物样本检测中致病基因的筛查和分析效率，对以昆虫为模式生物的心血管疾病研究具有重要的价值。
生物技术 光学相干层析 昆虫 模式生物 心脏功能参数 亚细胞器是细胞的重要组成单位，其形态结构与动力学特性直接反映了细胞的生理状态。21世纪初新兴的结构光照明显微技术、受激发射损耗显微技术和单分子定位成像技术等超分辨显微成像技术，巧妙地绕过了光学衍射极限对成像分辨率的限制，目前已被广泛应用于活细胞亚细胞器精细结构的观察及其动力学过程的监测上。本文首先介绍了上述三种超分辨显微成像技术的基本原理和特点，然后介绍了活细胞中细胞核、细胞骨架、线粒体、内质网等亚细胞器的超分辨精细结构和动力学特性，最后讨论了亚细胞器超分辨精细结构成像与机器学习、图像处理相结合的发展潜力。
生物光学 超分辨显微术 荧光显微镜 亚细胞器精细结构 机器学习 肿瘤微环境中谷胱甘肽(GSH)的高表达通常被认为是肿瘤组织的显著内源性特征之一。本团队基于实验室合成的光敏感AgBr@PLGA纳米探针能够特异性响应GSH的这一特点，提出了一种用于近红外二区(NIR-Ⅱ)肿瘤特异性光声成像的方法。当光敏感AgBr@PLGA纳米探针被动靶向到肿瘤组织后，探针能够在外部白光LED的触发下与肿瘤微环境中的GSH发生强烈的氧化还原反应，产生大量的在NIR-Ⅱ区具有强烈光吸收的银纳米颗粒，从而实现肿瘤组织光声信号的特异性增强。接着，本团队对所合成的纳米探针的光敏感性及GSH响应特性进行了体外验证。荷瘤小鼠模型实验证明，AgBr@PLGA纳米探针能够在体内实现高对比度的肿瘤特异性成像。本研究结果说明，所合成的光敏感纳米探针在肿瘤特异性光声检测及诊断中具有很大的应用潜力。
医用光学 肿瘤特异性成像 近红外二区 溴化银 在眼底图像的分类任务中，卷积神经网络(CNN)的应用较为普遍，但随着Transformer应用的推进，Vit(Vision Transformer)模型在医学图像的领域上展现了更高的性能。然而Vit模型通常需要在大型数据集上预训练，受医学图像获取成本较高的限制。因此，本文提出一种基于EfficientNet-Vit集成模型的眼底图像分类方法，此方法将卷积神经网络模型EfficientNetV2-S和Vit模型相结合，分别使用两种完全不同的方法提取眼底图像的特征，通过自适应加权融合算法计算得到最优加权因子0.6和0.4，利用加权软投票法进行模型集成，从而获得更好的分类结果。实验证明，相比于集成前，集成后的模型分类准确率分别提高了0.5%和1.6%。
生物光学 眼科学 眼底疾病 图像分类 集成模型 加权融合 细胞是有机体结构与生命活动的基本单位，其形态结构往往与功能状态相匹配，因而细胞的形态是生命科学的重要研究内容，对临床医学诊断也有着重要的意义。定量相位成像技术作为一种强大的无损、无标记成像工具，可为定量评估细胞提供重要的生物、物理特性信息。提供的相位图虽携带了样品内部结构信息，但样品厚度与折射率耦合在相位数据中，需要借助算法对相位数据进行解耦，才能重建样品的三维形态。提出了基于两路正交的双波长相位信息重建多介质相位体三维形态的方法。以有核生物细胞为例，利用该方法对样本的两幅同方向双波长相位图按亚结构分布进行区域划分，对应解析不同区域内参考点的相位值，提取出胞质折射率及其沿入射光方向的厚度分布，据此分离胞质和胞核各自引起的相位；进一步联合正交方向的相位图，获取胞核中参考点在对应方向上的物理厚度，并相继计算出胞核的平均折射率和胞核整体厚度分布，从而利用两个正交方向的三幅相位图重建出样品的三维形态。
生物医学 相位成像 形态重建 双波长 正交成像 龋病、牙周病等口腔疾病是影响人民健康的常见病和多发病，不仅影响口腔器官功能的发挥，还常常影响全身健康，导致生活质量下降。X光片是牙科疾病诊断过程中的重要依据之一，X光片的智能化诊断对于快速准确诊断牙齿病变具有重要作用。为了实现对龋齿病变和牙根尖周病变的自动检测，本团队创建了牙齿X光片数据集，并采用YOLOV5算法对牙齿X光片中的病变区域进行了检测。检测结果表明，该算法可以有效识别牙齿中的龋齿病变和牙根尖周病变，并能检测出这两种病变的区域，检测准确率超过95%，可以满足牙齿病变智能化诊断的临床需求。
图像处理 深度学习 牙齿病变 目标检测 光声成像结合了光学成像的高对比度和超声成像的深穿透性优势，能够利用内源性、外源性造影剂对比显示组织的结构、功能、代谢特征和分子、动力学信息等，同时可以实现从细胞器、细胞、组织到器官的多尺度成像，在生物医学研究中发挥着越来越重要的作用。简要回顾了光声成像的基本原理，重点总结了光声计算断层成像(PACT)、光声显微成像(PAM)、光声内窥成像(PAE)和光声分子成像近年来的研究热点及技术进展，主要涉及成像探测方式的选择与改进、低成本激发光源的替代方案、图像重建算法的进步、系统成像速度和分辨率的提高以及分子探针的新兴设计策略等，最后展望了光声成像的应用前景。
癌症作为一种恶性化程度和致死率很高的疾病，是世界各国共同面对的难题。研究癌细胞的死亡过程，对于研究癌症的病理学机理以及探究有效的癌症治疗方法具有重要意义。本团队采用数字全息显微层析成像技术，对膀胱癌细胞内部的空泡进行了全息记录和衍射再现，获得了癌细胞在不同角度下的复光场数据；然后采用衍射层析重建算法结合非负约束条件，层析重构了癌细胞内部空泡的三维形态和空间位置，证实了数字全息显微层析技术在癌细胞内部空泡三维成像方面的优势和潜力。这一成像方式在研究癌细胞类凋亡过程中的形态变化以及探索新的癌症治疗策略等方面具有重要的应用价值。
医用光学 全息 显微成像 层析技术 癌细胞空泡化 现有图像增强算法在处理肺部计算机断层扫描(CT)图像时，易产生不自然的外观，引入不必要的人工伪影，并会产生洗去效应。针对此问题，本团队提出了一种基于图像分割和全变分模型的图像增强算法。该算法将图像分割为前景和背景，先对前景肺实质图像的直方图进行修改，然后根据修改的直方图对图像进行伽马拉伸，得到对比度增强的前景图像，再将其与背景图像融合作为全变分模型的输入；然后通过全变分能量泛函将图像分解为纹理层和结构层，对纹理层进行小波阈值去噪，将去噪后的纹理层与结构层进行融合得到增强图像。实验结果的主观分析和客观评价指标均表明，该算法不仅可以有效抑制图像中的伪影噪声，解决现有算法过度增强肺CT图像的问题，还可以充分提高图像的对比度，并保留图像的自然外观显示、纹理细节和边缘特征等信息。
医用光学 图像增强 图像分割 伽马变换 全变分模型 小波变换 超分辨显微成像技术是生物医学领域的重要成像工具，它通过突破光学衍射的极限，以纳米级尺度解析大脑神经元的结构，其在活体大脑成像中的应用对于神经科学的发展具有重要影响。由于组织光散射、生物相容性、成像系统兼容性等因素，超分辨显微成像技术在活体大脑成像的深度、速度、时间等方面都受到限制。基于传统的双光子显微成像策略，本文介绍了目前应用于活体大脑成像的受激发射损耗显微成像和结构光照明显微成像的研究进展，分析了它们存在的困难和挑战，最后总结了应对挑战的思路并对未来的发展进行了展望。
神经导航中基于面匹配的空间配准方法通过对齐图像空间和患者空间的人脸点云来计算空间的对应关系，但因时空差异，两类人脸点云之间可能会存在形变差异，从而导致配准精度劣化。针对这一问题，本团队提出了一种基于自适应阈值的配准方法。对于图像空间和患者空间下的人脸点云，首先使用基于体素的方法对两人脸点云进行降采样，然后使用采样一致初始配准算法进行粗配准，以提供良好的初值，最后通过迭代最近点算法进行精配准，同时使用一个自动计算的距离阈值来去除由局部形变产生的误匹配点对。在一个可设置局部形变的头部模型上进行了实验，结果表明本文方法可以降低人脸局部形变对配准精度的影响，使基于面匹配的空间配准方法更好地应用于神经导航。
医用光学 生物技术 神经导航 空间配准 形变 自适应阈值 迭代最近点 