光学活体成像技术进展

光学活体成像技术是近年来生物医学检测中发展最快的前沿科学之一,能够在微创或无创的条件下对活体组织或动物体内的生理生物活动进行成像跟踪,其中某些技术可以达到动态实时监测.总结了目前常用和最新的光学活体成像技术,并对其在生物医学领域的应用做了介绍与展望.     

植入式荧光内窥显微技术及其在活体脑成像中的应用（特邀）

高时空分辨可视化技术是脑科学研究的重要工具。荧光显微成像技术在特异性、多样性、图像对比度和时空分辨率等方面具有显著优势,但由于光在组织中的穿透深度有限,无创的荧光成像难以在活体水平获取深层脑区神经血管单元的高分辨结构和功能信息。因此,在脑科学研究中,荧光内窥显微成像技术受到越来越多研究者的青睐。得益于相关科学技术的发展,内窥镜探头在保持高性能的同时,实现了小型化并提供了更大的灵活性,可以植入活体大脑的不同深度处,开展特定深层脑区的功能调控研究。本综述介绍了基于梯度折射率透镜和单根多模光纤这两种探头的植入式荧光内窥显微成像技术及其发展和迭代进程,概述了它们在高分辨活体脑成像研究中的应用,以及在临床神经外科手术中的初步探索性应用。最后,展望了荧光内窥脑成像技术未来的发展前景。     

结合光片照明与超分辨的三维荧光显微成像

随着科学的进步,生命科学的研究对象由单个器官向组织体、离体组织切片及发育过程中的活体胚胎转变。荧光特异性标记的出现,为追踪物质在单细胞、组织体、器官甚至整个胚胎内的转移过程提供了手段。为了实现整个追踪过程,需要对活体胚胎进行无损、非侵入式的亚细胞级别成像,这就对荧光显微技术提出了更高的要求。在传统荧光显微技术基础上发展了光片照明和超分辨荧光显微技术。前者通过选择平面照明方式,只激发探测物镜焦平面附近的样品,因其具有高穿透深度、低漂白和高成像速度而广泛应用于三维活体组织成像;后者利用特殊的光调控手段将显微镜的分辨率提升至纳米水平,成为研究亚细胞水平生命活动的有力武器。通过介绍2大技术的发展、融合以及目前所遇到的问题,探究新型的、适宜观察三维厚组织样品亚细胞结构和生命过程的成像方法。     

生物组织高对比度的快速光声层析成像

为了得到高对比度的快速光声层析成像,采用甘油增加组织的透明度,结合多元相控技术的成像方法,获得了活体动物不同直径血管的光声重建图像.成像系统的横向分辨率为0.5mm,光声采集成像时间为5s.实验结果表明,该成像方法与现有的方法比较,具有成像对比度高、快速方便等特点,并有望成为一种组织功能在体成像的新方法.     

近红外二区荧光成像技术的临床研究进展

近红外荧光成像是外科手术中实现术中导航的关键技术之一。近些年随着近红外二区（NIR-II， 900~1 700 nm）光学生物成像理论的日趋成熟，NIR-II荧光成像技术成为临床手术导航领域的一大研究热点。本文基于NIR-II光学生物成像理论，简要介绍了NIR-II荧光探针及成像系统的发展现状，就NIR-II荧光成像技术在活体小动物手术与人体临床手术中的研究展开综述，讨论了该技术在未来临床手术中的发展潜力以及临床转化中需要面临的难点。     

快速宽场三维显微技术研究进展

激光扫描显微镜通过扫描高度汇聚的激光焦点可以获得样品的三维图像,而激光扫描显微镜时间分辨率低、光毒性大的缺点限制了其在活体快速三维成像等领域中的应用。近年来具有三维成像能力的宽场显微镜技术逐渐成为三维成像领域的研究热点。聚焦形貌恢复技术、结构光照明显微技术以及深度学习辅助三维成像是三种基于宽场成像的快速三维成像技术,通过硬件提升和软件辅助的方式,提高了宽场显微镜的三维成像能力。分别介绍了它们的原理、优缺点、最新的研究进展与应用,最后对宽场三维显微技术的未来发展进行了总结与展望。     

新的生物医学成像技术——光学相干显微术及其应用

光学相干显微术是一种新的成像技术，它能对高散射介质，如生物组织进行非介入的快速成像，其分辨率远大于Ｂ超，因而在活体生物组织的微结构分析和疾病诊断方面有重要的应用价值。     

光学投影断层成像技术及其研究进展

光学投影断层成像技术是一种新颖的针对毫米至厘米量级的介观尺寸的三维荧光成像技术,具有经济、快速、分辨率高和成像范围广等优异性能,是当今生物医学光子学领域的研究热点之一。综述了光学投影断层成像的技术原理、发展研究现状以及其广泛的应用领域,阐述了不同光学投影断层成像技术的特点。目前光学投影断层成像技术的发展主要集中在系统自身(包括焦平面扫描、角度复用、角度滤波等方法)的改进、后期图像重组算法的改进以及该技术结合多维度荧光成像技术三个方面。通过技术细节的改进和发展,光学投影断层成像在生物医学、组织形态学和组织病理学、活体成像和荧光标记追踪等研究领域获得广泛应用。     

激光散斑衬比血流成像技术研究进展

激光散斑衬比血流成像技术是在动态光散射理论及近似模型的基础上,通过分析散斑强度空间或时间起伏特性,实现活体组织中血流成像的技术。该技术具有成像面积大、速度快、分辨率高等优点,在生物医学成像研究及临床诊断中应用广泛。研究人员针对激光散斑成像技术的理论模型、成像方法与应用进行了大量研究。综述了近年来激光散斑成像方法及应用方面的主要进展,并针对提高激光散斑衬比成像分辨率、对比度、成像深度和定量能力进行了讨论。同时对该方法在眼科、微循环、脑科学、皮肤科及术中监测等各领域的应用进行了总结。     

二次谐波在生物医学成像中的应用

二次谐波成像是近年来发展的一种新的光学成像技术,作为生物结构检测和耐久追踪标记的新工具已经受到广泛的关注。二次谐波成像技术避免了经典荧光探针会遇到的许多固有缺点,是一种理想的活体成像方法,具有很好的生物医学应用前景。本文系统介绍了二次谐波原理及其成像装置,二次谐波介质分类及特点,二次谐波在生物医学成像中的应用,最后对二次谐波成像未来的机遇和将要面对的挑战进行了展望。     

数字全息显微定量相位成像的实验研究

建立了一套预放大式数字全息显微成像系统,通过对样品进行显微放大,实现了高分辨率的定量相位成像;并通过计算机控制相机自动曝光记录序列的数字全息图实现了动态相位成像。用标准样品验证了系统测量的准确性;以活体洋葱表皮细胞和血红细胞为样品,获得了清晰的定量相位像;以置于水环境的草履虫为样品,实现了动态成像。实验结果表明建立的系统可以实现高分辨率的动态定量相位成像,可以应用于生物活体样品的显微研究。     

近红外二区荧光宽场显微活体成像技术和应用

近红外二区(900～1880 nm,the Second Near-Infrared Region,NIR-II)荧光宽场显微成像技术是当前大深度活体成像的一大研究热点,在基础研究和临床应用方面都拥有巨大的潜力.对比可见光(360～760 nm)和近红外一区(760～900 nm,the First Near-Infr...     

手持式牙齿在体谱域光学相干层析成像系统研究

光学相干层析(OCT)是一种高分辨率、高灵敏度、无损伤的断层深度探测方法。搭建了一台手持式谱域光学相干层析(SDOCT)系统,对人体牙齿组织进行成像。介绍了手持式OCT探头设计。该手持式探头利用扫描振镜进行横向扫描,结构简单且十分紧凑,可以稳定地检测活体组织。利用该系统分别对离体牙齿和活体牙齿进行成像。通过实验结果可以清晰地看到活体牙齿的牙釉质、牙本质和釉质本质界面等组织,实现了高分辨率的断层成像。     

自适应光学高分辨率共聚焦显微成像技术

生物样品折射率的空间变化导致了光学畸变的产生,这种畸变对于共聚焦显微镜观察厚的生物样品和活体体内组织成像是一种严重的限制。自适应光学(AO)技术是通过快速反应的变形镜使镜面发生形变来补偿像差,在共聚焦显微镜中应用自适应光学技术可以校正光学畸变,观察深层组织活动,进行活体成像和实时检测。详细分析了共聚焦显微镜中像差的来源及光学畸变的特点,讨论了目前在共聚焦显微镜中自适应光学校正的方案及研究现状,讨论了共聚焦显微镜中自适应光学的波前传感器、畸变测量和波前校正器,并探讨了目前超高分辨率显微成像技术的发展方向。     

全场低帧率光学微血管造影成像

针对传统激光多普勒成像空间分辨率不高的问题 ,根据动态散射信号和静态散射信号在频谱的不同 分布特性,提出一种全场低帧率光学血管造影成像技术。通过采用低帧率-短曝光的采 样模式获取散射 光信号,保证相机有足够的像素得到全场高空间分辨率图像;对粒子的时域信号进行傅立叶 变换,选取归 一化功率谱零阶矩为成像参量,实现了模拟血红细胞的浓度成像。对活体玻璃猫鱼成像实验 表明,微血管 脉络造影的空间分辨率达60μm,证明了本方法用于微血管造 影成像的可行性。与眼底照相机相结合, 其有望发展为一种实用的无需造影剂的眼底微血管造影成像技术。     

从小鼠视网膜多种成像方式探讨眼科光学成像技术进展

鉴于动物研究在基础研究中的重要作用,近年来几种在人眼视网膜成像中广泛应用的光学成像技术也在动物视网膜中得到了成功应用,无需组织学切片即可实现对动物视网膜的高精度细胞级别成像,这为使用动物视网膜进行基础研究的科研工作者提供了强有力的工具。与之相应的是,动物视网膜的研究工作中也开发了一些新型的、可以应用于人眼的成像技术,或者增强了对人眼视网膜功能机理的理解。结合自身在小鼠视网膜多种活体成像方式上的技术积累和研究经历,从若干方面阐述了近年来在小鼠和人眼视网膜高精度光学成像领域出现的技术突破,侧重于展示当前技术所能达到的成像水平,希望能起到抛砖引玉的效果,为促进动物视网膜影像和人眼视网膜影像之间的相互交流和相互促进起到积极的作用。     

基于DT-MRI数据的心肌纤维可视化及分析系统研究与实现

核磁共振弥散张量成像(Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging,DT-MRI)是近年来提出的一项新的医学影像技术.通过利用核磁共振技术测量细胞内多个方向上水分子弥散运动的特征,可以全面充分研究活体组织微细结构.基于犬心室的DT-MRI数据集开展了三维心肌纤维结构的可视化方法...     

太赫兹成像技术用于皮肤烧伤检测的研究进展

随着太赫兹(0.1~10 THz)光谱技术的快速发展,太赫兹成像开始应用于生物医学等领域,尤其是应用于皮肤烧伤检测中,但如何将这一技术从实验室研究转向实际临床检测还面临着巨大挑战。太赫兹技术在皮肤烧伤程度评估领域已经得到了较为深入的研究,包括成像系统、离体实验和活体实验研究等,得到了较为清晰的太赫兹图像。首先概述了皮肤烧伤程度分类方法和现有诊断方法,然后介绍太赫兹成像应用于皮肤烧伤评估的研究进展,本文重点从成像系统、检测结果和烧伤程度评估方法三个方面进一步说明了其研究进展和不足,最后提出了面向皮肤烧伤临床检测的太赫兹成像发展趋势和需要解决的问题。     

用于实时微型多光谱荧光成像方法的二维点阵式多通道窄带滤镜

实时微型多光谱成像方法能够在零机械运动下，单次曝光同时获取目标对应于几个不同特征波段的多幅二维空间光谱图像，具有效率高、体积小、抗震等优点。具有高光密度值的二维点阵式窄带微滤片（简称微滤片）是用于活体荧光成像的实时微型多光谱荧光成像技术的核心部件。首先对微滤片进行优化设计及关键参数的确定，其次研制了既具有二维空间分辨、又有高光学密度值的微滤片。实测结果显示所研制微滤片基本周期单元具有52 m52 m空间分辨率、透过带带宽为24 nm、光密度值高达4、不同光波段通道之间图像信号串扰微弱。该二维点阵式窄带微滤片的成功研制为实时微型多光谱荧光成像技术的应用扫清了障碍，对医疗活体光学病理诊断及使用多荧光探针来探索生命过程的研究有重要意义。     

大视场双光子显微成像系统研究进展（特邀）

双光子显微成像具备高分辨率、天然层析能力和大穿透深度等特点,在活体动物成像中发挥着重要作用。然而,如何在维持高分辨率的条件下,扩大双光子的成像视场,来满足生物医学中对大规模动态反应的监测需求,一直以来都是光学显微成像领域的难点,也是科研关注的重点。综述了大视场双光子成像技术的研究进展。首先介绍了双光子显微成像系统的产生背景和设计原理,并从光学不变量的角度阐述了实现大视场双光子成像的理论基础。然后重点回顾了现有的几种大视场双光子成像方法,分别包括了扫描中继系统的边缘像差校准、高通量物镜的设计研发和自适应光学方法的使用。基于双光子成像的高时间和空间分辨特性,大视场双光子成像技术将成为一种在脑科学等需介观高分辨成像领域的应用中实现大区域动态监测的强有力的工具。