基于直线电机的大视场快速光声显微成像系统

光声成像技术是近年来发展的一种新型的无损医学成像技术,它是以脉冲激光作为激发源,以检测的声信号为信息载体,通过相应的图像重建算法重建组织内部结构和功能信息的成像方法。该方法结合了光学成像和声学成像的特点,可提供深层组织高分辨率和高对比度的组织层析图像,在生物医学临床诊断以及在体成像领域具有广泛的应用前景。目前光声成像的扫描方式主要有基于步进电机扫描方式和基于振镜的扫描方式,本文针对目前步进电机扫描速度慢(10 mm×10 mm;0.001帧/s),振镜扫描范围小(1 mm2)的不足,发展了基于直线电机扫描的大视场快速光声显微成像系统。同一条扫描线过程中直线电机速度最高可达200 mm/s。该技术采用逐线采集光声信号的方式,比逐点采集光声信号的步进电机快800倍。该系统对10 mm×10 mm全场扫描的扫描速度为0.8帧/s。最大可扫描视场范围可以达到50 mm×50 mm。大视场快速光声显微成像系统的发展将为生物医学提供新的成像工具。     

内窥式共焦显微术

内窥式共焦显微术是将共焦显微术和光纤技术结合起来的新技术,既具有共焦显微术的独特优点:高分辨率和三维成像;又能对体内器官组织进行在体成像.分析共焦成像的原理,阐述了内窥式共焦成像系统,详细讨论其研究进展以及我们的研究结果,并分析了其优点及在生物医学领域的应用.     

Stokes参量共焦显微术用于弱各向异性物质的成像研究

提出将基于Stokes参量的偏振共焦显微成像技术应用于弱各向异性物质的成像研究。通过将分振幅Stokes参量测量法与共焦扫描成像技术相结合的方法,得到了基于Stokes参量测量的偏振共焦显微成像系统。利用该系统对具有弱各向异性的生物组织样品进行逐点测量,通过四个通道同时测量获得全部的Stokes参量。再以计算得到的偏振参量作为成像物理量进行图像重建,获得对应Stokes参量、偏振度、相位差、方位角和椭率角的空间分布图像,从而对生物组织实现细胞水平的偏振显微成像研究。实验结果表明:基于Stokes参量的偏振共焦显微成像技术能够获得弱各向异性的生物组织样品的显微图像,并通过比较样品的Stokes参量及相关偏振参量的分布图像,提取样品全部的偏振信息,从而为生物组织的特性研究提供更丰富的信息。     

一体化光声乳腺成像系统

本文报道了一种一体化光声乳腺成像系统,利用光纤束与柔性探测器相匹配形成一体化光声激发-耦合-探测,因此与传统的光声成像系统相比,该系统具有形态适应性的优势,并可以实现大视场的光声成像。本文通过样品实验和离体乳腺肿瘤成像实验,探究该系统的成像能力,证明该系统具有大规模临床乳腺肿瘤筛查的潜力。     

基于直线电机连续-步进运动的快速光声显微成像系统

报道了一种利用直线电机连续-步进的扫描方式进行光声显微成像的系统,该系统在运动时走弓字型路线,其中直线电机在X轴方向上连续运动,在Y轴方向上以步进的方式运动,采集卡只在X轴电机运动的过程中连续采集。该成像系统较之前振镜扫描的方式扫描的范围更大,可达到厘米尺度范围内的生物组织光声成像;较之前的步进电机逐点扫描的方式扫描速度明显提高。同时本文采用电机带动光和超声换能器一同扫描的方式,较光和超声换能器不动电机带动样品扫描的方式更灵活。另外利用包埋碳丝的模拟样品和在体小鼠耳朵血管来验证系统的成像能力。实验结果表明,这种快速光声显微成像方法及其系统可以实现在体组织的高分辨率成像,有望成为一种无创、实时的光声显微镜应用于生物医学当中。     

用于皮肤色素病变检测的线性共焦光声显微镜

医学成像在皮肤病学的病理生理相关性的临床诊断和评估中起着不可或缺的作用。然而,现有的成像技术很难获得色素性皮肤病的黑色素空间分布和色素浓度。本文中我们提出了一种线性共焦扫描光声显微镜,用于快速无损地获取色素性皮肤病的病理结构变化和色素异常部位的黑色素分布情况。通过样品试验和动物试验证明了该显微成像系统的可行性及成像能力,并进一步对咖啡斑患者的正常表皮和病变表皮进行高分辨成像,图像结果表明,正常皮肤和咖啡斑皮肤之间黑色素分布及浓度存在着明显的差异。通过使用快速线性共焦扫描模式,可以在1 s内快速获得检测部位的光声断层图像。线性共焦扫描光声显微镜也可以扩展到诊断其他皮肤性疾病,是一种具有前景的皮肤病学成像技术。     

微波热声实时成像系统及应用

本文建立了一套微波热声实时成像系统,该系统由脉冲微波发生器,多元环形探测器,多通道数据采集装置和数据重建装置共同组成。在实验中,利用填充盐水的两个塑料管验证其实时成像的性能,结果表明,该系统能够实现每秒16.7帧的成像速度。随后,对活体小鼠的正常区域和肿瘤区域分别进行热声成像,得到肿瘤和正常区域的对比度为1.7∶1,证明了该系统在肿瘤检测中有较高的对比度。最后,利用该系统监控细管趋近离体肿瘤的过程。因此该系统有望应用于实时监测。综上所述,该热声成像系统具有无损,成像速度快和大视场的良好性能,有望在生物医学中得到广泛的应用,尤其在肿瘤筛查和实时监控方面发挥作用。     

双光子显微镜检测活体小鼠脑内微循环技术的建立

目的:利用正置双光子显微镜系统和荧光探针标记技术,观察活体小鼠脑内血管的三维立体分布,建立测量单根毛细血管血流速度的新方法。方法:麻醉小鼠,制作活体小鼠颅骨开窗样本,尾静脉注射血浆标记物Texas-Red dextran,利用双光子显微镜z序列扫描检测脑内微循环系统的三维分布;利用线扫描测量毛细血管的血流速度。结果:通过双光子显微镜可以探测到脑内500μm处的血管分布和走向,图像清晰且信噪比高;通过计算单位时间内红细胞的运动距离测得毛细血管(直径≤6μm)的血流速度为(0.59±0.12)mm/s。结论:利用双光子显微镜观察脑内微循环系统技术平台初步建立,为基础研究和医药应用提供了在体实验依据。     

综述: 用于神经活动观测的随机扫描双光子显微成像

双光子荧光显微镜是神经科学研究中的重要观测仪器,但是现有的商品化仪器受限于较低的成像速度,难以满足脑功能研究中毫秒量级神经信号检测的需要．基于声光偏转器的快速随机扫描双光子显微成像技术,有望在保持信噪比的同时提高观测速度．本文综述了这一研究的最新进展,从飞秒激光经过角色散器件后的时空演化理论、声光偏转器的色散补偿方法、随机扫描成像仪器及仪器应用到神经成像时钙信号的识别方法四个方面分别进行介绍,最后分析了随机扫描双光子显微成像技术的发展趋势．这项技术的系统深入研究将为神经活动观测提供一种全新的方法,推动脑科学研究的发展．     

可用于双色双光子显微成像的新的荧光蛋白对

双色双光子激光扫描显微技术可以用来研究生物组织内两种不同蛋白质的表达、定位和示踪．由于大多数双光子显微镜一次只能提供一种波长的激发光,双色同时成像较难实现．mAmetrine和mKate2作为新发现的荧光蛋白对可以用于双光子双色同时成像,这得益于它们各自的优势：mAmetrine的斯托克斯位移和mKate2的高亮度．在765nm的波长激发时,它们的双光子吸收效率都很高．mAmetrine和mKate2能够很好地用于双色双光子活细胞成像实验．     

双光子显微镜在生物医学中的应用及其进展

光学显微镜的发展历史是一段不断提高显微镜的分辨率和对比度的历史。双光子显微镜是近30年来非线性显微镜的研究发展的代表。它在分辨率上与共聚焦显微镜相当,但在成像的层析穿透深度上有显著提高,并且大大减少了光毒性与光漂白。由于生物细胞组织中富有各种自家荧光源,因此双光子显微镜被广泛应用于皮肤组织甚至癌组织以及细胞的成像。基于共聚焦扫描显微镜的双光子显微镜可以很容易的与二次谐波显微镜组合,对皮肤组织中的重要成分胶原纤维进行成像。双光子显微镜还可以结合其他非线性光学现象对组织以及细胞进行成像,显示其强大的生命力。将来随着携带方便且廉价的双光子显微镜的出现,双光子显微镜有望在临床医学上发挥其有效的作用。     

三维微波热声成像系统及早期乳腺肿瘤检测研究

本文讨论了正常乳房组织与肿瘤组织的微波吸收差异,从理论上证明了利用微波热声成像技术检测乳腺肿瘤的可能性;建立了一套三维热声扫描系统,并利用此系统对模拟肿瘤和真实离体肿瘤进行成像实验。实验结果表明,三维微波热声成像系统能对乳腺肿瘤高分辨率高对比度成像,有希望应用于早期乳腺肿瘤检测。     

生物光子学应用

生物光子学是光学技术与生命科学的交叉学科,可以在分子水平上研究细胞的功能和结构,包括生物系统的光子辐射以及这些光子携带的信息,用光子及其技术对生物系统进行检测、加工和改造等。激光扫描共焦显微术、双光子荧光显微术、近场光学扫描显微术和光镊等显微技术在生命科学研究中的应用非常重要。     

基于动态聚焦的声聚焦光声内窥成像算法研究

目的 声聚焦光声内窥成像具有成像深度大的优点,是一种非常有前景的功能成像技术,该技术被广泛应用于直肠、食道等内窥成像中。声聚焦光声内窥成像通常采用基于单个聚焦超声传感器的侧向扫描方式,同时采用传统的B扫描方法进行重建,会大大降低图像质量。为了获得高质量的图像,本文提出了几种动态聚焦的声聚焦光声内窥成像算法。方法 本文使用几种动态聚焦算法进行了数值仿真,并搭建系统进行了仿体实验验证,从横向分辨率和信噪比等多方面比较了各算法在动态聚焦中的成像效果。结果 相比B扫描方法,动态聚焦后的图像在离焦区域的横向分辨率与信噪比方面都有提升,仿真模拟中最高可将离焦区域的成像目标分辨率提升约26倍,其信噪比经动态聚焦后最高可提高2.3倍左右,实验中的远距离点目标经动态聚焦重建后分辨率提升3～6倍。结论 整体而言,基于时空响应的算法和合成孔径聚焦重建算法是在实验条件下更为适用的算法。本工作对后续的声聚焦光声内窥成像的设计具有指导意义。     

激光共聚焦显微技术在瓮安生物群中的应用

激光共聚焦显微技术是一种以激光作为激发光源,通过特殊装置"针孔"来过滤离焦光线以提高光学分辨率和对比度的光学成像技术。由于大部分化石不能自发荧光,该技术在古生物学领域尚未实现大范围的应用。但若围岩能自发荧光而与化石之间具有一定衬度,或化石因含特殊成分能在特定波段激光照射下自发荧光而产生结构衬度,则可以运用激光共聚焦显微技术获得在普通光学显微镜及荧光显微镜下难以清晰观察到的信息。为推动激光共聚焦技术在古生物学领域中的应用,文中系统介绍了该技术的原理与使用方法,并以埃迪卡拉纪磷酸盐化特异埋藏的瓮安生物群微体化石为例,展示了该技术在化石成像中的若干优势。实验结果表明,瓮安生物群微体化石因富含磷灰石可自发荧光实现成像,使用激光共聚焦显微成像技术观察瓮安生物群化石薄片不仅可以获得较好衬度,而且还能提高成像的分辨率和清晰度。此外,在化石薄片的厚度范围内还可以实现化石结构三维重建。     

活体细胞内双光子激发的光漂白特性

长波长光的强穿透能力和对活体细胞和生物组织光毒性很小的特性,使得双光子激发荧光显微术已经成为无损伤成像的重要工具.可是双光子激发的高光子密度可能会产生高次光子相互作用, 从而产生更快的光漂白.从实验上研究了离体和活体细胞内的若丹明123和若丹明B分别在单光子激发和双光子激发时的光漂白特性.在体的实验结果与离体的实验结果一致.正如期望的一样,单光子激发时光漂白速率非常近似地随着激发功率的增加而线性增加.可是,双光子激发时的光漂白速率并不是正比于激发功率的平方,而是正比于激发功率的高次方（＞3.5）.对绿色荧光蛋白（GFP）变异体CFP和YFP的实验也得到同样的结果,这就表明高次光漂白可能是双（多）光子激发中的普遍现象.因此多光子的应用可能会受到强光漂白的限制.     

基于环形阵列探测器的快速光声成像

构建一套基于环形阵探测器的快速光声成像系统用于生物组织的结构成像。该系统以环形阵探测器探测光声信号,采用八通道的采集系统采集光声信号,再利用有限场滤波反投影算法重建光声图像。利用埋有铅笔芯的琼脂样品来测试该系统的分辨率,利用离体猪眼和在体老鼠头部血管成像来验证系统的成像能力。实验结果表明,该系统能方便快速地实现生物组织的结构成像,有望实现早期乳腺癌的临床检测应用。     

基于激光共聚焦同步双扫描技术的LC3脱乙酰化修饰调控自噬的机理研究

激光共聚焦同步双扫描(simultaneous,SIM)技术在常规扫描单元的基础上,引入一个同步扫描单元(SIM scanner),该技术独立控制了两个激光束,一个用于激光光刺激,另一个用于同步成像。本实验中,采用激光共聚焦同步双扫描系统的405 nm和488 nm激光分别对细胞的特定部位进行刺激和同步成像,实时检测了LC3复合物的形成,记录并分析了乙酰化前后LC3的光动力学变化过程,证实了LC3的脱乙酰化修饰是自噬性降解所必须的,本实验体系为激光共聚焦双扫描技术的推广提供了一个很好的平台。SIM技术的应用,解决了刺激过程无法成像的问题,为漂白后荧光恢复(fluorescence recovery after photobleaching,FRAP)、漂白后荧光损失(fluorescence loss in photobleaching,FLIP)和光诱导激活等研究提供了最佳的解决方案,可作为光刺激的一种实验模式在很多实验设计中进行延伸应用。     

双光子激发荧光各向异性度的成像

荧光各向异性度 (fluorescence anisotropy) 测量可以获得荧光分子的转动速度信息,进而了解分子质量、结构、以及与周边环境的相互作用情况 . 围绕一台双光子激发扫描荧光成像系统,通过改变外光路和图像记录与处理程序,从而实现了双光子激发荧光各向异性度成像,并针对一些典型样品和体系,展示了该方法的应用 . 实验中观察了 FITC 荧光分子、 FITC 结合的 CD44 抗体分子及与肿瘤细胞表面受体结合的 FITC-CD44 抗体分子 . 测量结果表明,不同分子质量、不同微观环境状态下的荧光分子,其各向异性度大小不同,在各向异性度图中能够被明显区分 . 荧光各向异性度成像能够定量测量样品微区的各向异性度值,并以二维图像的形式直观表达,是各向异性度测量与成像技术的良好结合 .     

二次谐波结合双光子荧光成像方法观察人源胶原蛋白透皮吸收情况

目的:用二次谐波成像结合双光子荧光成像的方法观察人源胶原蛋白透皮吸收的情况。方法:将荧光标记的人源胶原蛋白(1 mg/mL)涂抹于小鼠表皮层经皮肤吸收1 h后用背向二次谐波观察皮肤内胶原纤维作为真皮层定位标志,用双光子扫描共聚焦显微镜观察人源胶原蛋白透皮吸收深度,吸收方式。结果:二次谐波成像结合双光子荧光成像表明人源胶原蛋白透皮吸收1 h后可观察到荧光信号沿着毛囊聚集,并有部分荧光分子由毛囊扩散至真皮层。结论:二次谐波可以更快速,更灵敏地检测皮肤中的胶原纤维,以此作为检测物质透皮吸收深度的定位标志,具有不受荧光信号干扰的优点。人源胶原蛋白可以沿着毛囊进入真皮层,并从毛囊中扩散至胶原纤维层从而补充皮肤中的胶原纤维。