生物光学成像专刊征文通知

本专刊主要由有关生物组织光学成像方面的邀稿和投稿组成。近年来 ,在高散射介质中 (尤其在生物组织中 )光输运问题被越来越广泛和深入的研究。这些研究可以开发一些新的无损而又廉价的医学光学成像技术。光学成像因其可以提供生理学功能型的医学影像 ,而引起学术界广泛的关注。光学成像主要包括漫射光断层成像、相干光断层成像 ( OCT)、早到光子技术、超声调制技术、磁光调制技术、偏振调制技术等等方面。在这些技术中 ,相干光断层成像具有较高的空间分辨率 ,技术相对比较成熟 ,但其检测深度有限。漫射光断层成像的空间分辨率是比较低的 …     

生物光学成像专题征文通知

本专刊主要由有关生物组织光学成像方面的邀稿和投稿组成。近年来 ,在高散射介质中 (尤其在生物组织中 )光输运问题被越来越广泛和深入的研究。这些研究可以开发一些新的无损而又廉价的医学光学成像技术。光学成像因其可以提供生理学功能型的医学影像 ,而引起学术界广泛的关注。光学成像主要包括漫射光断层成像、相干光断层成像 ( OCT)、早到光子技术、超声调制技术、磁光调制技术、偏振调制技术等等方面。在这些技术中 ,相干光断层成像具有较高的空间分辨率 ,技术相对比较成熟 ,但其检测深度有限。漫射光断层成像的空间分辨率是比较低的 …     

光学相干断层成像在临床医学中的应用

光学相干断层成像(OCT)是一种基于弱相干光学断层成像技术,可以对生物组织活体断层成像,是继计算机X射线摄影(CR)和数字X射线摄影(DR)、超声、电子计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)之后又一新的生物组织成像方法。OCT在眼科、皮肤科、心血管科、肿瘤科、骨科、口腔科、妇科等对组织病变的早期光学诊断和实时动态监测方面具有广泛的应用及重要的临床价值。本文就OCT的基本原理、研究现状、主要的临床应用和应用过程中存在的问题进行综述并展望未来相关的发展趋势。     

光生物学与光医学中的新技术及其应用

近几年内,光子生物学与光子医学发展非常快,本文主要从四个方面介绍了近期内在光子生物学与光子医学领城内取得的重要进展：(1)双光子技术,可检测胚胎活组织、确定生物的非损伤激发光阈值、对人体肌纤维进行三维成像;(2)光镊技术,用于研究细胞的应变能力、细胞膜的弹性、跟踪并描述单个分子之间的结合以及操纵DNA分子;(3)光学探针技术,检测疾病、研究构象变化;(4)光学成像技术,主要集中介绍对肌动蛋白的成像方面。     

光声成像及其在生物医学中的应用

光声成像是一种新近迅速发展起来、基于生物组织内部光学吸收差异、以超声作媒介的无损生物光子成像方法,它结合了纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的高穿透深度特性的优点,以超声探测器探测光声波代替光学成像中的光子检测,从原理上避开了光学散射的影响,可以提供高对比度和高分辨率的组织影像,为研究生物组织的结构形态、生理特征、代谢功能、病理特征等提供了重要手段,在生物医学临床诊断以及在体组织结构和功能成像领域具有广泛的应用前景.对光声成像技术的机理、光声成像技术和方法、光声图像重建算法以及光声成像在生物医学上的应用情况作一个简单介绍,希望有助于推动我国在该领域的科研和开发应用工作的迅速发展.     

多光子发光的稀土上转换纳米颗粒在生物光子学中的研究进展

生物医学光子学的发展,总是伴随并促进着光子学新技术的发展。光学生物成像技术在癌症肿瘤诊断上有着巨大应用,尤其是具有优良发光特性的稀土离子掺杂的上转换发光纳米颗粒与光学生物成像技术的结合进一步发展了生物光子学在这一领域的应用。鉴于近几年很多人对上转换发光纳米粒子的大量研究,本文对其进行了系统的阐述,综述了稀土上转换发光纳米粒子的光学特异性、发光原理及其在光学成像中不可替代的优势;描述了上转换纳米粒子的化学组成,介绍了几种基本的合成方法,重点说明了水热合成法和热分解法,并从材料和光学两方面分析了生物应用的效率优化;总结了目前上转换材料在生物光子学中的几大应用,着重介绍了生物传感、细胞成像、动物成像、漫射光层析成像、光动力治疗、多模式成像六个方面的应用。本文在最后也对今后的研究进行了展望。     

生物组织的超声调制光学成像技术

具有超声定位的高空间分辨率和光学检测的高灵敏度的超声调制光学成像技术是一种有前途的无损的生物组织成像技术。文章阐述了该技术的成像原理,评述了前人在散射介质中声光作用机制的理论研究;介绍了该领域在技术路线上的最新研究进展;最后总结了超声调制光学成像技术的优点并展望了其在生物医学领域的应用前景。     

超声调制生物介质中光子自相关性质研究

本文首次用Monte Carlo方法研究了超声调制生物介质中散射光子的时间自相关性质,讨论了超声参数、介质的散射系数和吸收系数对自相关函数的影响。正常生物组织和病变生物组织的自相关函数有明显的判别,超声调制自相关函数为光学医学诊断提供了一种新参考。     

编者按

生物光子学是近几年来迅速崛起的一门生物物理学新技术, 它通过生物光子与物质的相互作用, 以图像的方式提供生物组织、细胞、分子的结构和功能信息。在医学无损伤诊断、细胞内分子过程的探测和脑功能成像方面,展示了良好的应用前景。本期刊登的王进军、王毅和屈军乐等的三篇论文反映了生物光子学研究在我国的兴起。王进军等应用荧光共振能量转移（简称FRET）研究了活细胞内蛋白激酶RKA活性的时空变化; 屈军乐等介绍了一种新型光学相干层析成像技术,并用它得到了视网膜上单个锥状细胞的图像; 王毅等则报道了一种新的研究生物组织结构的光声成像方法。我们希望,这三篇论文的发表能激起读者对生物光子成像技术的兴趣,并使这一技术在生命科学研究中受到更多的 关注。     

实验探索非靶组织光学参数对超声调制光的影响

生物组织是一种复杂的多层高散射介质,探索光在超声作用下的生物组织中的传播规律是超声调制光学成像术必须解决的一个基本问题,关系到最终进行图像处理与重建。通过实验探索超声调制光信号在双层和三层组织中的传播规律。实验结果表明非靶组织的光学属性（吸收系数和散射系数）和组织结构（单层或多层）都不影响超声调制光信号的调制深度。调制深度只与超声焦区介质（即靶组织）的声光属性有关,具有较佳的抗干扰性,适合用于图像重构。     

上转换纳米颗粒在肿瘤诊断与治疗中的研究进展

上转换纳米颗粒具备光学/化学稳定性高、生物毒性低、荧光寿命长及激发光生物组织穿透深度较大等显著优点,近年来在生物传感、生物成像和疾病治疗等生物医学领域的研究和应用获得了广泛的关注。本文中,笔者就稀土元素掺杂的上转换纳米颗粒在肿瘤的诊断与治疗方面的研究现状及进展进行综合概述,主要对其在光动力疗法(PDT)、光热疗法(PPT)、化学联合疗法及多模态诊疗一体化等方面的研究展开分析和讨论,为上转换纳米颗粒的进一步研究开发及临床应用提供新的参考方向及思路。     

用去卷积法提高超声调制光学成像的空间分辨率

超声调制光学成像的空间分辨率取决于光在组织中的散射程度和扫描超声束的聚焦大小。由于组织是强散射介质,实际应用中的超声束都有一定的聚焦宽度(通常是毫米数量级),所以该技术成像空间分辨率一直无法提高。针对这个问题,首次将去卷积图像处理法运用在超声调制光学成像技术中,有效地解决了扫描超声束带来的信号展开,分辨率下降的影响。理论和防真结果表明,处理后的成像分辨率大大提高,图像质量明显改善。该方法无须对系统装置做任何改动,只利用适当的数据处理,就实现了成像超分辨,具有应用价值。     

光声成像造影剂的研究进展

光声成像(PAT)是利用光声效应获得生物组织或材料的断层图像或三维立体图像的一种成像方法,它兼具光学和声学成像的优点,从而成为目前比较有应用前景的一种成像模式。光声成像造影剂是光声成像的对比增强剂,它通过改变局部组织的声学和光学特性,提高成像对比度和分辨率,从而显著增强光声成像的成像效果,成为当前生物医学领域研究的一个热点。目前常见的光声成像造影剂主要有金纳米材料,碳纳米材料,染料相关纳米材料以及其他纳米材料,这些材料有它们独特的优势,它们尺寸小,稳定性好,具有良好的生物相容性,但在临床应用时本身又存在一些问题。本文综述了光声成像造影剂的种类并简要概述了其研究进展,并对其未来在生物医学领域的应用前景做了进一步展望。     

基于压缩感知理论的光声成像方法研究现状

光声成像是一种新兴的无损生物医学成像方法,因其兼具高灵敏的光学对比度和超声能够对深层组织进行高分辨成像的优点,已经成为当前生物医学成像领域发展最快的技术之一。光声成像的光吸收对比度能够反映生物组织微小的组织病变,与血氧饱和度等多种功能和生理信息紧密相关,目前已被证明在肿瘤血管新生研究、早期癌症检测和心血管疾病诊断等方面有很大的应用潜力。基于超声阵列探测的常规光声计算层析成像系统,数据采集量大,由此导致的较低数据采集和成像速度成为制约该技术临床应用和转化的重要因素。压缩感知理论可以在远低于Nyquist采样定理的欠采样方式下,高质量重建信号,已被广泛用于信号处理和传统的医学图像重建领域。自2009年压缩感知理论被应用于光声成像以来,已有的研究结果表明,该方法为解决目前大区域光声成像的数据采集和成像速度问题提供了一条有效的途径。本文将重点介绍压缩感知理论用于光声成像的基本原理、研究现状、面临的问题和应用前景。     

光声结构与功能成像技术研究进展

光声成像技术利用短脉冲激光激发产生光声信号,可重建出组织的光吸收分布图像,它结合了纯光学成像的高对比度和纯声学成像的高分辨率特性.光声成像技术不仅能够有效的刻画生物组织结构,还能够精确实现无损功能成像,为研究生物组织的形态结构,生理、病理特征,代谢功能等提供了全新手段.本文简要分析了光声信号产生的机理,总结报道了目前实验室几套典型的成像系统及其最新应用进展,指出光声成像作为一种新型的生物医学成像方法,可望引发生物医学影像领域的一次革新.     

基于非线性热扩散效应的亚衍射极限光声二次谐波显微成像技术

本文提出了一种基于非线性热扩散效应的光声二次谐波显微SH-PAM成像技术,用于实现亚衍射极限光声成像。生物组织受到强度调制的高斯激光束辐射时,组织吸收光子形成高斯分布的温度场,由于热扩散系数非线性热效应引起的非线性光声PA效应,从而产生光声二次谐波信号。模拟和试验结果均表明,重建后的光声二次谐波成像的横向分辨率超过了传统光学成像分辨率。本文通过仿体样品验证了该方法的可行性,并且对人表层皮肤细胞进行了成像,以证明其对生物样品的成像能力。该方法扩展了传统光声成像的范围,为超分辨成像开辟了新的可能性,为生物医学成像和材料检测提供了新的方法。     

激光与生物组织相互作用：光子迁移与生物传热理论

激光热疗中,激光与生物组织相互作用研究主要包含两方面：光子在生物组织中的迁移规律,以及光生扫热在生物组织在的传导。对前者的描述主要为,基于传输理论的解析法和Ｍｏｎｔｅ￣Ｃａｒｌｏ模拟,生物组织中光子迁移规律的研究能定量描述组织中的光分布,并进一步获得生物组织中的热分布;考虑到了生物组织特性,所建立了生物组织中温度场分布及变化规律。光子迁移与生物传热理论是研究激光热序不可分割的传热模型,全面描述了生     

生物活组织的背向二次谐波成像

光学二次谐波成像技术由于具有三维高分辨率、不需要荧光标记、对生物样品的杀伤效应小等特点,在生物医学研究上具有广阔的应用前景.在双光子荧光成像基础上,实现了适合对厚组织样品观测的背向光学二次谐波成像,探讨了背向二次谐波成像的特点和影响因素.通过对多种生物组织样品进行大量实验,发现胶原纤维和肌肉纤维均可以产生很强的背向二次谐波,并成功地将背向二次谐波成像技术应用于糖尿病患者皮肤的观测.背向二次谐波成像技术可望推广到病理检查等临床应用中.     

液晶空间光调制器在生物光学显微中的应用

利用液晶空间光调制器(LCSLM)对光学显微中的成像光进行实时的相位/振幅调制,不仅可以实现各种传统的生物样品相位显微,而且能够以更复杂的相位调制方式,如螺旋相位滤波,得到新的显微图像。该方式已经和荧光显微、光镊技术结合,丰富了生物显微技术。     

窄等离子体吸收谱线宽度的纳米金锥用于光声成像

无损光声成像技术结合了纯光学成像高选择特性和纯超声成像中深穿透特性的优点,克服了光散射限制,实现了对活体深层组织的高分辨、高对比度成像。该成像技术对内源物质例如脱氧血红蛋白、含氧血红蛋白、黑色素、脂质等进行成像,提供了活体生物组织结构和功能信息,已经在生物医学领域表现出巨大的应用前景。然而,很多与病理过程相关的特征分子的光吸收能力较弱,在活体环境中难以被光声成像系统所识别,从而限制了光声成像技术的应用范围。基于功能纳米探针的光声成像-光声分子成像极大拓展光声成像的应用范围,可以在活体层面对病理过程进行分子水平的定性和定量研究,将为实现目标疾病的早期诊断提供强大的技术支持。本文发展在近红外具有窄吸收线宽(半高宽仅为60 nm)的纳米金锥作为新型的光声探针。通过选择不同径长比的纳米金锥,可以任意调节纳米金锥的吸收峰。通过调谐激光器的波长,可实现对不同吸收峰纳米金锥的选择性激发。纳米金锥将有可能用于多光谱光声成像,实现对不同靶标的目标分子探测。