二次谐波显微成像技术

二次谐波非线性显微成像技术是近年发展起来的一种新型光学成像方法,已广泛应用于生物医学的各个领域。介绍了光学二次谐波产生的原理、成像装置及其技术发展,描述了二次谐波的成像特点和它与双光子荧光成像的异同,并对其在生物医学上的应用及发展前景做出展望。     

用光学二次谐波成像技术观察皮肤内不同种类的胶原

目的：用光学二次谐波成像的方法比较成熟皮肤与新生皮肤内不同种类胶原的含量,以及正常皮肤与创伤皮肤内胶原种类的变化。方法：用前向及背向二次谐波观察正常及创伤皮肤内的胶原,并与传统的天狼猩红染色法相对照。结果：与传统方法相比,二次谐波可以更快速,更灵敏地检测组织中的胶原。背向二次谐波信号强度随着切片厚度的增加而增强。结论：光学二次谐波成像技术是一种灵敏、简单、快速检测皮肤组织内胶原的新方法,具有很好的应用前景,可应用于活体检测。     

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.     

飞秒激光与生物细胞作用机理及应用

飞秒激光是自1960年第一台激光器诞生以来,过去20年间由激光科学发展起来的最强有力的新工具之一。飞秒激光由于脉冲持续时间短、瞬时功率大、聚焦尺寸小的特点,使得其在超快、超强和超精细领域有着广阔的应用前景。其中最重要的一个方向是飞秒激光在生物细胞方面的应用。细胞是生命活动的基本单位。所有的病源微观上都体现在细胞中细胞器的工作,所以用飞秒激光作用在病体的细胞器上达到治疗的目的,是一个很有前景的领域。由于生物大分子和水几乎不吸收近红外光,故应用近红外飞秒激光对细胞进行手术,同时可在不损伤细胞活性的前提下对细胞进行实验。这种激光手术技术已被用于对细胞内结构进行切割和蚀除。介绍了该技术在细胞领域中的一些应用,如纳米手术、基因转染和染色体切割等;还介绍了飞秒激光技术与生物细胞中主要细胞器的祛除的原理、飞秒激光细胞操作与手术系统和实验中荧光成像、多光子成像显微镜等手段。     

光透明剂对兔子动脉血管壁二次谐波成像的影响

为了了解光透明剂对生物组织二次谐波成像的影响,利用二次谐波成像术(SHG) 对动脉血管组织(兔颈部动脉血管壁外膜层,含有丰富的胶原纤维)经无水甘油处理后的光透明效果进行研究.实验结果表明,经无水甘油处理后的动脉血管壁外膜层胶原纤维的二次谐波成像的成像深度和成像对比度均得到明显的改善;动脉血管组织的衰减系数降低了50 %左右,而成像深度由35 μm 提高到75 μm .这说明甘油溶液具有提高生物组织二次谐波成像深度和对比度的光透明效应.由于组织的浑浊特性使其对可见光和近红外波长具有很强的散射效应,基于激光的治疗和诊断技术受到很大限制,使用光透明剂提高组织内部的折射率匹配从而降低散射效应的方法有望在生物医学领域得到广泛应用.     

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。     

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。     

多光子显微成像技术在脑部疾病研究中的应用

由于多光子显微技术具有高时空分辨率、低损伤性、可对活体长时间成像等特点,近年来已被广泛应用于生物医学等领域,并且在多种疾病诊断中展现出巨大的应用潜力.尤其是在脑部疾病的研究中,利用多光子成像技术可实现对复杂神经网络的研究,包括对脑部神经细胞、血管、肿瘤等进行实时成像并研究各自之间的相互作用,能进一步揭示脑疾病的发病机制并指导检测治疗方法的开发.本文简要介绍了多光子成像技术的基本原理及特点,总结了其在阿尔茨海默病、脑中风、脑肿瘤等多种脑部疾病中的应用,详细阐述了近年来利用多光子成像技术在脑部疾病研究中所获得的成果,并对多光子成像技术的发展前景进行了展望,预期其在脑部疾病的研究中将发挥更大的作用.     

激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）及其生物学应用

激光扫描共聚焦显微镜（ＬＳＣＭ）有效地排除了非焦平面信息,提高了分辨率及对比度,使图像更为精确清晰;与计算机及相应的软件技术组合,ＬＳＣＭ 实现了连续光学切片,广泛应用于生物三维结构重组及动态分析。目前,激光共聚焦显微技术已成功应用于生物芯片技术、激光显微操作系统、细胞骨架研究、生理生化及胚胎学研究、基因定位等领域。多光子技术的发展,进一步改善了ＬＳＣＭ 成像清晰度,拓宽了ＬＳＣＭ 在生物学领域中的应用。本文叙述了ＬＳＣＭ 的基本原理及其在生物学研究中的应用。     

Imaging the noncentrosymmetric structural organization of tendon with Interferometric Second Harmonic Generation microscopy

We report the imaging of tendon with Interferometric Second Harmonic Generation microscopy. We observe that the noncentrosymmetric structural organization can be maintained along the fibrillar axis over more than 150 μm, while in the transverse direction it is ～1–15 μm. Those results are explained by modeling tendon as a heterogeneous distribution of noncentrosymmetric nano‐cylinders (collagen fibrils) oriented along the fibrillar axis. The preservation of the noncentrosymmetric structural organization over multiple tens of microns reveals that tendon is made of domains in which the ratio between fibrils with positive and negative polarity is unbalanced. (© 2014 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

Analysis of forward and backward Second Harmonic Generation images to probe the nanoscale structure of collagen within bone and cartilage

Collagen ultrastructure plays a central role in the function of a wide range of connective tissues. Studying collagen structure at the microscopic scale is therefore of considerable interest to understand the mechanisms of tissue pathologies. Here, we use second harmonic generation microscopy to characterize collagen structure within bone and articular cartilage in human knees. We analyze the intensity dependence on polarization and discuss the differences between Forward and Backward images in both tissues. Focusing on articular cartilage, we observe an increase in Forward/Backward ratio from the cartilage surface to the bone. Coupling these results to numerical simulations reveals the evolution of collagen fibril diameter and spatial organization as a function of depth within cartilage.

     

Three‐dimensional mapping of the orientation of collagen corneal lamellae in healthy and keratoconic human corneas using SHG microscopy

Keratoconus is an eye disorder that causes the cornea to take an abnormal conical shape, thus impairing its refractive functions and causing blindness. The late diagnosis of keratoconus is among the principal reasons for corneal surgical transplantation. This pathology is characterized by a reduced corneal stiffness in the region immediately below Bowman's membrane, probably due to a different lamellar organization, as suggested by previous studies. Here, the lamellar organization in this corneal region is characterized in three dimensions by means of second‐harmonic generation (SHG) microscopy. In particular, a method based on a three‐dimensional correlation analysis allows to probe the orientation of sutural lamellae close to the Bowman's membrane, finding statistical differences between healthy and keratoconic samples. This method is demonstrated also in combination with an epi‐detection scheme, paving the way for a potential clinical ophthalmic application of SHG microscopy for the early diagnosis of keratoconus.

SHG image acquired with sagittal optical sectioning ( A ) of a healthy cornea and ( B ) of a keratoconic cornea. Scale bars: 30 μm.     

准分子激光切削角膜的数学模型与切削技术研究

本文在分析国内外研究人眼角膜的数学模型的基础上,提出了能够用于进行近视、远视、散光等屈光手术的数学模型,并就准分子激光的切削原理和“飞点扫描”技术进行了研究,本文的研究成果直接用于准分子激光眼科治疗机,取得了满意的手术效果。     

激光照射对角膜蛋白质二级结构影响的光谱分析

为了研究激光照射后角膜蛋白质化学组成的改变,探讨激光角膜损伤的发生机制,将日本大耳白兔随机分为正常对照组和激光损伤组,选取角膜上皮层和基质层作为研究对象,通过傅里叶变换红外光谱技术(Fou-rier transform infrared spectroscopy,FT-IR)对角膜组织酰胺I带中蛋白质二级结构各吸收峰进行定量分析,观察激光照射后蛋白质分子结构的改变情况。结果显示,激光照射后出现蛋白质二级结构吸收峰的位移和积分百分比的改变。激光照射可使角膜上皮层和基质层蛋白质构象发生改变,从而导致蛋白质结构稳定性下降和蛋白质生物功能的破坏。     

声光偏转器对飞秒激光的光斑畸变分析

分析了声光偏转器(acousto-optical deflector,AOD)对飞秒脉冲激光光斑的空间畸变效应。研究表明:由于飞秒激光在锁模情况下具有较宽的光谱带宽,经过AOD后的一级衍射光斑带有严重的角色散,导致光斑形状发生畸变,影响成像的空间分辨率。实验测试了一维AOD器件在不同声波频率下的光斑形状,获得了光斑尺寸的放大倍数,验证了AOD对飞秒激光的光斑畸变效应。     

全飞秒激光与飞秒激光辅助Lasik治疗高度近视患者的效果及对角膜曲率、视觉质量的影响分析

摘要 目的：探究全飞秒激光与飞秒激光辅助Lasik治疗高度近视患者的效果,并分析治疗对患者角膜曲率、视觉质量的影响。方法：选择2020年7月至2022年7月在我院接受治疗的120例（240眼）高度近视患者为研究对象,按照随机数字表法结合患者意愿的方式将其区分为研究组（n=60,接受飞秒激光辅助Lasik治疗）与对照组（n=60,接受全飞秒激光治疗）,对比两组患者术前术后调制传递函数截止频率（MTF）值及客观散射指数（OSI）、角膜曲率变化、屈光度差异、视力情况差异,统计两组患者各类并发症发生率并进行比较。结果：（1）两组患者术前MTF值及OSI组间差异无统计学意义（P>0.05）,术后研究组患者的MTF值和OSI值均明显低于对照组,差异具有统计学意义（P<0.05）;（2）术前、术后90 d两组患者的最佳矫正视力组间差异无统计学意义（P>0.05）,但组内前后比较两组患者的最佳矫正视力均较术前有明显提高（P<0.05）;（3）术前两组患者的角膜前表面曲率以及后表面曲率组间差异均无统计学意义（P>0.05）,术后90 d时开展组间比较,研究组患者角膜前表面曲率中K1、K2以及Km值均明显低于对照组（P<0.05）,但后表面曲率中K1、K2以及Km值组间差异无统计学意义（P>0.05）;进一步分析显示,两组患者术前术后前表面曲率K1、K2以及Km值有明显变化（P<0.05）,后表面曲率K1、K2以及Km值前后差异无统计学意义（P>0.05）;（4）统计研究组患者共出现弥漫性层间反应2例,感染1例,角膜内生1例,并发症总发生率3.33%（4/120）,明显高于对照组的0.00%（0/120）（P<0.05）。结论：全飞秒激光和飞秒激光辅助Lasik术对高度近视均具有较好的治疗效果,相比于全飞秒激光术,飞秒激光辅助Lasik术在改善患者视觉质量方面明显占优,但其并发症发生率同样更高,全飞秒激光术术后视觉质量,但安全性更高,建议临床上结合患者实际情况灵活选择术式,以改善高度近视患者预后。