自适应光学在双光子显微成像技术中的应用

光学显微镜是生物医学研究必不可少的工具，其中双光子显微成像技术具有大深度三维显微成像功能，被认为是深层生物组织研究的首选工具。但是，在双光子成像系统使用过程中，光学系统的装配偏差、光学元件不理想以及生物样品的不均匀性都会在成像过程中引入像差，从而降低成像质量。通过在双光子显微成像系统中引入自适应光学技术，可实现对像差的有效校正，从而提高成像的分辨率、深度和视场。介绍了双光子显微成像中的像差来源和特点，概述了自适应光学技术中不同的探测和校正方法，综述了近年来自适应光学技术在双光子显微成像中不同的应用成果，最后对自适应光学在双光子显微成像中的发展进行了展望。     

耦合式背光介观荧光分子成像系统设计北大核心CSCD

在生物组织工程的应用中需要有对生物结构标记的三维、纵向评估。一般来说,这些生物组织的结构通常是几毫米厚和浑浊的,因此对图像成像有很大挑战性,且经典荧光显微技术不能满足于其需要。介观荧光分子成像系统是一种新兴的成像系统,该系统基于介观荧光分子层析方法,它填补了显微荧光分子成像技术和宏观荧光分子成像技术之间的空白。为提升介观荧光分子重建的性能,本文主要基于光学原理对光学系统的配置参数进行了优化和改进,包括探测器布局、非耦合或耦合的扫描模式,并对介观荧光分子成像系统的三维成像性能进行了评价和对比。结果表明,本文设计的耦合式背光介观荧光分子层析成像(mesoscopic fluorescence molecular tomography imaging,MFMT)系统能够很好地提升重建性能,获得高质量的重建结果。     

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。     

自适应宽场高分辨率显微成像技术的研究进展北大核心CSCD

光学显微成像技术可以用来观察微小物体的结构细节,但在生物样品的显微成像领域中,像差的存在使得任何显微成像技术的成像质量都无法达到理论预期。为了解决这一问题,自适应光学技术被应用于不同类型的显微成像系统中进行像差的探测和校正。着重总结了自适应宽场高分辨率显微成像技术的研究动态,阐明了数字全息自适应光学技术和非相干数字全息自适应光学技术的特点、优势以及存在的问题。     

光声技术在脑组织成像中的应用（特邀）

基于激光诱导超声机制的光声成像技术结合了光学成像的高对比度和超声成像的深穿透性,能无标记、非侵入反映生命体内源性吸收物质的分布,适合啮齿类动物模型全脑的即时成像。为了证明光声技术在脑科学研究和脑疾病监测中的应用,搭建了光声显微成像系统,其空间分辨率可达几十微米,有效成像深度可达1 mm以上,并以APP/PS1转基因阿尔茨海默症（Alzheimer’s disease, AD）模型小鼠和野生型WT小鼠为研究对象,从脑组织切片、离体全脑和活体全脑三个层面探究了光声成像在表征AD鼠和WT鼠脑结构变化和血管网络的能力,证明了光声技术在研究脑疾病发展过程中监控脑结构变化和脑血管网络特征的巨大潜力,可以为诸多脑科学研究和神经退行性疾病发展机制提供更深入的见解。     

自适应光学技术在深层动态荧光显微成像中的应用和发展

荧光显微成像技术是开展微观生命科学研究的重要手段和工具,使用该技术可以观察生物体内的精细结构、动态追踪生物体内组织、细胞、细胞核、蛋白、小分子等不同尺度的生命活动过程。其中,研究深层组织高时空分辨率荧光显微成像技术,是当前成像领域一个前沿问题。应用自适应光学技术实时补偿经由不透明散射、非均匀生物组织传播而引入的复杂波前畸变已被证实是实现上述技术的一种有效途径。文中首先归纳了深层动态荧光显微成像的需求和特点,随后分别介绍了自适应光学技术近几年在共聚焦显微成像、随机光学重构显微成像、光激活定位显微成像、受激辐射光淬灭显微成像、双光子/多光子激发显微成像中的相关应用,并对今后的研究问题和发展方向提出展望。     

超分辨显微技术在活细胞中的应用与发展

细胞是生命体的基本单位和功能单位,对活细胞内部结构及其功能的研究是了解掌握生命本质的基础之一,因此活细胞的实时观测对生命科学的发展具有重要意义。传统的光学显微技术受衍射极限的限制,无法观测200 nm以下的生物结构细节。近20年来,随着超衍射极限光学理论、技术、器件和荧光探针等方面的快速发展,超分辨显微成像技术已成为应用于生命科学研究的重要手段。然而,大多数超分辨显微方法或测量耗时长,或易引起荧光蛋白漂白/细胞损伤,在活细胞研究中受到极大限制,已成为超分辨显微领域重点攻关的方向之一。为此,文中结合作者在快速超分辨显微技术研究的基础上,介绍了基于单分子成像的光激活定位显微技术和随机光学重构显微技术、基于荧光非线性可饱和光转换的受激发射显微技术以及基于结构光照明的超分辨显微技术,并探讨了在活细胞成像中的发展应用。最后,文中展望了超分辨显微成像技术在活细胞成像中的未来发展趋势。     

光学相干层析成像技术确定组织光学特性

光学相干层析成像(OCT)是近年来发展较快的一种新型成像技术,能对生物组织内部的微观结构进行高分辨率的横断面层析成像,具有快速、非侵入及高分辨率等特点,在体生物组织微观结构分析和疾病诊断等方面具有重要的应用价值.综述了采用光学相干层析成像技术确定生物组织光学特性的研究.     

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。     

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。     

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。     

光学相干层析术及其应用

光学相干层析术是一种新型的对活体组织进行非侵入的光学诊断成像技术。它将低相干干涉仪与共焦扫描显微术结合在一起，去掉物镜焦点之外的散射光，利用高灵敏度的探测技术，实现在光散射介质如生物组织中获得清晰的分层图像。     

利用深度学习扩展双光子成像视场

双光子成像技术已被广泛应用于活体肿瘤成像、神经功能成像以及大脑疾病研究等领域，但双光子成像视场较小（视场直径一般在1 mm以内），限制了其进一步应用。虽然通过特殊的光学设计或者自适应光学技术能够有效增大视场，但复杂的光路设计、高昂的器件成本以及繁琐的操作过程限制了这些技术的推广。提出了一种利用深度学习技术替代自适应光学技术扩展双光子成像视场的新思路，在低成本（无须特殊物镜，无须相位补偿装置）、易操作的前提下实现了大视场双光子成像。设计了一种适用于光学显微系统中扩展双光子成像视场的nBRAnet网络框架，为使该网络框架可以更好地利用特征图信息，在该框架中引入残差模块和空间注意力机制，同时去除了数据归一化处理，以增加图像对比度信息。实验结果表明：所提深度学习方法可以有效地代替自适应光学技术，增强扩展视场中的精细结构特征，并恢复扩展视场的成像分辨率和信噪比，使双光子成像视场直径扩展到3.46 mm，峰值信噪比超过27 dB。深度学习方法具有成本低、操作简单、图像增强效果显著等特点，有望为跨区域脑成像或全脑成像提供一种经济实用的方案。     

运动想象任务下近红外光谱脑激活程度适应性研究

功能近红外光谱术(functional near infrared spectroscopy, fNIRS)是一种基于大脑血液光学吸收测量的无创神经成像技术，但目前尚未有关于脑激活程度与时间的研究。通过对特定运动想象任务下近红外数据的分析，探讨了脑激活程度与任务重复时间之间的关系。共有20名被试参与实验研究，在数据采集和预处理后，通过绘制各实验数据的地形图及脑激活程度随实验天数变化的折线图，探究了实验过程中脑激活程度的变化。随着实验的进行，每种任务引起的脑激活程度逐渐下降，下降速度与任务难度有关，任务难度越大，则脑激活程度下降到较低水平所用的时间越长，一般在三天后达到较为稳定的状态。因此，在进行脑机接口(brain-computer interface, BCI)实验研究时，需要考虑随时间变化的脑功能活动的影响。研究结果揭示了实验范式设计及实验进程对采集数据的影响，对实验数据的分析有一定辅助作用。     

生物组织光学及其进展

生物组织光学是关于光辐射与生物组织相互作用学问,是生物医学光子学技术的理论基础。本文从生物组织的光传输模型、特性参数测量方法,成像技术和光谱研究四个方面阐述了生物组织光学的状况及未来发展方向。     

基于智能手机平台的计算光学显微成像技术研究综述

计算光学显微成像技术将光学编码和计算解码相结合,通过光学操作和图像算法重建来恢复微观物体的多维信息,为显微成像技术突破传统成像能力提供了强大的助力。这项技术的发展得益于现代光学系统、图像传感器以及高性能数据处理设备的优化,同时也被先进的通信技术和设备的发展所赋能。智能手机平台作为高度集成化的电子设备,具有先进的图像传感器和高性能的处理器,可以采集光学系统的图像并运行图像处理算法,为计算光学显微成像技术的实现创造了全新的方式。进一步地,作为可移动通信终端,智能手机平台开放的操作系统和多样的无线网络接入方法,赋予了显微镜灵活智能化操控能力与丰富的显示和处理分析功能,可用于实现各种复杂环境下多样化的生物学检测应用。文中从四个方面综述了基于智能手机平台的计算光学显微成像技术,首先综述了智能手机平台作为光学成像器件的新型显微成像光路设计,接下来介绍了基于智能手机平台先进传感器的计算光学高通量显微成像技术,然后介绍了智能手机平台的数据处理能力和互联能力在计算显微成像中的应用,最后讨论了这项技术现存在的一些问题及解决方向。     

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。     

人工心脏生物瓣膜的三维缺陷检测

提出了一种基于光学相干层析成像（OCT）技术实现人工心脏生物瓣膜三维缺陷检测的方法，发展了一种生物瓣膜表面边界拟合算法。根据拟合结果进行坐标变换，使瓣膜表面边界趋于水平但保留表面纤维束高度和异常起伏的高频变化。利用所提方法对人工心脏生物瓣膜三尖瓣支架和其中的瓣膜小叶进行成像实验，实现了高分辨率、大视场、实时三维结构成像，成像结果可以显示生物瓣膜纤维层、光滑层、层间缺陷以及切割缺陷。该技术有望被广泛应用于人工心脏生物瓣膜制造检测领域。     

生物医学光声显微成像:技术和应用进展

光声成像兼具光学成像对比度高和超声成像在深层生物组织中分辨率高等优点,是近年来迅速发展起来的一种生物医学成像模态。光声显微成像(PAM)是光声成像的一种重要实现方式,利用其可以无创提供活体生物组织结构和功能信息的优点,研究人员已开展了临床前和临床应用研究。为了使不同领域的研究人员了解这一快速发展的成像技术,本文综述了光声显微成像的发展现状、最新技术和研究进展。文章首先介绍了PAM的基本原理和典型的系统实现,然后概述了包括空间分辨率、成像深度、扫描方式、信号探测手段和多模态成像等方面的重要研究进展,接着阐述了PAM在生物医学领域的应用现状,最后总结了其未来发展面临的挑战。     

基于光学显微镜的三维成像技术

传统研究显微样本三维结构的方法是通过在显微镜下获取其二维图像进行观察和分析的,难以准确理解样本的三维结构.因此,研究显微三维成像理论、三维定量分析技术,具有很高的实用价值和重要的学术意义,该领域的研究也是显微信息学科的研究热点之一.针对不同显微样本的三维成像与处理问题,论文以多种光学数码显微镜作为硬件平台,系统、全面地开展了基于光学显微镜的显微三维成像、处理和分析方法的研究.重点研究了聚焦深度显微三维成像、显微双目立体成像、序列显微光学切片三维成像、连续物理切片显微三维成像测量等关键技术和系统实现.聚焦深度显微三维成像方法为解决显微成像景深有限的问题,研究了各种序列显微图像空域聚焦融合算法,对优选出的改进Laplacian算子图像融合方法,提出了基于深度图去噪处理等的优化改进方案,实现了序列显微图像的有效合成,扩展了显微照相的景深.在此基础上,实现了一套基于聚焦深度的显微三维成像测量显示系统.三维成像实验:以昆虫眼睛图像序列验证三维成像方法.昆虫眼睛图像序列原始图用MOTICDMBl显微镜,4倍物镜,冷光源外照射反射光成像,包括33幅不同聚焦层面的原始图像.三维成像效果达到一定实用要求.双目立体体视显微镜三维成像为改进传统光学体视显微镜实现立体显微三维成像,根据计算机立体视觉原理,提出了一种基于光学数码体视显微镜的显微立体表面成像、测量系统方案.针对该系统特点,提出使用线性标定模型来标定立体视觉系统.为解决光学显微立体图像的匹配问题,从所研究的两种匹配算法中,优选出新序数测度匹配法.基于上述方案和算法,实现了一套基于光学数码体视显微镜的显微立体表面成像、测量软件系统.三维成像实验:以某航空材料断口表面显微三维立体成像为例验证该三维成像方法,材料断口表面显微图像采用本研究设计的双目立体摄像MOTIC K500MBGG体视显微镜,16倍物镜,冷光源外照射反射光成像,包括2幅左、右光路采集的原始图像.三维成像效果达到一定实用要求.序列光学切片显微三维成像为解决显微荧光三维成像去模糊的问题,研究实现了最近邻、线性去卷积和最大期望光学切片去模糊复原方法,分析总结了上述三种算法的性能和优缺点,给出了各算法适用的条件.在此基础上实现了一套序列显微光学切片三维成像系统.三维成像实验:为说明光学切片三维去模糊效果,以Confocal获取的显微荧光细胞三维图像为例,本序列图像由MOTIC集团提供,共16层图像,各层图像上有一些模糊效果,经EM去模糊算法50次迭代,一定程度上去除了模糊效果,然后用体可视化方法显示.显微物理切片三维成像研究了生物组织序列切片图像的三维重建和测量方法,根据连续组织切片的特点,提出用上、下层切片图像间存在的对应结构特征部分作为控制点,采用2次多项式进行几何校正、配准.对当今国内、外体视学界广泛认同的三维粒子测量计数方法一双层切片法(Disector)原理进行了分析,提出在计算机图像分析系统上,设计实现自动双层切片体视测量和三维成像方法.三维成像实验:以大鼠肝门部胆管微血管切片图像序列为例验证该三维成像方法.本序列图像选自与解放军总医院肝胆外科一同合作的"大鼠肝门部胆管微血管的三维重建"实验,总共有16幅经空间配准后的不阿层面的大鼠肝门部胆管微血管厚切片序列图像.三维成像效果满足医学研究需要.