在体生物光学成像技术的研究进展

在体生物发光成像和在体荧光成像是近年来新兴的在体生物光学成像技术, 能够无损实时动态监测被标记细胞在活体小动物体内的活动及反应, 在肿瘤检测、基因表达、蛋白质分子检测、药物受体定位、药物筛选和药物疗效评价等方面具有很大的应用潜力. 本文详细介绍了在体生物发光成像和在体荧光成像的特点、系统及应用, 比较了它们的异同, 综述了在体生物光学成像技术的基本原理和应用领域, 讨论了将其应用于临床的进一步发展方向.     

一种具有相衬效应的高分辨显微CT系统研发

显微CT(Micro-computed tomography,Micro-CT)是一种新型的采用X射线成像原理进行超高分辨率三维成像的设备。可以在不破坏样品的情况下,对各种材质样品或活体小动物进行高分辨三维成像。本文介绍了一种高分辨显微CT系统开发,通过小昆虫样品的投影与断层图像,清晰显示了边缘增强的相位衬度效应。同时,断层图像显示了系统的细节分辨能力高于12微米。     

基于FPGA的高性能三维电阻抗成像系统

构建以FPGA为核心控制器的两层32电极的高性能三维电阻抗成像系统,详细描述了系统的软硬件设计、系统性能测试及成像试验,图像重建采用共轭梯度算法。测试结果表明,系统测量精度达0.082%,系统空间分辨率达0.51%,信噪比达60.3 dB。在盛有盐水的实验盐水槽进行成像试验,结果表明该系统能够准确识别待测区域目标物的个数、位置、大小等信息。系统的构建为深入研究三维电阻抗成像等关键技术提供可靠的硬件平台。     

高分辨率高效率三维正电子发射断层扫描成像探测器研发

小动物正电子发射断层扫描成像(Positron Emission Tomography,PET)是临床前生物医学研究的重要工具,但小动物 PET要同时达到高空间分辨率和高效率必须使用三维深度测量探测器。本工作使用位置灵敏雪崩光二极管(Position-Sensitive Avalanche Photodiode,PSAPD)和位置灵敏硅光电倍增管(Position-Sensitive Silicon Photomultipliers,PS-SiPM)双端读出,测量了晶体大小为0.7～0.44 mm的高分辨率硅酸镥晶体阵列,其中对一种最新研发成功的 PS-SiPM进行了首次测试。首先对 PS-SiPM和 PSAPD的信噪比进行了测量,然后对使用 PS-SiPM和 PSAPD的双端读出探测器模块的晶格分辨图、能量分辨率和相互作用深度分辨率分别进行了测量。实验发现,PSAPD的信噪比远远优于 PS-SiPM,使用 PSAPD的探测器可以分辨0.44 mm的晶格阵列和最好达到1.4 mm的深度分辨率,而使用 PS-SiPM的探测器模块可以分辨0.7 mm的硅酸镥晶体阵列和达到2.9 mm的深度分辨率。从得到的晶格分辨图、能量分辨率和相互作用深度分辨率上来看,使用 PSAPD的探测器模块要优于使用 PS-SiPM的探测器。这需要提高 PS-SiPM的信噪比来进一步提高探测器分辨更小截面晶格的能力,提高 PS-SiPM微单元的数量来降低饱和效应从而提高探测器的相互作用深度分辨率。从实验结果可以看出,基于 PSAPD的三维相互作用深度测量 PET探测器具有更好的性能,今后计划使用新的 PS-SiPMs和 SiPM阵列进行该类型探测器的研发。     

空间调制全偏振计算成像场景迁移超分辨率方法

空间调制型全偏振计算成像同时获得可见光和红外通道图像,但是受探测器限制,2个通道的图像空间分辨率不一致,给后端的图像融合及目标探测过程带来不便.为此,提出基于场景特征迁移学习的空间调制型计算成像超分辨率方法.首先在分析空间调制计算成像的相同场景异源图像特点基础上,构建场景特征迁移模型;然后建立改进场景迁移卷积神经网络结构并选择修正线性激活函数,同时增加空间分辨率一致性约束;再设计最优光谱迁移响应学习策略,并作为前端输入加到超分辨率网络;最后将光谱迁移响应优化与全偏振超分辨率重建的参数联合学习,获得高分辨率偏振图像.利用实际成像系统的仿真数据及系统数据进行2倍和3倍超分辨率实验,从主观视觉效果、客观量化评价指标和偏振参量解析结果3个方面对多个指标进行评价.结果表明,文中方法在视觉效果上能够保持目标轮廓并抑制噪声干扰,在16个客观指标对比数据上取得了10个优于、3个相同和3个低于的结果,验证了该方法的有效性,为成像系统定标校正提供数据支持.     

用于血管内成像的 60 MHz 高频超声换能器设计及其成像实验

在血管内超声成像系统中,超声换能器是重要的部件之一,对成像性能起决定性作用。提高超声换能器的成像分辨率可以获得更多图像细节,有助于临床获取动脉粥样硬化斑块的细节信息。此外,超声换能器还需要具有足够的穿透深度,能够对斑块和血管进行完整评估。而成像分辨率和成像深度都与超声换能器的频率密切相关,且二者相互制约。该文综合考虑了冠脉成像对成像分辨率与成像深度的要求,优化设计并制备了一种 60 MHz 的微型高频换能器。仿体实验表明,基于该换能器的超声成像分辨率可显著提高,且成像深度满足冠脉成像的需求。大动物活体实验结果表明,与商业 40 MHz 换能器相比,该文所设计的换能器能更清楚地看到血管中膜内层边界和支架结构,可以为临床提供更精细的指导优化。     

开放式的高分辨率超声成像系统

在医学和生物学研究当中,对活体组织进行无创性成像具有重要意义。高分辨率超声成像技术,可以对细微组 织实现高空间分辨率的成像,已被广泛应用于皮肤、眼睛、心血管和小动物成像等生物医学领域。目前领域内的相关研 究需要不同的成像系统参数,例如要求不同的探头性能、数据采集策略、信号处理以及图像重建、显示和保存方法。因 此需要一种灵活和开放的超声成像系统,能让用户根据各种研究需求实现个性化设置并能全面获取原始实验数据。文章 提出了一种实时的、便携式设计的开放式超声成像系统,可支持定制的高分辨率超声成像研究。系统基于高速现场可 编程逻辑门阵列(FPGA)实现灵活多样的超声成像。用户可以轻松地根据个性化应用需求来调整系统结构。测试结果表 明,本系统能实现 B 超成像、编码激励成像、多普勒成像、血管内成像、多模态组合成像等,为高分辨率生物医学应用 研究提供了非常灵活的成像工具。     

线阵 SAR 三维成像分辨率分析

研究阵列无线 SAR 系统优化问题,关于线阵合成孔径雷达(SAR)使用阵列天线获取观测目标不同入射角的回波信号,能够实现对目标的三维成像.为了获取高分辨率的三维成像结果,研究了线阵 SAR 三维成像分辨率与观测几何的关系.采用线阵 SAR 实现三维成像的信号模型,得到了与线阵 SAR 几何相关的三维分辨率,根据高度向分辨率随着参考视角和线阵角度的变化,得到在线阵角度的三维成像分辨率.并运用运用 MATLAB 仿真平台进行了线阵 SAR 三维成像仿真,结果表明目标三维成像得到了高分辨率的结果.     

基于非截断小波有限元的BLT正向问题研究

针对自发荧光断层成像,提出了一种非截断小波有限元算法.该算法采用单元间非截断组合小波基来逼近未知函数,从理论上解决了二维和三维下复杂形状体的剖分,并成功地应用于自发荧光断层成像正向问题中圆柱和圆球仿体的研究.理论分析和数值仿真结果表明,与传统有限元的数值解相比,该算法在获得同样有效解的情况下减少了单元剖分数,降低了计算的复杂度.     

一种红外成像检测系统设计

红外成像系统的性能检测是产品质量的重要保证,本文介绍了一种红外成像系统的检测设备的设计,通过设计一定特征的红外目标图像,检测红外成像系统的成像功能,同时检测红外成像系统的分辨率、成像坏元等关键性指标,通过检测系统控制设计保证检测系统输出的红外图像的温度阈值范围和质量满足被测对象的要求,并能够提供可设置的图像,实现了对红外成像系统的功能和性能检测。检测系统温度分辨率不大于0.2度,图像相对畸变2%,目标运动精度不大于0.05度,光能分布不均匀度不大于10%,视场角不小于8度。     

一种基于光学定位的自由式三维超声系统研发

自由式三维超声成像是一种新型的采用二维超声原理进行任意部位三维成像的设备,可以在传统的二维超声探头上固定用于空间定位的标记物,对扫描对象进行任意部位、大范围的三维扫描成像。文章介绍了一种可应用于微创手术导航的自由式三维超声成像系统,并详细分析了当前基于距离加权的三维超声重建算法的性能和优缺点。通过对体模和动物器官的超声图像扫描,并使用三维重建系统分别进行超声三维重建,得出了比较满意的结果,验证了三维重建算法及三维重建系统的可行性和有效性。     

A theoretical 2D image model for locating 3D targets

To construct a water quality monitoring system, challenging issues need to be addressed regarding the acquisition of target information (e.g. 3D location and occlusion) as well as the behavioural analysis of aquatic organisms. This paper presents a novel 3D information acquisition and location method, by means of an information acquisition platform consisting of a monitoring terminal, frame grabbers, a single camera and a single mirror. Using this platform, we propose a theoretical 2D image model for locating 3D targets and then validate it using data obtained from both real and artificial fish. The proposed model is based on the principles of light refraction, plane mirror imaging, underwater objects and camera imaging as well as the technologies of digital to analog conversion and object segmentation. In contrast with existing methods, our method can accurately reflect 3D information of aquatic organisms, thus providing critical technical support for the development of water quality monitoring systems in the future.     

衍射增强成像相位信息提取与融合研究

众所周知,衍射增强成像(diffraction enhanced imaging,DEI)是一种功能强大的相位衬度成像技术,对于软组织来说,它能获得比基于吸收的传统X射线成像技术更高的衬度,并且能获得几乎不受散射影响的吸收像和折射像,而多图统计法(multiple image radiography,MIR)则是在统计分析的基础上,对DEI进行改进而发展起来的新方法。和DEI方法相比较,由于MIR方法更不易受噪声的影响,同时能获得额外的小角散射像,而小角散射像则能显示物体的微观结构,因此,MIR方法能同时获得吸收像、折射像和小角散射像3种图像。另外,通过对吸收像、折射像和小角散射像进行融合,还能够在一幅图像中显示物体的多种信息。利用MIR方法获得生物样品3种相位信息图像,并对3种相位信息进行融合实验的结果表明,MIR图像能够清楚地显示出生物样品的内部细节和结构。     

Inherent Noise‐Aware Insect Swarm Simulation

Collective behaviour of winged insects is a wondrous and familiar phenomenon in the real world. In this paper, we introduce a highly efficient field‐based approach to simulate various insect swarms. Its core idea is to construct a smooth yet noise‐aware governing velocity field that can be further decomposed into two sub‐fields: (i) a divergence‐free curl‐noise field to model noise‐induced movements of individual insects in a swarm, and (ii) an enhanced global velocity field to control navigational paths in a complex environment along which all the insects in a swarm fly. Through simulation experiments and comparisons with existing crowd simulation approaches, we demonstrate that our approach is effective to simulate various insect swarm behaviours including aggregation, positive phototaxis, sedation, mass‐migrating, and so on. Besides its high efficiency, our approach is very friendly to parallel implementation on GPUs (e.g. the speedup achieved through GPU acceleration is higher than 50 if the number of simulated insects is more than 10 000 on an off‐the‐shelf computer). Our approach is the first multi‐agent modelling system that introduces curl‐noise into agents' velocity field and uses its non‐scattering nature to maintain non‐colliding movements in 3D crowd simulation.     

基于宽波束激励的高帧频超声成像方法研究

超声成像的帧频是影响超声成像应用的一个关键因素,成像系统的帧频决定了系统捕捉运动组织的能力,如3D成像、心脏成像、彩色多普勒等。传统超声成像采用延迟聚焦方法可获得较好的图像,但成像帧频较低。目前提高超声成像帧频主要有平面波成像和宽波束激励成像两种方法。平面波成像是通过激励所有阵元同时发射并同时接收超声波,虽在帧频上获得了显著提高,但由于它使用非聚焦技术,分辨率的提高仍然比较有限,特别是当要维持较高帧率而使用较少的扫描角度时,得到的图像质量仍然不高。宽波束成像技术利用多阵元同时发射超声波、远点聚焦、动态实现孔径变迹等方法可极大地提高图像的帧频、均匀性和空间分辨率。文章通过美国 Verasonics公司 V-1数据采集系统采集宽波束数据,进行波束合成建立宽波束超声图像,并与平面波成像和传统聚焦成像技术进行了对比和分析。实验结果表明,相较于平面波成像和传统聚焦成像方法,宽波束成像具有更好的横向分辨率和轴向分辨率,且可获得比传统聚焦方法更高的帧频。     

基于三维Hough变换的三维超声针状物体检测

本文提出了一种以(Φ,θ,ρ,α)四参数表示的空间直线为基础的三维Hough变换,用来检测三维超声图像中的针状物体。我们用实验室研发的三维超声系统采集插入水中的钢针的三维超声图像,然后用本文提出的方法对其进行检测。实验结果表明,本文提出的方法能比较准确地检测出三维超声图像中的针状物体,方向误差在1°以内,位置误差在1mm以内。     

High gain CPW‐fed UWB planar monopole antenna‐based compact uniplanar frequency selective surface for microwave imaging

In this article, a novel uniplanar ultra‐wideband (UWB) stop frequency selective surface (FSS) was miniaturized to maximize the gain of a compact UWB monopole antenna for microwave imaging applications. The single‐plane FSS unit cell size was only 0.095λ × 0.095λ for a lower‐operating frequency had been introduced, which was miniaturized by combining a square‐loop with a cross‐dipole on FR4 substrate. The proposed hexagonal antenna was printed on FR4 substrate with coplanar waveguide feed, which was further backed at 21.6 mm by 3 × 3 FSS array. The unit cell was modeled with an equivalent circuit, while the measured characteristics of fabricated FSS array and the antenna prototypes were validated with the simulation outcomes. The FSS displayed transmission magnitude below ?10 dB and linear reflection phase over the bandwidth of 2.6 to 11.1 GHz. The proposed antenna prototype achieved excellent gain improvement about 3.5 dBi, unidirectional radiation, and bandwidth of 3.8 to 10.6 GHz. Exceptional agreements were observed between the simulation and the measured outcomes. Hence, a new UWB baggage scanner system was developed to assess the short distance imaging of simulated small metallic objects in handbag model. The system based on the proposed antenna displayed a higher resolution image than the antenna without FSS.     

大脑快速 T1 图谱成像研究

大脑快速 T1图谱成像是一种量化磁共振成像技术,可以为帕金森、癫痫、肝脑病等脑部疾病的诊断提供重要参考依据。现有的大脑快速 T1图谱成像技术可以将成像速度提高到几秒/层,然而主磁场、发射场的不均性(尤其在高场下)以及大脑内部结构的磁化率差异,降低了成像精确性,限制了其在临床上的推广应用。针对上述缺点,文章提出一种基于 TurboFLASH技术的大脑快速 T1图谱成像方法,并先后在计算机仿真实验、仿体以及人体试验中进行验证。实验结果表明,文章提出的方法测得的大脑组织 T1值与金标准及文献中报导的值非常接近(误差＜3%),同时扫描速度提高到3秒/层,空间分辨率为1.1 mm×1.1 mm×4 mm,2分钟内即可完成全脑采集。     

基于多模态成像技术监测基因修饰支架中血管生成及修复临界性骨缺损的研究

基因修饰促血管化的支架是促进骨再生的有效方法之一,它可以将目的基因转移到内源性细 胞中实现生长因子原位、持续表达,诱导内源性细胞的增殖、迁移和分化,从而促进骨组织再生。该 文以慢病毒介导基因修饰多孔 PLGA/nHAp 复合支架诱导血管生成为研究对象,采用静电吸附和低温冷冻方法制备基因修饰多孔 PLGA/nHAp 复合支架;以小鼠顶骨临界性骨缺损为模型,利用多模态双光子及光声显微成像技术在体、实时、连续监测,研究骨修复过程中基因修饰多孔支架诱导血管化的动态过程。体外实验结果显示,慢病毒颗粒从支架上的持续释放长达 5 天,缓释出的病毒颗粒可以有效转染 293T 细胞并表达 PDGF-BB 因子。体内实验结果表明,慢病毒介导基因修饰多孔 PLGA/nHAp 复合支架,可以实现 PDGF-BB 因子原位表达,促进体内局部及系统性干细胞等细胞迁移,加快血管诱导生成并提高骨缺损部位骨组织的再生能力。同时,在该研究中,成功使用并比较了多模态双光子及光 声显微成像技术在体、实时、连续监测 3D 骨组织支架内血管形成的动态变化过程,并验证了基因修饰对于提高 3D 打印支架的生物学反应性的作用。该研究为研究不同支架对血管生成作用的监测与鉴定提供了新的技术手段。