相干拉曼散射显微技术及其在生物医学领域的应用

相干拉曼散射显微技术作为一种新型的成像技术,具有无标记、高特异性、非侵入等优点,已被广泛用于化学结构及物质成分分析。近年来,光子学、生物医学和显微成像技术等领域的相互交叉和融合发展,极大地推动了相干拉曼散射显微成像技术在生物医学领域的应用。简要介绍了相干拉曼散射显微成像的基本原理、分类、系统构成,同时概述了相干拉曼散射显微成像技术近年来在生物医学领域的应用,包括检测、脂类分析和蛋白质构象变化等,最后对其未来发展进行了展望。     

光谱及光谱成像技术在生物医学领域应用简介

光谱技术和光谱成像技术因其可以获取观测目标的化学组分信息,在生物医学领域具有极广阔的应用前景。介绍了光谱及光谱成像技术在生物医学领域七种应用的最新进展。其中,荧光多标记共定位、染色体核型分析及眼底病变检测技术已成熟,并已进入临床应用;光谱成像癌变检测、生物芯片检测、无损血糖检测及拉曼癌变检测四类应用虽然临床意义重大,但因检测精度较低或普适性较差等原因,处于发展初期阶段,仍需开展进一步研究。     

航天高光谱遥感应用研究进展(特邀)

近年来随着高光谱成像技术的快速发展,航天高光谱遥感数据在各领域应用研究中取得了良好的发展与突破。文中回顾了国内外航天高光谱成像技术的发展历程,介绍了有代表性的航天高光谱成像仪的主要应用技术指标,较为系统地总结和分析了近五年来航天高光谱遥感数据在国土资源、农林遥感、海洋湖泊遥感、城市环境、灾害监测及其他方面等各领域的最新应用研究进展。对基于AI技术的高光谱信息提取与应用、基于高光谱遥感的多源数据融合与应用以及面向深空探测领域的高光谱数据分析与应用等发展趋势做了展望,未来航天高光谱成像仪技术的进一步突破和应用研究需求的牵引将会推动高光谱应用领域更大范围的创新与发展。     

低指纹区的光谱聚焦CARS显微成像

利用单个飞秒振荡器为激发光源搭建了光谱聚焦相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）显微成像系统,使用二向色镜获得了泵浦光与斯托克斯光,开展了聚苯乙烯样品低指纹区的光谱聚焦CARS二维与三维显微成像研究。在光谱聚焦CARS二维成像研究中,通过改变泵浦-斯托克斯的延迟时间,获得了随延迟时间变化的光谱聚焦CARS信号强度谱,通过与聚苯乙烯拉曼光谱的对比,分析了在改变泵浦-斯托克斯的延迟时间过程中被激发的拉曼振动的切换情况。同时,在固定的拉曼振动模式,通过对聚苯乙烯样品进行断层扫描,实现了对聚苯乙烯样品的三维CARS成像。     

显微成像光谱技术

本文首先分析了研究显微成像光谱技术的背景,然后介绍了国内外显微成像光谱技术的研究进展,最后对显微成像光谱技术的前景进行了展望。     

拉曼光谱成像技术及其在生物医学中的应用

拉曼光谱是一种用于分析分子化学成分、结构等信息的检测技术,具有信息丰富、制样简单、水的干扰小、非侵入等特点,在生物医学等研究领域中具有广泛应用。拉曼光谱成像作为一种结合拉曼光谱和成像的混合模式,通过采集空间中每个像素处的拉曼光谱信息,将分子信息在空间上展现,并定性、定量与定位地分析物质分子。相对于传统的拉曼光谱测量,拉曼光谱成像可额外提供生物医学应用中极为重要的空间信息,因此,以图像形式观测物质成分与结构等信息的拉曼光谱成像技术在生物样本检测、临床诊断及治疗等生物医学领域中具有重要的应用价值。从拉曼光谱原理出发,介绍了拉曼光谱成像技术及其发展,并综述了近年来拉曼光谱成像技术在生物医学领域中的应用,最后总结并展望了拉曼光谱成像技术及其发展趋势。     

光谱技术在宫颈上皮内瘤变监测中的研究进展

宫颈上皮内瘤变(CIN)是与宫颈浸润癌密切相关的一组癌前病变,也是宫颈癌临床筛查的重点内容。目前,针对宫颈癌的筛查手段很多,其中光谱技术具有无创、实时、定量、原位、高灵敏性等优点成为该病筛查的研究热点。本文通过对包括漫反射光谱、固有荧光光谱、散射光谱3种光谱原理及其临床应用进行分类说明,并对多光谱成像技术、高光谱成像技术及激光共聚焦显微成像技术在宫颈病变临床诊断中的发展与应用做出综述,介绍了目前光谱技术在宫颈病变临床诊断中的数据收集、诊断方法及特殊优势,并对其未来的可能发展提出了展望。     

共聚焦显微拉曼光谱的应用和进展

介绍了共聚焦显微拉曼光谱的原理和优点,总结了国内外运用该技术在肿瘤检测、公安与法学、文物考古等多个领域的最新应用和进展,并对其前景进行了展望.     

三维拉曼显微成像技术研究进展（特邀）

拉曼显微成像技术无需样本制备,具有无损、无创、对水溶液不敏感的优点,可在微米或纳米尺度下表征样本的生化组分及分布,成为生命科学领域重要的研究工具。随着对复杂生物样本研究的不断深入,拉曼显微成像也被期待能够实现对生物样本中的分子组成与分布的动态立体观测。首先,系统性地梳理近年来三维拉曼显微成像技术的研究进展,包括基于自发拉曼散射、相干拉曼散射、表面增强拉曼散射以及拉曼标签的不同三维成像方法的技术手段、改进策略与实验结果。然后,总结了不同成像技术在细胞生物学、发育生物学等方面的应用进展。最后展望了不同三维拉曼显微成像技术在生物医学光学显微成像技术应用中所面临的挑战和发展前景。     

利用拉曼光谱原位定量检测技术筛选红酵母类胡萝卜素高产突变株

建立了一种利用显微拉曼光谱原位定量技术筛选平板培养基上类胡萝卜素高产突变株的方法。为了消除培养基背景信号对定量结果的影响,采用矢量校正算法对光谱数据进行预处理,得到了不含培养基干扰的菌落净信号。比较了不同光谱收集方式对光谱重现性的影响,发现扫描方式较定点检测能获得重现性更好的菌落净信号。利用共焦显微拉曼光谱分析了平板培养基上红酵母菌落中的类胡萝卜素,并用光镊拉曼光谱法进行验证,两种方法所得类胡萝卜素1512cm-1拉曼峰值呈现良好的线性关系,说明了共焦显微拉曼光谱定量检测平板培养基上菌落内类胡萝卜素的可行性。用该方法对红酵母诱变菌进行筛选,筛选出两株类胡萝卜素高产菌株。研究结果表明该菌种筛选方法比传统方法更客观、高效。     

乳腺癌氧合血红蛋白表面增强拉曼光谱研究

采用重复性及生物兼容性较好的二维纳米银膜作为氧合血红蛋白表面增强拉曼散射光谱的（SERS）基底，利用具有较好匹配的近红外激光作为激发光源，通过引起共振拉曼效应分别对健康女性和女性乳腺癌患者的氧合血红蛋白进行SERS光谱研究。比较两组氧合血红蛋白平均SERS光谱，发现存在差异。利用SPSS软件的主成分分析（PCA）方法和独立变量T检验统计分析方法，发现两组光谱在659、813和1 122 cm-1拉曼频移处的谱峰有着极显著的区别。对主成分进行归属分析，女性乳腺癌患者氧合血红蛋白分子中，吡咯环的反对称变形振动、对称变形振动以及吡咯环的呼吸振动的强度、相对于健康女性显著减少，从而造成图谱谱峰有明显差异。除此以外，SERS技术结合SPSS统计分析方法能够较好地区分健康女性和乳腺癌患者的氧合血红蛋白，从而有望发展成为一种新型的乳腺癌临床诊断技术。     

基于最近邻比较和中值滤波的拉曼光谱spike自动检测及剔除方法研究

激光拉曼光谱技术具有原位、实时、多物质同时探测的优点,在实验室内已经得到了广泛研究,并逐渐应用于深海海底等极端环境下的原位探测。由于CCD等光谱探测器可能受到宇宙射线的干扰,会在拉曼谱图上形成位置随机的spike,对拉曼光谱分析造成干扰。将最近邻比较和中值滤波相结合的方法应用于海水实测拉曼光谱spike的检测剔除,首先将原始拉曼光谱分为拉曼峰区域和非拉曼峰区域,对拉曼峰区域使用最近邻比较法处理,对非拉曼峰区域使用中值滤波方法,结果显示该方法能将非拉曼峰区域和拉曼峰区域的spike完全剔除,没有出现误检和漏检,且不会对拉曼特征峰强度产生影响,有助于提高拉曼光谱定性定量分析的精确性和稳定性。     

A comprehensive approach to the analysis of contrast enhanced cardiac MR images

Current magnetic resonance imaging (MRI) technology allows the determination of patient-individual coronary tree structure, detection of infarctions, and assessment of myocardial perfusion. Joint inspection of these three aspects yields valuable information for therapy planning, e.g., through classification of myocardium into healthy tissue, regions showing a reversible hypoperfusion, and infarction with additional information on the corresponding supplying artery. Standard imaging protocols normally provide image data with different orientations, resolutions and coverages for each of the three aspects, which makes a direct comparison of analysis results difficult. The purpose of this work is to develop methods for the alignment and combined analysis of these images. The proposed approach is applied to 21 datasets of healthy and diseased patients from the clinical routine. The evaluation shows that, despite limitations due to typical MRI artifacts, combined inspection is feasible and can yield clinically useful information.     

光谱编码计算关联成像技术研究

现有的多光谱成像技术通常采用光学分光的方式，使用多个探测器对成像场景的光谱图像进行采集，导致现有成像系统复杂，数据量大、效率低。针对现有技术的不足，提出基于正交调制模式的光谱编码计算关联成像技术。通过正交光谱编码矩阵融合Hadamard基图案构造投影散斑对宽带光源进行调制，单像素探测器收集成像物体与调制光源相互作用后的反射信号；应用演化压缩技术复原成像物体的混叠光谱图像；利用编码矩阵的正交性质解码出欠采样的光谱分量图像，对分离出的图像应用组稀疏压缩感知算法重构全采样的光谱分量图像，最后融合出成像物体的多光谱图像。通过数值模拟与实验两方面验证了所提方法的高效性。所提的技术简化了多光谱关联成像系统，降低了数据量。光谱编码方法可以扩展到更多的光谱通道，也可以应用在偏振关联成像、信息加密等领域。     

嵌入式Web服务器下光谱成像技术研究

传统的光谱成像技术信息采集精度差,为了解决这一问题,研究了一种新的嵌入式Web服务器下的光谱成像技术,分析了光谱成像技术的工作原理,并根据光谱成像技术的信息获取方式和分光原理对其进行了科学的分类。通过移植嵌入式Web服务器不仅能够为光谱数据处理提供运行环境,还能够实现光谱成像技术的身份识别、马赛克光谱数据采集、图片预览、视频调焦等相关功能。在对采集的成像光谱的三维数据进行分析研究时,在Web服务器上实现图像维度的分离,完成定点元素维度的光谱信息获取技术。实验结果表明,该技术优化传统光谱成像技术预处理的算法,节省运算时间,减少成本,达到实时显示处理结果的效果,提高工作效率。     

食管癌患者血红蛋白表面增强拉曼散射光谱的统计分析

应用表面增强拉曼散射(SERS)光谱技术,以Ag纳米粒子为基底,对24例食管癌患者及20例健康人的血红蛋白样本进行了检测,并采用主成分分析(PCA)与判别分析方法对检测到的光谱数据进行分析。实验得到食管癌患者与健康人血红蛋白SERS光谱存在的区别反映了两组血红蛋白内部物质的含量差异,结果显示,与健康人相比,食管癌患者的血红蛋白中有更多的亚铁离子处于低自旋态。统计分析方法所得的光谱峰值PC得分的三维散点图对食管癌患者与健康人区别也较明显。本文方法的总准确率为91%,诊断灵敏度为96%,诊断特异性为85%。结果表明,通过血红蛋白SERS光谱的检测和统计分析,可为早期食管癌的诊断提供依据。     

基于拉曼光谱的鼻咽癌与正常鼻咽细胞株的分类研究

高空间分辨率的共聚焦显微拉曼光谱技术从分子水平上提供了生物分子成分和结构的指纹性信息。以鼻咽癌细胞株C666-1、CNE2和正常鼻咽细胞株NP69为对象,利用拉曼光谱探索和分析癌细胞株与正常细胞株之间的差别。结果表明:谱峰比I1449/I1657(1.10)可以准确地将鼻咽癌与正常鼻咽细胞株分成两组,这一结论与相关支气管癌组织的报道结果一致;此外,采用主成分分析方法说明3种细胞株的拉曼光谱之间存在统计学差异,并以线性判别分析方法对其进行统计划分,灵敏度和特异性分别达到90%和100%。这些结论可以为拉曼光谱技术用于NPC的临床诊断提供依据,并有可能为鼻咽癌的早期诊断提供有益参考。     

肝脏和肺组织的太赫兹光谱成像

与红外辐射、X射线、核磁共振、超声波等传统医疗诊断技术相比,太赫兹技术具有能量低、空间分辨力高和带宽宽等独特分析能力,成为人体成像或人体组织癌症诊断技术的补充技术。分别对肝脏和肺的正常组织与肿瘤组织做了太赫兹光谱检测与太赫兹成像研究,通过肝脏的光谱检测与成像实验总结出相关经验,使得肺癌组织太赫兹成像得到了明显的效果,并且发现肺癌肿瘤组织在1.0 THz~1.75 THz频率范围内的太赫兹成像能够明显区分出正常组织与肿瘤组织,且频率越高,成像分辨力越高。     

面阵凝视声光光谱成像技术及其轻小型无人机载应用探讨

近年来,轻小型无人机载光谱成像技术因航线自由,使用成本低等诸多优势在光谱遥感技术领域成为研究热点并得到广泛重视。基于面阵凝视的新型声光光谱成像技术的成熟运用为轻小型无人机遥感技术注入了新的活力。首先介绍了面阵凝视光谱成像技术途径,然后结合月球探测应用对声光光谱成像技术进行了论述。无人机载样机研制完成后开展无人机载应用试验,对试验数据进行分析和评价。最后,对基于声光光谱凝视成像技术的轻小型无人机载应用进行探讨及展望。