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共聚焦激光扫描检眼镜研究进展与应用

激光与光电子学进展 2024年

作者：叶夏笛黄江杰孔文邢利娜何益史国华中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏省医用光学重点实验室中国科学技术大学生物医学工程学院(苏州)生命科学与医学部

眼底成像对眼科学研究、眼底疾病诊断和治疗都有着重要的意义。共聚焦激光扫描检眼镜具有优越的成像质量和广泛的适用性，并具有独特的轴向分辨能力，在眼底成像中已经占据主导地位。本文主要综述了共聚焦激光扫描检眼镜在超广角眼底成... 详细信息

眼底成像对眼科学研究、眼底疾病诊断和治疗都有着重要的意义。共聚焦激光扫描检眼镜具有优越的成像质量和广泛的适用性，并具有独特的轴向分辨能力，在眼底成像中已经占据主导地位。本文主要综述了共聚焦激光扫描检眼镜在超广角眼底成像方面和高分辨率眼底成像方面的实现原理和技术发展，分析了目前仍面临的挑战，并基于现存的挑战对未来发展进行展望。

关键词：眼科光学与器件超广角眼底成像高分辨率眼底成像共聚焦激光扫描检眼镜

近红外二区荧光金纳米团簇用于生物医学光子学:进展与挑战

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中国激光 2024年第3期51卷 116-126页

作者：李丝雨田方正高笃阳胡德红郑海荣盛宗海居胜红东南大学智能影像与介入医学国家级重点实验室培育建设点江苏南京210009 中国科学院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所劳伯特生物医学成像研究中心医学成像科学与技术系统重点实验室广东深圳518055

近红外二区(NIR-Ⅱ)金纳米团簇(Au NCs)具有明亮的多色荧光、良好的生物相容性和可肾脏清除的特性,已成为当前生物医学光子学领域中备受关注的纳米材料。首先介绍了NIR-ⅡAu NCs的合成方法,讨论了其面临的低产率和缺乏规模化制备的问题... 详细信息

近红外二区(NIR-Ⅱ)金纳米团簇(Au NCs)具有明亮的多色荧光、良好的生物相容性和可肾脏清除的特性,已成为当前生物医学光子学领域中备受关注的纳米材料。首先介绍了NIR-ⅡAu NCs的合成方法,讨论了其面临的低产率和缺乏规模化制备的问题。其次,介绍了NIR-ⅡAu NCs的表面调控技术,讨论了调控团簇表面结构、组成和形态的方法,以及增大发光波长和提高荧光量子产率的方法。然后,总结了NIR-ⅡAu NCs在血管成像、淋巴管和淋巴结成像、肿瘤成像以及成像引导治疗等方面的最新研究进展。最后,讨论了NIR-ⅡAu NCs在生物医学光子学领域中面临的机遇与挑战。

关键词：生物光学金纳米团簇近红外二区荧光生物医学光子学生物成像成像引导治疗

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脂代谢紊乱在肾脏衰老和肾纤维化中的作用

生物化学与生物物理进展 2024年第5期51卷 1067-1078页

作者：吴胜泉杨萌刘新光广东医科大学衰老研究所广东省医学分子诊断重点实验室东莞523808 广东医科大学生物化学与分子生物学研究所东莞523808

肾间质纤维化是终末期肾脏病的病理基础,肾脏衰老是肾间质纤维化的危险因素。越来越多的研究证明,脂代谢紊乱会导致肾脏衰老和肾间质纤维化。脂代谢紊乱引起的脂质堆积,会造成脂毒性和细胞应激性损伤,从而诱发衰老与细胞外基质(extracel... 详细信息

肾间质纤维化是终末期肾脏病的病理基础,肾脏衰老是肾间质纤维化的危险因素。越来越多的研究证明,脂代谢紊乱会导致肾脏衰老和肾间质纤维化。脂代谢紊乱引起的脂质堆积,会造成脂毒性和细胞应激性损伤,从而诱发衰老与细胞外基质(extracellular matrix,ECM)的分泌。维持脂代谢稳态有助于减轻肾脏衰老与肾间质纤维化的发生发展。脂代谢途径的关键酶和调控蛋白有望成为改善肾脏衰老和肾间质纤维化的潜在靶点。本综述概括了脂代谢紊乱在肾脏衰老和间质纤维化中的作用,并对脂代谢中肾脏衰老和间质纤维化的预防靶点和策略进行了总结,为治疗肾纤维化发现新靶点提供了参考。

关键词：肾脏衰老肾间质纤维化脂代谢肾小管上皮细胞

结构光照明超分辨荧光与旋转相干散射双模态成像

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激光与光电子学进展 2024年

作者：孙玮刘更亮文刚陈晓虎梁永李辉中国科学技术大学生物医学工程学院(苏州)生命科学与医学部中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏省医用光学重点实验室

超分辨荧光成像方法可以对不同亚细胞器进行纳米尺度的结构观测，其特异性来源于荧光标记，无标记成像方法避免了染色过程对样品本身带来的可能影响，但是丧失了特异性，因此二者具有互补性，各自有其独特的优势和应用范围。在同一仪器... 详细信息

超分辨荧光成像方法可以对不同亚细胞器进行纳米尺度的结构观测，其特异性来源于荧光标记，无标记成像方法避免了染色过程对样品本身带来的可能影响，但是丧失了特异性，因此二者具有互补性，各自有其独特的优势和应用范围。在同一仪器集成两种不同的成像技术将拓宽其应用场景。本文结合结构光照明超分辨显微技术（Structured illumination microscopy, SIM）和旋转相干散射显微成像技术（Rotating coherent scattering, ROCS），搭建了一套可以在两种模式之间任意切换的双模态显微成像系统。使用荧光微球标准样品和PANC-1胰腺癌细胞样品对系统进行了测试，在SIM和ROCS通道分别得到了111nm和145nm的空间分辨率，并且可以达到100Hz左右的成像速度。该系统具备高时空分辨率的荧光和无标记成像功能，为细胞生物学的研究提供了更多的便捷与可能。

关键词：超分辨显微成像无标记显微成像结构光照明显微镜旋转相干散射显微技术

阿尔茨海默症诊断与病理区域检测的反事实推理模型

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中国图象图形学报 2024年第4期29卷 1100-1116页

作者：葛威刘汝璇郑菲刘海华唐奇伶中南民族大学生物医学工程学院武汉430074 医学信息分析及肿瘤诊疗重点实验室武汉430074

目的随着全球人口老年化趋势日益加剧,阿尔茨海默症(Alzheimer’s disease,AD)的及时诊断与病理区域的可视化及其准确定位具有重要的临床意义。目前的研究中,基于块级和区域级的检测,由于采用非线性交互很难解释影响模型决策的病理区域... 详细信息

目的随着全球人口老年化趋势日益加剧,阿尔茨海默症(Alzheimer’s disease,AD)的及时诊断与病理区域的可视化及其准确定位具有重要的临床意义。目前的研究中,基于块级和区域级的检测,由于采用非线性交互很难解释影响模型决策的病理区域。针对此问题,提出了一种AD病理区域定位及诊断的联合学习框架。方法利用反事实推理的思想,基于前景背景注意力掩码构建注意力引导的循环生成对抗网络(attention-guided cycle generative adversarial network,ACGAN)可视化AD患者的病理区域,并使用生成的病理区域知识指导增强诊断模型。具体来说,通过在ACGAN模型的生成器中设计注意力掩码来引导生成方案,使模型更好地聚焦于疾病的病理区域,有效地捕捉突出的全局特征。并通过ACGAN模型中病理区域生成器实现结构磁共振图像(structural magnetic resonance imaging,sMRI)在源域和目标域之间的转换清晰地划分出细微的病理区域。利用生成的病理区域知识作为指导,并结合三维坐标注意力与全局局部注意力,获取三维图像之间的依赖关系及三维空间的位置信息,优化诊断模型。结果为了验证方法的有效性,在公开的ADNI(Alzheimer’s disease neuroimaging initiative)数据集上对模型进行评估,与传统的卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)模型及几种较为先进的AD分类诊断模型相比,本文使用病理区域知识指导增强诊断模型显示出优越的诊断性能,相比于性能较好的方法,ACC(accuracy)、F1-score、AUC(area under curve)分别提高了3.60%、5.02%、1.94%。并对生成的病理区域图像进行定性及定量评估,本文方法得到的病理区域图像归一化互相关分数和峰值信噪比均优于对比方法。结论与现有方法相比,本文模型可以学习sMRI图像在源域和目标域之间的转换,能够准确地捕获全局特征及病理区域。并将学习到的病理区域知识用于AD诊断模型的改进,使分类诊断模型取得了卓越性能。

关键词：阿尔茨海默症(AD) 病理区域生成对抗网络(GAN) 注意力机制可视化

基于主成分分析的多重定量PCR荧光串扰校正

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光谱学与光谱分析 2024年第4期44卷 1151-1157页

作者：王鹏王振亚汪舜张杰张哲杨天航王弼陡罗刚银翁良飞张翀宇李原中国科学技术大学生物医学工程学院(苏州) 生命科学与医学部江苏苏州215163 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所工程化研究中心江苏苏州215163 重庆国科医创科技发展有限公司分子诊断中心重庆400700

聚合酶链式反应(PCR)是分子生物学常用的检测手段,主要用于对生物的DNA或RNA进行检测。由于荧光光谱重叠和滤光片过滤带宽限制,检测时所获得的荧光数据通常会包含荧光通道之间的串扰,串扰的存在使PCR结果分析变得复杂,并可能影响最终的... 详细信息

聚合酶链式反应(PCR)是分子生物学常用的检测手段,主要用于对生物的DNA或RNA进行检测。由于荧光光谱重叠和滤光片过滤带宽限制,检测时所获得的荧光数据通常会包含荧光通道之间的串扰,串扰的存在使PCR结果分析变得复杂,并可能影响最终的检测结果。选择合适的光学元件,并确定通道间的补偿矩阵,可以降低甚至消除荧光串扰。目前荧光补偿矩阵大多通过迭代计算获得,还没有一种简单的方法可以从混合的多通道荧光数据中找到荧光补偿矩阵。为了快速获得荧光补偿矩阵,减小计算量,采用主成分分析法(PCA)中确定主成分的方式,基于搭建的测试平台进行单一染料实验,获得染料的荧光信号在各个检测通道的分布情况,计算得到荧光补偿矩阵。通过分析补偿矩阵,发现对于搭建的硬件系统,Cy5染料对Cy5.5通道串扰较大,串扰比例为8.76%,同时Cy5.5染料对Cy5通道串扰影响也相对较大,比例约为6.2%;其次是ROX染料对HEX通道串扰,比例约为2.68%;HEX染料对FAM通道串扰,比例约为1.58%;FAM染料对HEX通道串扰相对较小,比例约为0.25%,其余通道无明显串扰,与荧光光谱反映的结果一致。采用得到的荧光补偿矩阵对单一染料实验得到的原始荧光数据进行处理,有效去除了非目标通道的荧光串扰,实现了荧光通道数据的解耦,验证了方法的可行性。最后设计了染料颜色分辨实验,将不同浓度的多种染料进行组合测试,并采用所提出的方法将得到的数据进行荧光补偿。实验结果表明,荧光通道各自的线性相关性较高,五个荧光通道的线性相关系数r均大于0.99,该结果进一步验证了该补偿方法的有效性。

关键词：聚合酶链式反应(PCR)检测光谱分析主成分分析多重荧光检测荧光串扰荧光分离

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氢键流体中Janus粒子的过量熵

高等学校化学学报 2024年第2期45卷 139-146页

作者：陈晴晴李江涛黄欣蓉顾芳王海军河北大学化学与材料科学学院保定071002 河北大学河北省化学生物学重点实验室保定071002 河北大学药物化学与分子诊断教育部重点实验室保定071002

Janus粒子在结构和性质上的特殊性使其在不同溶剂中呈现出丰富的聚集态结构和相态结构,这与其在溶液中的过量熵密切相关.本文以Janus粒子与氢键流体的稀溶液体系为例,利用经典流体的密度泛函理论研究了氢键流体中Janus粒子的过量熵.首... 详细信息

Janus粒子在结构和性质上的特殊性使其在不同溶剂中呈现出丰富的聚集态结构和相态结构,这与其在溶液中的过量熵密切相关.本文以Janus粒子与氢键流体的稀溶液体系为例,利用经典流体的密度泛函理论研究了氢键流体中Janus粒子的过量熵.首先在极稀条件下给出Janus粒子外氢键流体中的局域密度分布,由此得到Janus粒子与氢键流体的二体分布函数,进而计算了不同情况下的过量熵.在此基础上,阐明了Janus粒子与氢键流体间的相互作用、氢键流体的体相密度、氢键强度和氢键官能度等因素对过量熵的影响.本研究旨在揭示这些因素对过量熵的调控机制,在定量水平上明确Janus粒子在溶液中组装的驱动力,从而为深入研究其聚集态结构提供可借鉴的理论线索.

关键词： Janus粒子氢键流体过量熵经典密度泛函理论

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泡沫金属电磁感应传热机理研究

工程热物理学报 2024年第3期45卷 811-818页

作者：王雪锋徐峰冯上升生物医学信息工程教育部重点实验室西安交通大学生命学院西安710049 西安交通大学仿生工程与生物力学中心西安710049

研究了电磁感应加热下泡沫金属填充液体的磁–热能量转换及瞬态升/降温传热过程,搭建了泡沫金属填充液体在感应加热与液体冷却下的联合控温实验系统,采用“频域–瞬态”和“松耦合”方法求解电磁–传热耦合数值模型,揭示了泡沫金属填充... 详细信息

研究了电磁感应加热下泡沫金属填充液体的磁–热能量转换及瞬态升/降温传热过程,搭建了泡沫金属填充液体在感应加热与液体冷却下的联合控温实验系统,采用“频域–瞬态”和“松耦合”方法求解电磁–传热耦合数值模型,揭示了泡沫金属填充液体的电磁场与热源分布规律、温度响应特性、温度均匀性以及泡沫金属结构和材质等参数的影响规律。结果表明,泡沫金属填充液体的电磁感应传热特性与泡沫金属的结构和材质密切相关。

关键词：泡沫金属电磁-传热耦合频域-瞬态方法电磁加热

单物镜光片三维荧光成像技术研究进展（特邀）

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激光与光电子学进展 2024年第6期 243-256页

作者：张一凡李辉杨光中国科学技术大学生物医学工程学院中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏省医用光学重点实验室

光片显微镜由于具有强大的光学层切能力、较快的成像速度和较低的光损伤，成为三维成像的重要工具。光片显微镜通常利用两个垂直放置的物镜分别进行照明和成像，这带来了对样品的空间限制并禁用了高数值孔径的成像物镜。以倾斜平面照明... 详细信息

光片显微镜由于具有强大的光学层切能力、较快的成像速度和较低的光损伤，成为三维成像的重要工具。光片显微镜通常利用两个垂直放置的物镜分别进行照明和成像，这带来了对样品的空间限制并禁用了高数值孔径的成像物镜。以倾斜平面照明和微镜微器件反射技术为代表的单物镜光片显微技术突破上述限制，展示出在高分辨率和体积高速成像方面的优势，并且可与超分辨显微术等多种技术结合，在近年来取得了巨大发展。介绍单物镜光片显微成像技术的原理、关键性能的提升和其在生物医学的应用。

关键词：生物光学成像光片显微镜三维成像荧光显微镜