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基于凸阵列超声换能器的宽波束成像算法研究

中国生物医学工程学报 2024年第3期43卷 278-285页

作者：史新旺冯炼周小伟重庆医科大学生物医学工程学院超声医学工程国家重点实验室重庆400016

超声宽波束成像是一种高帧频超声成像技术,相对于线聚焦、平面波和发散波等成像方法,其通过远点聚焦能更好地平衡图像分辨率、对比度和帧频等成像性能。目前,宽波束成像的主要研究均是基于线阵超声换能器,但线阵超声换能器成像视野有限... 详细信息

超声宽波束成像是一种高帧频超声成像技术,相对于线聚焦、平面波和发散波等成像方法,其通过远点聚焦能更好地平衡图像分辨率、对比度和帧频等成像性能。目前,宽波束成像的主要研究均是基于线阵超声换能器,但线阵超声换能器成像视野有限且不适用于较深的腹部器官。本研究基于凸阵列超声换能器研究宽波束成像算法,评估凸阵列下宽波束成像方法的性能。基于128阵元的凸阵列换能器,在软件仿真平台和真实实验两种环境分别实施宽波束成像,得到原始的通道数据后,采用延时叠加的方法对仿真和实验数据进行波束合成,建立宽波束超声影像;针对图像的对比度与空间分辨率,将宽波束成像结果分别与传统的聚焦成像、复合发散波成像等方法进行定量的比较分析。相对于复合发散波成像,宽波束成像具有更高的图像对比度(仿真情况下为19.6 dB,提高了67.1%;实验情况下为19.1 dB,提高了33.1%),但其空间分辨率在仿真和实验中有不同的表现。在50~90 mm深度范围内,仿真情况下宽波束的平均分辨率为1.11 mm,相对发散波成像提升了18.1%;而在实验情况下62 mm处的分辨率为1.48 mm,相对降低了15.4%。综合结果表明,宽波束成像性能优于复合发散波成像。相比于聚焦扫描成像,宽波束成像具有更均匀的成像分辨率和更高的帧频。在凸阵换能器上,相比发散波成像方法和传统聚焦成像方法,超声宽波束成像方法具有更均衡的成像性能,可为临床应用特别是腹部超声提供更优的成像策略。

关键词：医学超声成像波束合成宽波束成像腹部超声

基于Nano-ICG增强巨噬细胞活体光声成像的急性呼吸道炎症无创定量评估

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中国激光 2024年第9期51卷 181-189页

作者：张建梁超豪罗志佳孟凡张艺晴王倩广州医科大学生物医学工程学院医学影像创新实验室广东广州511436 广州医科大学附属第一医院呼吸疾病国家重点实验室广东广州510120

巨噬细胞作为炎症阶段的主要吞噬细胞,其高表达是急性呼吸道炎症发展过程的临床特征之一。目前还没有一种成像方法能够以深组织穿透性和高分辨率的方式呈现巨噬细胞在急性炎症中的表达。以吲哚菁绿纳米颗粒(Nano-ICG)作为一种高效的光... 详细信息

巨噬细胞作为炎症阶段的主要吞噬细胞,其高表达是急性呼吸道炎症发展过程的临床特征之一。目前还没有一种成像方法能够以深组织穿透性和高分辨率的方式呈现巨噬细胞在急性炎症中的表达。以吲哚菁绿纳米颗粒(Nano-ICG)作为一种高效的光声成像(PAI)增强造影剂,评估了急性呼吸道炎症中巨噬细胞的表达量。激光共聚焦显微镜下的成像效果证实,Nano-ICG能够快速地被巨噬细胞吞噬。利用Nano-ICG增强光声成像效果后,气管内的PAI结果显示了巨噬细胞在炎症后气管壁上的分布区域。Nano-ICG增强的光声成像能够无创、定量地评估急性呼吸道炎症的发展程度,有望为呼吸疾病相关基础研究和临床诊疗提供新的影像技术支持。

关键词：医用光学光声成像急性呼吸道炎症吲哚菁绿纳米颗粒巨噬细胞

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

共聚焦激光扫描检眼镜研究进展与应用(特邀)

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激光与光电子学进展 2024年第10期61卷 29-47页

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江苏苏州215163 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

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,而共聚焦激光扫描检眼镜由于具有优越的成像质量和泛用性,并具有独特的轴向分辨能力,在眼底成像领域中已经占据主导地位。主要综述了共聚焦激光扫描检眼镜检查法在超广角眼... 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,而共聚焦激光扫描检眼镜由于具有优越的成像质量和泛用性,并具有独特的轴向分辨能力,在眼底成像领域中已经占据主导地位。主要综述了共聚焦激光扫描检眼镜检查法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其未来发展进行展望。

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

荧光原位杂交扩增探针的结构光照明超分辨成像与计数

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激光与光电子学进展 2024年第4期61卷 183-188页

作者：吴寅梁永张洁李辉中国科学技术大学生物医学工程学院(苏州) 生命科学与医学部江苏苏州215163 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江苏苏州215163

人类表皮生长因子受体-2(HER2)的异常扩增会导致癌细胞的过度增殖和肿瘤恶化。在采用常规光学显微成像技术检测扩增水平较高的乳腺癌细胞HER2基因时,荧光原位杂交探针的荧光信号斑点呈簇状分布,难以精确计数。应用结构光照明超分辨成像... 详细信息

人类表皮生长因子受体-2(HER2)的异常扩增会导致癌细胞的过度增殖和肿瘤恶化。在采用常规光学显微成像技术检测扩增水平较高的乳腺癌细胞HER2基因时,荧光原位杂交探针的荧光信号斑点呈簇状分布,难以精确计数。应用结构光照明超分辨成像技术对HER2基因荧光原位杂交的病理切片进行成像,从而分辨距离较近的荧光探针。通过大视场扫描成像和图像拼接,对数百个细胞进行成像和统计分析,提高了高扩增水平病理切片上HER2探针计数的准确性。

关键词：乳腺癌病理诊断荧光原位杂交结构光照明超分辨成像图像拼接

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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用于荧光显微技术的多波长激光耦合系统

光学精密工程 2024年第3期32卷 324-332页

作者：周旻超王振亚方懿罗刚银张哲孙晓洁复旦大学工程与应用技术研究院上海200433 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏苏州215163

为了满足荧光显微镜技术对多波长单模耦合输出激光的需求,研究了400~680 nm内多波长激光耦合进单模光纤的技术,设计了三片式耦合透镜组很好地消除了不同波长耦合时的色差以提高耦合效率,同时考虑光纤耦合调试难度大的问题,设计了能快速... 详细信息

为了满足荧光显微镜技术对多波长单模耦合输出激光的需求,研究了400~680 nm内多波长激光耦合进单模光纤的技术,设计了三片式耦合透镜组很好地消除了不同波长耦合时的色差以提高耦合效率,同时考虑光纤耦合调试难度大的问题,设计了能快速简单完成耦合调节的耦合光纤部件结构以及耦合调试的方法,通过实验测试荧光成像常用的4种波段激光(405,488,561,638 nm),耦合效率均大于65%。实验结果达到了较高的光纤耦合水平,证明该多波长激光耦合器性能优异。同时,由于耦合器装调简单且成本低,本文的工作具有进一步商业化的价值,且为多波长单模耦合激光器国产化打下了坚实的基础。

关键词：荧光显微技术单模激光耦合多波长激光光纤耦合

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面向桌面交互场景的双目深度测量方法

计算机工程与应用 2024年第9期60卷 283-291页

作者：叶彬朱兴帅姚康丁上上付威威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215000 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏苏州215000

基于视觉的虚拟现实交互方式在桌面书写应用场景中尚未有针对性的解决方案,书写交互中精细动作准确识别的实现,需要一种全新的高精度手笔联合三维识别技术,其中深度准确度是影响三维识别精度的重要因素。为此提出一种高精度双目深度测... 详细信息

基于视觉的虚拟现实交互方式在桌面书写应用场景中尚未有针对性的解决方案,书写交互中精细动作准确识别的实现,需要一种全新的高精度手笔联合三维识别技术,其中深度准确度是影响三维识别精度的重要因素。为此提出一种高精度双目深度测量方法,该方法针对书写交互采用了高分辨率、近距离的图像对作为输入,并在算法上提出全局与局部重要信息交叉融合的思想以提升速度与精度,减少计算成本。算法使用区域检测模块提取图像对中的手部和笔尖关键区域以重要程度分尺度输入;并且引入区域特征金字塔结构结合多尺度语义信息;同时利用视差级联模块缩小匹配范围,提高网络实时性。实验证明,提出的深度测量方法在手部和笔尖交互区域精度高,实时性好,能够有效辅助提高手笔联合三维识别精度以提供更好的虚拟书写交互体验,具有广泛的应用前景。

关键词：双目视觉深度学习立体匹配深度测量桌面交互

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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