光声成像技术在生物医学中的研究进展

简要介绍了生物医学中的光声成像技术机理,总结报道了国内外几种典型的光声成像方法和光声图像重建算法的发展历程及其最新进展,指出该技术是一种很有应用前景的医学检测方法。

由漫射图像测量生物组织的光学特性

为了获取生物组织的光学特性参量,采用CCD无损测量系统来获得生物组织的漫反射图像,通过数据分析获取组织表面的漫射光分布,首先对具有不同光学特性参量的组织模拟液进行测量,用实验所得数据训练神经网络,并用另一组实验数据对神经网络的有效性和精确度进行了验证,然后对牛肉、猪肉以及人体表皮组织在633nm光照下进行了测量,由经实验数据训练的神经网络反演获得生物组织的光学特性参量。结果表明,神经网络能够正确反演不同组织的光学特性参量,并具有较高的精度。

生物组织光学特性参量的图像测量研究

为了测量生物组织的光学特性参量,采用CCD漫反射法和透射法,通过分析CCD摄取的待测样品表面的漫反射光分布图像,利用漫射近似理论,实现了漫反射法对生物组织模拟液(intralipid-20%稀释液)、牛肌肉、猪肌肉和鸡胸肉光学特性参量的测量,获得了样品的吸收系数和有效散射系数;测量了不同浓度生物组织模拟液的透射光强度,根据Beer-Lambert定律,实现了透射法对光学特性参量的测量,获得了样品的散射系数,进而得到了有效散射系数;并将漫反射法和透射法对同种样品光学特性参量的测量结果以及他人的测量结果进行了比较。结果表明,漫反射法和透射法的测量结果有很好的吻合性,测量生物组织光学特性参量采用的CCD测量装置和处理方法具有较高的精度。

基于人眼光学模型建立的角膜模型

考虑角膜面型的非球面特性,应用光学设计软件Zemax,从光学成像角度提出了结合人眼光学模型的角膜双二次曲面模型的建立方法;结合国人正视眼和近视眼的有关实测数据和分析结果,以人眼的波像差为评价函数,对初始模型眼进行优化,给出了符合我国人眼特点的正视眼和近视眼模型中的角膜模型。讨论了矫正近视的矫正眼模型中的角膜理想模型和可用于角膜屈光手术中的切削模型,切削深度的最大值在角膜中心处,约26.5μm。结果表明:基于人眼光学模型的角膜双二次曲面模型,符合角膜的面型特点,适合临床实际应用,可为波像差引导的个性化角膜切削方案提供更适用的数字化模型。

人眼光学模型的研究与发展

以适宜光刺激为主的人眼是人类获取外界信息最多的重要感觉器官。从光学角度而言,人眼是一个有多个界面的复杂光学系统,每一个界面都具有复杂的几何特征和光学特性。结合光学测量,对人眼建立光学模型,研究每个界面的光学特征,在视光学和眼科学领域都有着重要的实际应用意义。通过对国内外模型眼的研究与发展的介绍,总结了各种典型人眼模型的光学结构与特性,并给出了人眼光学模型的研究发展趋势———个性化与精密性。

发光二极管光源疗法在生物医学中的应用

综述了国内外以发光二极管为光源的光疗法在生物医学中的应用研究,主要从动物体试验,动物细胞实验和医学临床进行了分析,对医学临床进行了重点的分析研究。并从安全性、经济性、使用性等多方面比较分析了发光二极管光源疗法与其它光源疗法的优缺点。发光二极管光源疗法将在生物医学领域有广阔的应用,在产品商业化上也会有较大的发展。

光学相干层析成像色散补偿研究

针对通过增加光源谱宽度来提高光学相干层析成像系统分辨率时样品色散特性的限制作用,分析了色散与光学相干层析成像系统纵向光程分辨率的约束关系.根据物质色散特性,采用数值变换方法对光学相干层析成像相干成像信号进行了色散补偿.实验使用了中心波长1550nm自激发辐射光源和光纤迈克尓逊干涉结构,对水和光学快速扫描延迟线引入的二阶和三阶色散进行了数值补偿并通过相位修正因子来改善补偿效果.确定了一种普适的、快速的数值色散补偿方法.在对水中盖玻片和生物组织和的光学相干层析成像图像的色散补偿实验中取得了良好的效果,证明了方法的可行性.

生物组织高对比度的快速光声层析成像

为了得到高对比度的快速光声层析成像，采用甘油增加组织的透明度，结合多元相控技术的成像方法，获得了活体动物不同直径血管的光声重建图像。成像系统的横向分辨率为0．5mm，光声采集成像时间为5s。实验结果表明，该成像方法与现有的方法比较，具有成像对比度高、快速方便等特点，并有望成为一种组织功能在体成像的新方法。

激光诱导间质热疗中生物组织吸收系数变化特性研究

利用近红外光谱技术进行生物组织激光诱导间质热疗(Laser induced interstitial thermotherapy,LITT)实时监测,探讨LITT术中疗效评估基础。实验样本采用离体猪肝和小鼠皮下移植肝肿瘤,使用近红外光谱实时采集系统采集激光热疗过程中组织吸收系数(μ_a)。实验结果表明μ_a在激光热疗过程中具有一定的变化规律,其中猪肝的变化规律非常明显,在低功率下呈现缓慢的上升,高功率下达到一定的温度(50℃左右)快速上升,并逐步达到稳定。肿瘤在热毁损时会根据瘤体的组织特性不同出现特异性变化,这些变化可以作为将来临床治疗的参考。实验结果表明在进行实体组织激光诱导间质热疗过程中,μ_a作为实时监测因子具有一定的参考价值,而作为肿瘤的治疗评估因子还需要进一步探索。

光学相干层析术提取色散信息的初步研究

为了提取生物组织的色散信息,提出了一种基于Fourier变换以及多项式拟合的方法.该方法通过对光学相干层析术的干涉包络进行Fourier变换,再将得到的相位谱进行多项式拟合以实现色散信息的提取.通过数值模拟及相关实验验证了该方法的可行性.本文的分析结果不但有助于实现动态的色散补偿,而且可以用于区分不同的生物组织,以及同一生物组织的不同生理状态.

激光三角法在生物医学领域中的若干应用

对激光三角法在生物医学工程中的应用进行了讨论、分类和总结,对激光三角法在生物医学领域中的更进一步应用具有实际指导意义。

眼球系统中关键屈光元件的光学模型研究

角膜和晶状体是人眼光学系统中两个关键的屈光元件,为了理解眼内各介质和整个眼球的屈光状态以及视网膜上的成像,有利于眼科临床方面的应用,需要分别对二者进行光学特性模型的分析与研究。根据角膜和晶状体的光学特性,应用光学设计软件Zemax和有关的数学工具,从光学成像角度,分别对角膜和晶状体模型进行研究:基于结合人眼光学模型的角膜双二次曲面模型的建立方法,统计分析了我国人眼实测角膜参数的数据;通过对晶状体折射率分布特点的分析,分别在轴向和径向上进行了综合分析。最后给出了符合我国人眼特点的角膜面型的统计数值,完善了我国人眼角膜光学模型的建立;获得了形式简单且能够表示晶状体折射率分布一般特征的梯度渐变模型表达式。基于收集的我国人眼实测数据的角膜面型模型和晶状体梯度渐变形式的折射率模型,为解决人眼光学系统研究中的关键问题提供了新的方案和思路。

脉冲激光辐照生物组织的体内温度分布及其对消融的影响

基于光致热消融理论模型,对脉冲激光作用于生物组织的温度分布进行数值求解,得到不同脉冲持续时间和辐射波长辐照下生物组织体内温度的时间与空间分布规律.探讨激光脉冲持续时间和波长因素对组织消融效果和残余热损伤的影响.模拟结果表明:脉冲激光诱导生物组织体内的温度分布对组织消融的效果和残余热损伤程度等消融特性参数有着重要的影响.

基于Zemax接口技术的人眼晶状体模型研究

对人眼模型中晶状体的面型和折射率分布进行了研究,基于晶状体的光学特性,利用光学设计软件Zemax接口技术的调入,采用不同连续公式法分别给出了晶状体不同的梯度渐变折射率分布形式;结合晶状体不同的非球面面型,比较分析了晶状体不同面型和不同梯度折射率分布的组合模型对人眼模型重现实测像差的影响;给出了重现我国人眼实测像差误差最小的晶状体模型.结果显示:晶状体的面型越复杂得到人眼模型的像差与真实人眼的测量像差就越接近;当晶状体采用Zernike面,梯度渐变折射率采用分段函数公式形式时,重现实测像差误差最小.

激光技术在良性前列腺增生手术的应用及发展

介绍了良性前列腺增生手术的发展;阐述了激光前列腺增生手术的原理;介绍了目前KTP绿激光、2μm激光和最新的半导体激光手术新方法、特点以及相互之间的比较;并展望了激光手术有可能替代目前传统手术,成为良性前列腺手术的发展新方向。

经宫腔镜观察通道的脉冲激光耦合方案的设计

为了提高脉冲激光通过宫腔镜的能量,采用相关软件设计了3种透镜耦合方案来提高耦合效率,进行了理论分析和实验验证。结果表明,耦合效率约提高了14%,脉冲激光通过该耦合模块后能取得较好的光声成像效果。该方法可作为辅助工具应用于临床中子宫内膜等疾病的检测,有望提高光声成像技术在子宫内膜的应用。

金纳米微粒的光学性质及其在生物成像和光热疗法中的应用

作为生物探针,纳米微粒以其独特的光学性质,易控的表面化学能力,在基于生物成像和诊断的分子生物学和医学领域中引起越来越广泛的关注.贵金属,尤其是金纳米微粒,由于其表面等离子体共振(SPR)等强吸收和发光特性,在生物组织成像,癌症的诊断和治疗中存在着巨大的应用前景.结合配体的金纳米微粒能够特异性地标记癌症细胞上的受体,并提供特定分子的特有信息,进行生物成像和癌症检测.另外,金纳米微粒能够有效地吸收光能量进行局部加热,导致蛋白质变性,并致细胞死亡.主要回顾各种不同尺寸和形状的金纳米微粒的光学特性,以及选择性标记的金纳米微粒在生物成像,癌症诊断和光热疗法中的研究进展.

光纤型光学相干层析技术系统的眼科成像

建立了一套单模光纤型光学相干层析(OCT)成像系统,开展了动物眼睛的成像实验,实现了高信噪比、高分辨率、大成像深度的层析图像的获取。系统纵向分辨率达到9μm,横向分辨率为10μm,最大层析成像深度可达3.4 mm。实验图像和商业蔡氏三代光学相干层析技术成像的对比结果表明,研制的OCT系统已经能展示视网膜的基本分层结构,而且能分辨脉络膜的分层结构和脉络膜血管,后者是蔡氏三代OCT系统所无法实现的。

金纳米棒的光学性质及其在生物医学成像和光热疗法中的应用

与球形金颗粒相比,棒状金颗粒具有更为特殊的表面等离子体共振(SPR)特性,通过控制不同长短轴比可以实现纵向SPR峰位置的人为调控(从可见光区到近红外光区)。由于金纳米棒表面SPR的强吸收导致的发光特性,使其在生物组织成像,癌症的诊断和治疗中存在着巨大的应用前景。结合配体的金纳米棒能够特异性地标记癌症细胞上的受体,并提供特定分子的特有信息,进行生物成像和癌症检测。另外,金纳米棒能够有效地吸收红外光能量进行局部加热,导致蛋白质变性,并致细胞死亡。主要回顾各种不同尺寸和形状的金纳米棒的光学特性,综述选择性标记的金纳米棒在生物成像、癌症诊断和光热疗法中的研究进展。

基于旋转多元阵列探测器的快速光声成像系统

为了快速得到高质量的光声重建图像,采用旋转多元线性阵列探测器,可改善投影不均匀的影响,重建复杂吸收体的光声像。由旋转不同角度数的光声像的仿真和实验表明,利用多元线性阵列探测器旋转扫描的光声像,能够更好地反映生物组织的光学吸收分布。该系统有望为组织的在体功能成像提供一种更方便快捷的装置和方法。