磁共振显微成像在脑神经影像科学中的应用——评《声学显微镜与超分辨率成像理论及应用》

磁共振显微成像是指通过对梯度磁场的应用,利用所发射出的电磁波探测微观物质内部所释放的能量,并判断构成这一微观物质的具体属性,以此来绘制该微观物质的内部结构图像.其在医学研究中占据举足轻重的地位,主要用于研究神经、组织、细胞等微观事物.脑神经影像科学是一门关注脑工作机制、反映脑功能影像的学科,起到保护与开发大脑机能的作用.将磁共振显微成像融入到脑神经影像科学应用研究中,能够为脑神经影像科学发展提供新的技术支持,促进脑神经研究领域开拓创新.因此,运用磁共振显微成像术对脑神经进行解剖与研究具有不容忽视的价值,深入了解与发掘大脑机能,促使脑神经研究成果揭开新篇章,从而提高医学技术往更高层次发展,造福人类.

光场表征及其分辨率提升技术:文献综述及最新进展(特邀)

自高斯时代以来,成像系统的设计和开发便始终致力于透镜的持续迭代和优化,以收集来自物平面上某点向不同方向发射的光线,并尽可能完美地将其汇聚到像平面上的一个点。然而,成像传感器仅能捕捉并记录下光线的空间位置信息,导致角度信息的丢失,并完全丧失了对三维场景的视角变换与深度感知能力。为了弥补这一缺陷,计算光场成像技术应运而生,它能够记录空间光辐射场的完整分布,联合记录空间位置和角度信息,突破了经典成像的局限性,正逐渐被应用于生命科学、国防安全、虚拟现实/增强现实、环境监测等领域,具有重要的学术研究价值和广阔的应用潜力。然而,光场成像技术仍然受到数字成像器件和图像传感器的联合制约,成像系统的有限空间带宽积致使光场成像在实际应用中往往需要在空间分辨率和角度分辨率之间做出权衡,导致难以达到传统成像技术的高空间分辨率。自光场成像技术诞生以来,如何赋予其更高的自由度,即在保持高分辨率成像的前提下,提高时间分辨率和角度分辨率,从而实现更清晰、更立体的成像性能是光场成像技术亟需解决的关键问题,也一直是该领域的研究热点。该综述全面回顾了光场成像技术的发展历程,阐述了全光函数和四维光场的基本概念,并总结了在时间、空间和角度这三个维度上实现高分辨率成像的关键方法,最后还对光场成像技术的未来发展趋势进行了展望。

光声显微成像技术的研究进展

光声成像作为一种兼具高光学对比度和大超声探测深度的新兴成像方法,突破了传统光学成像技术分辨率与成像深度相互制约的壁垒,获得了空前快速的发展,其中,光声显微成像技术继承了光声成像技术的优点,采用声学或光学聚焦的成像模式,可以实现高对比度、高分辨率的生物组织结构、分子与功能成像,在神经学、眼科、血管生物学和皮肤学等研究领域具有潜在应用价值。为此,首先介绍了光声成像技术的原理和分类,然后围绕光声显微成像(Photoacoustic microscopy,PAM)技术这一主题,重点综述了新型PAM技术的发展情况、PAM焦深(Depth of focus,DoF)延拓技术以及PAM的生物医学应用。最后,总结了PAM技术发展存在的挑战,并对未来发展方向进行了展望。

提高红外成像空间分辨率的方法探讨

由于红外焦平面器件的像元尺寸和光学系统衍射效应的影响 ,红外成像系统的空间分辨率大大低于可见光成像系统。本文介绍了目前几种主要的提高红外成像空间分辨率的可能方法 :微扫描技术、光瞳滤波器及基于解析延拓理论的超分辨率图像重构技术 ,并对这些方法在工程实际中的应用作了评述。

大视场光纤光声功能显微成像技术研究(特邀)

为满足对动物模型血管结构与氧合功能进行高分辨率、大视场的成像监测需求,提出一种基于光纤超声传感器的光声显微成像技术。该技术采用振镜与电机组合扫描的方式,实现了对动物模型血管结构的高分辨率成像。通过利用不同血氧饱和度下血红蛋白吸收谱的差异,采用双波长激发方式获取血氧饱和度信息。应用该技术对麻醉状态下小鼠脑皮层进行了大范围光声功能成像,观察到麻醉剂对活体血流动力学的差异性影响。此外,对过敏性休克大鼠肠道表面的微循环状态变化进行了成像研究,观察到了过敏性休克状态下血液循环功能的异常变化。实验结果表明,该系统能够在厘米量级范围内,以单血管级空间分辨率对活体动物微循环功能异常进行可视化。该技术为研究疾病过程中血液循环状态的变化提供了新的技术手段。

基于直线电机的大视场快速光声显微成像系统

光声成像技术是近年来发展的一种新型的无损医学成像技术,它是以脉冲激光作为激发源,以检测的声信号为信息载体,通过相应的图像重建算法重建组织内部结构和功能信息的成像方法。该方法结合了光学成像和声学成像的特点,可提供深层组织高分辨率和高对比度的组织层析图像,在生物医学临床诊断以及在体成像领域具有广泛的应用前景。目前光声成像的扫描方式主要有基于步进电机扫描方式和基于振镜的扫描方式,本文针对目前步进电机扫描速度慢(10 mm×10 mm;0.001帧/s),振镜扫描范围小(<1 mm2)的不足,发展了基于直线电机扫描的大视场快速光声显微成像系统。同一条扫描线过程中直线电机速度最高可达200 mm/s。该技术采用逐线采集光声信号的方式,比逐点采集光声信号的步进电机快800倍。该系统对10 mm×10 mm全场扫描的扫描速度为0.8帧/s。最大可扫描视场范围可以达到50 mm×50 mm。大视场快速光声显微成像系统的发展将为生物医学提供新的成像工具。

声显微成像

简要介绍激光扫描声学显微镜、机械扫描声学显微镜、Ｃ模型扫描声学显微镜的工作原理、结构和特性，并对在电子工业中的应用进行了讨论。激光扫描声学显微镜，机械扫描声学显微镜。

磁-光显微成像亚表面检测系统的研究

磁-光显微成像检测由于受到光强的变化、磁-光薄膜磁畴的变化等外界因素影响,检测系统获取的磁-光图像的分辨率不高。文章从涡流激励装置的设计、磁-光薄膜的选择及制备和图像处理的设计出发,分析了影响磁-光图像分辨率的因素,提出了相应的改善办法,并进行了大量的试验验证,实验结果验证了该设计方法的可靠性。

肿瘤微环境激活的光声成像探针研究进展

分子影像技术是一种在分子、细胞和亚细胞水平上以非入侵的手段对生物进行可视化的方法,近年来已广泛应用于诊断、治疗和临床研究中。光声成像(photoacoustic imaging,PAI)因其具备高穿透深度、低散射、高空间分辨率等特征使其在胎儿观察、肿瘤治疗、生殖器官检查等方向具有广泛的临床价值。然而,常规的光声成像难以检测肿瘤中低丰度的物质,且存在较高的背景信号干扰。异常的肿瘤微环境(tumor microenvironment,TME)具有低pH、乏氧、血管塌陷、血流量低等区别于正常组织的特征,基于此开发的响应性光声探针能够极大程度地辅助光声技术应用于肿瘤成像。

新型声学分辨率光声显微镜系统照明设计

声学分辨率光声显微镜探测深度可达厘米量级,已有声学分辨率光声显微镜照明方式的主流设计方案在明场、暗场照明方式切换,光能利用率等方面仍存在不足,在一定程度上限制了声学分辨率光声显微镜系统的应用范围。提出了一种能够提高光能利用率,可实现明场、暗场照明切换并增大调节范围的声学分辨率光声显微镜系统设计,利用凸透镜对光束的会聚功能,对发散环形光束产生一定程度的聚焦,减小环形光束的环带尺寸。蒙特卡罗模拟结果显示,最终入射在组织表面的光斑直径得到有效减小,组织中超声换能器有效探测区域的光能流量分布最多可增强6倍,因此光声信号强度也相应地得到线性增强;与此同时,凸透镜的加入还增加了系统光聚焦深度的调节范围,在超声换能器聚焦深度不变的情况下,调节系统的光聚焦深度,有助于在不同样品中获得最佳的光声信号强度。

基于单纵模纳秒脉冲激光的光学分辨率光声显微成像

本文设计并搭建了一套激励光和超声探测器对向共轴共焦的具备亚细胞尺度成像分辨率和毫米级成像深度的光学分辨率光声显微成像(OR-PAM:Optical-resolution photoacoustic microscopy)系统。与基于多纵模脉冲激光激励的光声成像系统相比,使用自制的单纵模纳秒532 nm脉冲激励光源,将光声探测的信号强度提高了1.35倍,测得成像系统的轴向分辨率为18μm,横向分辨率为8μm,成像深度为1.54 mm,成像深度-横向空间分辨率比达192.5。利用研制的OR-PAM系统对嵌有碳纤维丝的仿体样品以及活体小鼠的耳朵进行成像,获得了高分辨率的图像。

荧光寿命成像及其在生物医学中的应用

荧光寿命取决于荧光分子所处的微环境, 通过对样品荧光寿命的测量和成像可以定量获取样品的功能信息. 介绍荧光寿命成像(fluorescencelifetimeimaging, FLIM) 技术原理、实现途径、发展现状及其在生物医学中的应用. 提出一种基于皮秒扫描相机、梯度折射率微透镜阵列、棱镜分光光谱仪、飞秒钛宝石激光器和荧光显微物镜的新型五维荧光显微成像技术, 该系统具有多光谱分辨功能以及很高的时间和空间分辨率, 能够实现三维多光子荧光强度、光谱分辨强度和寿命测量, 将在高通量生化分析、组织鉴别、胞内生理学和荧光共振能量转移(fluorescenceresonanceenergytransfer, FRET) 等领域获得广泛应用.

声学分辨的双侧激发光声显微成像技术

声学分辨率光声显微技术具有较高的光学对比度和声学分辨率以及大穿透深度等优势,是一种具有广阔应用前景的生物医学成像技术。聚光镜聚焦与单侧侧面激发等传统的激发方式具有光斑不均匀、存在光学热噪点、光能利用率低等不足,在一定程度上限制了声学分辨率光声显微技术的临床前和临床应用。本团队通过改进声学分辨率光声显微镜的激发方式,由单侧激发改为双侧激发,提升了成像过程中光束对复杂生物组织的覆盖面积,从而提升了成像质量。结果表明,双侧激发方式使得声学分辨率光声显微镜在复杂生物样品成像过程中可以获得更高的对比度和信噪比,成像性能更好。

基于环形光瞳提高荧光辐射差分超分辨显微镜的成像分辨率

荧光辐射差分(FED)显微术利用实心光斑扫描的一幅共聚焦图像减去空心光斑扫描的负共聚焦图像,实现了超分辨成像。使用简单的环形光瞳滤波器提高了无变形FED的成像分辨率。在空心焦斑光路上使用合适的环形光瞳滤波器,压缩空心焦斑的尺寸;同时,在实心焦斑的光路上允许使用更高数值孔径的孔径光阑,获得更小的、与空心焦斑相匹配的实心光斑分布:两方面作用下,提高了FED的空间分辨率。

一种基于光场成像的数字对焦算法

光场成像在频率域中利用傅里叶切片定理实现数字对焦,得到一组数字对焦数据。针对在景深相同的条件下光场成像与传统成像相比分辨率明显降低这一缺陷,本文采用基于稳健的正则化超分辨率算法将低分辨率图像每一点的像素值分别对应到高分辨率网格中,然后进行插值对所得图像进行重建,实现低分辨率向高分辨率的转换。与其他几种传统超分辨率算法相比,该算法的优势在于取得了更高的识别精度。通过MATLAB平台进行了仿真,实验结果表明该算法与传统的迭代反投影超分辨率算法相比其峰值信噪比有很大的改善,从而验证了本文模型与数值算法的有效性。

微型样品局部弹性的声显微成象研究

对微型样品或微掺杂复合材料样品的声学和机械特性进行了声显微成象研究，利用扫描声学显微镜对陶瓷基体内掺杂氮化硼纤维的复合材料进行了研究，在单根纤维内和基体中纤维－基体界面附近出现一系列明暗相间的圆环，分析了其形成机理，它是由于声显微镜输出信号中漏泄瑞利表面波信号同从纤维－基体界面反射的漏泄瑞利表面波信号之间相互干涉的结果。通过对干涉环的分析和研究，可求出瑞利波的声速，由此对微型样品的声学特性、弹性特性和力学性质进行研究和评价。

面向先进生物医学应用的光声显微成像术(特邀)

光声显微成像(PAM)是一种具有无损、多功能、高分辨率等特点的生物医学成像技术,通过检测光声信号进行图像重建可实现高分辨率和高深度的结构和功能成像,在生命科学、基础医学和医疗诊断中发挥着越来越重要的作用。首先概述光声显微技术的发展背景和原理特点,然后对利用光学增强、声学增强、人工智能增强及光学与声学互补的光声显微成像术促进成像性能提升的方法进行论述,最后讨论当前光声显微技术在生物医学研究中的广泛应用,并对未来技术的发展趋势进行展望。

基于焦区积分的高分辨率光声变焦显微成像

光声显微成像兼具高光学组织对比度,以及超声的高穿透深度和高空间分辨率的优点。但一方面在光声显微成像中,组织深层目标易被浅表目标屏蔽,另一方面其横向分辨率与焦深的矛盾一直限制了光声显微的成像质量。针对这两个问题,本实验搭建了一套基于超声分辨的光声显微成像系统。其采用一种非共轴的照明-探测方式来减少浅层组织对深层信息的影响,并且采用一种新的焦区积分算法来进行数据的处理,结合多次纵向变焦扫描来实现深层组织的高分辨探测。仿体实验表明,该方法可以在不同纵向深度上保持约0.6 mm的横向分辨率,与理论值相接近。裸鼠肿瘤成像结果表明,本文所提出的方法可以比普通的背向探测声聚焦光声显微成像方法在深度方向上获取更多的信息。随着超快脉冲激光和高速扫描方式的发展,本文所提出的方法有望在脑部血管成像、宫颈癌内窥成像、浅表肿瘤成像等方面得到较好的应用。

基于脉冲激光二极管的小型化光学分辨式光声显微成像系统

采用具有价格低、体积小、寿命长、重复率高等优点的脉冲激光二极管,搭建了一套光学分辨模式的小型化光声显微成像系统,并获得了碳纤维原丝和微血管网络样品的光声显微成像。实验中,脉冲激光二极管光源由三维平移台驱动做C型扫描逐点激发,产生的光声信号由1-3复合材料超宽带超声传感器接收。实验表明,接收的光声数据信噪比可达约11dB,该系统的横向分辨率在上一代系统样机500μm的基础上提高到1.5μm,有望发展成为一种低成本、实时、便携式的高分辨率光声显微成像技术。

结构光照明相位/荧光双模式显微技术

本文提出了一种基于结构光照明的高分辨相位/荧光双模式显微成像方法.该方法利用一数字微镜阵列(DMD)产生条纹结构光,并记录样品在结构光照明下的全息图像和荧光图像,最终可以重建出样品的定量相位图像和超分辨荧光图像.此外,还提出了一种补偿环境扰动对相位成像影响的数值方法,提高了成像系统的抗干扰能力.在该双模式成像系统中,定量相位成像和荧光成像的空间分辨率分别为840 nm和440 nm,为同一样品提供互补信息.该方法有望被广泛应用于生物医学、工业和化学等诸多领域.