显微成像光谱仪技术的研究及应用

显微成像光谱仪技术是一种生物组织检测方法,目前广泛应用于生物医学检测和疑难病症分析,已成为组织检测领域的研究热点。论述了显微成像光谱仪各结构功能模块的工作原理及特点,并对其各主要技术指标进行了分析。介绍了目前的发展现状,并对所出现的多种显微成像光谱仪的技术方案及特点做了详细的总结。研究结果表明,显微成像光谱技术作为一种新的技术手段,必将在临床医学、生物学、材料学以及分析化学等领域得到广泛的应用。

新型显微成像光谱仪系统中线阵针孔离焦研究

显微成像光谱仪技术是最近新兴的一种生物组织检测方法,它可以广泛应用在生物医学检测,疑难病症分析、预防、诊断中,已经成为当今生物组织检测领域研究的热点。提出了一种新型的基于线阵针孔阵列的激光扫描共焦显微成像光谱仪系统LP-LSCMIS方案,介绍了其工作原理及优点,讨论了该装置中线阵针孔阵列离焦对系统性能的影响,分析了离焦对生物组织荧光图像的光谱分辨和自体荧光光谱的调制深度的影响。推导出了光谱分辨和调制深度与离焦量的关系式。结果表明,离焦对仪器的性能有较大的影响,因此在装置装调时要求有更高精度的调整机构。

医用显微成像光谱仪的光谱定标技术

为了能对自主研制的脑肿瘤手术医用显微成像光谱仪进行光谱定标,设计了由单色仪、钨灯光源、棱镜-光栅-棱镜成像光谱仪及手术显微平台组成的光谱定标系统。采用单色仪波长扫描法,自主开发了相应的光谱定标系统软件,获得了显微成像光谱仪全谱段的光谱数据,完成了数据处理和分析等工作。通过调整光路、单色仪定标、成像光谱仪定标3个步骤实现了系统的光谱定标。定标结果表明：显微成像光谱仪的光谱区大于400～900nm;定标精度高于0.1nm,光谱分辨率高于3nm,各项特征指标均高于设计指标。测试验证实验表明,所建立的光谱定标系统定标精准,结构简单、紧凑,操作简单,符合显微成像光谱仪的实际临床应用要求。

基于显微高光谱成像技术判别食源性致病菌种类的方法研究

如何实现对食源性致病微生物的早期快速检测是全球食品安全领域面临的挑战之一。传统的致病菌生化检测方法虽然准确性高,但是过程复杂、耗时漫长,易错过控制疫情爆发的窗口期。该研究提出一种基于暗场显微高光谱成像技术的检测方法,能够借助显微镜技术突破传统光谱成像的灵敏度和分辨率极限,并利用可见/近红外光谱为单个致病菌细胞添加高分辨率的图像和光谱信息。以空肠弯曲杆菌、大肠埃希氏菌O157:H7和鼠伤寒沙门氏菌为检测对象,采用显微高光谱成像技术进行数字化表征和数据采集,结合双向长短期记忆网络(Bi-LSTM)算法对各致病菌细胞的图像和光谱数据进行建模分类。结果显示,显微尺度的致病菌光谱数据呈现可判别的分布规律,新采用的Bi-LSTM网络在光谱数据集中表现优异,在三种致病菌的分类任务中取得了91.0%的平均准确率,而传统的线性判别分类器(LDA)和支持向量机分类器(PCA-SVM)的平均准确率分别为80.1%和88.5%。但是,仅依赖光谱数据进行致病菌种类判别仍然存在较为严重的假阳性问题,尤其是在大肠埃希氏菌O157:H7和鼠伤寒沙门氏菌的分类中存在错误分类。图像信息的加入则能够显著改善各分类的识别准确率,其中Bi-LSTM分类器取得了高达98.1%的准确率,LDA和PCA-SVM均取得了95.3%的准确率。研究结果表明,显微高光谱成像技术在食源性致病菌的特异性光谱和图像表征中具有优势,提出的Bi-LSTM网络能够直接处理高维的图谱特征,两种技术的融合在食源性致病菌细胞级别的早期检测应用中展现潜力。

高光谱显微成像技术在微/纳米塑料分析检测中的新应用

随着塑料污染问题的日益严重,微/纳米塑料因其对生态环境及人体健康的潜在风险而备受关注,精准识别并鉴定复杂介质及生物体中的微/纳米塑料(以纳米塑料为主)已成为该领域深入发展的瓶颈。高光谱成像是一种前沿分析技术,能够对微/纳米颗粒、生物大分子等进行非破坏性、多组分检测,提供目标样品的空间信息和光谱特征,实现精确识别和定量分析。由于该技术在生物体无标记原位成像应用中的可行性,近年来在微/纳米塑料分析检测中展现出巨大的应用潜力。对高光谱显微成像技术的工作原理进行阐述,总结了该技术在生态环境、生物医学等不同科学领域及交叉学科的发展,重点分析了该技术在微/纳米塑料分析检测中的优势,系统综述了该技术在不同环境介质(如,水、大气)和生物体中微/纳米塑料检测的应用。最后,对高光谱显微成像技术未来的功能开发及研究方向进行了建议及展望,为建立并完善微/纳米塑料的精准识别与鉴定方法提供技术保障。

显微高光谱成像系统的设计

设计出一种基于棱镜 光栅 棱镜组合分光方式的显微高光谱成像实验系统。系统根据推帚式成像光谱仪的原理进行设计,采用棱镜 光栅 棱镜组合元件在后光学系统进行光谱分光,利用高精度载物台自动装置驱动样品进行推扫成像,选用PCI总线作为数据采集的微机接口。整个系统由显微镜、分光计、面阵CCD相机、载物台自动装置以及数据采集与控制模块等几部分组成。系统的光谱范围从400nm到800nm,120个波段,光谱分辨率优于5nm,空间分辨率大约1μm。该系统具有直视性、光谱分辨率高、结构紧凑、成本低等优点;不仅能够提供微小物体在可见光范围的单波段显微图像,而且能够获得图像中任一像素的光谱曲线,实现了光谱技术和显微成像技术的结合,成功的将成像光谱技术应用到显微领域,可广泛应用于临床医学、生物学、材料学、微电子学等学科领域。

含油岩心显微荧光成像光谱研究

发展了一种显微荧光光谱成像技术,并将其应用于天然岩心进行显微荧光成像光谱研究。利用这种技术同时采集含油岩心表面的荧光光谱信息和空间信息,并对获得的光谱图像给予光谱学和地质学解释。结果表明,不但能显示岩心形貌和组分的大致趋势,而且能揭示其精细细节,为石油地质研究提供了一种新方法,为今后的石油勘探开发工作提供了一种先进的指导手段。

基于显微高光谱成像的人血细胞研究

使用自行研制的推帚式显微高光谱成像系统采集了正常、白血病人血液涂片的显微高光谱图像数据。通过对正常、白血病人血液显微高光谱数据进行处理,获得了人血液的单波段图像,并提取了部分血液细胞的典型透射率光谱曲线。分析这些曲线发现,病变细胞透射率普遍高于正常细胞,特别是在541.3nm附近透射率高出了50%左右。通过对血液涂片的图像和光谱特征进行分析表明,经过一定的改进,可以将显微高光谱成像系统作为一种新的检测手段,辅助医学研究人员对人血液进行分析。

显微荧光光谱成像仪的研究与设计

将光谱分析技术快速、灵敏、准确等独特的优点,与光学成像技术的定位记录特点融合、构成光谱成像技术,可以提供分析试样中各种化学或生化成份的分布图像,因而可以获得定性、定量和定位综合、更丰富的分析信息。报导在商售落射荧光显微镜基础上,实现显微镜荧光光谱成像技术的理论基础、系统组成、设计技术关键等一系列研究工作,设计研制成了可在250~680nm波长范围内自动扫描的光纤激发显微荧光光谱成像仪样机,并获得了满意的实验结果。

岩心显微拉曼光谱成像方法的研究

虽然用激光拉曼光谱显微探针研究岩心中碳质物的工作已有很大进展,但是通常对诸如岩心等样品物性的光谱学(红外、拉曼和荧光等)微探针实验研究多是局限于对经过复杂处理分离出的微小样品或样品中个别点得到的结果,缺乏对复杂样品各组分(或基团)的空间分布及其相互关系的研究。近年来新发展起来的光谱成像分析系统将光谱技术与成像技术有机地结合起来融为一体,可在光谱和空间两个方面对目标样品进行分析和识别,但是用拉曼显微成像光谱研究岩心的工作则少有报道。文章报道了应用"串行-成像"(series-or indirect-imaging,Mapping)和"并行-成像"(parallel-or direct-imaging,Imaging)两种方式对含油岩心进行了显微拉曼光谱成像的研究。从光谱分辨率和空间分辨率以及工作效率等方面对两种方式所得试验结果进行了比较和评估。

显微高光谱成像的皮肤黑色素瘤浅表扩散深度识别方法

研究了基于显微高光谱图像的皮肤黑色素瘤浅表扩散深度检测方法.首先使用核最小噪声分割、形态滤波和边缘检测实现颗粒层的分割,然后使用基于特征谱监督的最小二乘支持向量机实现恶性黑色素细胞的检测,最后定量化计算了皮肤黑色素瘤的扩散深度.实验结果表明,可以为皮肤黑色素瘤的浅表扩散提供定量化的参考指标,有利于皮肤黑色素瘤的病理诊断.

黄精的显微红外成像光谱鉴别研究

目的:采用显微红外成像光谱对不同产地多花黄精和不同种黄精进行鉴别。方法:在波数为1018 cm^(–1)的条件下,使用显微红外成像光谱对7个不同产地多花黄精和5种黄精属植物的切片进行扫描,以糖类含量高低及分布情况作为鉴别的判断依据。结果:不同产地及不同种黄精显微图像有明显区别,表明其化学成分存在差异。不同产地多花黄精中,贵州省铜仁市样品中糖类成分含量较高,其次是黄山市祁门县和湖北省赤壁县样品,浙江省天目山、湖南省怀化市、江西省瑞昌市样品中糖类成分含量相对较低,贵州省六盘水市样品中糖类成分含量最低;5种黄精属药材中多糖类成分由高到低的顺序为黄精、长梗黄精、轮叶黄精、滇黄精、多花黄精。结论:采用显微红外成像光谱技术能够有效区分不同产地多花黄精和不同种黄精。与传统红外光谱相比,显微红外成像光谱可研究各扫描微区的组分分布情况,使其含量分析表达更加直观,具有可视性、高灵敏度等特点。

头发光谱显微成像数据处理分析方法及其应用

随着多通道探测技术、集成显微技术和计算机及分析技术的发展,红外和拉曼光谱技术及光谱显微成像技术在生物及医学领域得到广泛应用并成为一种向实用化发展的趋势。但是,要从光谱测量中获得准确、有用的信息需要对光谱及成像数据进行细致、合理的分析。应用MATLAB软件编程,结合单谱线分析和多谱线多变量分析的方法,对健康人和病人头发横截面微观扫描的拉曼光谱数据进行分析,结果表明,通过对头发拉曼光谱细致处理和数据分析,可以揭示健康人和癌症患者之间的差异。这项工作是把拉曼光谱成像技术及相关光谱分析方法应用于生物医学领域的一个实例。

医学高光谱显微成像与智能分析关键技术研究及应用

医学影像作为常用的癌症检查手段,在医疗诊疗中起着重要作用。其中,病理图像分析能够从微观层面上观察癌细胞,是临床疾病诊断的“金标准”。传统病理分析主要依靠人工在显微镜下观察切片并做出判断,但长时间、高强度的检阅容易造成诊断准确率下降。随着高分辨率成像技术的发展,基于数字病理图像的处理与分析的方法得到了广泛关注。然而,彩色数字病理图像因缺少多维度、多模态信息,已逐渐触及智能病理诊断的短板。近年来,精准医疗诊断机器人技术已成为国际前沿研究热点,本文综合分析了高光谱机器视觉在医学病理诊断领域的核心关键技术,总结了高精度成像质量低、空-谱特征联合提取难、检测分析效果不佳等研究难题,并阐述了高光谱显微成像与分析技术在疾病诊断中的研究与应用进展。

高光谱显微成像技术及其在病理学检测中的应用

在临床实践中,病理学检测通常需要化学染色等多个繁杂步骤且成本昂贵,在术中病理检测等应用中存在极大的局限性。利用高光谱显微成像技术,不仅可对病理组织切片进行无损和快速成像,还可采集到病理组织切片丰富的光谱信息,在对高光谱显微图像进一步数据处理后,可获取关于病理组织切片的生理、生化信息,进而实现快速、准确的病理诊断。高光谱显微成像技术具有图谱合一的特点,避免了化学染色法对组织样本的伤害,不影响标本进行其它检测。本文主要介绍了高光谱显微成像技术及其发展趋势,其中着重阐述了一种新型的可编程高光谱显微成像技术及其所实现的光学染色功能,随后重点介绍了高光谱显微成像技术在病理学检测中的应用现状。

糖尿病与正常大鼠视网膜组织显微高光谱图像数据研究

使用自行研制的显微高光谱成像仪采集了正常、糖尿病和药物治疗后大鼠的视网膜组织切片的显微高光谱图像数据。通过对正常对照组、糖尿病组、药物治疗3周组和药物治疗6周组4组共60例样本的显微高光谱数据进行处理,提取其外核丛透射光谱曲线进行对比分析发现,大鼠视网膜外核丛组织在400-800 nm光谱范围内存在3个谱峰,且正常大鼠视网膜外核丛组织光谱曲线在第113波段的谱峰明显高于糖尿病大鼠相同位置的谱峰。另外,经过注射LCVS1001药物治疗后大鼠视网膜外核丛组织的光谱曲线有逐渐向正常光谱曲线转变的趋势。通过该研究表明,可以利用显微高光谱成像仪来研究糖尿病大鼠视网膜的光谱特征以及物理化学组成等变化。

赛默飞新型显微拉曼成像技术引领材料的高分辨快速分析

2014年1月27日，上海——使用新型的赛默飞显微拉曼成像光谱仪DXRxl，将加速帮助科学家、工程师以及科研工作者在材料领域的相关应用研究，其覆盖范围涉及药物科学、生命科学、半导体制造以及地质学等。该新型显微拉曼成像光谱仪易于操作，任何人利用它都能获取出色的化学成像结果，而无需重新学习一门新的技术。

软骨退变的显微荧光光谱研究

采用显微成像荧光光谱系统对退变(病变)的软骨及健康软骨样本不同深度位置进行显微探测和荧光光谱采样。结果显示:在非钙化区,退变样本的340/414nm荧光光谱强度低于健康样本,而在钙化区和骨质区,退变样本荧光强度则高于健康样本;2类样本在钙化区和骨质区的荧光光谱强度均高于非钙化区。这些现象可能是由于退变发生时,糖基化终产物(advanced glycation end products,AGE)大量积累,破坏了胶原网络的完整性,导致非钙化区荧光强度减弱;而在钙化区及骨质区发生了形态和构成上的改变,导致荧光强度增强。同时,从软骨到骨质的变化过程中,胶原的主要构成从Ⅱ型变成了Ⅰ型,导致骨质区荧光强度增加并发生红移。本文为利用显微成像荧光光谱技术研究关节软骨提供了一定的实验依据和病变特征,有助于相关疾病的早期监测及诊断研究。

光谱成像技术及其在生物医学研究中的应用

随着分子生物学、基因医学等高新科技的发展,提出了“综合形态分析”的新要求,希望能直接“看到”生物细胞或人体组织的“化学成分图像”,光谱成像技术应运而生。报导了我们研发的显微荧光光谱成像仪的原理、结构及应用效果。光谱成像仪不仅能获得定性和定量分析信息,而且可以给出定位分析信息,在生物、医学研究和临床领域将有极广泛的应用前景。

苹果腐败菌侵染过程的拉曼光谱成像表征规律

采集不同侵染阶段的苹果表层组织的拉曼光谱图像,对比标准品的拉曼光谱对拉曼峰进行解析,分别构建多糖、纤维素和果胶等主要成分分布的伪彩色图像,采用主成分分析(principal component analysis,PCA)结合线性判别算法建立5种优势腐败菌侵染苹果组织不同阶段的判别模型。研究发现,苹果细胞在1645 cm^(-1)和2946 cm^(-1)等拉曼位移处具有特征响应峰;多糖、纤维素和果胶在苹果细胞壁及细胞间隙中分布不均匀,且随着腐败菌侵染程度的加剧,其特征拉曼光谱峰强度呈下降趋势;PCA结果表明腐败菌侵染不同阶段的拉曼光谱具有聚类趋势,判别模型的校正集和预测集识别精度均达95%以上。结果表明,拉曼化学成像可以有效表征苹果腐败菌的侵染过程。