生物光學成像技術范文

導語：如何才能寫好一篇生物光學成像技術，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

【關鍵詞】Monte Carlo方法 光子傳輸模型 在體生物光學成像

生物分子技術的不斷發展，促使光學成像技術逐漸從分子、細胞水平到器官整體實現對層次的無損靜態成像，目前運用在體生物光學成像來研究病癥出現的表現一起病癥的病變都提供了非常好的手段基礎，更為一些較為嚴重的疾病的診斷提供了可靠的治療參考，而專家學者研究的光子在生物組織中的傳輸模型和傳輸規律也是進行在體生物光學成像研究中非常重要的一部分，這一研究不僅可以呈現最真實的光學成像實驗，最重要的是可以真實的對實驗進行重構，可以說其理論研究價值和實際的應用價值是很高的。

1 Monte Carlo方法

Monte Carlo方法（MC）是在傳統的方法基礎上，運用較多的隨機數據來模擬某一個物理過程，并且將這一物理過程出現的規律統計下來，經過長時間的實踐，MC方法已經逐漸成為了模擬生物組織內管子傳輸中較為常用的方法之一，因其模擬的結果準確性是有目共睹的，而且也得到了多方面的驗證，證明其是經得起考驗的。

2 算法描述

2.1 MC方法

在體生物光學成像中我們主要研究的是光子在生物組織中的產生問題和傳輸問題，光子在生物組織中的傳輸主要描述的是光子與生物組織之間的相互作用，再有就是光子在生物組織中所發生的一系列光學反映，像光的反射、光的散射等等，而本文主要是利用MC方法來實現在體生物光學成像中的光子傳輸模型，并給出實驗的結果，最后對這一實驗結果進行相應的驗證。本文提到的MC方法就是一種隨機的統計方法，還有一種就是確定性方法，這一方法在本文沒有涉及到，像有限元法就屬于確定性方法的一種，除了有限元法，還有一種就是有限差分法，這一方法是較早應用在傳輸模型的一種方法，這一方法之所以最早被運用，主要是因為這一方法算法相對比價簡單，但是這一方法也是存在一定缺陷的，比如說這一方法在處理那些不是特別規則的幾何形狀時就會非常困難，在這一方法遇到瓶頸的時候，有限元方法出現了，有限元方法能夠有效的處理復雜的幾何形狀問題，而且其計算的速度也是非常快的，所以有限元方法近幾年受到了較為廣泛的應用，而本文所提到的MC方法則是在計算機的隨機數模擬方法的基礎上出現的，MC方法可以通過對大量光子進行統計計算，而且能夠求解出任意一個區域的物理信息，MC方法也不是全才，它也有其優缺點，優點就是它可以準確的處理非常復雜的集合形狀，但是相應的缺點就是計算量太大，每一次進行計算的時間都要非常長，由于我們需要的是物理量信息和模擬光子光源發射光子的過程，所以運用MC方法是比較好的選擇。

2.2 MC方法與TracePro的比較

TracePro是一個以ACIS為基礎的光學仿真程序，其模擬光線傳輸的算法主要是MC方法，與我們的算法有可比性。當生物體內的發光光源為球形體光源，探測器為球形生物組織的外表面時，分別通過MC方法和TracePro軟件獲得探測器上光子能量之和的數值模擬結果，如圖1、2所示，由對比結果可見，二者吻合度極高，這也從另一個角度說明了我們的驗證是非常準確的。

3 運行時間

雖然說MC是一種比較隨機的統計方法，而且在保證統計可靠性的時候還要進行大量隨機樣本的采集，這也間接的體現了MC方法的一個難以擺脫的缺點，那就是如果想要用MC方法來進行一次模擬實驗的話，所消耗的時間是非常多的，如果在遇到生物組織特別復雜的情況的話，那么用MC方法進行統計可以說不是一個理智的選擇，所以說想要讓MC方法更好的應用在統計當中，減少其運行統計時間是關鍵，在光子傳輸的過程當中，如果說光子到達了一個它還沒有到過的位置的時候，我們想要判斷這一位置在哪個生物組織中其實是最消耗時間的，因此我們采用了粗細相結合的搜說方法，這樣不僅可以有效的保證搜索結果的準確，而且還極大的縮短的運行的時間，一舉兩得。

參考文獻

[1]李慧，田捷，王革.基于Monte Carlo在體生物光學成像的光子傳輸模型[J].軟件報，2004.

[2]金永明，王加俊.光學CT中擴散方程光子傳輸模型的Monte Carlo驗證[J].光電程，2006.

[3]何晨平.內窺式光學分子影像的光傳輸研究及仿真設計[D].西安電子科技大學，2013.

[4]戴汝為.在體生物光學成像技術的研究進展[J].自動化學報，2008.

篇2

【關鍵詞】量子成像；單像素成像；鬼磁共振血管造影；量子光學相干斷層掃描；綜述

前言

生命科學的發展離不開各種成像設備和手段，圖像分析從手工繪制到靜態照片，再到如今的計算機（半）自動測量。今天的成像技術產生了大量的數據，需要可視化、多維度、定量和動態的圖像分析。隨著理論的發展和技術的進步，量子成像自20世紀90年代登上了歷史舞臺，伴隨著其成像的高分辨率、非局域性和抗干擾性強等天然優勢，在生物醫學、保密通信、軍事和氣象等領域有著很高的應用前景。

1量子成像

1.1概念和歷史

量子成像，又稱鬼成像（GhostImaging）或關聯成像（CorrelatedImaging），是利用輻射場的量子漲落來獲取物體信息的一種非局域成像方法。典型的量子成像方式為糾纏光源符合成像，基本過程如圖1所示。首先用自發參量下轉換的方法制備糾纏光源，即當泵浦激光通過非線性晶體時，由于隨機的真空漲落，一個泵浦光會以很小的概率劈裂為一對糾纏雙光子，此過程滿足能量、動量守恒，因此兩光子具有時間、偏振、頻率、自旋糾纏等特性。下轉換光子經分束器PBS后分成兩路，分別稱為信號光和閑置光。待成像物體置于信號光一路，用一個無空間分辨能力的桶探測器接收；閑置光一路無待測物體，信息由可探測空間光場分布的空間探測器接收。因此，無論是信號光還是閑置光，任何一路的單獨測量都無法成像，但兩路的符合關聯計數卻能恢復物體的像。量子成像的實現歸功于1956年Brown等［1］利用二階光強干涉的方法測量雙星角半徑的實驗，而在此之前，光的干涉都是基于相干光源的一階干涉實驗。在Brown等的實驗中，干涉不再要求必須是相干光源，因此產生干涉的兩束光的光程差幾乎不影響測量結果，大大提高了實驗的抗干擾性。1994年，Ribeiro等［2］利用糾纏光子對首次觀測到非相干光源下的楊氏雙縫干涉現象；Shih等［3］和Pittman等［4］觀測到滿足高斯成像公式的量子幾何成像；隨后，Strekalov等［5］實現了量子干涉和量子衍射實驗；1999年，Fonseca等［6］觀測到雙縫的亞波長干涉現象，即干涉條紋間距為同波長相干光干涉條紋間距的一半，可見量子成像可以實現超越衍射極限的超分辨成像。以上實驗都是基于糾纏光源實現的，那么“糾纏”是量子成像的必要條件嗎？答案是否定的。自2002年起，隨著贗熱光源關聯成像［7］、真實光源關聯成像［8］、非相干熱光場無透鏡關聯成像［9］和亞波長干涉［10］相繼實現，經典熱光場的關聯成像也得以證實。人們發現關聯成像不僅可以用基于糾纏光子的量子理論來解釋，同時也可以用基于統計光學的經典理論來解釋。

1.2單像素成像

除了基于糾纏光子對的符合計數成像和基于熱光場的強度關聯成像之外，另一個與量子成像密不可分的概念是單像素成像，又稱計算關聯成像。2008年，Shapiro［11］從理論上證實了量子成像中閑置光一路的信息可以通過對光場的計算得出，因此并不是量子成像所必須的，該理論的可行性隨后得以證實［12］。計算關聯成像中光源可由激光照射空間光調制器產生強度漲落光場，這一過程由計算機控制，因此閑置光一路的光強、相位等理論測量值已知，實驗中無需包含空間探測器的閑置光一路，只需一個無空間分辨能力的桶探測器即可成像。將桶探測器收集到的光強信號和空間光調制器的理論數據進行符合關聯運算，即可得到最終的像。單像素成像方法由于少了一路閑置光，較普通量子關聯成像方法而言，實驗光路更簡單，因此實用性和可操作性更強。

1.3量子成像的優勢

與傳統成像方式相比，量子關聯成像凸顯出了明顯的優勢：（1）成像分辨率高。經典成像受限于瑞利衍射極限，而亞波長干涉現象的發現預示著量子成像可以實現超越衍射極限的超分辨成像。對于N個糾纏光源的系統，Boto等［13］于1999年證實了其在理論上可將成像分辨率提高N倍。（2）非局域成像，抗干擾能力強。首先，量子成像中“物的探測”與“像的重建”是分開進行的，并且可以用非空間探測器（桶探測器或單像素探測器）獲取物體的空間信息。其次，量子成像可以實現非相干光源的相干成像，因此成像結果不受光路擾動影響，在一定程度上可以消除大氣湍流和散射介質對成像的干擾，提高成像的抗干擾能力。（3）采樣少，速度快，成像效率高。量子成像中的光場可以看作是服從高斯分布的隨機噪聲，利用壓縮感知理論［14-16］，可以實現在采樣數遠低于奈奎斯特采樣極限的情況下，以很高的概率進行圖像的恢復，從而大大減少測量次數，提高成像速度，而無需像傳統的成像方式那樣對待測物體進行逐點全像素采樣。

2量子成像的醫學應用

2.1鬼磁共振血管造影

傳統的磁共振血管造影是一種成熟的技術，可以精確地描繪多個區域的血管形態。為了降低背景信號，增加圖像對比度和分辨率，我們通常采用加速并行處理技術，然而，若標準相控陣線圈的并行加速因子過大，則會引入嚴重的圖像噪聲。鬼磁共振血管造影是一種全新的血管成像方法，它可以用于非對比和對比度增強的血管造影技術。即使在更大的并行加速因子條件下，也可以近乎完美地對背景噪聲進行抑制。三維數據集的偶數kz行用強化前的數據填充，奇數行用強化后的數據。沿kz方向的信號調制產生了一個對比度增強的血管的鬼像，這個像可以用最大強度投影來處理，并在三維空間中旋轉，就像傳統的磁共振血管造影一樣。Edelman等［17］對6名健康受試者分兩組進行掃描，成像區域從腎動脈穿過大腿上部，一組用傳統磁共振血管造影，另一組用鬼磁共振血管造影。磁共振血管造影在血管醒目性和背景抑制性上都優于傳統磁共振血管造影，并且可以提高掃描速度，支持更大的并行加速因子。

2.2量子光學相干斷層掃描

近年來，許多非傳統的量子光源已成為人們關注的焦點，但很少有實際應用出現，其中一個應用是量子光學相干斷層掃描［18-19］，這是一個四階干涉光學切片技術，利用自發參量下轉換產生頻率糾纏的光子對。量子光學相干斷層掃描的一個典型優點是它天生不受群速度色散的影響［18］，而傳統的光學相干斷層掃描是一種二階干涉測量方案，會造成群速度色散，從而降低成像的分辨率。在光學相干斷層掃描的背景下，量子光學相干斷層掃描在處理群速度色散和圖像分辨率方面有著絕對優勢。Nasr等［20］實現了量子光學相干斷層掃描的第一個實驗生物樣本：一個涂有金納米顆粒的洋蔥表皮組織，將三維圖像以不同深度的二維橫截面和不同橫向位置的二維軸向剖面展示出來。量子光學相干斷層掃描在提高源光子通量、增強空間分辨率、縮短圖像采集時間方面有著明顯的優勢，未來有望成為一種可行的生物成像技術。

2.3X射線量子成像

最近，X射線成功實現了量子成像，開啟了X射線鬼斷層攝影的可能性。單像素相機方案的成功，結合壓縮感知方法，可以實現從更少的測量中產生圖像，這無疑為X射線量子光學相干斷層掃描提供了重要思路。可以肯定的是，X射線鬼成像可以減少輻射劑量。因為一般來說，圖像質量與總流量成正比，但高能光子（如X射線）會對生物有機體造成輻射損傷，因此如何降低輻射劑量，同時保持圖像質量是一個根本問題。Zhang等［21］利用桌面X射線源，用預錄的一系列散斑場作為參考光信號，另一路放置待測物體，由桶探測器接收后進行計算關聯成像。通過這種方法，可以成功地在超低X射線照度下，甚至在準單光子水平下，獲得高質量的X射線鬼成像圖像。與傳統的X射線成像相比，同一輻射劑量可以獲得較高的對比噪聲比，因此這項新技術可以大大減少對生物標本的輻射損傷。在此之前，所有已發表的X射線鬼成像的重建都是一維的，因此探討二維和三維的X射線鬼成像是非常有醫學意義的。Kingston等［22］結合鬼成像和傳統斷層攝影技術，對X射線鬼斷層掃描技術給出了一些建議，提供間接和直接兩種方法來進行X射線量子光學相干斷層掃描：（1）過濾后投影，通過重建二維鬼投影來獲得三維圖像；（2）同步迭代重建技術，直接從X射線的鬼斷層掃描成像數據到三維重建。目前還不清楚哪種方法會在該領域的未來發展中更有效。不過在未來，基于機器學習和人工智能的改進方法會逐漸成為X射線鬼成像的重要組成部分。

2.4用單像素探測進行生物組織的透射成像

長期以來，科學家們一直關注的一個挑戰是，如何清楚地看到被渾濁介質隱藏的物體，如生物組織，這對疾病的早期診斷有著重要的意義。光學方法是一個很好的候選者，具有非侵入性和快速成像的優勢，并且不像電離輻射那樣會造成健康風險。然而，與超聲波或X射線相比，光學測量最大的問題是進入組織的穿透深度較淺。一般的解決方案是模擬漫射光子的隨機傳播成像技術，如多譜光聲斷層攝影，或者混合熒光分子斷層攝影，此技術可以達到更深的穿透深度（在組織中超過1cm），但缺點是分辨率較低。Duran等［23］利用壓縮感知理論對生物組織進行單像素成像，提供了一種能在散射介質中成像的新技術。在此之前，單像素成像實驗都是考慮沒有散射的照明傳輸，而在生物醫學中，通過散射介質進行圖像傳輸是至關重要的。因此需要展示一個完全嵌入在非齊次介質中的吸收物體的單像素成像。作為初步的實驗，Duran等［23］為一個被若干全息擴散器隱藏的物體進行單像素成像，可見單像素成像的效果在全波段都優于傳統成像。為了進一步測試在生物組織中的成像，隨后擴散器被兩個3mm厚的雞胸肉所取代。對于這樣的組織厚度，多重散射是最終成像結果的主要影響因素。擊中目標的光線由兩個疊加的部分組成：一個強大的漫射暈加上一個帶有弱信號的圖像。由圖可見，雖然單像素成像的分辨率仍然優于傳統成像方法，但是對于不同波長的光，單像素相機的效果呈現出了差異性。

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[關鍵詞]乳腺腫瘤；血管生成；超聲；綜述

[中圖分類號]R445.1；R737.9　[文獻標識碼]A　[文章編號]1671－7562(2008)03－0212－03

血管生成是乳腺癌進展的重要因素，乳腺腫瘤血管在腫瘤發生、發展、浸潤及轉移的各階段皆起著重要作用。隨著醫學影像技術的發展，乳腺內微小病灶的檢出率越來越高，形態學方面的特征已不足以作為良、惡性病變的判斷標準，因此，如何利用血流這一重要信息提高乳腺良、惡性腫瘤的診斷準確率，從而指導制定合理的治療方案已成為當今研究的熱點之一。目前超聲技術以簡便易行、對血流狀況顯示理想以及無損傷的優勢成為腫瘤血管的常規檢查手段，用于評價乳腺腫瘤的血供狀況，作者對此作一綜述。

1　腫瘤血管生物學特性

腫瘤血管生成是指新生血管在現有血管基礎上形成的過程，它是腫瘤細胞、血管內皮細胞與其微環境通過腫瘤血管生成因子相互作用的結果。1971年，Folkman首次提出腫瘤細胞能分泌一種“腫瘤血管生成因子”學說。隨著近年分子生物學與相關學科的研究，不僅證實了Folkman的觀點，而且已能分離純化出多種血管生成因子和血管抑制因子。

血管生成是個復雜的多步驟過程，包括內皮細胞的增殖、遷移、分化為管狀結構，這些步驟涉及到很多生長因子、蛋白酶類、內皮細胞間及內皮細胞與其他支持細胞間的黏附分子等，如血管內皮細胞生長因子(VEGF)、成纖維細胞生長因子(FGF)、血管生成因子(angiogenin)、表皮生長因子(EGF)等。大量實驗室研究結果表明，血管生成在乳腺癌的發生、浸潤、轉移中起著重要作用。通過對小鼠乳腺的癌前病變及乳腺癌旁組織的研究發現，乳腺癌前病變向乳腺癌轉變之前新生血管增多；在動物接種乳腺腫瘤細胞時應用血管生成刺激因子，如FGF或VEGF等，則促進腫瘤的生長、浸潤、轉移，腫瘤微血管密度(MVD)增高；應用腫瘤血管生成抑制劑，如凝血酶敏感素-1(throm―bospondin-1)或金屬蛋白酶組織抑制劑-4(TIMP-4)等，則可降低腫瘤生長和轉移的幾率。

大量研究認為，乳腺癌細胞能產生或分泌一系列物質，促進腫瘤組織大量血管生成，這是導致腫瘤具有較強的侵襲性及腫瘤復發和轉移的重要原因。可見血管生成與乳腺癌具有相互促進的關系。

2　乳腺腫瘤血管的超聲檢測

2.1　彩色多普勒血流顯像(color Doppler flowing ima―ging，CDFI)和彩色多普勒能量圖(color Doppler ener-gy，CDE)

CDFI是在超聲二維成像的基礎上采集并疊加成多普勒頻移信號，并以彩色顯示的成像模式。它可用于顯示乳腺內部及周邊的血流信號，判斷病灶內血管的豐富程度，并可測量血流動力學參數，如收縮期峰值血流速度(PSV)、舒張末期血流速度(EDV)、阻力指數(RI)等。評價血供程度的一種方法是觀察病灶內血管數量，它是指在一個超聲圖像的斷面上所能觀察到的最多血管數量。有研究認為，如以血管數目為人乳腺癌的診斷標準，病灶周圍出現7根血管可獲得最高的診斷準確性(78.3％)，出現8根血管則可達到100.0％的特異性，但敏感性僅52.0％。另一種判斷血供豐富程度的方法是按病灶內血流信號的多少進行分級。Adler等將腫物的供血依血流信號豐富程度分為4級：0級――病灶內未見血流信號；I級――少量血流，可見1―2處點狀血流，管徑

CDE是在CDFI的基礎上應用紅細胞的能量積分，使血流顯示范圍擴大到機器雜波水平以下，利用能量信號獲得全方位的血流信息，特別是在腫瘤內可以達到動脈血管造影的效果。由于CDFI受檢測部位的深淺、聲束的夾角和血流速度的影響，故難以顯示乳腺癌內部的低速血流，對小血管的分支難以完整清晰顯示。而CDE以能量的方式顯示彩色血流，不受血流速度、聲束夾角等影響，提高了對低速血流顯示的敏感性。有學者對826個乳腺腫瘤血供程度用CDE進行分析，結果發現，惡性組中68％的腫瘤血流豐富，而良性組僅36％，所以CDE診斷乳腺癌的價值受到重視。其探測早期乳腺癌的彩色血流敏感性高于CDFI，但CDE不能顯示方向，無具體量化指標，容易受到胸壁呼吸運動的干擾。在二維超聲的基礎上，CDFI和CDE相結合可提高乳腺癌診斷的準確率。

2.2　超聲造影

超聲造影是超聲領域的新發展。通過經外周靜脈注射聲學造影劑，造影劑進入血液循環中產生的微氣泡及形成的氣一液界面可增強血流多普勒信號，有助于充分顯示腫瘤血管，提高診斷的敏感性。當乳腺組織界面回聲較復雜，對灰階超聲所顯示的異常回聲難以判斷是否為腫瘤時常需結合該區域血流情況，常規彩色多普勒乃至能量多普勒對小于1 cm病灶內的血管檢測效果不佳，而運用超聲造影可彌補這一缺陷。

Goldberg等還對超聲造影劑進行了前哨淋巴結的動物研究，造影劑增強掃描不僅能顯示前哨淋巴結，還能顯示淋巴結內的血管血流動力學特點，可以判斷淋巴結的良、惡性。該方法如能應用到臨床，則有望降低淋巴結的活檢率。

超聲造影存在的一些不足：每次只能重點檢查1個病灶；當病灶位置過深或顯示困難時，檢查效果亦不夠滿意；另外，超聲造影對一些少血管病灶的顯像及鑒別存在一定困難。隨著更特異性對比劑和實時造影匹配成像技術(cnTI)的研制和發展，超聲造影技術將日趨完善，以滿足臨床應用的需要。

2.3　三維超聲

三維超聲成像檢查在一定程度上彌補了二維超聲的不足，提供了腫塊直觀、立體的形態和腫塊血供的三維模式，對乳腺良、惡性腫瘤的鑒別診斷具有一定價值。

近年隨著三維重建技術發展以及一體化容積探頭的應用，三維圖像分辨力明顯提高。目前三維超聲的主要應用模式有多平面重建成像、表面成像、透明成像以及三維血管樹成像。在乳腺腫瘤的診斷中運用的三維超聲技術是血管樹成像，它能較直觀地顯示乳腺腫

瘤血管及其空間分布，并可與其他新技術聯合運用。Forsberg等將三維血管樹成像技術應用于乳腺腫瘤的超聲造影中，認為二者聯合使用能較清晰、直觀地顯示腫瘤內部細小血管及空間分布。

3　超聲與光學結合評價乳腺腫瘤血管

目前，雖然臨床最常用的乳腺檢查方法仍以乳腺x線攝影和超聲顯像為主，但是由于光學成像方法具有無損傷的特性和在提高檢測效率上的巨大潛力，已日益受到研究者的關注。近20年來，生物醫學中有關光學的研究發展迅速，尤其是近紅外光成像技術的發展。近紅外成像技術在臨床中被廣泛應用于乳腺腫瘤的檢測。在紅光和近紅外光譜區，存在一個波長在600～1300 nm的光學窗，對乳腺組織具有較強的穿透力。癌變組織增生速度快，代謝異常旺盛，導致局部供血量和耗氧量增加，使得在780 nm附近的光吸收較周圍組織大，可以將近紅外光子作為探針，利用正常組織與異物(如腫瘤)間的光學差異，得到組織的二維或三維圖像。因此，通過進一步研究軟組織的光學特性，探索用光學方法對乳腺腫瘤進行無損檢測已成為一個國際性的課題。

近紅外線透射掃描是乳腺檢查的常用方法，它主要是利用近紅外發射器發出特定波長的光照射于乳腺組織，由于血管和不同的組織結構對紅外光的選擇性吸收，穿透后的光經另一側的紅外攝像機采集和計算機處理，以監視屏上不同灰階度對比的影像作為評定病變性質的依據。近紅外線透照技術具有價廉、安全，對患者無損傷，且圖像直觀，血管顯示清晰，定位效果好等優點，但由于使用的是恒定強度的光源，受乳腺組織解剖特點的影響，透射光因強烈的散射而無法達到足夠的分辨率，診斷符合率低。

乳腺光學成像的另一種方法是漫射光層析成像技術(diffuse optical tomography，DOT)。軟組織腫瘤部位的含氧血紅蛋白(HbO)和去氧血紅蛋白(Hb)濃度及其氧飽和度(So)與正常部分不同。DOT就是利用光與上述生理指標密切而靈敏的聯系，通過對組織體穿透能力較強的近紅外光(波長670～970 tim)照射組織體，由光電探測陣列采集漫射光，并取相關算法反推光學參數空間分布進而反映關聯的生理變化。DOT系統具有操作簡便、無損傷、低價、功能成像等優勢，有望在臨床醫學診斷中發揮重要作用。該技術的物理基礎是生物組織的吸收特性在近紅外光波段具有窗口效應，且組織體對近紅外光的吸收變化與組織體的血紅蛋白氧化水平密切相關，因此，通過檢測經過組織體散射的近紅外光可實現對人體生理狀況的變化、新生兒大腦供氧、早期乳腺腫瘤的血供等情況的監測。

但是DOT技術無法對腫瘤進行準確的定位，而超聲成像可檢測到幾個毫米直徑大小的組織變化和損傷，通過對圖像的分析來進行定位。把DOT技術和超聲波成像集成為一體，可以有機地綜合DOT的功能成像信息和超聲波成像的定位和空間信息，達到對乳腺腫瘤的準確定位與定性診斷。因此該系統具有傳統醫學影像設備所不具有的優點，其對良惡性腫瘤具有較強的分辨能力，有望為臨床醫生提供更為直接的診斷依據。

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關鍵詞：光聲成像，光聲信號，耦合液

 

1 引言

光聲層析成像技術是近年來發展的一種新型的無損傷的醫學成像技術，它是用時變的光束照射吸收體膨脹而產生超聲壓，利用超聲換能器在各個方向探測從吸收體中傳播出來的光聲壓，通過相應的圖像重建算法，可以重建出吸收體的光吸收分布。該方法結合了純光學成像和純聲學成像的優點，可以得到高分辨率高對比度的重建圖像。

為了進一步提高光聲重建圖像的質量，或者將光聲層析成像推向臨床應用研究，很多研究者提出了各種各樣的光聲信號采集與光聲成像系統以及與之相適用的各種圖像重建算法，或者報道了一些模擬生物樣品或者活體組織功能的光聲成像檢測。

本文提出了利用與組織聲速匹配的耦合液進行光聲成像，并配置了幾種適合于組織聲速的超聲耦合液：調節水溫、調節鹽水濃度、調節甘油溶度等。由研究表明，通過耦合液進行聲速匹配后，重建圖像的對比度和空間分辨率得到明顯提高。。

2 理論分析

光聲重建就是對光吸收的空間分布的反演。在空間某一位置接收到的光聲壓p(r,t)和光吸收系數的分布A(r)的關系可以表達為

（1）

其中是等壓膨脹系數，c0是聲速，cp為比熱，I0為光強，r表示光聲壓的場點位置，表示光聲源的位置，表示場點到源點的距離。由于探測器接收后的信號不是實際的光聲信號p(r,t)，而是光聲壓和探測器的脈沖響應h(t)的卷積。。為了濾去探測器的脈沖響應，把光聲壓和脈沖響應信號都變換到頻域處理，然后再逆變換得到：

（2）

其中和分別是探測器接收到的光聲信號和探測器的脈沖響應的傅立葉變換，為截止頻率，是濾波的窗函數。探測器的脈沖響應是通過聚焦透鏡把弱激光聚焦到一塊黑膠帶上產生的光聲信號，水聽器在黑膠帶后面接收到的光聲信號作為探測器的脈沖響應信號。

光聲信號在不同聲速組織中會產生聲的反射和折射，當光聲信號從組織中以入射角為傳播出組織時，其折射角與光聲信號在組織中聲速和耦合液中的聲速有關，具體表達式如下：

（3）

式中λ1、λ2分別為超聲波在組織和耦合液中的波長；、分別為超聲波在組織和耦合液中的聲速。當聲速，則，即不存在聲的折射。表1為超聲在各種組織中傳播聲速。。

表1 各種組織的聲速

篇5

讀數識別是讓被識別人口述屏幕上的文字，借此判斷被識別者的真實情況。

反光識別和讀數識別是人臉識別的兩種方式。

人臉識別：

人臉識別，是基于人的臉部特征信息進行身份識別的一種生物識別技術。用攝像機或攝像頭采集含有人臉的圖像或視頻流，并自動在圖像中檢測和跟蹤人臉，進而對檢測到的人臉進行臉部識別的一系列相關技術，通常也叫做人像識別、面部識別。

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[關鍵詞] 嗅覺; 嗅覺障礙; 評估方法; 動物實驗; 文獻綜述

[中圖分類號] R339.12 [文獻標識碼] A [文章編號] 1671-7562(2010)04-0434-04

doi:10.3969/j.issn.1671-7562.2010.04.041

嗅覺是人體原始的感覺功能之一,它同視覺、聽覺一樣,是人體捕獲外界信息的特殊裝置。嗅覺還可以通過中樞神經系統影響人的情緒、調節生命周期。嗅覺障礙患者對周圍的事物不感興趣,反應平淡,生活質量下降,更可以造成精神上的壓抑或憂郁。王鴻等[1]報道用T&T測試法測試了1 035例慢性鼻竇炎鼻息肉患者,86.3%的患者有嗅覺功能障礙,與患者的主訴有極顯著的差異,說明嗅覺功能改變沒有受到患者的注意。近幾年隨著人們對生活質量要求的提高,對嗅覺障礙的關注程度有了很大的提高。

嗅覺評估不僅僅是要判斷嗅覺功能是否正常,還需要進一步判斷嗅覺障礙的程度、性質、部位等因素,如果能提示病因以及預后則更有臨床、實驗應用的價值。在動物實驗中關于嗅覺功能的研究已經有了較長的歷史,出現了多種實驗方法,但是目前為止還沒有一個全面、客觀、高特異性的金標準方法出現,本文就目前動物實驗中的常見的嗅覺評估方法進行一個概括性的介紹。

1 行為學方法

動物實驗和臨床試驗的最大區別在于動物無法準確地和實驗者交流,所以行為學方法在動物實驗中就顯得極為重要。嗅敏動物的學習記憶能力、尋食能力等與嗅覺有很高的相關性,可以觀察、記錄其行為學的改變,從而判斷其嗅覺功能的變化。目前報道較多的可以評估嗅覺功能的行為學方法有以下幾種。

1.1 埋藏食物小球實驗(buried food pellet test,BFPT)

BFPT是目前最常用于檢測動物嗅覺功能的行為學檢測方法[2]。目前比較通用的方法由Nathan等[3]于2004年報道,他的實驗中使用找尋食物小球等待時間作為數據進行統計分析,即從小鼠被隨機放置于盒子中開始,到小鼠揭開食物小球并用它的前爪或牙齒抓住食物小球的時間,如果5 min(300 s)內小鼠未找到食物小球,即被移走。林靜等[4]以300 s(5次測試的平均值)內未找到食物小球作為判定小鼠存在嗅覺功能障礙的標準,并認為以300 s作為分組標準是合理的。

1.2 嗅覺測量儀

Slotnick等[5]利用行為學原理設計出一種用于動物實驗的嗅覺測量儀,可以通過改變氣味的濃度后觀察動物的行為學變化來評價其嗅覺。該系統經眾多實驗驗證其對動物嗅覺的檢測是有效的[6],因操作方便且可進行多種設計,此方法被廣泛應用于動物嗅覺功能的評估。

1.3 雙瓶實驗

有研究證實小鼠、大鼠在分辨某些物質的時候主要是依賴于嗅覺而非味覺,例如鹽酸、鹽酸奎寧(quinine HCl, QHCl)等有一定揮發性的物質 [7]。因嗅覺障礙時動物分辨飲用水和實驗溶液的能力下降,通過兩種溶液被動物飲用的程度可以評估動物嗅覺障礙的程度。

1.4 幼鼠超聲發聲實驗

新生小鼠嗅覺的產生比其他的感覺要早。新生小鼠嗅到成年鼠窩的氣味時可發出一種超聲作為回應,檢測這種超聲的出現與否可以判斷其嗅覺功能是否正常[8]。Lemasson等[8]用3-甲基吲哚來破壞新生小鼠的嗅上皮,結果成功地證實了該檢測方法的可行性。而且在該實驗中發現由于被破壞嗅覺的小鼠無法正確識別,其生存率大大降低,證明了嗅覺對新生小鼠有極其重要的作用。

行為學方法在動物實驗的嗅覺評估中有很重要的作用,歷史悠久、技術成熟,實驗方法較為簡單,實驗裝置花費較少,對嗅覺功能的初步評估價值較為肯定(尤其是埋藏食物小球實驗和Slotnick的嗅覺測量儀),可行性及可重復性較高。需要注意的是本類實驗受個體差異影響較大,實驗前應經預評估剔除先天差異比較大的個體,而且樣本量不宜過小,有時候還需對動物進行預先的訓練。為保證實驗的客觀性,需要很好地進行實驗設計與控制,有時連晝夜節律等變化的影響都需要考慮在內。行為學測試結果對嗅覺功能評估只是一個綜合的結果,對嗅覺障礙程度、部位等的判斷較差,如果能結合嗅覺誘發電位等客觀檢查可以做到更加客觀、可信。在過去的實驗中行為學測試往往與組織學檢查相結合,既增加了實驗的客觀性,又為進一步研究嗅覺產生機制或嗅覺障礙的原因提供了基礎。

2 客觀評估方法

嗅覺的感受、傳導是個比較復雜的過程,氣味分子通過鼻腔到達嗅黏膜后被其表面的黏液所吸附,進而在黏膜層中擴散,到達嗅細胞。達到閾濃度的氣味分子可刺激嗅細胞產生嗅覺電位,這是其感受過程。產生的嗅覺電位通過嗅神經穿過篩骨篩板,到達嗅球,其內有第2級神經元,再通過嗅束傳導至初級嗅皮質及皮質內側核,而后至海馬回的內嗅皮層即次級嗅皮層,神經沖動引起大腦皮層的激活才能最后引發嗅覺。嗅覺功能的客觀評估方法包括了對嗅覺感受、傳導通路上各種指標,例如影像學、電生理學、組織學等的測量。目前動物實驗中使用較多的及可能有較大發展前景的客觀評估方法包括以下幾類。

2.1 組織學方法

這里的組織學是泛指解剖取組織后進行的所有檢查,包括大體解剖學、病理學、免疫學、分子生物學等諸多學科的檢查方法。嗅覺系統的改變既可以由病變本身引起也可以是因為嗅覺障礙后的退行性變引起。組織檢查比結構影像檢查更有評估價值,因其可以更好地提示病因,也利于更好地研究嗅覺通路和嗅覺障礙產生的機制。目前組織學方法在動物實驗中有很廣泛的應用,從部位選擇上看整個嗅覺傳導通路包括從嗅黏膜直到海馬回的內嗅皮層都有報道,從實驗方法上看更是復雜多樣,最常用的幾種方法有如下幾種。

2.1.1 病理學檢查

這是早期免疫學技術及分子生物學技術還不是很發達時常用的檢查手段,在早期嗅覺研究中有較多的應用,在嗅覺障礙的動物標本上可以看到細胞凋亡、空泡等變化,雖然特異性較差,但是也能提供宏觀的信息,現在常常和其他檢查方法一起使用,例如在陳志宏等的實驗中在進行其他檢查之前使用了HE染色方法檢查了模型小鼠的嗅上皮,發現其嗅上皮變薄,其中的感覺神經元的細胞核層數變少[9]。

2.1.2 蛋白及核酸表達的檢查

對相應組織中某些標志性蛋白及核酸的檢查可以間接地反映嗅覺功能及提示嗅覺障礙的原因。例如用免疫組化方法檢查嗅覺通路中嗅標記蛋白(olfactory marker protein, OMP)、酪氨酸羥(tyrosine hybroxylas, TH)、一氧化氮合酶(nitric oxide synthase, NOS)、c-Fos蛋白等標記物在許多文獻中都有記載。Buron等[10]在丙酮吸入誘導的嗅覺障礙實驗中使用了嗅上皮組織的OMP及增殖細胞核抗原(proliferating cell nuclear antigen,PCNA)作為觀察指標,發現丙酮對于嗅上皮的損傷是有選擇性的。有學者使用多巴胺及細小白蛋白作為標記物進行免疫組化檢查,發現失嗅動物模型的嗅球中含多巴胺及細小白蛋白的神經元細胞數量明顯減少,認為通過該失嗅動物模型可以對嗅球萎縮進行定量描述,提示多巴胺及細小白蛋白在嗅球中的表達對于失嗅的作用[11]。c-Fos蛋白可反映大腦組織活動程度,對c-Fos蛋白的觀察可以一定程度上起到功能磁共振的作用[12]。

2.2 電生理學方法

2.2.1 嗅電圖

將電極直接置于嗅區黏膜,當其接受嗅素刺激時記錄到的一種慢相負性電位變化稱為嗅電圖,目前普遍認為它是單個嗅細胞電位變化的總和,嗅電圖已經在動物實驗中得到證實[13]。嗅電圖最大的缺陷在于雖然其對嗅黏膜損傷引起的嗅覺障礙有較大的意義,但是對于黏膜后傳導通路以及嗅球、海馬回等中樞病變導致的嗅覺障礙沒有什么評估價值。

2.2.2 嗅覺腦電圖

嗅覺誘發腦電圖是指在給予嗅刺激時,實驗對象的腦電圖可發生變化,Hirano等[14]用狗做實驗時成功地獲得了該變化,在他的實驗中發現腦電圖的快波對嗅覺功能的意義較大。嗅覺誘發腦電圖又相繼在大鼠等其他動物身上得到了驗證[15]。嗅覺腦電圖產生的機制還不是很明確,而且其特異性不是很高,故目前在動物實驗中研究、應用的較少。

2.2.3 嗅覺誘發電位

又稱為嗅覺事件相關電位(olfactory event-related potentials,OERP),最早是用電刺激動物嗅黏膜時在頭皮特定部位記錄到穩定的腦電位的變化,該方法經過一段時間的發展后認為其和自然嗅覺之間有一定的差距,故逐漸被化學氣味誘導的嗅覺誘發電位所取代,目前使用的已經比較少。早期化學氣味刺激除了有嗅覺刺激外還常常伴有物理刺激及對三叉神經的化學刺激,這些非嗅刺激干擾了正常嗅覺誘發電位的獲得。隨著僅能興奮嗅覺系統而不興奮三叉神經系統的化學物質如香草醛等,以及Kobal式嗅覺刺激器的出現,嗅覺誘發電位研究成為嗅覺研究領域的熱點。嗅覺誘發電位儀至少包括嗅覺刺激器及腦電采集系統,測量時需要在電聲屏蔽室進行,且需要給予一定的白噪聲掩蔽刺激探頭釋放刺激時產生的干擾噪聲。目前動物嗅覺誘發電位各波的具體來源以及與疾病間的相互關系還不清楚,嗅覺誘發電位的出現是否意味著動物確實產生了嗅覺還不能肯定,所以用來證明嗅覺傳導通路是否暢通比較可行[16],而暫不能用于嗅性疾病的定位、定性診斷。嗅覺誘發電位應該是最可能成為動物嗅覺評估客觀標準的檢查方法。

3 影像學方法

3.1 嗅覺系統結構影像檢查

有研究證明嗅球及嗅束等神經結構的生長與周圍神經沖動的輸入有關[17],所以嗅覺障礙后嗅覺系統各部位可有一定的不依賴于年齡的結構改變,通過磁共振影像檢查可以發現這些改變,例如嗅球體積變小、嗅溝缺失或變淺、嗅束缺失等現象,從而間接評價嗅覺功能。

3.2 嗅覺系統功能影像檢查

這是目前嗅覺研究的熱點方向之一,主要技術有功能性磁共振成像(fMRI)、PET成像和腦信號的光學成像等。

3.2.1 功能磁共振檢查

功能磁共振檢查技術有很多,用于嗅覺系統功能的fMRI技術主要是(blood level dependent fMRI, BOLD fMRI),當氧合血紅蛋白的比例增加時或去氧血紅蛋白含量減少時,T2信號縮短效應減弱,表現為MR信號增強。嗅覺功能成像既能反映血流的變化,也能反映神經元活動的代謝變化,近些年在研究神經功能方面發揮著巨大的作用,特別是fMRI無放射暴露,可反復測試,且時間、空間分辨率要優于PET成像,故是目前嗅覺功能成像的主要方法。在大鼠實驗中已經證實,7 T的fMRI能夠顯示氣味刺激后大鼠嗅球的活化[11]。其空間分辨率很高,對于研究嗅覺相關皮層的定位、嗅覺功能障礙情況下嗅覺相關皮層反應的變化等有極大的應用價值。有學者擬通過信息技術將嚙齒類動物嗅球的激活圖像編成二維的氣味圖(OdorMap,OM)及氣味圖數據庫(OdorMap Database,OMDB)以利于嗅覺工作者對嗅覺系統的研究[18]。功能磁共振應用在動物實驗的嗅覺評估中需要注意的是:首先動物是不能配合磁共振檢查的,故需要在麻醉下進行;其次磁共振是強磁場環境,故嗅覺刺激裝置不能由金屬制成。

3.2.2 腦功能光學成像

腦功能光學成像是近年來神經外科的熱點研究方向,目前主要的實驗技術有激光散斑襯比成像和內源信號光學成像。而應用于嗅覺功能檢查的主要是內源信號光學成像,這里所指的內源信號,并不是神經元所表現出來的電信號,而是指由神經元活動所引起的有關物質組分、運動狀態的改變而導致其光學特性的變化,在與某些特定波長的光量子相互作用后,得到的包含了這些特性的光信號,包括:血紅蛋白信號、氧合血紅蛋白信號、光散射特征信號等[19-20]。許多生理性過程如血紅蛋白氧合度、細胞色素的氧合狀態、神經膠質和神經元腫脹、功能性血流量改變等變化,都會影響到組織光反射特性的改變。通過探測反射光的變化量,就可以獲得這種特異性的內源光學信號。內源光學信號成像在動物實驗中已用于多種腦功能皮層功能的檢查,比如視覺(貓、小鼠等)、軀體感覺皮層(大鼠、貓、松鼠猴等)、聽覺皮層(南美栗鼠、貓、雪貂等)。Bathellier等[21]在實驗中使用了內源光學信號原理和突觸素熒光標記兩種方法分別獲得了香芹酮、苯甲酸甲酯刺激后大鼠嗅球的激活情況,在內源光學信號成像下,激活的嗅小球反光率下降,呈相對的冷色調,而在熒光標記實驗中激活區域熒光反應較強。雖然內源光學信號成像的時空分辨率都較高,但是其穿透腦皮層的能力受限(大約數百微米),所以對于深層腦組織的觀察就沒有什么效果了。由于內源光學信號的確切生理來源至今沒有定論,所以為了闡述內源光信號對應的生理意義及其與神經元電活動的關系,還需要與其他方法進行對比研究。

從其他感覺的評估方法來看,功能磁共振和誘發電位是研究的發展方向,但目前嗅覺產生、傳導機制尚未完全明了,相關檢查技術尚處于起步階段,還需要進行大量的研究。目前的嗅覺研究可以根據不同的實驗要求及實驗條件選擇不同的實驗方法及實驗方法的組合。嗅覺誘發電位及功能磁共振檢查由于其初期投入較大,對硬件及技術條件要求較高,開展難度較大,在國內只有少數醫院在從事這方面的實驗。行為學方法操作簡單,技術成熟,效果肯定,有很強的實用價值。組織學方法對于機理的研究十分重要,并且隨著對嗅覺認知的加深,越來越多的標記物被發現,評估方法也越來越豐富。如果可以出現一種簡單易行的嗅覺評估方法,那么可以極大地促進嗅覺的研究。

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篇7

隨著信息技術的迅猛發展，微波信號面臨的問題越來越突出，由于微波傳輸在長距離傳輸過程中存在大量損耗，寬帶近乎無窮，結合微波射頻工程和光電子傳輸與處理技術，促進射頻微波信號的廣泛應用。本文基于微波射頻信號的光學發生、傳輸處理技術以及應用而展開，探討射頻微波信號在光纖中傳輸及處理技術。

【關鍵詞】射頻微波信號 光纖 傳輸 處理技術

隨著微波射頻信號與光電子傳輸處理工程緊密結合，微波光子學得以迅速發展。微波光子學不僅解決了傳統電子在光學上的損耗，而且在性能上具有更大的優勢。該學科通過結合射頻微波信號和光纖接入技術，引入射頻信號光纖傳輸技術，結合實際應用直接推動通信技術逐漸向高速、低成本的方向發展。

1 微波信號光學的發展促進微波射頻信號的光學發生

微波信號光學是指光子學器件在微波信號頻段的研究、應用，簡言之，就是研究微波和光波相關信息的學科。最早的研究主要在調節關源、傳輸介質以及光學可控、可探測等核心技術。近年來伴隨著微波信號光學在電子工程領域、光通信領域、軍事領域等領域的廣泛應用，使得微波光子學逐步出現高頻化、集成化、低成本的趨勢。由于光纖傳輸射頻微波信號具有寬帶大、損耗小的特點，在處理信號的過程中可以為射頻信號提供更長得時間，使得射頻微波信號在光纖中更好的提供處理信號的采樣率，增強抗電磁干擾性能。尤其是在射頻微波信號的變頻處理、數據轉換、濾波處理等方面產生的ROF傳輸微波信號使得信號的傳輸和處理技術日益成熟、系統更加完善。

2 射頻微波信號的光學處理

2.1 光纖傳輸系統―ROF系統

光纖無限ROF系統為未來移動互聯與無限介入網絡提供優質的交互式寬帶多媒體服務，該系統由三部分組成，包括復雜射頻微波信號處理中心站、實現光電轉換及接受發射無線基點和傳輸射頻微波信號的光纖網絡。該系統工作原理類似現在軟件工程的“云”，在ROF系統中，射頻微波信號從中心站傳輸到各個基點，在各個基點借助光纖網絡進行無線的發射與接受。基點發射與接受的過程中無需任何頻率轉換，信號的處理集中在中心站且被多個基點共享這種中心站和基點之間的相互聯系，相互共享，實現了不同速率數據之間的傳輸，優化網絡資源使用頻率，實現資源的動態管理，降低網絡的維護、安裝成本，促進網絡的升級。因此，這種技術在未來有望在寬帶接入、移動通信、車載通信等方面廣泛應用。

2.2 射頻信號光纖傳輸技術的優勢

射頻信號光纖傳輸技術是光纖無限系統最直接的系統鏈路結，其中IF-over-Fibre系統結構的信號傳輸不易受光纖色散效應，雙邊帶調制技術也符合系統應用要雙邊帶調制技術也符合系統應用要求。射頻微波信號光纖傳輸技術是將射頻微波與光纖通信的優勢結合起來的技術。射頻微波信號可以進行遠距離傳輸，實現天線與中心數據分離，降低損耗，增強通信、偵查系統抗毀性、隱蔽性；寬帶能夠保證各類通信和電子信號的不失真地進行遠程傳輸；在90dB的信號范圍內，該技術能夠同時兼顧系統的靈敏度，不會因為光纖的遠程傳輸過程中損失任何信息；最重要的是保證光纖傳輸的安全，保證信號不泄露，不容易受到周圍電磁環境的干擾，穩定可靠。除此之外，在l達國家可以利用MMF網絡和目前已經成熟的微波器件技術實施射頻信號光纖傳輸技術。

3 射頻微波信號在光纖傳輸過程中的應用

在信號傳輸方面，利用射頻信號在光纖中傳輸處理技術克服傳統相控陣天線只能向特定方向輻射波數的弊端，將相控陣天線雷達尺寸縮到更小，重量更輕，損失更小。采取不同長度光纖分布的方式引起不同通道的轉移，將地面數據控制中心建設在遠離天線建設的區域，天線場地可以安裝在城市郊區增強信號，將數據處理設備、解調器等設備安裝在城市內方便生活。與此同時，鑒于射頻信號光纖傳輸技術具有解決電磁干擾、大寬帶、安全數據連接、對微波信號頻率快速、遠大范圍測量等問題的優勢，在國防、軍事領域得到普遍的推廣。在3G/4G覆蓋的區域，靈活應用地鐵、商場、車站、展覽中心、機場等室內建筑建立中心數據控制點和分布式光纖系統，提高覆蓋率，增強信號質量。在生物醫學領域，射頻微波信號廣泛應用于光學活性組織的檢查、光學分子成像等醫學中。例如，在醫學成像中可以利用水聽器對100MNz的超聲波掃描進行校準。在無線網接入方面，簡化天線單元達到WLAN的整個覆蓋是關鍵，而在歐美等發達國家已經利用商業化射頻微波信號在光纖中傳輸處理技術應用于整個WLAN系統，使得室內無線接入網的覆蓋面積大大增加。

4 總結

作為一種新興的通信技術，射頻微波信號在光纖中的傳輸處理技術得到越來越多領域的關注。鑒于射頻微波光纖技術的低損耗、大寬帶、安全保密等特性，在各頻段信息傳輸、移動通信、軍事電子戰、電子對抗以及3G/4G覆蓋的眾多領域，將有廣闊的應用前景。

參考文獻

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篇8

關鍵詞：圖像傳感器；顯微圖像；幾何參數測量

中圖分類號：TP18 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）08-0182-03

Abstract： In order to observe the detailed features of an observed object， a microscope lens is adopted to obtain an amplified image of the observed object， a cmos sensor is applied to acquire the image， and then operations such as linearization， denoising， white balance， color interpolation， color correction and color enhancement and the like are conducted on the acquired image， so that an image with real and stable color is obtained. A standard micrometer is applied to calibrate an image acquisition system， and then a coefficient K for reflecting the relationship between the real distance and the pixel distance of the image position is obtained， so that convenience is provided for measuring the geometric parameters of the image.

Key words： image sensor； microscopic image； geometrical parameter measurement

1緒論

顯微鏡主要是利用光學系統使被觀察對象得到放大，可以幫助研究者從微觀的角度去觀察和了解研究對象的特征。顯微鏡自從發明問世以來，在人們生活和工作的各個方面都得到了非常廣泛的應用，特別是在在醫學、生物學等專業領域尤為明顯。

隨著科學技術的不斷發展，信息社會的不斷進步，人們對顯微鏡所能提供的信息標準要求也日益增高。顯微鏡的傳統作用之一是作為檢測工具，而這種傳統檢測手段的不足之處日趨凸顯。具體主要表現在：傳統顯微鏡由人眼觀測，觀測結果采用文字描述的方式進行記錄，由此會產生人為的誤差，也不利于工作者對研究對象的顯微圖像進行深入分析與研究。同時長時間分析大量圖像時，很可能會產生自適應現象。近幾年來，隨著計算機、信息技術以及成像傳感器技術專業的快速發展，圖像獲取和處理的相關技術也呈現蓬勃的發展趨勢。一方面，研究人員可以更加方便地觀察到顯微圖像；另一方面，圖像處理分析軟件可以提供多種多樣的參數進行測量。與傳統測量方法相比較，數字化顯微測量技術彰顯著其無可比擬的優越性。首先，新技術的應用在很大程度上提高了測量結果的精準度：通過計算機與不同功能的軟件對圖像進行綜合處理，不僅極大地縮小了人眼直接讀數等主觀因素產生的誤差，同時也降低了多次重復測量以及儀器設備本身所形成的誤差；其次，數字化顯微測量技術極大的擴展了測量范圍：對眾多不同尺寸的零件進行測量時，可以根據自己的需要，選擇合適的放大鏡頭或縮小鏡頭。另外，由于測量系統本身的特性，顯微測量技術極大地提高了測量過程的自動化程度，并且相應的實現了測量手段的非接觸、高精準度、高效率和自動化。所以，近幾年來數字化的顯微測量技術已廣泛地應用到眾多的領域[1-3]。

2顯微圖像采集系統

本文所設計的顯微圖像采集系統結構如圖1所示：

系統光源利用led環形燈。而led環形燈具有散發熱量少、閃頻小、光照均勻、亮度可調節，以及壽命周期長的優勢與特點；采用的顯微鏡頭和圖像傳感器均來自深圳宜興科技有限公司，前者為該公司的YX15系列大變倍比鏡頭，其主要參數：變倍比：15：1，光學倍數：0.13X-2X，物方視野：2.4mm-36mm，工作距離：55mm-285mm；后者為該公司的 U-500C型USB圖像傳感器。所采用的光電傳感器為Aptina公司生產MT9P031型cmos傳感器。主要技術參數如表1所示：

3圖像質量增強和處理

從CMOS傳感器獲取的圖像不可以直接用于顯微圖像分析。尤其是在顏色方面進行分析時，其原因主要是在圖像成像和感光的過程中，引入了較多的偏差。這些偏差因素包括有光學系統的瑕疵，感光芯片對照度的不同感光特性等。此外，光源對于圖像成像質量也有較高的影響，即使獲取圖像內的各項參數合格，但是實際工作中要考慮到不同設備的不同空間需求時，仍然需要進行設備而無關空間的轉換，該處理過程稱為圖像處理流程。具體處理流程如圖3所示：

線性化：用數學方式處理暗電流與模數轉換器等造成的誤差，使感光器照射強度的輸入和輸出在一定范圍內呈線性關系。去噪聲：由電磁波或經電源引入的外部噪聲，圖像采集生成過程中的暗電流噪聲，因器件制造工藝引起的光響應非均勻性，圖像傳輸過程中涉及的各種器件引起的雜波噪聲等，通過合適的算法，降低工作溫度等方式來消除這些噪聲。白平衡：利用AWB算法矯正外部光源色溫引起的圖像顏色失真。顏色插值：利用逐次逼近、雙線性等插值算法計算得到像素點缺少的另外兩個顏色分量。顏色校正：因圖像采集系統、光源和顯示器件的不同會引起顏色失真，利用矩陣法、人工神經網絡法、多項式回歸法等對圖像進行顏色校正。GAMMA校正：用于去除人眼對亮度信號的非線性反應，保證顯示設備顯示的圖像與原始圖像相同，抵消CRT顯示器使圖像亮化的影響，利用顏色查找表來實現GAMMA校正。圖像增強：利用灰度變換、空間濾波等增強圖像的細節，使圖像的灰度分布相對均勻，并增加圖像對比度 [5-7]。

4圖像標定

顯微圖像分析與處理應用在生物學、醫學等一些專業領域方面時，經常需要通過利用數字圖像來了解觀察目標的實際幾何參數。這就要求明確在一定放大倍數下， 圖像中像素間距與實際空間尺度數據之間的關系是如何相對應，即顯微圖像系統的尺度定標值。

顯微圖像系統中重要的技術指標之一就是尺度定標值。尺度定標值的多少將會直接影響到圖像分析的結果。從理論上來說，在系統采樣密度和放大倍數不變的情況下，尺度定標值是可以通過計算得到結果。但是在實際工作中圖像采集系統都或多或少地存在幾何畸變的可能性。因此，通過實驗方法對系統進行精確定標是很有必要的。本文利用圖像處理技術， 對圖2所示的顯微鏡圖像采集系統進行了尺度定標。應用圖4采集的間距0.5mm的顯微標尺如圖4所示：

5結論

本文主要通過描述利用CMOS作為圖像傳感器，對圖像進行獲取、校正和并分析的過程。根據顯微鏡成像原理和CMOS作為感光芯片的具體特點，制定出獨特的圖像處理流程，具體包括線性化、顏色矯正和白平衡等過程，從而獲得更加真實準確的圖像來作為進一步圖像分析的素材，這為其他方面的研究和工作提供了更大的準確性保證。最后本文通過0.5mm的標準顯微標尺的圖像求解系統，求得反映顯微圖像真實距離和像素距離之間關系的定標系數K，為顯微圖像的幾何參數測量奠定了基礎。

參考文獻：

[1] 竇江龍. 基于CMOS傳感器的顯微圖像處理分析系統設計[D].杭州：浙江大學， 2012.

[2] 蔣勇，劉飛雷，包紅光.顯微圖像的數字圖像處理及其在血細胞形態分析中的應用[J].中國圖像圖形學報，2001，6（11）： 1079-1083.

[3] 余厚云，鄧善熙，楊永躍，等. 用Visual Basic 6.0編程實現顯微圖像測量[J].微計算機信息，2003（2）.

[4] 王耀南，李樹濤，毛建旭.計算機圖像處理與識別技術[M].北京：高等教育出版社，2001： 138-144.

[5] 鄒翠霞.顯微數字圖像系統的尺度定標方法[J].大連： 大連工業大學學報，2008.

[6] CASTIMANK R.數字圖像處理[M].，譯.北京：電子工業出版社，2002：3-6.

篇9

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考試科目

備注

070201 理論物理

80

01 粒子物理理論

王建雄

①1001英語一②2274粒子物理（甲）③3402量子場論（乙）

張新民

①1001英語一②2246廣義相對論（甲）或2295群論（甲）③3402量子場論（乙）

呂才典

①1001英語一②2274粒子物理（甲）③3402量子場論（乙）

黃梅

①1001英語一②2274粒子物理（甲）③3232廣義相對論（乙）或3402量子場論（乙）

陳瑩

①1001英語一②2274粒子物理（甲）③3402量子場論（乙）

賈宇

同上

邢志忠

同上

凌意

①1001英語一②2246廣義相對論（甲）③3402量子場論（乙）或3456群論（乙）

02 原子核物理理論

董宇兵

①1001英語一②2207高等量子力學（甲）③3402量子場論（乙）或3904原子核理論（乙）

鄒冰松

同上

趙強

同上

王平

同上

03 數學物理理論

常哲

①1001英語一②2261微分幾何（甲）或2295群論（甲）③3402量子場論（乙）

黃超光

①1001英語一②2246廣義相對論（甲）③3456群論（乙）或3710微分幾何（乙）

凌意

同上

04 粒子宇宙學理論

張新民

①1001英語一②2246廣義相對論（甲）或2295群論（甲）③3402量子場論（乙）

05 強子物理理論

鄒冰松

①1001英語一②2274粒子物理（甲）③3402量子場論（乙）

黃梅

同上

趙強

同上

賈宇

同上

王平

同上

070202 粒子物理與原子核物理

01 粒子物理實驗

陳國明

①1001英語一②2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3397粒子物理（乙）

陳江川

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3406量子力學（乙）或3471軟件基礎（乙）

李海波

①1001英語一②2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3397粒子物理（乙）或3402量子場論（乙）

沈肖雁

同上

衡月昆

同上

張家文

同上

楊長根

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3397粒子物理（乙）或3406量子力學（乙）

陳和生

①1001英語一②2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3397粒子物理（乙）或3402量子場論（乙）

胡濤

同上

王貽芳

同上

曹俊

同上

金山

同上

劉懷民

同上

何康林

同上

陳元柏

①1001英語一②2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3397粒子物理（乙）或3406量子力學（乙）

婁辛丑

①1001英語一②2229量子力學（甲）③3397粒子物理（乙）或3399粒子物理與核物理實驗方法（乙）

胡海明

①1001英語一②2274粒子物理（甲）③3399粒子物理與核物理實驗方法（乙）或3406量子力學（乙）

呂軍光

①1001英語一②2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3397粒子物理（乙）或3402量子場論（乙）

榮剛

同上

季曉斌

同上

歐陽群

同上

苑

同上

張景芝

①1001英語一②2274粒子物理（甲）③3402量子場論（乙）

董燎原

①1001英語一②2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3397粒子物理（乙）或3402量子場論（乙）

房雙世

①1001英語一②2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）或2274粒子物理（甲）③3406量子力學（乙）

02 探測器物理

胡濤

①1001英語一②2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3397粒子物理（乙）或3402量子場論（乙）

陳元柏

①1001英語一②2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3397粒子物理（乙）或3406量子力學（乙）

呂軍光

①1001英語一②2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3397粒子物理（乙）或3402量子場論（乙）

歐陽群

同上

婁辛丑

①1001英語一②2229量子力學（甲）③3397粒子物理（乙）或3399粒子物理與核物理實驗方法（乙）

03 高能物理計算

陳江川

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3406量子力學（乙）或3471軟件基礎（乙）

李衛東

①1001英語一②2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3397粒子物理（乙）或3402量子場論（乙）

劉懷民

同上

何康林

同上

季曉斌

同上

董燎原

同上

04 宇宙線物理

曹臻

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3397粒子物理（乙）

陳國明

①1001英語一②2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3397粒子物理（乙）

姚志國

①1001英語一②2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3397粒子物理（乙）或3402量子場論（乙）

何會海

①1001英語一②2106天體輻射過程（甲）或2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3156高等電動力學（乙）或3315計算機技術基礎（乙）或3790現代核電子學（乙）

盧紅

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2274粒子物理（甲）③3406量子力學（乙）

胡紅波

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3397粒子物理（乙）或3406量子力學（乙）

黃晶

同上

05 高能天體物理

李惕碚

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3406量子力學（乙）

王煥玉

①1001英語一②2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3406量子力學（乙）或3790現代核電子學（乙）

王建民

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2106天體輻射過程（甲）③3406量子力學（乙）

陳勇

①1001英語一②2306現代核電子學（甲）或2336軟件基礎（甲）③3315計算機技術基礎（乙）或3661天體輻射過程（乙）或3918真空技術（乙）

屈進祿

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2106天體輻射過程（甲）③3397粒子物理（乙）或3399粒子物理與核物理實驗方法（乙）或3406量子力學（乙）

張澍

①1001英語一②2106天體輻射過程（甲）或2229量子力學（甲）③3315計算機技術基礎（乙）或3399粒子物理與核物理實驗方法（乙）或3790現代核電子學（乙）

盧方軍

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2106天體輻射過程（甲）③3406量子力學（乙）

宋黎明

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2106天體輻射過程（甲）③3399粒子物理與核物理實驗方法（乙）或3406量子力學（乙）

吳伯冰

①1001英語一②2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3661天體輻射過程（乙）或3790現代核電子學（乙）

張雙南

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2106天體輻射過程（甲）③3406量子力學（乙）

黃晶

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3397粒子物理（乙）或3406量子力學（乙）

06 核方法及其應用

衡月昆

①1001英語一②2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3397粒子物理（乙）或3402量子場論（乙）

張家文

同上

魏龍

①1001英語一②2229量子力學（甲）③3205固體物理（乙）或3245核技術基礎（乙）或3399粒子物理與核物理實驗方法（乙）

葉銘漢

①1001英語一②2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3406量子力學（乙）

呂軍光

①1001英語一②2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3397粒子物理（乙）或3402量子場論（乙）

吳伯冰

①1001英語一②2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3661天體輻射過程（乙）或3790現代核電子學（乙）

07 粒子加速器物理

高杰

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2313微波技術（甲）③3341加速器物理（乙）

唐靖宇

同上

王九慶

同上

王生

同上

秦慶

同上

徐剛

同上

08 同步輻射技術方法

冼鼎昌

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2229量子力學（甲）③3205固體物理（乙）或3406量子力學（乙）

09 材料物性研究

冼鼎昌

同上

10 核醫學成像技術及應用

單保慈

①1001英語一②2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）或2322腦功能成像（甲）③3245核技術基礎（乙）或3471軟件基礎（乙）或3600數字圖像處理（乙）

魏龍

①1001英語一②2229量子力學（甲）③3205固體物理（乙）或3315計算機技術基礎（乙）或3399粒子物理與核物理實驗方法（乙）

唐孝威

①1001英語一②2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）或2322腦功能成像（甲）③3245核技術基礎（乙）或3471軟件基礎（乙）或3600數字圖像處理（乙）

070205 凝聚態物理

01 同步輻射應用及實驗方法研究

吳自玉

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2229量子力學（甲）③3173高等物理光學（乙）或3205固體物理（乙）

劉鵬

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2330高等物理光學（甲）③3205固體物理（乙）

胡天斗

①1001英語一②2056固體物理（甲）或2295群論（甲）③3173高等物理光學（乙）或3406量子力學（乙）

姜曉明

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2330高等物理光學（甲）③3205固體物理（乙）

董宇輝

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2229量子力學（甲）③3205固體物理（乙）

伊福廷

①1001英語一②2056固體物理（甲）或2338核技術基礎（甲）③3315計算機技術基礎（乙）或3471軟件基礎（乙）或3918真空技術（乙）

陶冶

①1001英語一②2229量子力學（甲）或2330高等物理光學（甲）③3205固體物理（乙）或3949材料化學（乙）

奎熱西

①1001英語一②2056固體物理（甲）或2229量子力學（甲）③3156高等電動力學（乙）或3399粒子物理與核物理實驗方法（乙）或3456群論（乙）

吳忠華

①1001英語一②2056固體物理（甲）或2229量子力學（甲）③3156高等電動力學（乙）或3173高等物理光學（乙）或3399粒子物理與核物理實驗方法（乙）

02 核技術方法物質結構研究

王寶義

①1001英語一②2056固體物理（甲）或2207高等量子力學（甲）③3315計算機技術基礎（乙）或3406量子力學（乙）或3790現代核電子學（乙）

陶舉洲

①1001英語一②2229量子力學（甲）或2342分析化學（甲）③3205固體物理（乙）或3315計算機技術基礎（乙）或3949材料化學（乙）

03 蛋白質結構及功能研究

劉鵬

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2330高等物理光學（甲）③3205固體物理（乙）

董宇輝

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2229量子力學（甲）③3205固體物理（乙）

李敬源

同上

劉全勝

①1001英語一②2340生物化學（甲）③3136分析化學（乙）或3949材料化學（乙）

04 新材料的同步輻射研究

吳自玉

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2229量子力學（甲）③3173高等物理光學（乙）或3205固體物理（乙）

陶冶

①1001英語一②2056固體物理（甲）或2229量子力學（甲）③3173高等物理光學（乙）或3949材料化學（乙）

奎熱西

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2229量子力學（甲）③3173高等物理光學（乙）或3205固體物理（乙）或3456群論（乙）

吳忠華

①1001英語一②2056固體物理（甲）或2229量子力學（甲）③3156高等電動力學（乙）或3173高等物理光學（乙）或3949材料化學（乙）

張靜1

①1001英語一②2344材料化學（甲）③3205固體物理（乙）

070207 光學

01 X射線成像理論及方法

朱佩平

①1001英語一②2325數字圖像處理（甲）或2330高等物理光學（甲）③3156高等電動力學（乙）或3205固體物理（乙）或3406量子力學（乙）

02 同步輻射光學技術及應用

朱佩平

同上

070301 無機化學

01 元素化學與金屬組學

柴之芳

①1001英語一②2340生物化學（甲）或2342分析化學（甲）③3245核技術基礎（乙）或3949材料化學（乙）

豐偉悅

同上

劉宇

同上

王東琪

同上

02 環境與健康

張智勇

同上

03 納米化學與納米材料

趙宇亮

同上

孫寶云

同上

吳海臣

同上

高興發

同上

魏鐘晴

同上

0703Z2 生物無機化學

01 納米生物效應

高興發

①1001英語一②2340生物化學（甲）或2342分析化學（甲）③3245核技術基礎（乙）或3949材料化學（乙）

趙宇亮

同上

孫寶云

同上

高學云

同上

邢更妹

同上

秘曉林

同上

02 納米生物檢測與成像

高學云

同上

魏鐘晴

同上

03 環境健康與化學生物學

吳海臣

同上

王東琪

同上

張智勇

同上

豐偉悅

同上

081203 計算機應用技術

01 大規模數據共享

陳剛

①1001英語一②2333計算機技術基礎（甲）③3471軟件基礎（乙）

02 數據處理環境及軟件

孫功星

同上

03 網格技術

孫功星

同上

陳剛

同上

04 網絡安全技術

孫功星

同上

陳剛

同上

劉寶旭

同上

082703 核技術及應用

01 加速器磁鐵與電源技術

張旌

①1001英語一②2310自動控制理論（甲）③3315計算機技術基礎（乙）或3341加速器物理（乙）

康文

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）③3341加速器物理（乙）

程健

①1001英語一②2310自動控制理論（甲）③3315計算機技術基礎（乙）或3341加速器物理（乙）

02 加速器高頻與微波技術

潘衛民

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2180加速器物理（甲）③3703微波技術（乙）或3968自動控制理論（乙）

裴國璽

①1001英語一②2313微波技術（甲）③3341加速器物理（乙）

戴建枰

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2180加速器物理（甲）③3703微波技術（乙）或3968自動控制理論（乙）

侯汨

①1001英語一②2313微波技術（甲）③3341加速器物理（乙）

孫虹

①1001英語一②2313微波技術（甲）③3341加速器物理（乙）或3968自動控制理論（乙）

趙風利

①1001英語一②2313微波技術（甲）③3341加速器物理（乙）

史戎堅

同上

池云龍

同上

沈莉

①1001英語一②2310自動控制理論（甲）③3315計算機技術基礎（乙）或3341加速器物理（乙）

03 加速器真空技術

董海義

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2180加速器物理（甲）③3918真空技術（乙）

04 加速器控制與束測技術

曹建社

①1001英語一②2001高等電動力學（甲）或2313微波技術（甲）③3341加速器物理（乙）或3399粒子物理與核物理實驗方法（乙）

孔祥成

①1001英語一②2310自動控制理論（甲）③3315計算機技術基礎（乙）或3471軟件基礎（乙）或3790現代核電子學（乙）

王春紅

①1001英語一②2333計算機技術基礎（甲）③3471軟件基礎（乙）或3968自動控制理論（乙）

雷革

①1001英語一②2310自動控制理論（甲）或2333計算機技術基礎（甲）③3341加速器物理（乙）或3471軟件基礎（乙）或3790現代核電子學（乙）

05 加速器低溫超導技術

戴建枰

①1001英語一②2319低溫物理與超導（甲）③3341加速器物理（乙）或3703微波技術（乙）

李少鵬

①1001英語一②2319低溫物理與超導（甲）③3315計算機技術基礎（乙）或3918真空技術（乙）

朱自安

同上

06 輻射防護技術

王慶斌

①1001英語一②2301原子核理論（甲）或2338核技術基礎（甲）③3399粒子物理與核物理實驗方法（乙）或3790現代核電子學（乙）

07 核電子學與核探測技術

劉振安

①1001英語一②2306現代核電子學（甲）③3315計算機技術基礎（乙）或3399粒子物理與核物理實驗方法（乙）

朱科軍

①1001英語一②2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）或2333計算機技術基礎（甲）③3471軟件基礎（乙）或3790現代核電子學（乙）

王錚

①1001英語一②2306現代核電子學（甲）③3205固體物理（乙）或3315計算機技術基礎（乙）或3399粒子物理與核物理實驗方法（乙）

趙京偉

①1001英語一②2146粒子物理與核物理實驗方法（甲）③3790現代核電子學（乙）

江曉山

①1001英語一②2306現代核電子學（甲）③3205固體物理（乙）或3315計算機技術基礎（乙）或3399粒子物理與核物理實驗方法（乙）

08 同步輻射實驗技術及應用

盛偉繁

①1001英語一②2330高等物理光學（甲）③3968自動控制理論（乙）

09 精密機械工程

屈化民

①1001英語一②2180加速器物理（甲）或2316真空技術（甲）③3315計算機技術基礎（乙）或3968自動控制理論（乙）

朱自安

①1001英語一②2310自動控制理論（甲）或2316真空技術（甲）③3061低溫物理與超導（乙）或3315計算機技術基礎（乙）

篇10

近年來，我國癌癥發病率和死亡率呈明顯上升趨勢。然而傳統治療手段不僅針對性低，而且毒副作用明顯，導致藥品無效耗費率高。

中國科學院深圳先進技術研究院醫藥所所長蔡林濤及其團隊最新的研究成果―“以癌治癌”的同源靶向仿生納米載藥體系將為癌癥的診斷和治療帶來新的技術和思路，該論文在線發表在《美國化學會納米》上；幾乎與此同時，團隊另一成果“納米人工紅細胞載氧治癌”也喜獲進展，相關成果發表在《科學報告》上。

找不到癌細胞？試試光敏GPS

蔡林濤團隊給藥物裝上GPS系統，一下子就能找到癌細胞，再用納米材料將“GPS”和藥物打包……

目前，治療惡性腫瘤，絕大多數仍采用手術、化療、放療等傳統方法。而具有毒副作用的化療藥物進入人體后，在殺死癌細胞前，大部分已被肝、腎代謝吸收；同時還可能導致人體正常細胞與器官受損，甚至破壞免疫系統，對病人造成不可逆的傷害。最后，“救命”變成了“要命”，損害癌癥化療患者的生活質量。即便是目前較有針對性的分子靶向治療，也存在療效不穩定、藥價高昂的問題。

“與這些治療方案不同，我們換了一種思路。”蔡林濤說。

先找到病灶，再精準用藥。如何找呢？平時我們走在路上，如果不認路，就打開手機的GPS系統，抵達目的地。蔡林濤團隊則給藥物裝上GPS系統，一下子就能找到癌細胞，再用納米材料將“GPS”和藥物打包。近紅外激光激發后，使腫瘤局部溫度升高，載體發生破壞，藥物得以釋放，從而精準作用于癌細胞，將對其他正常細胞和器官的傷害降至最低。

蔡林濤團隊采用無毒的磷脂或蛋白作為納米材料，制成“納米智能載藥”體系。這一智能體系非常“聰明”，可以“看到”病灶，之后實現“定點、定時、定量”給藥，全程達到可視化精確控制和光學觸發，從而大幅度提高癌癥的治療效果。

“不僅如此，納米光敏劑本身也可以通過光動力治療和光熱治療直接產生作用，殺滅癌細胞。也就是說，對于一些特定的腫瘤，不需要搭載化療藥物，僅使用無毒的敏化劑就可以治病。這就大大降低了治療成本。”蔡林濤介紹。

從科幻大片中獲取靈感

蔡林濤聊起科幻大片中很多通過激光恢復斷肢的情節，受此啟發，團隊開始用納米與光學做嘗試……

多年來蔡林濤團隊主要攻關兩大任務。“一是精確地找到并看到腫瘤，我們一直在做分子探針；另一個是治療腫瘤，也就是用納米的方式包裹藥物投遞進去。”蔡林濤說。

可是，科學研究并不是一帆風順的。

難點在于要保證納米材料既可以靶向和識別腫瘤，同時又對人體無毒副作用。

最初，團隊找到的材料有微量的毒性，不得不放棄。

功夫不負有心人，經過無數次篩選和實驗后，他們終于發現了一種肝臟血管的造影劑，該造影劑不僅有光學成像的特性，可以用于“跟蹤”，而且作為敏化劑一旦用激光引發后還可以產生熱效應和釋放大量自由基，直接殺滅癌細胞，從而實現腫瘤的可視化治療。

用激光當“炮捻子”，引發智能載藥系統，聽上去“腦洞”略大。這樣的奇思妙想是如何迸發出來的呢？

面對這個問題，蔡林濤會心一笑。“做科學研究，要有點科幻精神。之前我們走老路發現并不通暢，化療藥物進入體內往往不能有效控制，但是我們需要有個技術在可視監控下短時間內殺死癌癥細胞而且避免復發，我們就換了換思維方式，嘗試納米光敏劑。”蔡林濤聊起科幻大片中很多通過激光恢復斷肢的情節，受此啟發，團隊開始用納米與光學做嘗試。這一舉動看起來是“腦洞”大開，實際上要歸功于其多學科的學術背景。

瞄準產品化，做多學科“雜家”

至少還需要5年的時間，才能把技術用于臨床。一旦應用，可把現在只能治療食管癌與腔道腫瘤的光動力與光熱治療延伸到更多部位腫瘤的治療……

細數蔡林濤的履歷，不得不說，他是個“雜家”。

蔡林濤涉獵的學科包括化學、材料學、生物學、光學、電子信息學，這般多學科背景源于他豐富的求學及科研經歷。

1995年，蔡林濤從廈門大學化學系博士畢業后，來到南京大學化學系做博士后研究，同時在東南大學生物電子學國家重點實驗室工作。而后，在日本大阪大學產業科學研究所任特別研究員，又在美國萊斯大學化學系與賓夕法尼亞大學電子工程系做訪問學者，最后到波士頓附近的生物技術公司當研究人員。

2008年回國后，蔡林濤加入中國科學院深圳先進技術研究，瞄準國家急需的“納米醫療”技術，這一干就是9年。在這里，依托自身的多學科背景，蔡林濤在納米醫療領域，成為光學精準治療癌癥的開拓者。

在蔡林濤看來，科研工作不僅是發論文，更是要把技術轉化成實實在在服務大眾的產品。

但是蔡林濤坦言，至少還需要5年的時間，才能把“納米智能載藥”技術應用于臨床。“一旦用于醫院，可以把現在只能治療食管癌與腔道腫瘤的光動力與光熱治療延伸到更多部位腫瘤的治療，比如腦瘤與頭頸腫瘤治療。”蔡林濤說。

而5年的時間并不是技術問題，而是需要做納米光敏劑成藥性、規模化工藝生產、藥物臨床報批以及激光光纖技術整合到臨床內鏡的產業化工作。