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《中国激光》第2期专题封面故事-生物组织内纤维状结构的高分辨定量光学成像
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《中国激光》于2020年2月出版“六十载激光与生物医学的融合发展”专题，充分展示了生物医学光子学领域的最新成果及研究进展，所有论文点击查看。本专题封面文章来自于浙江大学丁志华教授课题组。
纤维状结构是生物组织的基本结构形式，胶原纤维、神经元轴突、纤维状细胞群聚（如成纤维细胞）等都以纤维状结构的形式存在于生物体内，并在生命活动中发挥重要作用。 疾病的发生与演化，往往与细胞和细胞外基质（主要是胶原纤维）相互作用的扰动密切相关。这种扰动将带来纤维状结构空间取向的改变，因此，对生物组织内纤维状结构空间取向的定量表征成为了研究疾病，特别是早期病变的手段之一。 目前，国际上对纤维状结构空间取向的定量表征大多还停留在二维分析的水平上，但二维分析方法难以全面、精确地揭示三维结构空间取向的完整信息，限制了检测的灵敏度。近年来，三维空间取向的分析方法开始涌现，并成为了二维方法的重要补充和推进。 浙江大学丁志华教授课题组从方法及应用两个方面，对生物组织内纤维状结构空间取向定量表征进行了系统综述，特别对三维定量分析方法的最新进展进行了介绍。最后，对纤维状结构空间取向精准描述的发展前景进行了评述和展望。 当前国际上对生物组织纤维状结构空间取向的表征仍以二维分析方法为主，运用的取向算法主要包括开运算、傅里叶变换及权重矢量求和等。 开运算法通过旋转算子获得每一个像元的空间取向，算子越长，角度的计算精度越高，但对纤维曲率的分辨本领越低，因此需要选择合适的算子长度。 傅里叶变换法对成像的要求较高，且计算速度受限于所选局域的窗口尺寸，窗口尺寸越小，描述越精细，计算耗时越长。 权重矢量求和法通过窗口内的图像信息构建矢量和权重因子，可以获得图像中任一像元的空间取向，且计算效率优于傅里叶变换方法。 实际上，纤维状结构在生物体内的分布是三维的。随着研究的推进，一些三维空间取向的计算方法被陆续报道，并在生物医学领域取得了成功应用。 Lau等人在之前基于傅里叶变换的二维取向算法上进一步推广，将基于二次谐波方法获得的猪肌腱纤维的三维图像分成若干个小区域，对每一个小区域进行三维傅里叶变换，获得相应的傅里叶变换谱；然后，将变换谱的空间方向与预先设定的三维空间取向数据库进行比对，并将满足最大似然条件的方向定义为该区域内纤维的三维空间取向，如图2所示。 浙江大学刘智毅研究员等对之前的二维权重矢量求和法在三维空间进行推广，获得每一个体素的三维空间取向。其中，方位角 θ 的计算可直接沿用之前的算法，而计算的难点在于极角 φ 。 采用的解决方案是利用角度的转化，如图3（a-e）所示：计算空间中与 θ 对称的另外两个方位角 β 与 γ ，通过角度关系式来表征极角 φ ： 这一方法可以获得三维空间中每一个像元的三维空间取向，且在计算速度上比三维傅里叶变换方法提高了近一倍。 基于三维空间取向，刘智毅等人进一步提出了“三维方向方差”指标，如图3（f）所示，用以表征纤维状结构的三维空间有序度，是“二维方向方差”在三维空间中的延伸。该指标的取值介于0到1之间。越接近于0，表明纤维状结构越接近于完美的平行分布；越接近于1，表明纤维的空间取向越杂乱。 三维方向方差可以在不同的窗口尺寸下展开分析。窗口尺寸的选择可基于研究的具体目标：一般而言，小窗口可以反映纤维个体之间的局域性关联；而大窗口（甚至是三维图像整体）反映大量纤维空间取向的一致性程度。 纤维状结构空间取向的定量化经历了从二维分析向三维分析的过渡。相比于二维分析，三维分析能够更加全面、准确地再现生物组织的空间形貌，在生物医学领域展现出了巨大的潜力。 三维分析对取向信息的描述能够与各种不同的光学成像手段相匹配，包括共聚焦、二次谐波、双光子荧光成像等；在检测目标上，涵盖了包括胶原纤维、神经元轴突、纤维状细胞群聚等生物组织当中的任何纤维状结构，展示了该方法广泛的适用性。 需要特别指出的是，将这一指标直接作为定量病理诊断依据还需要大量的重复性实验，包括不同组织类别、不同病期的多方面验证。在当前条件下，空间结构的精准描述与传统医学手段的综合应用或许是最为有效的手段。尽管如此，这些前期的疾病模型纤维状结构空间取向分析，为进一步实现精细化的病理诊断打下了坚实的基础，对精准医疗有着重要的参考意义。 在生物组织中，还有一些更加微观的纤维状结构，如细胞微管、应力纤维等。早期受制于光学成像的分辨率水平，这些微观纤维状结构的空间取向没有得到充分研究。随着光学超分辨成像手段的不断发展与完善，对这些微观结构的三维动态高分辨成像已成为可能。如果将光学超分辨成像手段与这些空间取向的精准描述方法进一步结合，有可能揭示基本生命过程的一般发展规律，对生命科学的进步将起到积极的作用。 课题组介绍 浙江大学丁志华教授课题组近二十年来专注于生物医学光子学的研究，对光学相干层析（OCT）成像理论与关键技术的发展具有重要推动作用，取得系列原创性重要成果，形成完整体系的专利技术，并基于核心技术研制了系列系统，推动了OCT在健康领域、工业检测领域及国家重大任务中的应用。课题组刘智毅研究员近年来在多光子光学图像的定量化表征及其与疾病关联性研究方面取得了系列成果，实现了多层次、高精度的结构和功能定量。 主持承担的主要科研项目有：国家自然科学基金（重点，面上）项目、国家863课题、浙江省自然科学基金（重点、杰出）项目、新世纪优秀人才支持计划、霍英东教育基金会青年教师基金等。 相关阅读： [1] 沈元星,姚悦,何宏辉,刘少雄,马辉. 非标记、定量化穆勒矩阵偏振成像在辅助临床诊断中的应用[J]. 中国激光, 2020, 47(2): 0207001 [2] 张鹏飞,张廷玮,宋维业,卢奕名,菅一帆. 从小鼠视网膜多种成像方式探讨眼科光学成像技术进展[J]. 中国激光, 2020, 47(2): 0207003 [3] 韩涛,邱建榕,王迪,孟佳,刘智毅,丁志华. 光学相干层析显微成像的技术与应用[J]. 中国激光, 2020, 47(2): 0207004 [4] 李姿霖,李少伟,张思鹭,沈炳林,屈军乐,刘丽炜. 相干拉曼散射显微技术及其在生物医学领域的应用[J]. 中国激光, 2020, 47(2): 0207005 [5] 李文博,沈毅,李步洪. 光学成像技术在光动力剂量监测中的应用进展[J]. 中国激光, 2020, 47(2): 0207006 [7] 张子一,王明雪,刘志贺,房晓峰,吴长锋. 二次谐波在生物医学成像中的应用[J]. 中国激光, 2020, 47(2): 0207008 点击查看同期专题论文—— 点击查看系列专题论文—— 关于《中国激光》： 《中国激光》创刊于1974年，是由中国科学院主管、中国科学院上海光学精密机械研究所和中国光学学会主办、中国激光杂志社出版的学术类月刊，致力于全面报道激光技术领域的新成果、新进展。《中国激光》被EI、Scopus、AJ、CA、INSPEC、CSCD等国内外知名数据库收录，是我国光学领域唯一2次获得 “中国百强报刊”称号的中文学术期刊，并多次获得“百种中国杰出学术期刊”、“中国精品科技期刊”和“中国最具国际影响力学术期刊”等称号。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”支持期刊。
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