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[硕士论文] 季志跃
生物物理学 浙江农林大学 2018(学位年度)
摘要:洛伦兹-高斯类光束由于具有特殊的传输特性,能在特定平面内聚焦在粒子和细胞上产生辐射力,在各类粒子、生物细胞等的捕获及操控等方面具有明显优势和发展前景。本文从理论和实验两个方面研究了基于洛伦兹-高斯类光束的微粒捕获与操控。首先,本文介绍了涡旋洛伦兹-高斯光束经傍轴ABCD光学系统的轨道角动量密度分布情况,拓扑荷为1的涡旋洛伦兹-高斯光束非傍轴传输的轨道角动量密度分布情况,以及任意涡旋洛伦兹-高斯光束非傍轴传输的轨道角动量的计算方法和模拟呈现。然后,通过数值模拟的方法分析洛伦兹-高斯光束对瑞利粒子的捕获情况,以及洛伦兹-厄米-高斯光束对瑞利粒子的捕获情况。最后,基于用Thorlabs透镜套管和笼式组件建立的OTKB/m光镊系统,实现了对直径为10μm左右的酵母菌细胞,直径为8μm左右的玻璃微珠以及直径为4μm左右的聚苯乙烯微球的捕获与操控。同时,在实验的基础上,本文还简要分析了干扰粒子和细胞捕获的若干因素,为扩展光镊系统在生物物理交叉学科的应用前景提供了指导意见。
[博士论文] 姜天宇
药物化学 山东大学 2018(学位年度)
摘要:生物发光作为广泛存在于自然界的一种现象,是萤光素酶催化萤光素,从而将化学能转变为光能的过程,其本质是特殊的化学发光。生物发光与荧光的不同之处,在于不需要外部激发光源,故而不存在机体对外界光的吸收,所以在能量转换过程中的损失几乎等同为零。科学家们对于如何发展生物发光相关技术作出了大量的研究。目前有三类主要的生物发光系统被应用于科学领域,分别是腔肠素类生物发光体系、细菌生物发光体系和萤火虫生物发光体系,科学家们对其相应的萤光素酶和萤光素的研究都较为透彻。腔肠素-海肾萤光素酶生物发光系统是目前已知的必须成分最少的生物发光系统,其机理为海肾萤光素酶氧化腔肠素并释放出波峰在480nm左右的光。而细菌的生物发光是细菌萤光素酶在还原型黄素的辅助下,氧化长链饱和脂肪醛,进而释放出波峰470nm左右的光。本课题选定了腔肠素-海肾萤光素酶生物发光系统和细菌生物发光系统,从小分子底物的结构人手,通过设计、合成新型底物或者分子探针的方法对生物发光体系进行优化以及拓展应用。在腔肠素-海肾萤光素酶系统中,基于腔肠素类似物DeepBlueC,着重修饰其对于生物发光性质有着重要影响的分子骨架咪唑并[1,2-a]吡嗪的C-6位置,从而设计、合成了B、A和T三个系列的新型腔肠素类似物。B系列的结构特点是在骨架的C-6位引入不同的取代苯基或芳香杂环,A系列的结构特点是在C-6引入炔键,T系列的结构特点是在C-6位引入三氮唑基团。对化合物进行了海肾萤光素酶的酶活水平、稳定表达海肾萤光素酶的ES-2细胞水平,和稳定表达海肾萤光素酶的ES-2细胞的裸鼠移植瘤动物模型的生物学评价,结果显示大部分化合物都具备较好的生物发光性质。就整体系列而言,B系列的生物发光特性要优于A系列和T系列,其中部分化合物如B2、B5、B9和B12,在与海肾萤光素酶作用时,相对DeepBlueC,都具有较强的生物发光强度、较长的持续时间、生物发光光谱红移等特点,这些化合物在细胞水平上比DeepBlueC的生物发光特性更优,尤其B2在活体动物体内的生物发光成像测试中的表现也非常突出,强度和持续时间均在腔肠素(CTZ)之上,这使得其具有商品化潜力,有望替代现行的腔肠素作为腔肠素类生物发光系统的底物。在与海肾萤光素酶作用时,A系列化合物和T系列化合物的生物发光强度,相对DeepBlueC没有大幅度的提升。不过,整个A系列化合物的生物发光光谱相较DeepBlueC而言,都有不同程度的红移,A4和A6两个化合物在细胞水平上,在生物发光强度和持续性上都比DeepBlueC更具优势。整个T系列化合物虽然对海肾萤光素酶有响应,但是生物发光特性欠佳,并不是很适合成为海肾萤光素酶的底物。由于腔肠素是一种通用型底物分子,Gaussia萤光素酶/腔肠素也是生物发光成像技术中常见的组合,因此也尝试测试了B、A、T三个系列对于Gaussia萤光素酶的活性。得到的结果显示,B系列的活性相对较好,B2仍然是在发光强度、持续时间、动力学特性方面表现最优的化合物,发光强度上是DeepBlueC的三十多倍,但是远远不及腔肠素。A、T两个系列对于Gaussia几乎没有响应。整体而言,该三个系列的化合物对于Gaussia萤光素酶的响应较差。
  从构效关系的角度来看这三个系列化合物对于海肾萤光素酶的响应,在C-6位保留取代苯基或者是和苯基大小适宜的基团如呋喃基和噻吩基,引入极性较大的基团比如氨基是有益于保持生物发光特性的,因此整个B系列的生物发光活性强于A、T两个系列,吸电子基团的引入,比如说C-6的苯基对位引入硝基,导致化合物的生物发光活性减弱甚至消失。此外刚性较强的基团引入,比如在C-6位引入苯并呋喃基,也使得化合物的生物发光活性较低;三唑环虽然是苯环的电子等排体,在T系列中替代苯环引入在C-6位,但是实验结果证明三唑环的引入反而使得生物发光的活性下降;而在A系列中,由于炔键的引入使得整体分子的刚性增大,可能也影响化合物与萤光素酶的结合,使得A系列化合物的生物发光活性一般。
  针对细菌生物发光系统,利用“Caged”策略,设计开发了首个基于细菌生物发光机理的汞离子探针。该探针利用了汞可以水解二硫缩醛的反应机理和细菌生物发光系统的底物是长链脂肪醛这一特征设计得到。细菌生物发光的底物,葵醛分子中的的醛基是和萤光素酶作用的关键基团。当醛基与二硫醇发生化学反应成为二硫缩醛,这种缩醛状态的分子无法被细菌萤光素酶所识别,便无法产生生物发光。而汞离子具有催化脱除保护基的作用,使得醛基得以暴露,进而被萤光素酶识别,从而产生生物发光。利用生物发光成像技术,该探针可以实现在体外环境对汞离子浓度的定量分析和在体内环境检测汞离子的存在。但是该探针有一些缺点有待改进,如识别汞离子的线性范围有待扩大等。
  由于关于细菌生物发光体系的底物研究并不多,常用的底物多年来仍旧是天然的长链脂肪醛如葵醛,因此针对细菌生物发光体系设计了一系列新型的底物,用以扩大细菌生物发光底物的范围和选择。新底物的骨架由两部分构成,具有荧光性质的荧光团和可被细菌荧光素酶识别的长链醛结构。此类化合物的骨架中具有的荧光团结构使得这些新型化合物具有光学性质和荧光特征。这些选定荧光团的激发波长均在450-470nm左右,与天然底物的细菌生物发光的发射波长相当,而荧光团的发射波长均在510-550nm左右,那么这些化合物极有可能在与细菌萤光素酶作用之后,出现生物发光红移现象,此现象被称为类生物发光共振能量转移(BRET)效应。在评价过这些化合物的生物发光强度、发光光谱、动力学参数、相对量子产率、动物水平成像等方面的考察评价,发现其中的5a,5b,9a和9b具有生物发光特性,可以作为细菌生物发光的底物,其中,表现最佳的是5b。新型化合物相对葵醛,具有更大的极性和更好的水溶性,这些性质在产生生物发光时是有利的。化合物5a和5b相对化合物9a和9b,能诱发更强的生物发光以及良好的生物发光动力学特性。简要分析构效关系,1,8-萘二酰亚胺官能团的引入比2,1,3-苯并呋咱官能团更有优势。化合物5b相比5a,9b相比9a的生物发光性质更优。这说明,12个碳链长度的分子会更加适合与细菌萤光素酶作用。所有的新型化合物的生物发光衰减程度要比葵醛慢,这是新型化合物具有优势的一点。在动物水平的生物发光成像中,化合物5a和5b的表现接近天然底物葵醛。所有化合物均较葵醛,产生了光谱红移。通过生物发光光谱测定和GFP/OPEN比例的计算来验证新化合物的光谱红移,尽管光谱红移并不明显,但这也是首次运用新理念,开发拓展细菌生物发光底物的范围的一次尝试。
  综上所述,针对两类生物发光系统,从小分子的角度设计新型底物来优化生物发光系统,使得新型底物、海肾萤光素酶组合而成的生物发光系统的发光更强、持续时间更长、发射波长红移等,这些都是有助于生物发光系统更广泛应用的特点。而利用细菌生物发光而设计的汞离子探针是第一个生物发光类的汞离子探针,该探针对于如何用生物发光技术来检测汞离子具有重大意义。希望可以在这首个生物发光汞离子探针的基础上,进一步的优化、设计更有实用价值的重金属离子探针,可以更好的检测环境中和生物体内的重金属离子,实现实时监测重金属离子所造成的生物机体损伤成像等。细菌生物发光体系的新型底物的开发,填补了细菌生物发光系统除天然底物外无其他底物应用的空白。上述工作都为后续对于生物发光系统的优化研究奠定了一定的基础。
[博士论文] 龚健科
生物化学与分子生物学 华中科技大学 2016(学位年度)
摘要:对于许多生物而言,把环境中的各种光线变成生物信号让细胞感知的能力是生存的关键,例如:光刺激细菌中的DNA修复和其代谢的变化;单细胞生物的光回避反应;植物中的光合作用和在动物视觉和非视觉的光感知。尽管各种生物个体对光存在着这些各种各样的反应,但在大自然里,人们只知道6种光感蛋白质家族,它们分别是:Rhodopsins,Phytochromes,Xanthopsins,Cryptochromes,Phototropins和BLUF proteins,可以用来转导光信号。线虫已经成为一个日益流行的,作为感官传导研究的模式生物,而且研究发现它们能对蓝光或者更短波长的紫外光有快速且强烈的反应,但是对这种光感受的机制了解还非常少。早前研究发现,这种反应是由膜蛋白LITE-1介导的。LITE-1蛋白表达在多个感觉神经元里,例如:ASJ,AWB,ASK,ASH,ASI,AWC和ADL,并通过这些感觉神经元来起到对短波长光的快速强烈的回避反应。
  我们的研究发现:LITE-1蛋白与上述6种感光蛋白家族并没有同源性,而且其膜上的拓扑学结构与传统的7次跨膜蛋白相反。我们用发酵罐培养的方法,收集大量在肌肉细胞里表达LITE-1蛋白的线虫。并用亲和层析的纯化方法纯化出LITE-1蛋白。我们从线虫行为学和肌肉细胞钙成像的分析,以及LITE-1蛋白的吸收光谱结果来看,LITE-1能吸收紫外光UVA和UVB,而且这种吸收紫外光的能力是依赖于自身的构象实现的。LITE-1蛋白的两个色氨酸残基W77和W328在紫外光UVA和UVB吸收机制中起到重要作用,其中吸收紫外光UVA还有其他两个氨基酸残基S226和A332的参与。因此,与线虫味觉受体同源的LITE-1蛋白是一种新型的光受体蛋白。为了更好证明色氨酸残基在吸收紫外光UVB的作用,我们用遗传工程的手段把色氨酸残基引入了LITE-1蛋白同源的味觉受体GUR-3,结果表明引入的色氨酸能让本来不感受紫外光UVB的GUR-3能吸收紫外光UVB。
[硕士论文] 王玉娇
机械电子工程 哈尔滨工业大学 2016(学位年度)
摘要:近年来生物医学光子学研究发展迅速,光与生物组织间的相互作用及分布规律成为热点研究内容。考虑到组织结构的多样性和生理状态的复杂性,准确地描述出光传输规律十分困难,这需要获取完备的光学特性参数以建立组织模型。同时组织的生理、病理状态和光学参数密切相关,因此光学参数的测量是生物医学光子学的研究重点,在临床光诊断和光治疗中具有重大的理论和实际意义。
  蒙特卡罗算法常用来考察粒子的追踪问题,它的精度极高,常常作为理论模型的非实验性检验标准。本文采用蒙特卡罗算法探究光子在组织内的传播规律,其基本思想是模拟光子与介质粒子的相互作用,并通过若干次独立重复实验来统计每个光子的运动轨迹,进而得到宏观的光传输情况。
  首先本文论述了光在生物组织中的传播规律,从光子传输理论和漫射近似理论出发,给出了三种不同的近似边界条件,得到了稳态情况下的光分布理论模型;以蒙特卡罗算法作为标准结果,对理论模型的精度和适用范围进行了验证。
  然后本文对生物组织光传输的蒙特卡罗算法进行研究。根据现有的稳态蒙特卡罗算法,建立了多层生物组织模型,用卷积方法分析了光束半径对光分布的影响;对现有算法进行了优化与改进,得到了时域蒙特卡罗算法,实现了漫反射率光谱的记录,并依据漫射近似理论验证了算法的准确性;在不同探测位置下,分别考察了吸收系数、散射系数、各向异性因子和相对折射率对仿真结果的影响。
  最后本文对组织光学参数进行实验测量。分别搭建了空间分辨和时间分辨的光学参数检测平台,并详细给出了实验原理、设备型号以及相关参数;以组织样品块为研究对象,测量了样品的漫反射率信号,并利用Matlab Cfool工具箱和编写的拟合程序对实验数据曲线进行光学参数反演;同时本文对拟合理论模型的选取和拟合范围的确定进行了深入讨论,有效地提高了测量精度,并与样品块的标准值进行了对比和分析。
[博士论文] 王艺森
光学工程 天津大学 2016(学位年度)
摘要:生物光子学是光学与生物学高度交叉的前沿领域,飞秒激光技术的进步,为生物光子学提供了一系列新技术、新方法、新思路、新理论。目前基于飞秒激光的生物光子学已经在多光子成像、细胞显微操作等领域得到了深入的研究和广泛的应用。然而,此前飞秒激光刺激对细胞的影响和损伤机制的研究相对粗糙,飞秒激光脉冲和细胞相互作用的机制本身,以及细胞对飞秒激光刺激的应激反应等问题却一直尚未清晰阐明。在这样的大背景之下,本文研究了飞秒激光刺激对细胞过程的影响和调节机制,提出了新的飞秒激光调控细胞内分子行为的方法,并进一步发展了超快成像技术。
  本文首先综述了基于飞秒激光的生物光子学的进展、近年来研究的关键问题与发展现状。接着,作为相关生物分析的基础理论,简要介绍了钙离子的相关背景,包括钙离子的存储、生理作用、与之相关的分子信号等。进一步地,介绍了基于飞秒激光器、共聚焦显微镜、CCD等设备构成的显微操作系统,并讨论了在此系统之上使用飞秒激光调控细胞内钙离子浓度变化的实验现象和相关机理。
  在以上内容的基础上,我们发现,飞秒激光可以进一步调节细胞内的多种分子行为。通过精细地调节飞秒激光曝光刺激,可使其对HeLa细胞内钙离子进行释放或维持细胞的高钙水平,这种机制可以使得钙调磷酸酶充分将转录因子NFAT去磷酸化,从而激活NFAT的表达链路,使其在光刺激之后入核,启动相应的下游基因的表达。我们在实验上实现了飞秒激光对转录因子NFAT入核过程的调控,作为原理性的验证,实验中使用了荧光素酶报告基因做了检测。进一步地,我们使用飞秒激光对细胞的刺激,可以直接调控细胞自身的TNF-α等基因的表达。更进一步地,我们将这种技术应用于人类间充质干细胞(MSCs)中,实验上实现了飞秒激光对间充质干细胞内钙离子浓度的调控,并且对干细胞内的转录因子Runx2、Osterix等具有一定的影响,这种光刺激方法在诱导干细胞分化领域具有一定的应用价值。
  然而,飞秒激光刺激对于细胞的损伤是不可忽略的。我们发现不管是飞秒激光的单次短时间刺激,还是低功率连续激光扫描,都会影响细胞自噬水平。我们系统性地观测了不同的激光刺激对于细胞自噬的影响,分析了两种刺激机制,论证了细胞自噬对于光刺激的敏感性。我们认为,激光对于细胞的刺激,即使相对安全,不会对细胞活性造成较大影响,但依然会引起细胞自噬等过程。在飞秒激光的刺激下,线粒体可能是自噬体膜的来源之一。
  由于飞秒激光作用于细胞属于超快行为,所以对超快行为的观测具有着重要的意义。本文最后介绍了STEAM、STAMP、FIRE等几种超快成像技术,论述了这些技术的技术特点、发展现状以及应用场合等问题。实验上参与设计搭建了新型FIRE成像系统,得到了荧光成像图样,并对实验中遇到的一些细节问题做了实验上的探索以及总结。本文的一系列工作探索了飞秒激光对细胞刺激带来的影响,为光学方法对细胞过程和功能的调控提供了全新的理论和技术基础。
[硕士论文] 张胜
生物医学工程 西安电子科技大学 2016(学位年度)
摘要:切伦科夫荧光成像(Cerenkov luminescence imaging,CLI)能够使用光学成像仪器实现医用同位素的放射性衰变信号的可视化,这一特性吸引了人们越来越多的关注。但是切伦科夫成像存在着信号微弱、组织穿透性差、靶向性差等缺陷,严重的限制了该技术的应用和发展。基于这一情况,本文提出了辐射发光成像这一新型成像方式。辐射发光成像是以放射性核素衰变产生的高能粒子(α,β,γ等)激发辐射发光材料从而发射出荧光信号来进行成像的一种新技术,与切伦科夫成像相比有两个大的优势:一、辐射荧光比契伦科夫荧光信号强1~2数量级;二、辐射发光材料可以被修饰成具有靶向性的探针来实现特定疾病的分子靶向成像。
  本研究主要内容包括:⑴介绍了辐射发光成像的原理和去除噪声方法,搭建了辐射发光成像系统,并进行了系统性能验证。⑵开展了二维辐射发光成像研究。使用辐射发光材料Gd2O2S:Tb进行二维辐射发光成像研究,成功得到了二维融合辐射发光图像,与PET-CT三维重建图像进行对比发现,辐射发光成像可以准确获得辐射发光材料的分布,验证了辐射发光成像的可行性。⑶开展了辐射发光断层成像研究。使用辐射发光材料Gd2O2S:Tb在仿体模型和小鼠模型上进行了辐射发光断层成像研究,结合光学断层成像理论成功获得了辐射发光材料的三维空间分布。通过将辐射发光断层成像结果和 CT影像在二维截面和三维体数据上的融合,验证了辐射发光断层成像能够精确重建出深部组织内辐射发光材料的三维空间分布。
[硕士论文] 朱志远
生物医学工程 西安电子科技大学 2016(学位年度)
摘要:相对于单一模态的分子成像设备,多模态分子影像设备具有明显的优点,因此多模态分子影像设备的研发越来越受到人们的关注,国内外多家研究机构已经开展了相关的研发工作。本实验室根据自身的情况,并结合之前对分子成像技术的研究,致力于研发光学/PET/Micro-CT三模态成像设备。机电系统在多模态成像过程中起着重要作用,它决定着系统的扫描方式,其机械精度对系统的成像质量具有重要影响。本文基于如上需求,研发承载光学/PET/Micro-CT三模态成像系统的机电系统。
  本研究主要内容包括:⑴机械系统的设计与性能测试。首先了解光学/PET/Micro-CT这三种成像模式的融合方式,调研国内外各个机构的的多模态成像设备的机械系统,然后根据我们的多模态成像系统的设计目标及参数要求,完成机械系统的总体方案设计。系统总体方案确定之后,具体设计了其各个模块,主要包括转动支撑模块、传动模块、动力模块和小动物移动支架等。设计完机械系统之后,对机械系统的核心零件进行了受力仿真分析,仿真结果验证了机械设计的可靠性。最后,对加工完成的机械系统进行了相关的系统参数测试实验,主要包括系统主轴的端跳和径跳实验,转盘的端跳实验等,实验结果表明该机械系统达到了前期的设计要求。⑵运动控制方案的设计与实现。在完成机械系统的设计以后,还需要设计出运动控制系统,主要包括系统转动控制系统和系统平动控制系统。控制系统好坏决定机电系统的运动性能以及运动参数的优劣,由于多模态成像系统对机械运动的性能要求较高,所以我们为系统转动控制系统设计出了双闭环控制方案,它包括大闭环和小闭环,大闭环主要修正回转轴的转动误差,小闭环修正电机的转动误差。我们还设计出了系统平动控制方案,然后我们根据控制方案具体设计出运动控制系统,主要工作是控制器件的选择以及控制系统的搭建。系统转动控制是系统运动控制的核心,因此设计出了多组实验来验证控制系统的性能,主要包括电机旋转精度校准实验和系统转动测试实验,实验结果表明,控制系统满足多模态系统的要求。
[硕士论文] 郭军
生物医学工程 西安电子科技大学 2015(学位年度)
摘要:在生物学成像过程中,样品本身的自发荧光和成像过程中显微镜系统产生的随机噪声会导致所采的图像模糊不清。目前基本都是在过表达状态下观察感兴趣的蛋白分子,但是这可能会导致一些负面的结果,影响实验结果的准确性,如细胞毒性和dominant-negative现象,这些缺陷限制了一些低拷贝基因操作技术的应用。然而生理状态下蛋白分子的表达量很低,信号很弱,如何在高背景中检测到我们所需要的微弱信号,一直是人们思考的问题。
  本研究分为三个部分:第一部分主要介绍了调制光学成像的原理并介绍了相应的两种解调方法:光学锁相解调;傅里叶变换解调。它是利用两种波长激光之间快速切换来调制发射出的荧光,由于自发荧光和随机噪声不被调制,所以经过解调后可以恢复微弱信号。由于需要对荧光进行调制,所以选择适合的荧光蛋白非常重要,这部分还介绍了rsEGFP2这种光切换蛋白的性质。第二部分主要介绍了全内反射成像系统(TIRFM)的搭建,包括多路激光耦合,多功能荧光照明器的搭建以及使用micromanager软件控制整个显微镜硬件。由于全内反射成像是通过消逝波来进行照明,照明深度只有100nm左右,所以这种照明方式能很大程度抑制离焦的散射光,配合具有检测单个光子能力的电子增益电荷耦合检测器件(EMCCD),整套系统具有非常灵敏的微弱信号检测能力。第三部分主要介绍了使用这两种解调方法分别对Hela细胞中的actin和线虫中的内质网进行成像,比较了各自的优缺点,并讨论了它们的适用条件。
[硕士论文] 张驰
生物医学工程 西安电子科技大学 2015(学位年度)
摘要:分子影像(Molecular Imaging,MI)是应用分子影像技术在细胞、分子或基因水平上对生物体内的生理或病理过程进行成像研究的一门学科,这种技术在最近几年得到了很大的关注和迅速的发展。它是一种在体探测方法,能够无创、连续、快速地获得体内光学分布图像,可以将一些病理或生理过程用图像直观地表达出来,以便为疾病的早期诊断提供信息。鉴于生物自发光断层成像(BLT)生化反应在时间上不可控制的缺点和激发荧光断层成像(FMT)带来的自体荧光和激发光干扰的缺点,在此使用了长余辉荧光材料进行断层成像来有效避免前两种成像方法的缺点,并达到断层重建的目的。
  本文围绕长余辉材料用于生物断层成像重建,用基于正规则正交最小二乘方(Regularized Orthogonal Least Squares,ROLS)算法对实验数据的重建结果来说明长余辉材料用于生物成像的可控性、低噪性,以及基于ROLS算法的长余辉荧光断层重建(Persistent Luminescence Tomography, PLT)重建的准确性。主要内容包括:⑴从长余辉材料的性质出发,受生物组织对光的透过性和长余辉材料的余辉强度的衰减特性的启迪,对长余辉材料SrAl2O4:Eu,Dy的激发光和发射光的光谱进行了分析,对长余辉衰减规律进行了曲线拟合,并对多次激发进行了实验研究,最后得出了多次激发相对独立的时间点,以便后续工作的进行。⑵结合正交最小二乘方(Orthogonal Least Squares,OLS)算法和正则化正交匹配追踪(Regularized version of Orthogonal Matching Pursuit,ROMP)算法,提出了ROLS算法。实验中,在相对独立时间点上采集多位置点激发的光学信息,并对其进行了基于ROLS算法的PLT光源重建。
[硕士论文] 高学远
生物医学工程 西安电子科技大学 2015(学位年度)
摘要:飞速发展的分子影像技术,可以实现疾病的早期诊断,该技术涉及学科广泛,能够从生物体的细胞和分子水平对生物组织的病理和药品的药效进行观测,并可以实时甚至提前观测出组织结构的变化趋势。在各类分子影像技术中,生物自发光断层成像技术(bioluminescence tomography,BLT),由于其独特的有点,比如高灵敏性、高安全性、低成本以及高特异性等方面的优势,是目前研究的热点。本文主要研究并改进生物自发光断层成像方法。在生物自发光断层成像技术中,为了解决重建的病态性问题,通常需要融合生物体的结构信息。但现有的融合结构信息的生物自发光断层成像方法仍存在以下问题:为了获取组织的高对比度的Micro-CT数据,成像时需要对小鼠注射 CT造影剂,容易造成小鼠死亡,给小鼠连续观测带来了不便;在从Micro-CT数据获取小鼠各个组织器官结构信息的时候,需要手动分割,耗时耗力;Micro-CT增加了生物自发光断层成像系统的复杂度和成像成本。
  本文针对以上三个问题出发,研究了基于CT数据的图谱分割方法的BLT重建和基于结构光图谱分割方法的BLT重建方法。首先提出了一种基于CT数据的图谱分割方法的BLT重建。该方法构建了一个小鼠的CT图谱,利用构建的CT图谱,通过图像配准的方法,对小鼠Micro-CT数据进行图谱分割,快速得到小鼠各个器官的结构信息。为了验证方法的有效性,设计了两组实验:第一组是利用该方法和小鼠注射造影剂并手动分割的对比;第二组是该方法直接应用并对重建结果进行评估。通过实验的结果表明,该方法能够解决重建过程中,获取小鼠结构信息时需要注射CT造影剂和手动分割Micro-CT数据耗时耗力的问题。其次,搭建了结构光扫描系统以采集小鼠的三维结构光数据,并提出了基于结构光图谱分割方法的BLT重建。利用之前构建的小鼠CT图谱,利用薄板样条鲁邦性匹配算法,对小鼠的结构光数据进行图谱分割,得到小鼠的结构信息,并进行光学重建。为了验证方法的有效性,设计了一组实验验证。通过对光学重建的结果的评估,验证了重建方法的可行性,证明了该方法可以解决光学重建中小鼠结构信息获取方法存在的所有问题,但重建精度方面,仍需要进一步提高。
[硕士论文] 王钏
生物医学工程 西安电子科技大学 2015(学位年度)
摘要:医学成像技术特别是血管成像技术对于疾病的诊断和治疗发挥着越来越重要的作用,大量数据表明,心血管疾病已经成为造成世界人口死亡的主要疾病之一,而血管图像分割技术在心血管疾病的诊断和手术治疗等方面已经发挥了重要的作用,因此,从临床应用的角度来看,对于血管图像分割技术的研究意义重大。
  本文研究了基于卷积神经网络的血管图像分割,主要内容包括:⑴实现了基于三维多尺度线性滤波器的颈动脉分割。三维多尺度线性滤波器主要包含边界扩充、bi-Gaussian滤波和vesselness计算三个模块,实验结果表明三维多尺度线性滤波器可较好的分割颈动脉;⑵实现了基于卷积神经网络的神经元细胞膜及颈动脉分割,并分析了网络参数和训练参数对分割正确率的影响;⑶实现了基于卷积神经网络的小鼠下肢血管图像分割,对比分析了卷积神经网络和三维多尺度线性滤波器的分割效果,实验结果表明卷积神经网络可更好的分割小鼠下肢血管。
[硕士论文] 郭魁
生物医学工程 西安电子科技大学 2015(学位年度)
摘要:荧光成像利用光作为媒介来观测生物体分子水平以及细胞水平的活动,从而对在体的生物过程进行定性或者定量的分析和研究。荧光成像的优势有:对被试体具有无创性、成像价格低廉、近红外荧光穿透力强等。荧光成像采用的荧光标记物可以是一种或者是多种,将特异性的荧光标记物注射到活体内,荧光标记物靶向癌细胞等目标,从而检测和定位目标。荧光标记物发出的荧光随着光传播距离的增加而成倍地减弱,而自体荧光信号保持恒定不变,生物组织的自体荧光限制了成像的准确性。由于自体荧光的存在,荧光标记物的信号会受到干扰,严重时甚至会淹没有用的信号,导致目标定位误差。为了更加准确地检测和定位目标,需要对获取的信号进行预处理,去除自体荧光信号。
  本文研究了基于盲源分离的几种自体荧光去除方法,并通过仿真数据和在体数据对自体荧光去除效果进行了分析和研究。首先研究了主成分分析和稀疏非负矩阵分解方法。实验结果表明,主成分分析和稀疏非负矩阵分解方法均能进行自体荧光去除并且提取出相应的荧光光谱曲线,但存在自体荧光去除不彻底的问题。为改善自体荧光去除性能,研究了另外一种自体荧光去除方法,该方法在稀疏非负矩阵分解方法的基础上引入正则化项,即:基于稀疏约束正则化非负矩阵分解,从而提高算法性能。本文在仿真数据以及在体实验数据的基础上对这几种方法性能进行了详细的对比和分析,通过对比和分析结果可得:在这三种方法中,基于稀疏约束正则化非负矩阵分解自体荧光去除的效果最好。
[硕士论文] 于海霞
工业工程 南京邮电大学 2014(学位年度)
摘要:随着光学成像技术的快速发展,生物光学成像成为人类从微观的角度认识有机体的生命动态过程和细胞/组织的病理研究的重要手段。目前,生物光学成像主要分为两类:荧光生物成像、磷光生物成像。其中,用于荧光成像的有机荧光染料的研究较为广泛。然而,荧光寿命短、光漂白、低量子效率等缺点限制了荧光染料在成像领域的应用,这使得开发新的生物探针具有重要意义。磷光配合物,如Pt(II)、Ru(II)、Re(I)、Ir(III)、Cu(I)、Au(I)以及Os(II)配合物,作为生物探针近年来成为研究的热点。铱配合物具有发射寿命长、发光效率高、发光颜色可调、可见光激发等优异的光物理性质,并且化学稳定好,生物相容性好,这些突出的性质使其在细胞生物学成像方面应用有较大潜力,进而近年来引起了人们的广泛关注。
  我们对磷光配合物在生物标记和成像方面的应用也进行了积极的探索。本论文中我们设计、合成了用于实现不同检测功能的磷光配合物,两种离子型铱配合物:一种基于醛基官能团与氨基酸的特异性成环用于检测半胱氨酸/高半胱氨酸;一种基于对氧气的敏感性实现氧传感。
  1.半胱氨酸/高半胱氨酸细胞探针。半胱氨酸/高半胱氨酸是人体中非常重要的两种氨基酸,这两种氨基酸浓度异常会引起严重的心血管疾病。目前用于检测这两种氨基酸的磷光探针报道的较少,因此,我们进行了进一步的研究。我们设计合成了三种离子型铱配合物,它们的N^N配体相同,通过改变C^N配体实现光物理性质的调控,并通过实验比较这三种磷光配合物探针的对半胱氨酸/高半胱氨酸的检测性能。滴定实验结果表明,随着半胱氨酸/高半胱氨酸的逐渐加入,配合物1混合溶液在570 nm的发射峰强度明显增强;配合物2混合溶液在488 nm的发射峰强度变化不大,594 nm的发射峰强度明显增强,实现了对半胱氨酸/高半胱氨酸的比率法检测,并且磷光配合物发射寿命长的优势可采用时间分辨技术消除背景荧光的干扰,均有利于提高配合物2磷光探针检测的信噪比;配合物3混合溶液在558 nm的发射峰强度明显减弱,并发生约5 nm光谱红移。同时,我们进行了三种配合物磷光探针对包括半胱氨酸/高半胱氨酸在内的19种氨基酸的选择性测试,实验结果表明,配合物2磷光探针的检测效果最为明显,半胱氨酸/高半胱氨酸的加入能引起探针溶液发射显著增强,对其它氨基酸的响应信号较弱,说明配合物2磷光探针对半胱氨酸/高半胱氨酸具有良好的选择性。细胞成像收集488 nm和594 nm双通道信号,用配合物2磷光探针培养的细胞的磷光发射强度约为空白组发射强度的5倍,说明在细胞中配合物2磷光探针对半胱氨酸/高半胱氨酸同样具有较好的检测效果,MTT毒性实验结果证明配合物2磷光探针具有较低的细胞毒性。因此,较好的细胞穿透性、较低的细胞毒性和对半胱氨酸/高半胱氨酸较好的响应性证明配合物2磷光探针可作为细胞探针较好地对半胱氨酸/高半胱氨酸进行细胞成像。
  2.乏氧检测细胞探针。氧气参与人体供能系统,是维持人体正常的生命活动必需的重要组分,同时,氧气浓度的异常也可作为人体病变的指示。目前,用于乏氧检测的探针较少,如聚合物辅助的配合物探针,该探针虽然使其生物毒性得到降低,但该交联分子的发光相对较弱,乏氧前后的磷光强度改变相对较小,使得细胞成像的效果不明显;用离子液体介质使乏氧探针在溶液中具有较好的检测性能,但适用于生物细胞环境中会存在一定的局限性。因此,开发具有高效的、可用于生物细胞成像的磷光探针具有重要的应用价值。我们设计合成了三种离子型铱配合物细胞探针,探针S1对较低的氧气非常敏感,能在0-1%(pO2)低氧范围内实现对氧气的定量检测;在0-20%(pO2)范围内,随着氧气浓度的逐渐降低,探针S2的发射小幅度增强,探针S3的发射显著增强,具有较好乏氧检测效果。同时,我们对探针S3进行了细胞成像和毒性检测,实验结果表明:探针S3能进入细胞并对胞浆染色,细胞的发光强度也在乏氧培养后明显增强,并且具有较低的细胞毒性。此外,我们采用了时间门技术对乏氧前后的细胞进行了表征,结果表明:在250 ns-400 ns的时间区段内,含有氧气培养的对照组的细胞磷光强度非常低,而在相同的时间间隔内,乏氧条件下的实验组仍具有一定的发射强度,该实验结果进一步证明了探针S3是良好的氧传感细胞探针。
[硕士论文] 段青青
光学工程 山西大学 2014(学位年度)
摘要:一氧化氮(NO)作为重要的信号转递分子,在多种生理过程包括心血管系统,神经系统以及免疫响应和细胞凋亡中具有重要的作用。近年来随着光生物学和光动力学治疗的快速发展,光活性的NO供体受到研究者越来越多的关注。如何把NO输送到特定的生理靶位,以及定时定量的控制NO的释放具有重要的意义。而光物理和光化学的方法具有更多的优点:比如可以方便地控制时间、剂量、特定的位置释放,从而达到有效调控生理过程的目的。
  由于特殊的光反应性和稳定性,钌与一氧化氮{Ru-NO}的配合物受到研究者特别的关注。特异性光敏感的{Ru-NO}配合物的发现和利用,对于NO供体的设计,生理过程的调控以及开发疾病治疗新的方法均具有重要的意义。
  在本文中,我们利用多种测定 NO自由基的方法,定量地测定了不同构型 cis和 trans-[Ru(OAc)(2mqn)2NO]配合物,在不同光激发条件下 NO自由基的解离及其释放量;比较研究了该类配合物与生命遗传信息载体-DNA分子之间的结合和作用;探究了该类配合物在光照条件下对不同肿瘤细胞株细胞生长的抑制活性。获得了通过调节光激发,定量地调控不同构型[Ru(OAc)(2mqn)2NO]配合物释放NO的基本方法,建立了通过光照射不同构型[Ru(OAc)(2mqn)2NO]配合物,提高其对肿瘤细胞生长活性抑制的实验方法。
  本文主要研究内容包括:
  一、介绍和总结了NO的生理作用及其相关的研究进展状况,分析了近年来光诱导NO自由基的解离反应。
  二、利用电子顺磁共振( EPR)技术和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS),证实了光诱导不同构型cis和trans-[Ru(OAc)(2mqn)2NO]配合物中NO自由基的解离和NO自由基的释放。利用NO选择性电极定量测定了不同光照条件下NO自由基的释放量。
  三、利用荧光光谱法研究了不同构型cis和trans-[Ru(OAc)(2mqn)2NO]配合物与 CT-DNA的结合作用,并计算了其猝灭常数。阐明了光照条件下,不同构型[Ru(OAc)(2mqn)2NO]配合物对pBR322DNA切割的机制。
  四、利用标准 MTT法测定和分析了,在无光照条件和光照条件下,不同构型cis和trans-[Ru(OAc)(2mqn)2NO]配合物对Hela,HepG2和C6肿瘤细胞生长的抑制活性。
[博士论文] 刘伟
光学工程 天津大学 2013(学位年度)
摘要:CARS显微成像技术的发展为生物学成像带来了新的解决方案,广泛应用于脂类分子的显微观察,特别是活胞内和活体内的脂类分子成像。CARS显微成像技术可以在无需外援性标记的情况下,根据物质分子的振动或者转动特性获得反斯托克斯信号,灵敏度高具有良好化学特异性及三维层析能力。然而受衍射极限限制,目前CARS显微成像技术的空间分辨率仅能达到横向约300nm,轴向约800nm。如何突破衍射极限限制,获得纳米尺度的空间分辨率成为目前研究CARS显微成像技术的首要任务。
  本论文基于全量子理论分析时间分辨CARS,理论上提出一种突破光学衍射极限限制的CARS显微成像方法,并计算了超分辨体积元内的最小可探测分子数,这是开展超分辨CARS显微成像实验研究的重要前提。完成了聚苯乙烯微球亚微米空间分辨率的CARS显微成像,并对系统分辨率进行了标定,为实现突破衍射极限限制的CARS显微成像奠定了基础。本论文主要研究内容和创新点是:
  (一)采用全量子理论分析时间分辨CARS过程,在得到信号强度表达式的同时,分析了激发光的定义域,从而克服了半经典理论处理CARS过程的缺陷。
  (二)理论上提出一种附加探测光引起声子耗尽的超分辨方法。该方法通过引入一束波长不同的环形附加探测光与爱里斑周边的相干声子作用,从而实现点扩展函数的改造,获得小于衍射极限限制的空间分辨率。
  (三)对CARS超分辨显微成像系统的探测极限进行分析,确定超分辨体积元内的最小可探测分子数目,对CARS超分辨实验研究具有重要的指导意义。
  (四)用labview控制纳米定位台与探测器,实现自动扫描,用Matlab程序编写成像代码,完成了聚苯乙烯微球的亚微米空间分辨率CARS显微成像,并对系统分辨率进行了测试。对影响分辨率的因素进行分析与计算,为实现突破衍射极限限制的CARS显微成像奠定了基础。
  (五)采用单频CARS方案,对声子耗尽进行实验验证。对实验结果进行分析,并在后续的实验中进行改进。对形成环形光的螺旋相位片的理论与实验分析,并对超连续谱光源进行了理论分析。
[硕士论文] 刘奇
物理电子学 武汉理工大学 2013(学位年度)
摘要:对生物组织的光学参数进行在位精确测量,是生物医学领域中的重要研究内容,是光学在生物医学领域进行基础研究和临床应用的重要前提。生物组织光学特性参数的测量在组织类型识别、肿瘤定性分析和外科手术导航等研究领域具有重要的研究意义。如何用数学方法研究光在具有分层组织中的传输过程以及如何根据测得的漫反射率和光通量的数据来反演出该分层组织的各层光学特性参数,这两个问题目前没有得到很好的解决。蒙特卡罗(Monte Carlo)方法是解决光在生物组织中传输的有效方法。本文利用Wang Lihong博士编写的CONV程序和Erik Alerstam等人编写的CUDAMCML软件对分层模型进行仿真,以仿真得到的漫反射率和光通量数据作为输入,分层组织的散射系数和吸收系数作为输出,建立BP人工神经网络,对分层组织的光学特性参数进行了反演研究。本文的主要工作有:
  (1)使用蒙特卡罗模拟方法研究光在分层组织传输的具体流程。
  (2)使用蒙特卡罗模拟程序对单层、双层、三层模型进行仿真,改变单层、双层、三层模型的光学特性参数,通过仿真得到不同光学特性参数下漫反射率和光通量的数据,分析光学参数和漫反射率的关系;对模型内部的光场进行图像重建,通过光场图像分析光学参数和和光通量的关系。
  (3)使用BP神经网络算法,利用蒙特卡罗模拟程序建立以漫反射率或者光通量作为输入,散射系数、吸收系数作为输出的训练数据库和验证数据库,利用训练数据库对BP神经网络进行训练。利用验证数据对训练好的BP神经网络进行验证,对验证结果进行误差分析。
  (4)使用Matlab中的GUIDE工具,结合BP神经网络,对光学特性参数反演系统进行可视化编程设计。在系统软件中导入以光通量为输入,散射系数、吸收系数为输出的训练数据库和验证数据库,实现了通过已知光通量数据精确预测组织模型的散射系数和吸收系数。
  误差结果表明,BP神经网络可以对分层组织的散射系数和吸收系数进行高精度的预测,本文设计的光学特性参数反演系统能够为医学临床诊断和治疗提供参考信息,因而具有一定的实用价值。
[硕士论文] 刘晔
光学工程 南京理工大学 2013(学位年度)
摘要:生物组织中的传热规律是人们一直以来感兴趣并且在研究的问题,不同模型中的生物传热计算技术在医学设备的开发中占据了重要的地位。本文根据经典的Pennes生物传热方程,推导出离散化后的生物传热公式,根据不同类型的边界条件,建立了一维和三维生物模型,确立了解决生物组织中热传递问题的MonteCarlo算法。然后将第一类边界条件及第三类边界条件下一维热传递的MonteCarlo算法结果与一维稳态热传输的理论解相比较,验证了MonteCarlo方法的可行性。接着将MonteCarlo方法扩展到三维生物模型中,得出了在此情况下生物组织内温度分布情况,并分析了含有内热源时对计算结果的影响。根据MonteCarlo算法计算出的含有内热源的生物组织表面的温度分布后,对表面温度进行密度分割,显示出伪彩色图像,模拟出了红外热像图,便于对异常高温的组织区域进行观察。最后尝试采用一种作图法来获取内热源的深度信息。对于点热源,先作出ρ2/(t0-t)曲线,然后直接采用作图法计算深度值;对扩展热源,先用盲去卷积算法来对扩展热源的ρ2/(t0-t)曲线进行修正,再用作图法计算深度,所得结果的精度比未采用盲去卷积算法修正时提高了40%,达到了较为理想的效果。
[硕士论文] 杨美娜
微生物与生化药学 济南大学 2012(学位年度)
摘要:生物光子辐射是一个普遍的生命现象,存在于各种动物、植物、藻类及微生物系统之中,它的强度极弱(典型量级为100光子/s.cm2),呈现连续光谱,其光谱范围为200-800nm。生物光子辐射来源于生物分子从高能态到低能态的跃迁,对于生物系统内部的变化和外界环境的影响有高度的敏感性,它与生物体的氧化代谢、信息传递、光合作用、细胞分裂、癌变、死亡及生长调控等基本生命过程存在着内在联系,已成为生物光子学的重要研究方向之一。生物光子辐射涉及不同的学科和领域,特别是分子生物学、生物化学、量子光学、非平衡统计物理学、信息论、光电探测理论等。几十年来,各国科学家做了大量的理论和实验研究,虽然对其产生的机制还有许多争议,但由于生物光子辐射能提供生命系统丰富的生物信息,它已经在食品、医学、制药、农业、环保等领域得到了广泛的应用。
   生物光子的探测和分析能够获得被测样品的微观信息,监测所处环境的微弱变化,其快速、简便、无损,开发及应用前景广阔,所能产生的社会效益和经济效益是不可估量的。对于生物光子辐射,无论是其发光机制的理论研究还是实际检测应用在很大程度上都取决于探测仪器的进展,目前国内尚没有生产该类仪器的厂家。我们利用现有的先进的光学元器件独立设计并搭建了一套高性能高灵敏度的生物延迟发光检测系统及一套人体自发光子辐射检测系统,并将其用来检测各类生物样品的光子辐射,并进行了相关的测试和实验研究。
   本论文进行的主要工作有:
   1.独立设计并搭建了一套高性能高灵敏度的生物光子延迟发光检测系统。仪器由激发光源、样品室、光电倍增管、光电倍增管制冷系统、多通道光子计数器、数字延迟发生器、数据处理等几部分组成。该系统能够测量生物样品包括新鲜植物、药品粉末等各种样品光激发后的延迟发光衰减曲线,探测灵敏度达到10-17W/CI112。
   2.设计并搭建了一套高灵敏度的测量人体自发发光光子辐射的系统,该系统包括光电倍增管、光电倍增管制冷系统、多维电控精密定位系统等。其中多维电控精密定位系统由位移架、驱动电机及运动控制台组成,导轨的最小运动步长能控制在1mm之内,运动控制器能实现光电探测头的X、Y、Z、T1、T2五轴运动。光电倍增管通过多维电控精密定位系统能实现3600旋转,还能作前后左右摆动,最小移动角步长达1°,能实现人体不同部位的精确定位,从而测量不同部位的光子辐射。
   3.测试了几种中药药品粉末(山药、白芍、山奈)的延迟发光,结果显示不同生物样品的延迟发光曲线差异明显,初步研究认为不同生物样品之间的差异能在光子辐射的水平上反映出来,这为中药的定量化提供了初步的实验支持。
   4.测试了健康人的手掌、手背及双手十指的自发光子辐射,发现生物光子辐射左手手心高于手背,右手手背略高于手心;左手指光子辐射比相应的右手指略高,这为疾病的早期诊断提供了一个可能途径。
[博士论文] 邬文俊
机械制造及其自动化 华中科技大学 2012(学位年度)
摘要:Morpho蝶翅表面微米级的鳞片上排列着纳米级的树状层脊结构,层脊结构之间相互平行且保持着相等的间距。树状层脊结构内部由空气层与透明角质层交替分布的多层薄膜构成。这种结构具有很强的波长选择性,使Morpho蝴蝶呈现出闪亮耀眼的蓝色结构色。本文结合实验、仿真、光学理论三方面,对 Morpho蝶翅的光学特性及其变色机理进行了研究:
  在对Morpho蝶翅上纳米级树状层脊结构及各个基本结构参数仔细观测的基础上,建立了三种仿Morpho蝶翅层脊结构的简化模型。利用基于严格耦合波法(RCWA)的光学软件RsoftCAD,进行仿蝶翅树状层脊结构光学特性仿真分析,研究模型及各结构参数对光学特性的影响规律。研究发现仿蝶翅层脊结构的部分结构参数对其光学特性影响非常显著(主要参数)。借助多层薄膜干涉理论,确定了不同结构色所对应的材质和主要参数。
  测试和仿真结合,研究了Morpho蝶翅处于不同液体氛围中的响应特性。研究发现其在不同液体环境中结构色的变化现象,是由于液体溶剂浸润、进入树状层脊结构内部,层与层之间的空隙被均匀液体介质完全填充,取代空气薄膜层而形成了纳米级液体介质薄膜层。液体介质折射率不同,因此通过多层薄膜而发生相长干涉的波长发生了改变,结构色随之发生变化。并提出Morpho蝶翅鳞片树状层脊结构的结构色(波长)与其液体氛围折射率存在线性关系。Morpho天然结构液体氛围实验结果和几种仿蝶翅模型仿真结果与多层薄膜干涉理论完全匹配,验证了这一线性关系。
  当Morpho蝶翅处于不同的化学气体氛围中时,其反射光谱有可分辨的区别。采用相对差值的处理方法就能将差别放大,从而有效的区分不同气氛介质。将实际气氛测试结果与两种不同仿真模型的仿真结果进行比对。发现纳米薄膜气氛模型的仿真结果能很好的与实际测试反射光谱变化规律相匹配,说明Morpho蝶翅气体敏感性是由于化学气氛接近鳞片结构时吸附在片状层脊结构的表面,形成了纳米级化学液体薄膜,进而改变了结构的光学特性。Morpho蝶翅的天然结构和文中设计的几种仿蝶翅简化结构模型都具有这种气体敏感性。通过分析反射光谱特征及简单数据处理就可以将不同介质和不同浓度的化学蒸汽进行有效的区分。
  对Morpho蝶翅光学特性及在液体氛围检测和化学气体氛围检测中的应用研究,加深了对Morpho蝶翅结构色显色机理及其对液体氛围和化学气体氛围检测能力的了解,为今后设计和制造颜色和反射率可控的纳米结构提供了借鉴,对设计制造具有液体和化学气体检测功能的仿生微纳结构具有重要指导意义。
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