(中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)光學(xué)與分子影像研究室、保羅·C·勞特伯生物醫(yī)學(xué)成像研究中心、微納系統(tǒng)與仿生醫(yī)學(xué)研究中心、醫(yī)學(xué)圖像與數(shù)字手術(shù)研究室、神經(jīng)工程研究中心、醫(yī)療機(jī)器人與微創(chuàng)手術(shù)器械研究中心、《集成技術(shù)》編輯部)

中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)光學(xué)與分子影像研究室鄭煒研究員及其團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的研究[1]在生物組織成像中的信號(hào)強(qiáng)度和分辨率方面的研究取得進(jìn)展(自適應(yīng)光學(xué)提升超分辨顯微成像)。該研究將具備深層生物組織成像能力的雙光子顯微成像技術(shù)和具備超分辨成像功能的瞬時(shí)結(jié)構(gòu)光照明顯微成像技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了雙光子激發(fā)的超分辨顯微成像功能。利用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)成功克服了由生物組織引起的波前相位畸變問題，最終實(shí)現(xiàn)了 176 nm 的橫向分辨率、729 nm 的縱向分辨率及 250 μm 的探測深度的成像效果。利用該技術(shù)，可以對(duì)細(xì)胞、線蟲胚胎及幼蟲、果蠅腦片和斑馬魚胚胎開展高清晰三維成像研究，成像效果顯著優(yōu)于傳統(tǒng)雙光子成像質(zhì)量。值得一提的是，由于該技術(shù)提高了光子利用效率，從而降低了所需激光功率，可以對(duì)線蟲胚胎的發(fā)育過程開展長時(shí)間、高清晰地三維動(dòng)態(tài)觀測；在長達(dá) 1 h 的連續(xù)三維成像過程中未對(duì)線蟲胚胎發(fā)育造成任何影響，該技術(shù)對(duì)胚胎發(fā)育研究具有重要作用。

中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院保羅·C·勞特伯生物醫(yī)學(xué)成像研究中心鄭海榮研究員與孟龍副研究員及其團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的研究[2]在超聲神經(jīng)調(diào)控機(jī)制方面取得進(jìn)展。該研究利用超聲神經(jīng)調(diào)控平臺(tái)對(duì)超聲神經(jīng)調(diào)控機(jī)制進(jìn)行研究，該平臺(tái)主要包括叉指換能器(產(chǎn)生聲表面波)和瓊脂板(放置線蟲)。叉指換能器通過標(biāo)準(zhǔn)的剝離工藝制作，即將鋁制的叉指電極鍍?cè)趬弘姴牧镶壦徜嚤砻?，獲得的叉指寬度為 40 μm，產(chǎn)生聲表面波的波長為 160 μm、頻率為 28.11 MHz。線蟲通過標(biāo)準(zhǔn)的方法進(jìn)行培養(yǎng)，所有的線蟲均在涂滿大腸桿菌OP50 的瓊脂板上進(jìn)行培養(yǎng)(溫度為 20℃)，之后選取成年后第一天的線蟲進(jìn)行試驗(yàn)。通過在信號(hào)發(fā)生器和叉指換能器之間連接功率放大器，獲得較大的輸入信號(hào)以使線蟲得到足夠的能量刺激，最終高速相機(jī)通過顯微鏡記錄下線蟲的行為以便后續(xù)分析。結(jié)果表明，在超聲作用下，線蟲多模感受神經(jīng)元 ASH 被超聲激活，產(chǎn)生回避的行為學(xué)反應(yīng)；感知溫度的 AFD 神經(jīng)元并不會(huì)被超聲激活，這表明線蟲的回避行為主要是超聲波機(jī)械效應(yīng)引起的，Tax-4 突變體實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該結(jié)果。這種新型的超聲神經(jīng)調(diào)控器件可以和鈣成像、膜片鉗等生物學(xué)手段相兼容，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲神經(jīng)調(diào)控機(jī)制的研究，從而為超聲神經(jīng)調(diào)控治療神經(jīng)類疾病提供基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院微納系統(tǒng)與仿生醫(yī)學(xué)研究中心趙江林助理研究員及其團(tuán)隊(duì)參與的研究[3]在熒光探針技術(shù)研究方面取得進(jìn)展(基于 2-苯乙烯基-1,8-萘啶，可通過調(diào)節(jié)溶劑選擇性識(shí)別 Hg2＋、Ag＋和 F－離子的多功能熒光探針)。該研究實(shí)現(xiàn)了單一熒光探針能通過簡單地選擇調(diào)節(jié)溶劑，選擇性區(qū)分識(shí)別 Hg2＋、Ag＋和F－三種離子，并通過控制 F－離子與探針濃度意外獲得了人們一直夢(mèng)寐以求的近純白光(0.33，0.32)。探針在 H2O/ DMF 溶劑中通過熒光猝滅，高選擇性對(duì) Hg2＋離子進(jìn)行識(shí)別檢測；在1,4-dioxane /H2O 溶液中，通過熒光波長的改變，比率計(jì)式高選擇性地區(qū)分識(shí)別 Ag＋和 Hg2＋；而在 CH3CN 溶液中高選擇性地識(shí)別陰離子 F－。此外，Hg2＋、Ag＋和 F－三種離子的存在，使得探針溶液在紫外燈照射下，具有明顯不一樣的顏色，即可利用這個(gè)現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)對(duì) Hg2＋、Ag＋和 F－三種離子的裸眼檢測；還可通過簡單調(diào)節(jié) F－濃度，制備得到幾乎純白色熒光，使得該體系有望發(fā)展成為潛在可調(diào)節(jié)的智能發(fā)光材料。該探針在低成本、高通量的檢測方面有廣泛的應(yīng)用前景。

中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)學(xué)圖像與數(shù)字手術(shù)研究室胡慶茂研究員及其團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的研究[4]在醫(yī)學(xué)圖像快速魯棒分割方面取得進(jìn)展(基于頻域光學(xué)相干層析成像的角膜圖像快速魯棒分割方法)。研究了定制化的邊緣提取方法對(duì)角膜各層分界面進(jìn)行初定位，提出了定制化的圓霍夫變換對(duì)分界面進(jìn)行圓擬合，構(gòu)建了基于水平平拋運(yùn)動(dòng)建模的卡爾曼濾波對(duì)分界面進(jìn)行細(xì)分割。通過對(duì) 60 套三維體數(shù)據(jù)中隨機(jī)選擇的 20 幅圖像的3 層分界面進(jìn)行測試表明，所提方法平均運(yùn)行時(shí)間小于 0.52 s，與金標(biāo)準(zhǔn)相比，其平均誤差小于5.4 μm；在精度不低于當(dāng)前最新方法的前提下，速度更快。通過對(duì)病變圖像的測試表明，所提方法還可用于圓錐角膜和 LASIK 手術(shù)病眼的圖像分割；分割精度優(yōu)于現(xiàn)有方法并小于兩個(gè)專家之間的差異(一個(gè)為多年受訓(xùn)的高級(jí)專家、另一個(gè)為資歷較淺的專家)，速度比現(xiàn)有算法提高 2 倍以上，可滿足實(shí)時(shí)處理需求。該法有望成為一種可臨床實(shí)用的光學(xué)相干角膜圖像分割方法。

中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)學(xué)圖像與數(shù)字手術(shù)研究室徐錦萍助理研究員及其團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的研究[5]在抑郁癥患者情緒調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)方面的研究取得進(jìn)展(抑郁癥患者情緒調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)共變模式異常)。該研究分別采集了 65 名抑郁癥患者，65 名正常人(年齡、性別與抑郁癥組相匹配)的磁共振數(shù)據(jù)和行為學(xué)數(shù)據(jù)，采用基于灰質(zhì)體積的共變模式來探索抑郁癥患者情緒調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的變化模式進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與正常人相比，抑郁癥患者的情緒調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中左側(cè)角回和杏仁核、右側(cè)角回和杏仁核的連接強(qiáng)度增加，而右側(cè)角回和后扣帶的連接強(qiáng)度減少。該研究通過發(fā)現(xiàn)情緒調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)共變模式的異常，進(jìn)一步支持情緒調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的異常是抑郁癥的潛在機(jī)制，對(duì)抑郁癥的診療具有指導(dǎo)意義。

中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院神經(jīng)工程研究中心方鵬研究員及其團(tuán)隊(duì)參與的研究[6]在柔性薄膜傳感器研究方面取得進(jìn)展(基于聚丙烯壓電駐極體的柔性薄膜傳感器的制備、性能及可穿戴應(yīng)用)。該研究以聚丙烯薄膜作為基材，采用壓縮氣體膨化的方法進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)改造，形成含有大量棱鏡狀微小孔洞的空氣-聚合物二元結(jié)構(gòu)；通過電暈放電對(duì)樣品進(jìn)行極化，在微孔內(nèi)產(chǎn)生宏觀電偶極子，使得多孔膜具有壓電效應(yīng)；在多孔膜外表面蒸鍍金屬電極，并進(jìn)行防電磁屏蔽封裝，構(gòu)成柔性傳感單元。介電譜、靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法測量結(jié)果顯示，聚丙烯壓電駐極體薄膜傳感器具有較高的壓電靈敏度，并在10 Hz～70 kHz 范圍內(nèi)保持了較穩(wěn)定的頻率響應(yīng)；傳感器的工作溫度可達(dá) 50℃；在 98% 的濕度下儲(chǔ)存 37 天之后，靈敏度約下降到初始值的70%；經(jīng)過約 150 萬次循環(huán)測試后，靈敏度約下降到初始值的 70%。在實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)上開展了聚丙烯壓電駐極體薄膜傳感器的可穿戴應(yīng)用示范驗(yàn)證，能獲取清晰的脈搏信號(hào)。將傳感器置于機(jī)器手表面，能檢測到機(jī)器手的接觸、握緊、滑動(dòng)、脫離接觸等信號(hào)，并且各信號(hào)具有明顯的特征。通過合理設(shè)置閾值，能依據(jù)信號(hào)判斷出機(jī)器手的抓握狀態(tài)。該研究成果顯示了壓電駐極體傳感器在可穿戴、智能皮膚等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)療機(jī)器人與微創(chuàng)手術(shù)器械研究中心謝耀欽研究員及其團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的研究[7]在錐束 CT 偽影消除研究方面取得進(jìn)展(基于圖像域的錐形束 CT 環(huán)形偽影迭代修正法)。該研究提出了一種通用的錐束 CT環(huán)形偽影修正法，對(duì)圖像進(jìn)行邊緣保護(hù)平滑濾波，去除圖像細(xì)節(jié)和偽影，產(chǎn)生圖像結(jié)構(gòu)模版圖像。原始圖像減去模版圖像，得到殘差圖像，殘差圖像里包含圖像細(xì)節(jié)和直線偽影。通過均值提取，從殘差圖像中提取直線偽影，殘差圖像減去直線偽影后得到圖像細(xì)節(jié)。利用細(xì)節(jié)圖像補(bǔ)償回模版圖像，得到修正后的圖像。該研究還提出了迭代提取的理論框架以增強(qiáng)算法的魯棒性。結(jié)果顯示，在數(shù)字體模中，修正后圖像的空間均勻度提高了 1.68 倍，結(jié)構(gòu)相似指數(shù)從 87.12% 提升至 95.50%。在臨床數(shù)據(jù)中，所提方法在保護(hù)正常組織結(jié)構(gòu)和圖像細(xì)節(jié)的前提下，有效地消除了環(huán)形偽影，且不損失圖像的空間分辨率；可降低 CT 值誤差，提高病人擺位精度。

[1]Zheng W, Wu Y, Winter P, Fischer R, Nogare DD,Hong A, McCormick C, Christensen R, Dempsey WP, Arnold DB, Zimmerberg J, Chitnis A, Sellers J, Waterman C, Shroff H. Adaptive optics improves multiphoton super-resolution imaging [J]. Nature Methods, 2017, 14(9): 869-872.

[2]Zhou W, Wang JJ, Wang KY, Huang B, Niu LL, Li F, Cai FY, Chen Y, Liu X, Zhang XY, Cheng HK,Kang LJ, Meng L, Zhang HR. Ultrasound neuromodulation chip: activation of sensory neurons in Caenorhabditis elegans by surface acoustic waves[J]. Lab on a Chip, 2017, 17(10): 1725-1731.

[3]Wu YT, Zhao JL, Mu L, Zeng X, Wei G, Redshaw C, Jin ZW. A 2-Styryl-1,8-naphthyridine derivative as a versatile fluorescent probe for the selective recognition of Hg2+, Ag+and F-ions by tuning the solvent [J]. Sensors and Actuators B: Chemical,2017, 252: 1089-1097.

[4]Zhang TQ, Elazab A, Wang XG, Jia FC, Wu JH,Li GL, Hu QM. A novel technique for robust and fast segmentation of corneal layer interfaces based on spectral-domain optical coherence tomography imaging [J]. IEEE Access, 2017, 5(99): 10352-10363.

[5]Wu HW, Sun H, Wang C, Lin Y, Li YL, Peng HJ,Lu XB, Hu QM, Ning YP, Jiang TZ, Xu JP, Wang JJ. Abnormalities in the structural covariance of emotion regulation networks in major depressive disorder [J]. Journal of Psychiatric Research, 2017,84: 237-242.

[6]Ma XC, Zhang XQ, Fang P. Flexible filmtransducers based on polypropylene piezoelectrets:fabrication, properties, and applications in wearable devices [J]. Sensors and Actuators A: Physical,2017, 256: 35-42.

[7]Liang XK, Zhang ZC, Niu TY, Yu SD, Wu SB, Li ZC, Zhang HL, Xie YQ. Interative image-domain ring artifact removal in cone-beam CT [J]. Physics in Medicine and Biology, 2017, 62(13): 5276-5292.