Volume 18, Issue 04 (May 2025)
REVIEW ARTICLE
1.Photoacoustic temperature monitoring technology and biomedical applications
光声温度监测技术及其生物医学应用
摘要：
生物体的温度为其生理和病理状态提供了关键信息。温度监测能够有效评估潜在健康问题，并在热治疗中发挥关键作用。光声成像（PAI）实现了从细胞到组织和器官的多尺度成像，其高对比度、深穿透性和高分辨率使其成为生物医学成像领域的一种新兴工具。得益于格林艾森参数与温度在10-55℃范围内的线性相关性，PAI被开发为一种新型的无创、无标记的温度监测工具，尤其适用于由激光、超声和微波介导的热疗。此外，通过利用温度响应型光声纳米探针，还可以增强成像对比度和特异性，从而提取目标生物体的温度信息。本综述阐明了通过PAI实现的温度监测技术的基本原理，进一步强调了传统光声测温法的局限性，并总结了在模拟仿真、校准方法、测量精度、纳米探针设计以及可穿戴性改进等方面的最新技术进展。此外，我们还讨论了光声温度监测技术在光热治疗和超声治疗中的生物医学应用，并展望了该领域的未来发展。
引用：
Yuning Liu, Xiaoye Su, Piao Zhang, Chen Jiang, and Yujiao Shi. Photoacoustic temperature monitoring technology and biomedical applications. Journal of Innovative Optical Health SciencesVol. 18, No. 04, 2530007 (2025)
文章链接：
https://www.worldscientific.com/doi/10.1142/S1793545825300071
2.End-to-end algorithm research in PACT——from signal processing to reconstruction solution to image processing: A review
PACT中的端到端算法研究--从信号处理到重建解决方案再到图像处理：综述
摘要：
光声计算机断层扫描（PACT）是一种创新的生物医学成像技术，由于其能够以高分辨率和深组织穿透能力实现光学对比度的可视化，已在生物医学领域获得了广泛应用。然而，光声信号激发、传播和检测所固有的挑战常常导致图像质量欠佳。为了克服这些限制，研究人员开发了涵盖整个图像重建流程的各种先进算法。本综述文章旨在详细分析PACT算法的最新进展，并将这些算法整合到一个连贯的框架中。我们提供了三部分的分析——从信号处理到重建解决方案再到图像处理，涵盖了广泛的技术。这些算法的原理和方法，以及它们的适用性和局限性，都得到了深入讨论。本研究的主要目标是提供一个关于适用于PACT的先进算法的全面综述，既提供理论基础，也提供用于提高PACT成像效果的实践指导。
引用：
JinJin Cheng, Shuilin Wang, Shirui Dong, Yang Wang, Xuyu Fu, Jichao Zhang, Wenkai Li, Siyu Chen, Silue Zeng, Yaguang Ren, Xiaohui Ma, Jinhai Liu, Mingjian Sun, Rongkang Gao, and Chengbo Liu. End-to-end algorithm research in PACT —— from signal processing to reconstruction solution to image processing: A review. Journal of Innovative Optical Health SciencesVol. 18, No. 04, 2530006 (2025)
文章链接：
https://www.worldscientific.com/doi/10.1142/S179354582530006X
3.Advances in Radiation/Photon therapy technology for the treatment of brain metastase
脑转移瘤放射/光子治疗技术的进展
摘要：
随着全身治疗技术的进步，脑转移瘤（BMs）的发病率持续上升，导致严重的神经并发症。因此，有效且精准的治疗方式对于管理脑转移瘤至关重要。放射治疗（RT），包括光子治疗，在管理脑转移瘤方面一直发挥着关键作用。近年来的技术进步显著提高了这些治疗的精准性、有效性和安全性。本篇综合综述深入探讨了用于治疗脑转移瘤的放射和光子治疗技术的最新进展，重点关注了立体定向放射外科（SRS）、全脑放射治疗（WBRT）、激光间质热疗（LITT）以及其他与放射相关的治疗方式的创新。此外，我们还讨论了该快速发展的领域中的临床结果、挑战和未来发展方向。尽管对这些技术进行详细比较超出了本文的范围，但本文为相关领域的医生、医学物理学家、患者和研究人员提供了最新的技术信息，有望进一步改善临床结果。在这些治疗方式中，立体定向放射外科（SRS）已成为脑转移瘤放射治疗的基石，其应用在过去几十年中跨越了多种模式。鉴于其固有的微创特性和日益增长的临床接受度，SRS有望作为神经外科和放射治疗中的关键治疗工具进一步发展。。
引用：
Hui Wang, Jing Chu, Yao Ren, Wenfan Deng, Lidan Zhang, Lijuan Shen, Yu Kuang, and Lixia Xu. Advances in Radiation/Photon therapy technology for the treatment of brain metastases.Journal of Innovative Optical Health SciencesVol. 18, No. 04, 2530005 (2025)
文章链接：
https://www.worldscientific.com/doi/10.1142/S1793545825300058
RESEARCH ARTICLE
4.Optical manipulation of neuronal mitochondria using scanning optical tweezers（封面文章）
利用扫描光镊对神经元线粒体进行光学操控
摘要：
线粒体在神经元的生理功能和能量代谢中发挥着至关重要的作用，有助于理解与各种神经退行性疾病相关的复杂生化反应。神经元作为高度分化的终末细胞，比普通细胞需要更多的线粒体来产生大量的ATP，这对于分化的神经结构（如轴突和树突）的生长以及沿神经轴突的电信号传导是必需的。成像技术、电生理学和荧光靶向标记的进步促进了对神经元和轴突中线粒体运动的研究。然而，无序的线粒体运动可能会阻碍对其的分析和表征。因此，人为地控制它们的运输变得十分必要。在此，我们展示了利用扫描光镊（Scanning Optical Tweezers, SOTs）对神经元的胞体或轴突中的线粒体进行稳定捕获和精确运输的能力。所介绍的方法为在复杂且多变的生物环境中对线粒体或其他细胞器进行操控提供了一种光学手段。
引用：
Zhiyong Gong, Tianli Wu, Xixi Chen, Ping Wang, Jinghui Guo, Yuchao Li, and Baojun Li. Optical manipulation of neuronal mitochondria using scanning optical tweezers.Journal of Innovative Optical Health SciencesVol. 18, No. 04, 2341001 (2025)
文章链接：
https://www.worldscientific.com/doi/10.1142/S1793545823410018
5.A quantitative evaluation method of laser treatment efficacy for pigmentary dermatosis based on image segmentation technology
基于图像分割技术的激光治疗色素性皮肤病疗效的定量评估方法
摘要：
随着皮肤激光治疗技术的不断发展，其在皮肤科领域的应用日益广泛，激光治疗被认为可用于多种色素性皮肤病及美容问题。对激光治疗疗效进行标准化评估对于解读和比较与皮肤疾病激光治疗相关的研究至关重要。在本研究中，我们提出了一种基于图像分割技术的激光治疗疗效定量评估方法。我们建立了SD大鼠的纹身模型，并采用不同能量水平的皮秒激光进行治疗。在激光治疗前后拍摄了纹身模型的图像，并进行了特征提取，以定量评估纹身面积和色素分级。随后，计算了清除率这一标准化参数。结果表明，通过这种定量算法获得的清除率与量表评分相比具有可比性，并且标准差更小（低能量组分别为4.59%和7.93%，中能量组分别为4.01%和9.05%，高能量组分别为4.29%和10.23%）。这突显了该方法在评估治疗反应时更高的准确性、客观性和可重复性。色素去除的定量评估有望促进研发过程中更快、更稳健的评估。此外，它还可能实现针对个体患者的治疗方案优化，从而为更有效、更个性化的皮肤科护理做出贡献。
引用：
Haopu Jian, Qi Chen, Youjun Yu, Cheng Wang, Peiru Wang, and Xiuli Wang. A quantitative evaluation method of laser treatment efficacy for pigmentary dermatosis based on image segmentation technology. Journal of Innovative Optical Health SciencesVol. 18, No. 04, 2450027 (2025)
文章链接：
https://www.worldscientific.com/doi/10.1142/S1793545824500275
6.An attention mechanism and fully connected layer-based dual-branch network for bioluminescent tomographic reconstruction
基于注意力机制和全连接层的双分支网络用于生物发光断层重建
摘要：
生物发光断层扫描（BLT）是一种非侵入性成像技术，利用光学方法研究细胞和分子水平的生理和病理过程。它是一种强大的工具，可用于肿瘤的早期诊断和治疗以及药物开发。然而，简化的光学传输模型和不适定的逆问题重建限制了其广泛应用。深度学习的发展为光学BLT的应用拓展提供了新的潜力。研究人员引入了神经网络和自注意力机制等各种方法来提高重建精度。尽管如此，重建光源中心周围的弱能量点仍然会影响恢复的准确性。在本研究中，我们提出了一种基于注意力机制和全连接层（FC-AM）的双分支网络，以减少质心误差并提高重建性能。网络架构包括一个全连接（FC）子网络和一个基于注意力机制的双分支（AMDB）子网络。FC子网络用于处理输入数据，AMDB子网络用于深度特征提取，并从不同角度并行捕获特征信息。AMDB子网络的每个分支由四个AM子网组成，通过多层线性变换和注意力机制提取特征。AMDB的输出通过特征融合生成最终结果。数值模拟和实验结果表明，与现有方法（KNN_LC和AMLC网络）相比，FC-AM网络显著提高了BLT的重建性能，提供了更高的稳定性和准确性。
引用：
Lin Wang, Chenrui Pan, Minghua Zhao, Xin Cao, and Xueli Chen. An attention mechanism and fully connected layer-based dual-branch network for bioluminescent tomographic reconstruction.Journal of Innovative Optical Health SciencesVol. 18, No. 04, 2550010 (2025)
文章链接：
https://www.worldscientific.com/doi/10.1142/S1793545825500105
7.Direct measurement and optimization of the polarization-dependent modulation depth in super-resolution structured illumination microscopy
超分辨率结构化照明显微镜中偏振依赖调制深度的直接测量与优化
摘要：
在基于激光干涉的超分辨率结构化照明显微镜（SR-SIM）中，保持激光束的s-偏振态对于实现高调制深度至关重要。然而，不完美的光学元件可能会使激光束去偏振，从而降低调制深度。在此，我们首先提出了一种直接测量方法，通过等相位步长移动照明图案来更精确地估计调制深度。这种方法极大地减少了调制深度对样品的依赖性。随后，我们开发了一种偏振优化方法，通过使用波片和液晶可变延迟器（LCVR）的组合主动且定量地补偿额外的相位差，从而在所有方向上实现高调制深度。实验结果表明，我们的方法能够在仅使用一个LCVR电压的情况下，在三个方向上实现调制深度高于0.94的照明图案，从而实现各向同性的分辨率提升。
引用：
Linbo Wang, Simin Li, Xiaohu Chen, Xin Jin, Jie Zhang, Hui Li, and Gang Wen. Direct measurement and optimization of the polarization-dependent modulation depth in super-resolution structured illumination microscopy.Journal of Innovative Optical Health SciencesVol. 18, No. 04, 2550005 (2025)
文章链接：
https://www.worldscientific.com/doi/10.1142/S1793545825500051
8.Label-free rat brain traumatic penumbra imaging based on multiphoton fluorescence microscopy
基于多光子荧光显微镜的无标记大鼠脑创伤半暗带成像
摘要：
创伤性半暗带（Traumatic Penumbra, TP）是脑损伤原发性病变周围具有可恢复潜力的区域。快速准确地识别TP对于治疗创伤性脑损伤（Traumatic Brain Injury, TBI）至关重要。在本研究中，我们首先采用改良的Feeney方法在大鼠中建立创伤性脑损伤模型，随后利用多光子荧光显微镜对脑组织切片进行无标记成像。结果表明，该技术能够有效成像正常和创伤性脑组织，并揭示了创伤性半暗带中的病理特征，例如细胞外基质变化、血管细胞增殖以及细胞内水肿。与正常脑组织相比，TP中的细胞外基质较为稀疏，细胞排列紊乱，且增殖的血管细胞发出更强的双光子激发荧光（Two-Photon Excited Fluorescence, TPEF）信号。我们的研究展示了多光子荧光技术在TBI的快速诊断和治疗评估中的潜在应用价值。
引用：
Shanghai Jiang, Pan Guo, Li Ai, Yuancan Li, Le Chen, Jie Zhong, Hua Yang, and Hong Lu. Label-free rat brain traumatic penumbra imaging based on multiphoton fluorescence microscopy.Journal of Innovative Optical Health SciencesVol. 18, No. 04, 2550004 (2025)
文章链接：
https://www.worldscientific.com/doi/10.1142/S179354582550004X
9.Designing a portable and accessible diffuse reflectance spectroscopy system for real-time detection of cervical intraepithelial neoplasia
设计一种便携且易于使用的漫反射光谱系统用于实时检测宫颈上皮内瘤变
摘要：
超过80%的宫颈癌病例发生在中低收入国家（LMICs）。这在一定程度上是因为当前的筛查技术在中低收入国家缺乏可负担性、可及性和/或可靠性。开发一种适用于中低收入国家的宫颈癌筛查光学技术，使其既经济实惠，又易于获取且可靠。我们开发了一种便携式漫反射光谱（DRS）系统，其制造成本不到2500美元，采用树莓派（Raspberry Pi）来提取生物组织的吸收系数（μa）和约化散射系数（μs′）。该系统经过了运输和故意粗暴操作的测试。此外，我们还使用该系统从64个模拟组织的体模中采集了320个DRS光谱。两名用户收集了体模数据，其中一名是“专家”，另一名是生物医学光学领域的“新手”。该系统还被用于从新鲜离体猪的结肠、小肠和直肠组织中采集了335个光谱。我们使用之前描述的人工智能模型提取光学特性，并通过梯度提升分类器（GradientBoostingClassifier）识别离体光谱的器官来源。系统对故意粗暴操作和运输具有良好的对准稳定性。无论由哪位用户操作，体模的μa和μs′预测值的平均均方根误差均小于10%。对于离体数据，系统预测器官来源的准确率为80%-90%。在所有三个器官中，预测的μa均存在统计学差异（p<0.001-0.03），在两个器官中预测的μs′也存在统计学差异（p<0.001-0.07）。DRS系统有潜力成为中低收入国家宫颈癌筛查的经济实惠、可靠且易于获取的工具。
引用：
Allison Scarbrough, Diana Moses, Tongtong Lu, and Bing Yu. Designing a portable and accessible diffuse reflectance spectroscopy system for real-time detection of cervical intraepithelial neoplasia.Journal of Innovative Optical Health SciencesVol. 18, No. 04, 2544001 (2025)
文章链接：
https://www.worldscientific.com/doi/10.1142/S1793545825440018
10.A photo-triggered bioactive nanohydrogel loaded with niobium carbide for stem cell osteogenic differentiation
一种负载碳化铌的光触发生物活性多孔纳米水凝胶用于干细胞成骨分化
摘要：
光交联水凝胶因其卓越的生物相容性和可调节的力学性能，在骨修复和再生策略中引起了极大的关注。最近的研究表明，铌（Nb）可以通过加速成骨细胞调节的碱性磷酸酶活性机制，显著促进骨再生过程。特别是，Nb₂C MXenes因其出色的生物相容性和诱导骨形成的能力而受到广泛关注。然而，Nb₂C纳米片容易聚集，导致细胞摄取效率低下，从而极大地抑制了成骨效果。在本研究中，我们通过微波燃烧法制备了一种减法纳米孔工程的Nb₂C MXene，以明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）作为载体水凝胶，并通过光触发过程制备了光触发的多孔Nb₂C@GelMA水凝胶。这种多孔形成策略不仅成功改善了Nb₂C的分布，形成了更均匀的多孔Nb₂C@GelMA水凝胶，还引导骨髓间充质干细胞（BMSCs）向成骨细胞分化。多孔Nb₂C为BMSCs提供了便捷的细胞抓取和摄取途径，进一步为分化和成骨创造了有利的环境。这反过来又导致了成骨标志物（如ALP和ARS）以及成骨因子（如BMP-2、COL-1、OCN和OPN）表达的增加。因此，通过引入多孔Nb₂C复合水凝胶来增强再生微环境，在骨再生应用中显示出巨大潜力。
引用：
Ya Li, Yuanzhi Zhang, Derong Xu, Ming Gao, Kunpeng Su, Yingjie Chen, Chen Wang, Xinming Geng, Youchang Liu, Chuanli Zhou, and Meng Qiu. A photo-triggered bioactive nanohydrogel loaded with niobium carbide for stem cell osteogenic differentiation.Journal of Innovative Optical Health SciencesVol. 18, No. 04, 2442002 (2025)
文章链接：
https://www.worldscientific.com/doi/10.1142/S1793545824420021
11.Real-time SERS analysis of programmed cell death patterns based on black Phosphorus-gold nanoparticles
基于黑磷-金纳米颗粒的实时表面增强拉曼光谱（SERS）分析程序性细胞死亡模式
摘要：
程序性细胞死亡（Programmed Cell Death, PCD）在生物体的生物学过程中起着至关重要的作用，其形式多样，包括凋亡、坏死和铁死亡等。然而，传统的PCD分析方法耗时且复杂。在本文中，我们提出了一种基于表面增强拉曼光谱（Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, SERS）的简便策略，利用黑磷-金纳米颗粒（Black Phosphorus-Gold Nanoparticles, BP-Au NPs）作为超灵敏的无标记拉曼探针，实时分析三种PCD模式。BP-Au NPs具有优异的生物相容性，能够检测低至5×10⁻⁸ M浓度的染料分子，并且在不同的生理环境中至少稳定一周。基于此，BP-Au NPs的SERS技术能够区分由阿霉素（doxorubicin）、紫草素（shikonin）和厄拉斯汀（erastin）分别诱导的三种PCD模式（凋亡、坏死和铁死亡）的癌细胞分子指纹中的细微差异。我们还实时监测了PCD过程中细胞内的分子事件，观察到一些典型SERS带（分别归属于蛋白质、DNA和脂质）的波动，揭示了每种PCD模式的独特表型特征。该策略在拉曼水平上为药物诱导的PCD机制提供了详细且全面的分析。
引用：
Jieyi Chen, Binggang Ye, Ranran Fan, Jiaqi Liu, Yaru Han, Haolin Chen, Wen Zhang, Zhouyi Guo, Zhiming Liu, and Huiqing Zhong. Real-time SERS analysis of programmed cell death patterns based on black Phosphorus-gold nanoparticles.Journal of Innovative Optical Health SciencesVol. 18, No. 04, 2442003 (2025)
文章链接：
https://www.worldscientific.com/doi/10.1142/S1793545824420033
12.Electrospun photothermal tellurium nanosheet-loaded polycaprolactone/gelatin nanofibers to promote wound healing
用于促进伤口愈合的负载碲纳米片的静电纺聚己内酯/明胶纳米纤维
摘要：
对于下一代伤口愈合而言，具有显著治疗效果的低成本且可生物降解的光热伤口敷料是非常理想的。在此，我们报道了一种由碲纳米片（TeNS）负载的静电纺聚己内酯/明胶（PCL/GEL）纳米纤维制成的高效光热伤口敷料。TeNS负载的PCL/GEL纳米纤维结构对大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）分别显示出87.68%和94.57%的抗菌效果。在近红外（NIR）光照射下，它们能够促进细胞增殖，这一结果通过体外划痕实验得以揭示。体内皮肤伤口实验结合组织染色实验的进一步结果表明，在光热条件下，TeNS负载的敷料能够显著促进伤口愈合。通过免疫组化分析，我们发现TeNS负载的PCL/GEL纳米纤维+NIR组在表皮生长因子（EGF）（P<0.01）和内皮细胞黏附分子-31（CD31，P<0.05）的特异性抗原表达上较高，证实了该纳米纤维敷料能够刺激EGF生成和微血管增殖。此外，PCL/GEL/Te+NIR组在内皮细胞黏附分子-68（CD68，P<0.01）的表达上最低，表明该纳米纤维敷料具有较高的抗炎效率。我们的研究为通过光热杀菌和利用二维（2D）纳米片促进细胞生长来开发新型非抗炎伤口敷料提供了启示。
引用：
Fangjia Li, Jing Zhang, Huan Xiong, Lihua Min, and Li Gou. Electrospun photothermal tellurium nanosheet-loaded polycaprolactone/gelatin nanofibers to promote wound healing.Journal of Innovative Optical Health SciencesVol. 18, No. 04, 2442001 (2025)Research ArticleOpen Access
文章链接：
https://www.worldscientific.com/doi/10.1142/S179354582442001X
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