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研究方向

   两个多世纪以来,光学显微镜一直是生命科学和基础医学研究中不可或缺的重要工具;基于光学显微镜的组织学诊断,也一直是多数临床疾病最终确诊的“金标志”。 生物医学光学成像技术通常使用可见到红外波段的光波对生物体进行成像,光子的能量仅在一个电子伏左右,因而具备安全无辐射的优点。同时,光学成像可以获得 生物分子构象的信息,对微小的生理状态变化或疾病的分子探针非常灵敏,是优秀的功能与分子成像方法。此外,光学成像通常具备微米级的高分辨率,对生命科学 的研究及疾病的最终确诊具有极其重要的意义。当前国际上正迅速发展的新一代光学成像技术,具备安全无创、高分辨率、高灵敏度、及可进行功能与分子成像等优 点,正在为生命科学的研究和临床医学的诊断规则带来一场新的变革。

生物医学成像技术全局概览

生物医学光学与分子影像研究室拟以光学成像领正在发生的重大技术革新为契机,瞄准国际学术前沿,扎根生命科学与临床应用,研究开发一系列具有自主知识产权、具备国际一流水平的生物医学光学成像技术,并以技术的产业转化为最终目标。
本研究室的主要研究方向包括:(1)国际领先的光声断层成像技术(Photoacoustic Tomography, PAT)在肿瘤、心脑血管病、糖尿病等重大疾病领域的基础医学研究及临床诊断;(2)国际前沿的光学相干断层成像技术(Optical Coherence Tomography, OCT)在眼科、心脑血管、消化道疾病等领域的临床诊断研究;(3)在生命科学研究中举足轻重,同时在临床诊断中崭露头角的非线性显微成像技术(Nonlinear Optical Microscopy)的应用研究;(4)以及有可能为整个生命科学领域研究带来革命性影响的最新国际学术前沿――超分辨光学显微成像技术(Super-resolution Microscopy)。

    分子影像技术:重大疾病的早期诊断          生物医学光学技术在分子肿瘤学中的应用

  在基础科研方面,针对恶性肿瘤的发生和转移机制、心脑血管病的诊断与治疗等生命科学与基础医学研究中最重要的问题,本研究室拟充分发挥光学成像技术分辨率 高、可以进行功能性与分子水平成像等优势开展研究开发工作。目前,本研究室拟研发的自荧光双光子显微镜无需外加对比剂即可对肿瘤早期的病变进行高精度成 像;拟研发的光学分辨光声成像技术亦无需外加对比剂即可对肿瘤血管生成进行高精度定量成像。这些新一代光学成像技术的开发,有可能在阐明肿瘤发生、发展和 转移机制等重大科学问题上产生重要学术影响,同时也将对研究开发新型的抗肿瘤药物(如抗肿瘤血管生成药物)起到极其重要的推动作用。
  在临床应用和产业化方面,针对恶性肿瘤、心脑血管病等重大疾病迫切需要能够早期诊断的问题,本研究室将重点研发正在为临床诊断规则带来新变革的在体光学诊断 与治疗技术,包括研究开发具备微米级空间分辨率、可在细胞和分子层面同时进行形态与功能成像的多模在体光学诊断与治疗技术,对疾病进行早期准确的在体诊 断,对治疗进行有效的引导与评估。
  本研究室力争突破一系列在体光学内窥成像的关键技术(包括血管内OCT、非线性显微内窥成像、及光声内窥成像技术),获取一批相关自主知识产权的发明专利,研制出一系列核心部件及搭建一套完整的成像系统,为我国实现疾病的“早发现、早诊断、早治疗”的战略规划奠定技术基础,为我国医疗卫生事业贡献一份力量。本研究将是先进院低成本健康及高端医学影像两大主要研究方向的有机组成部分。

Research Areas

Our research aims to develop novel optical and ultrasonic imaging technologies for unmet medical needs in the early diagnosis and therapy of cancer, cardiovascular diseases, and diabetes. In particular, we are working on developing and translating novel Photoacoustic Tomography (PAT), Optical Coherence Tomography (OCT), and Nonlinear Optical Imaging (NLM) technologies to the clinic to save lives. Ultimately, we hope to make our technology available to all people who need it. 

Photoacoustic Tomography

Research interests include both developing photoacoustic imaging technology* (an innovative in vivo imaging modality combining photons and ultrasound) and applying it to solve important medical problems and answer significant biological questions. Specifically, our major research directions include:

(1) Molecular and functional photoacoustic/optical/ultrasonic imaging of cancer for the development of novel anti-cancer drugs;

(2) Catheter-based photoacoustic/ultrasonic imaging for the early diagnosis of atherosclerosis and gastrointestinal tract cancer;

(3) Dynamic photoacoustic imaging of microcirculation and hemodynamics for the study of microvascular complications of diabetes.

光声成像技术是国际上最新发展的,结合高光学对比度与高超声穿透深度的一种新型无创的在体生物医学成像技术。本研究小组致力于研发新一代的光声多模态成像技术:一方面, 为癌症、心血管病、糖尿病的基础医学研究提供高分辨、高灵敏度的新型功能与分子成像工具;另一方面,与多家医学院、医院及企业合作,推进光声成像技术的临 床和产业转化,为这些重大疾病的早期诊断与治疗提供新一代的医学影像设备。

Nonlinear Optical Microscopy

Nonlinear optical microscopy is a useful technique which provides high resolution imaging of biological samples. Our research center aims to develop novel nonlinear optical microscopes for biomedical applications. The directions of our research include:

(1) Develop multimodal nonlinear microscope based on two-photon excitation fluorescence microscopy, second harmonic generation microscopy and coherent anti-stocks Raman scattering microscopy

(2)  Improve the detection capability to receive and analyze the signal in time domain, space domain and frequency domain

(3)  Extend the excitation wavelength and provide multi-wavelength excitation. 

Based on these improvements, we are planning to study (a) the potential diagnostic value of the autofluorescence and (b) the characteristics of micro-circulation.

非线性光学显微成像是近几年快速发展起来的一种高分辨显微技术,它是一系列基于光学非线性效应的多种激发和成像手段的通称。本中心致力于发展新型非线性光学显微镜并研究其在生物医学中的应用,具体包括:
1.开发集双光子荧光、二次谐波、相干反斯托克斯拉曼等模式的多功能光学显微镜;
2.拓展信号接收机制,在空间域、时间域、频率域等多维度上接收并分析信号,提供多维度信息;
3.扩展非线性激发条件,实现多波长、宽光谱的同时激发;
以及借助以上技术对(a)早期癌症的自发荧光特性的研究和(b)活体毛细血管微循环特性研究。
 
References

[1] Xavier Intes and Fred S Azar, “Introduction to Clinical Optical Imaging,” in Translational Multimodality Optical Imaging , Editors F. Azar and X. Intes, Chapter 1: 1-19 (2008).

[2] Ralph Weissleder, “molecular imaging in cancer”,Science 312 (5777),1168(2006)

[3] Ralph Weissleder and Mikael J. Pittet, “imaging in the era of molecular oncology”,Nature 452, 580(2008)

[4] Lihong V. Wang, ”Multiscale photoacoustic microscopy and computed tomography”,Nature Photonics 3, 503    (2009)

[5] Lihong V. Wang and Song Hu, “Photoacoustic Tomography: In Vivo Imaging from Organelles to Organs”,Science