Deep learning-based virtual histology staining using auto-fluorescence of label-free tissue
University of California, Los Angeles（加利福尼亚大学洛杉矶分校）；California NanoSystems Institute（加州纳米系统研究所）；David Geffen School of Medicine（戴维·格芬医学院）
组织样品的组织学分析是用于疾病诊断的最广泛使用的方法之一。从病人身上取样后，它要经过漫长而费力的准备，对组织进行染色，在显微镜下观察不同的组织学特征。在这里，我们展示了一种无标记的方法来创建一个虚拟染色的显微图像，使用一个单一的宽视场自体荧光图像的未标记的组织样本，绕过标准的组织化学染色过程，节省时间和成本。该方法基于深度学习，并使用使用生成对抗网络模型训练的卷积神经网络，将未标记组织切片的自体荧光图像转换为等同于相同样本的染色版本的明场图像的图像。我们通过成功创建人体组织样本的虚拟染色显微图像验证了这种方法，包括唾液腺，甲状腺，肾脏，肝脏和肺组织的切片，也涵盖了三种不同的染色。这种无标记的虚拟染色方法消除了繁琐和昂贵的组织化学染色程序，并将显着简化病理学和组织学领域的组织制备。
2018-03-30 cs.CV cs.LG physics.med-ph
Quantification of dual-state 5-ALA-induced PpIX fluorescence: Methodology and validation in tissue-mimicking phantoms
King’s College London（伦敦国王学院）；King’s College London Hospital NHS Foundation Trust（伦敦国王学院医院NHS基金会信托）
本研究提出了一种用于量化胶质瘤中PpIX荧光的新方法，通过组织仿生假体验证，实现了高精度的PpIX荧光成像。
2026-01-28 eess.IV eess.SP physics.med-ph
Multimodal Optical Techniques in Pre-Clinical Evaluation of Oral Cancer: Fluorescence Imaging and Spectroscopic Devices
目的：口腔鳞状细胞癌（OSCC）患者的生存率很低，使用高度敏感、特异和准确的技术可以提高生存率。自体荧光和荧光技术在癌症筛查中是非常敏感和有用的。此外，荧光光谱与人体组织的分子水平直接相关，可用作癌症检测的定量工具。材料与方法：在这里，我们报告了多模态自体荧光和荧光成像和光谱（MAF-IS）智能手机为基础的系统，用于快速和实时口腔癌筛查的发展。自发荧光图像和光谱数据集分别显示口腔癌和正常组织在荧光强度、光谱形状和红移方面的显著变化。结果如下：本研究共筛选了18例口腔鳞癌患者和13例癌前组织（异型增生和纤维化）的68份样本（33例癌组织和35例正常组织）。结果表明，OSCC中存在3个荧光峰，即~636 nm、~680 nm和~705 nm，在450 nm ~ 520 nm处荧光强度减弱。另一个发现是OSCC、异型增生和纤维化的荧光光谱与正常相比的红移，其分别为6.59 ± 4.54 nm、3 ± 4.78 nm和1.5 ± 0.5 nm，并且可以用作癌症实时筛查的标记物。最后，基于支持向量机（SVM）的分类器被应用于OSCC组织和正常组织的分类。其平均敏感性、特异性和准确性分别为88.89%、100%和95%。结论：自体荧光和基于荧光的成像和光谱技术可用于不同口腔病变的临床前筛查。
2022-11-03 physics.med-ph
Photoacoustic Digital Skin: Generation and Simulation of Human Skin Vascular for Quantitative Image Analysis
光声计算机断层成像（PACT）是一种混合成像模式，它结合了纯光学成像的高光学对比度和超声成像的高穿透深度。然而，缺乏质量好、数量大的光声图像数据集。在本文中，我们主要讨论如何产生一个实用的光声数据集。首先，我们从CT全肺扫描数据库中提取389个三维血管体，并增强血管结构。然后，对于每个3D血管体积，我们将其嵌入到一个三层立方体体模中，以制定皮肤组织模型，其中包括表皮，真皮和皮下组织。采用10种不同的方法将血管容积随机放置在真皮层中。因此，生成了3890个3D皮肤组织体模。然后，我们指定了四种组织类型的光学特性。Monte-Carlo光学模拟被部署以获得光学注量分布。然后，声传播模拟部署，以获得光声初始压力。采用通用反投影算法重建光声图像。该数据集可用于基于深度学习的光声图像重建、分类、配准、定量图像分析。
2022-05-22 physics.med-ph
Light confinement in stratum corneum
本文通过解析模型研究皮肤角质层低含水量引起的高折射率对光传播的影响，预测了光在角质层中的限制效应，并指出该效应在角质层厚度超过约化散射长度且下方组织漫反射率较小时最为显著。
2023-09-22 physics.med-ph physics.optics
Characteristic spectral features of the polarized fluorescence of human breast cancer in the wavelet domain
小波变换的偏振荧光光谱的人乳腺组织被发现本地化的光谱特征，可以可靠地区分正常和恶性组织类型。平行和垂直偏振荧光光谱的强度差异进行调查，因为同样是相对自由的扩散背景。许多参数，捕捉光谱的变化和细微的变化，在可见光波长范围内的病变组织，是清楚地识别在小波域。这些表现在平均低通和高频高通小波系数中。
2012-05-02 physics.bio-ph physics.med-ph
Trace element distribution in human teeth by x-ray fluorescence spectrometry and multivariate statistical analysis
X射线荧光光谱法（XRFS）是一种多元素的方法，用于评价单个完整的人类牙齿或牙齿组织的微量元素的量。对人牙釉质、牙本质和牙骨质进行了测量，并注意到牙齿基质组成的一些差异。此外，元素浓度测定的牙齿从不同年龄，营养状况，职业和性别，生活在各种环境条件和饮食习惯，包括在比较多变量统计分析（MVSA）的方法。通过因子分析，我们确定了人类牙齿无机成分的变化与其组织来源一致，女性的无机成分多于男性，切牙的无机成分多于磨牙。
2014-06-14 physics.med-ph
Simulated assessment of light transport through ischaemic skin flaps
目前，游离皮瓣和带蒂皮瓣在术后护理中使用颜色、毛细血管再充盈、温度、纹理和多普勒信号（如果可用）评估再灌注。虽然这些技术是有效的，但由于其定性性质，它们容易出错。在这项研究中，我们探索使用不同波长的光来量化缺血组织的反应。该评估为我们提供了指标，这些指标对于我们开发能够定量观察灌注减少的即时诊断设备的目标至关重要。我们建立了一个详细的皮肤层的光学模型。模型的各层被赋予组织的适当光学特性，并适当考虑黑色素和血红蛋白浓度。我们模拟了24个健康的模型，灌注组织和灌注剥夺组织，以评估可见光和近红外波长的光照射时的反应。除了详细的光子传播的注量图，我们提出了一个简单的数学模型来评估的差分传播的光子在组织中的光学再灌注因子（ORF）。我们的研究结果表明，使用较长波长（红色，近红外）的光具有明显的优势，并且从模拟中得出的推论具有重要的临床意义。模拟的场景和结果巩固了多波长、即时诊断设备的信念，并为其量化移植组织中血流的设计提供了信息。建模方法适用于当前研究之外，其中可以研究可以在皮肤中数学表示的其他医学状况。通过这些，可以实现对其他护理点设备的附加推断和方法。
2022-04-14 physics.app-ph physics.bio-ph physics.med-ph
Comparison of mechanical conditions in a lower leg model with 5 or 6 tissue types while exposed to prosthetic sockets applying finite element analysis
下肢截肢者经常遭受皮肤和组织问题，从使用他们的假肢，这是一个具有挑战性的生物力学问题。有限元法（FEM）先前已被应用于分析假肢使用时腿部的内部力学条件。然而，软组织的表示被简化为较少的层和组织类型。这种人体组织简化的影响仍然不清楚，简化模型的结果可能会产生误导。因此，在暴露于三种不同髋臼杯设计的经胫骨截面模型上比较了使用五种与六种组织类型的效果。皮肤、脂肪、血管和骨骼分别定义，而肌肉和筋膜组织分别或合并。在模拟中考虑了非线性行为和插座与皮肤之间的摩擦。接触力以及内部应力和应变的每种组织类型的不同幅度和最大值的网站为每种材料设置内和之间的不同的假肢接受腔条件。百分之几百的应力和应变的相对变化被发现时，筋膜和肌肉材料的属性合并相比，当他们分别建模。因此，在创建肢体模型和解释相关FEM模拟的结果时，需要考虑组织细节的水平。关键词：力学条件，有限元，软组织，材料性能，接触，假体
2019-07-31 cs.CE physics.med-ph
Breaking the spatial resolution barrier via iterative sound-light interaction in deep tissue microscopy
迄今为止，光学显微镜仅限于表面层，留下许多重要的生物学问题没有答案。随机散射导致通常用于图像形成的弹道聚焦随深度呈指数衰减。通过将光与声波的更深穿透能力相结合的混合技术，已经证明了超出弹道范围的光学成像。在高散射介质的深处，声聚焦尺寸限制了成像分辨率。在这里，我们表明，通过相位共轭迭代地将光聚焦到超声焦点中，我们可以从根本上克服深层组织中的分辨率障碍，同时增加焦点与背景的比率。我们展示了荧光显微镜超越弹道制度的光与三倍的分辨率提高和对比度增加五倍。这一发展开辟了在深层组织中的实用高分辨率荧光成像。
2012-08-26 physics.bio-ph physics.ins-det physics.med-ph
Advancements in Nanoparticle-based Near-Infrared Fluorescence Probes for Cancer Specific Imaging Applications
本文综述了基于纳米粒子的近红外荧光探针在癌症分子成像中的最新进展，重点介绍了其通过EPR效应靶向肿瘤、实现精准诊断与诊疗一体化的核心优势。
2024-10-20 physics.med-ph q-bio.BM q-bio.TO
Automated Estimation of Collagen Fibre Dispersion in the Dermis and its Contribution to the Anisotropic Behaviour of Skin
胶原纤维在许多软组织的力学行为中起着重要作用。这种组织的建模现在通常包括胶原纤维分布。然而，准确的结构数据的可用性迄今为止落后于各向异性本构建模的进展。在这里，开发了一种自动化的过程，使用廉价和相对简单的技术来识别胶原纤维的方向。该方法使用已建立的组织学技术和在MATLAB图像处理工具箱中实现的算法。评估一张图像平均需要15秒，而目视评估则需要数小时。该技术被应用于人类皮肤的组织切片与不同的兰格线方向和兰格线的方向和胶原纤维在真皮中的优选方向之间的明确的相关性进行了观察。Gasser-Ogden-Holzapfel（GOH）模型的结构参数都成功地进行了评估。预计本研究的结果将有助于那些希望模拟皮肤的人，并且所描述的算法将有利于那些希望评估其他软组织的胶原分散的人。
2012-03-21 physics.bio-ph physics.med-ph q-bio.TO
Monitoring dynamic collagen reorganization during skin stretching with fast polarization-resolved second harmonic generation imaging
生物组织的力学性能与其胶原纤维的特定分布密切相关。然而，在机械拉伸期间监测胶原网络的动态重组是一项技术挑战，因为它需要在厚且变形的样品中映射胶原纤维的取向。在这项工作中，一个快速偏振分辨SHG显微镜实现映射胶原蛋白的方向在机械测定。该系统基于使用电光调制器的偏振的线到线切换，并且工作在落射探测几何中。经过适当的校准，它成功地突出了胶原蛋白的动态排列沿牵引方向在离体小鼠皮肤真皮。这种微结构重组量化的胶原蛋白取向分布的熵作为拉伸比的函数。它表现出线性行为，其斜率以良好的精度测量。这种方法可以推广到探测厚组织中的各种动态过程。
2019-04-19 physics.med-ph
Ultra-Fast Fluorescence Imaging in Vivo with Conjugated Polymer Fluorophores in the Second Near-Infrared Window
由于减少了长波长光子的散射，第二近红外窗口（1.0-1.7微米）中的体内荧光成像可以提供深组织穿透和高空间分辨率。在这里，我们合成了一系列的低带隙的供体/受体共聚物与可调的发射波长为1050-1350 nm在这个窗口。磷脂-聚乙二醇的非共价官能化产生水溶性和生物相容性聚合物纳米颗粒，首次允许使用聚合物荧光团在> 1000 nm处进行活细胞分子成像。重要的是，该聚合物的高量子产率允许以前所未有的每秒25帧的帧速率对小鼠动脉血流进行体内、深层组织和超快成像。高时间分辨率导致在小鼠的单个心动周期（~ 200 ms）内的心电图波形中的血流模式的空间和时间分辨成像，这在此窗口中之前没有用荧光成像观察到。
2014-06-25 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.med-ph
Mie scattering due to tissue structures in the terahertz regime: Experimental and Monte Carlo verification using diffused polarimetric imaging in highly attenuating tissue phantoms
本文通过蒙特卡洛模拟与组织仿体实验，研究太赫兹波段米氏散射引起的偏振和漫射强度变化，并在离体猪皮肤烧伤模型中验证了偏振太赫兹成像检测组织结构变化的潜力。
2024-12-31 physics.bio-ph physics.med-ph physics.optics
Multifunctional in vivo vascular imaging using near-infrared II fluorescence
以单壁碳纳米管（SWNTs）为荧光团，在第二近红外区（NIR-II，1.1~1.4 μ m）对小鼠后肢血管进行了在体实时荧光成像。由于有益的NIR-II光学窗口提供了深解剖穿透和低散射，因此在组织中1-3 mm深处实现了小血管成像的高空间分辨率（~30微米）和时间分辨率（<200 ms/帧）。这种空间分辨率是传统的近红外成像（NIR-I，0.75~0.9微米）或显微计算机断层成像（micro-CT）无法达到的，而时间分辨率远远超过扫描显微成像技术。基于动脉和静脉血管不同的血流动力学，使用动态对比增强NIR-II成像技术明确区分动脉和静脉血管。此外，NIR-II成像的深组织穿透、高空间和时间分辨率允许对正常和缺血股动脉中的血流速度进行精确定量，这超出了超声检查在较低血流速度下的能力。
2012-11-18 physics.bio-ph physics.med-ph physics.optics
Fluorescence Imaging In Vivo at Wavelengths beyond 1500 nm
与在低于900 nm的可见光和近红外区域中的成像相比，在第二近红外窗口（NIR-II，1000-1700 nm）中的成像是用于体内深层组织高分辨率光学成像的有前途的方法，这主要是由于穿过生物组织的光子的散射减少。本文中，具有大直径的半导体单壁碳纳米管用于在长波长NIR区域（1500-1700 nm，NIR-IIb）中的体内荧光成像。用这种显像剂，可以分辨出3-4 μ m宽的毛细血管，深度约为3 mm。同时，可以同时映射多个单独血管中的血流速度。此外，还探索了活体小鼠的NIR-IIb肿瘤成像。NIR-IIb成像可以推广到发射高达1700 nm的荧光团的广泛范围，以实现高性能的体内光学成像。
2015-11-02 physics.bio-ph physics.med-ph
A Structural Model For Simulating the Mechanical Response of Fingertip to Tactile Stimuli
皮肤下面的机械感受器的反应受其机械性质的影响很大。这种反应的知识是必不可少的设计人工触觉设备，如微创工具和触觉显示器。本研究的目的是模拟生物力学的触觉在压痕试验。二维有限元模型已被用于结合手指的基本解剖结构（即，皮肤、皮下组织、骨和指甲）。假设皮肤和皮下组织是超弹性和粘弹性的。得到了压痕试验的应力场、应变场和变形场。注意到，远离压头的皮肤经历相当大的应变能密度。此外，反应的SAI传入可以预测从所提出的模型。这些结果与其他已发表的实验数据中提到的结果一致。
2018-08-30 physics.med-ph q-bio.TO
Dual-ratio approach for detection of point fluorophores in biological tissue
本文提出结合双比率（DR）与近红外DiFC技术以提升循环细胞的检测深度和信噪比，通过蒙特卡洛模拟发现，当不可抵消噪声低于10%且组织自发荧光为表面加权分布时，DR DiFC优于传统方法。
2023-07-03 physics.med-ph physics.optics q-bio.QM
Simulation modeling of radiation field in biological tissue of mammary gland
本文建立了微波电场在乳腺异质生物组织中分布的数学模型。我们使用这个模型来研究基于微波测温的医疗诊断方法的效率。此外，我们运行的电磁场在乳腺生物组织的各种集的生物组织的空间结构的数值模拟。小尺度结构是由几个组成部分的复杂组合引起的：血流，脂肪组织，肌肉组织，乳小叶，皮肤。接下来，我们在模型中改变组织的空间结构，以评估组织的异质结构对乳腺体积中的电磁场分布的影响。
2017-10-06 physics.comp-ph physics.med-ph
Dosimetric investigation of 103Pd permanent breast seed implant brachytherapy based on Monte Carlo calculations
目的：使用103 Pd的永久性乳房粒子植入体（PBSI）正在成为早期乳腺癌的有效辅助放射技术。然而，临床剂量评价遵循水基TG-43方法及其相当大的近似值。为了临床采用先进的TG-186基于模型的剂量评价，本研究提出了一个全面的研究PBSI考虑目标和正常组织剂量。方法：使用免费开源蒙特卡罗（MC）代码egs_brachy，使用2种类型的虚拟患者模型进行剂量计算：TG 43 sim（模拟TG-43条件：所有水，无种子间衰减）和MCref（来自患者CT的异质组织建模，种子间衰减，植入角度的种子），共35例患者。评估剂量度量对种子方向的敏感性和腺体/脂肪组织分割的阈值。结果：在靶体积中，MCref的D90平均比TG 43 sim低14.1%。相反，MCref的正常组织剂量通常高于TG 43 sim，例如，皮肤D1cm ~ 2降低22%，肋骨Dmax降低82%，心脏D1cm ~ 3降低71%。MCref和TG 43 sim剂量之间的差异在患者队列中以及所考虑的组织和度量中有所不同。剂量对腺体/脂肪组织分割阈值敏感，目标D90差异仅为几个百分点。皮肤剂量对种子方向敏感。结论：TG-43剂量评价通常低估了关键正常器官/组织的剂量，而高估了靶剂量。MCref和TG 43 sim在患者与患者之间存在相当大的差异，这表明患者特异性MC剂量计算的临床采用是有动机的。本文提出的MCref框架为高级TG-1…
2020-12-29 physics.med-ph
Personalized modeling for real-time pressure ulcer prevention in sitting posture
坐骨神经压力性溃疡是每个截瘫患者的重要风险，也是一个重大的公共卫生问题。臀部软组织受到骨结构（尤其是坐骨和骶骨）过度压迫后会出现压疮。目前的预防技术主要基于日常皮肤检查，以发现红斑或损伤。然而，大多数压力性溃疡发生在内部，很难早期发现。估计软组织内的内部应变可以帮助评估压疮的风险。受试者特异性生物力学模型可用于评估来自测量的皮肤表面压力的内部应变。然而，一个现实的3D非线性有限元模型，具有皮肤，脂肪和肌肉的不同组织材料层，需要几分钟到几小时的时间来计算，因此禁止其在实时日常预防环境中使用。在这篇文章中，我们建议优化这些计算，通过使用降阶建模技术（ROM）的基础上适当的正交分解的压力和应变场与机器学习方法相结合。ROM允许在模型内部交互式地（即在不到一秒的时间内）评估臀部以下测量的任何压力场的应变。在我们的情况下，只有19个模式的压力模式的变化，观察到百分之一的误差发散相比，全尺寸模拟评估的应变场。因此，这种简化的模型可能是在日常设置中进行交互式压疮预防的第一步。重点-臀部生物力学建模，-降阶模型，-日常压疮预防。
2018-11-22 physics.med-ph
Numerical Modeling of the Internal Temperature in the Mammary Gland
乳腺癌诊断的微波测温方法是基于对乳腺内部温度分布的分析，本文将乳腺看作是脂肪组织、肌肉组织、乳腺小叶、皮肤、血流、肿瘤组织等多个组成部分的复杂组合，建立了一个数学模型，以提高乳腺内部温度测量的准确性。这些生物成分中的每一种都由其自身的一组物理参数决定。我们的数值模型被设计来计算微波电场和生物组织内的温度的空间分布。我们将数值模拟结果与内部温度的实际医学测量结果进行了比较。
2018-01-05 physics.med-ph
In vivo stiffness measurement of epidermis, dermis, and hypodermis using broadband Rayleigh-wave optical coherence elastography
行波光学相干弹性成像（OCE）是一种很有前途的测量生物组织刚度的技术。虽然OCE已被应用于相对均匀的样品，组织具有显着变化的弹性，通过深度提出了一个挑战，需要深度分辨测量具有足够的分辨率和精度。在这里，我们开发了一种宽带瑞利波OCE技术，能够测量的3个主要的皮肤层（表皮，真皮，皮下组织）的弹性模量可靠地通过分析泄漏的瑞利表面波在0.1-10 kHz的宽频率范围内的分散。我们发现，以前未探索的，4-10 kHz的高频范围是解决薄表皮的关键，而0.2-1 kHz的低频范围是足够的探测真皮和更深的皮下组织。我们开发了一个双双层的逆模型，以确定在所有3层的弹性模量，并验证其高精度与有限元分析和皮肤模仿幻影。最后，将该技术应用于健康志愿者前臂皮肤的测量。表皮（包括角质层）的杨氏模量在4-10 kHz下测量为约4 MPa，而真皮和皮下组织的杨氏模量在0.2-1 kHz下分别为约40和15 kPa。除了皮肤病学的应用，这种方法可能是有用的各种其他分层组织的亚毫米深度分辨率的力学分析。
2022-01-28 physics.app-ph physics.med-ph
Fully-automatic CT data preparation for interventional X-ray skin dose simulation
最近，深度学习（DL）找到了介入X射线皮肤剂量估计的方法。虽然它的性能被认为是可以接受的，但如果有更多的数据集可供训练，就可以取得更准确的结果。一种可能性是转向计算机断层成像（CT）数据集。通常，计算机断层成像（CT）扫描可以映射到组织标记和质量密度以获得训练数据。然而，必须注意确保适当考虑不同的临床环境。首先，介入环境的特征在于各种各样的床设置，这些床设置与传统CT中使用的典型患者床显著不同。这一点不容忽视，因为表格在介入设置中的合理皮肤剂量估计中起着至关重要的作用，例如。例如，在一个实施例中，当X射线源位于患者正下方时（后-前视图）。其次，由于插值误差，大多数CT扫描不便于皮肤边界的干净分割。作为这些问题的解决方案，我们应用了连通分量标记（CCL）和Canny边缘检测来（a）稳健地将患者与手术台分离以及（b）识别最外层皮肤层。我们的研究结果表明，这些扩展使全自动的，广义的预处理CT扫描进一步模拟皮肤剂量和相应的X射线投影。
2020-05-07 eess.IV physics.med-ph
Modeling pressure distribution and heat in the body tissue and extract the relationship between them in order to improve treatment planning in HIFU
在癌症治疗中使用非电离方法的高强度聚焦超声（HIFU）系统中，如果装置在外部应用于身体，则由于缺乏关于患者组织的粘弹性性质的知识以及在治疗规划中未能考虑组织的物理性质，HIFU射束可能损伤附近的健康组织并灼伤皮肤。通过使用各种方法（例如MRI或超声）来解决这个问题，弹性成像可以有效地测量组织的粘弹性特性，并且适合刺激和总治疗计划的模式。本文在HIFU传播的线性路径上，考虑路径的最小部分，包括具有质量、弹簧和阻尼器三个机械元件的体素，它代表了组织的粘弹性特性，通过在MATLAB力学的线环境中产生HIFU波，并对这些元件进行模拟，得到了在假设体素中由于刺激引起的压力和热量传递。通过这些三维元素的可重复性，创建组织。在三个层上进行测量。测量了在实际例子中和体外的绵羊的肝组织和肾的这些元素的值，并且通过利用设计的模型施加超声信号来获得生物体的肝和肾组织的三层的压力和热。在三个不同的方向上重复该动作，然后将结果与超声模拟软件进行比较，作为美国食品和药物管理局（FDA）对HIFU的测量的参考，以及将结果与HIFU单元的操作方法进行比较。
2016-10-25 physics.med-ph
Neural networks for the prediction of peel force for skin adhesive interface using FEM simulation
TCS Research（塔塔咨询服务公司研究院）
本研究提出一种基于神经网络的方法，利用FEM仿真生成的90度剥离测试数据预测皮肤粘合剂脱离所需的最小剥离力，在保持高准确度的同时显著降低了计算成本与仿真时间。
2025-06-09 cs.LG physics.med-ph
