Virtual Issue on Nonlinear Optical Imaging

非线性光学成像虚拟专刊

REVIEW ARTICLE

1.Recent advances in nonlinear optical techniques for metastatic melanoma diagnosis and mechanistic studies

用于转移性黑色素瘤诊断与机制研究的非线性光学技术新进展

摘要：

黑色素瘤作为一种高侵袭性皮肤癌，其典型特征是通过复杂的代谢重编程驱动转移潜能与治疗抵抗。虽然局限性黑色素瘤可通过有效治疗控制，但转移性黑色素瘤目前仍难以治愈，亟需能够实现早期诊断与预后评估的新方法。本篇综述总结了利用非线性光学技术（特别是泵浦-探测显微术与振动光谱技术）应对这些临床挑战的最新进展，这些技术专为活体研究黑色素瘤进展过程中的关键分子变化而开发。它们分别实现了对黑色素瘤进程中两大关键组分——黑色素与脂滴的无标记实时成像，为解析黑色素瘤发展的分子机制提供了独特视角。未来研究将聚焦于推动这些成像技术的临床转化应用，并进一步探索黑色素瘤的代谢脆弱性。

引用：

Yihui Zhou, Wei Lu, and Hyeon Jeong Lee. Recent advances in nonlinear optical techniques for metastatic melanoma diagnosis and mechanistic studies.Journal of Innovative Optical Health SciencesOnline ReadyOpen Access

文章链接：

https://www.worldscientific.com/doi/10.1142/S179354582544002X

2.Nonlinear optical microscopy for skin in vivo: Basics, development and applications

用于皮肤体内成像的非线性光学显微镜：基础、发展与应用

摘要：

多光子显微镜（MPM）和相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）是两种先进的非线性光学成像技术，它们提供了互补的信息，并且在结合用于非侵入性体内生物医学应用方面具有巨大潜力。本文详细讨论了这些技术在体内皮肤研究中的基础、发展和应用，涵盖以下主题：MPM和CARS的原理和优势，用于体内应用的仪器开发，正常皮肤的MPM和CARS成像，MPM和CARS在皮肤癌和疾病诊断中的应用，以及MPM在皮肤疾病干预中的应用，即成像引导的双光子光热解技术。

引用：

Jianhua Zhao, Yuan Zhao, Zhenguo Wu, Yunxian Tian, and Haishan Zeng. Nonlinear optical microscopy for skin in vivo: Basics, development and applications.Journal of Innovative Optical Health Sciences Vol. 16, No. 01, 2230018 (2023)

文章链接：

https://worldscientific.com/doi/10.1142/S179354582230018X

RESEARCH ARTICLE

3.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研究

摘要：

创伤半暗带（TP）是指脑损伤原发病灶周围具有功能恢复潜力的区域，实现对其快速精准成像对创伤性脑损伤（TBI）治疗至关重要。本研究首先采用改良Feeney法建立大鼠TBI模型，继而通过多光子荧光显微镜对脑组织切片进行无标记成像。结果显示，该技术不仅能清晰呈现正常与创伤脑组织的结构差异，更揭示了创伤半暗带中细胞外基质重构、血管细胞增生及细胞内水肿等病理特征。与正常组织相比，TP区域细胞外基质排列疏松，细胞结构紊乱，增生的血管细胞释放出更强的双光子激发荧光（TPEF）信号。本研究表明，多光子荧光技术在TBI快速诊断与疗效评估方面具有重要应用潜力。

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 Sciences Online Ready

文章链接：

https://worldscientific.com/doi/10.1142/S179354582550004X

4.In vivo 3-photon fluorescence microscopy of white matter in mouse brain excited at the 1700 nm window

基于1700nm激发的活体小鼠脑白质三光子荧光显微成像

摘要：

白质作为髓鞘化轴突的密集聚集区，在神经网络中发挥着关键作用。多光子显微成像（MPM）凭借其高空间分辨率与深层穿透能力，为活体动物模型的白质成像提供了理想工具。虽然白质可产生三倍频（THG）信号，但由于高散射特性，白质层底部产生的THG信号较弱。本研究开发了一种活体标记与成像技术：通过MitoTracker Red荧光标记结合1700 nm窗口激发的三光子荧光（3PF）显微术，成功实现了小鼠脑白质层的在体可视化。实验数据显示，3PF信号强度较THG提升数倍，从而实现了白质层的更深层成像。我们的研究结果表明，三光子荧光显微技术是深部脑区白质活体成像的潜力工具。

引用：

Jie Huang, Jincheng Zhong, Shen Tong, Yingxian Zhang, Ping Qiu, and Ke Wang. In vivo 3-photon fluorescence microscopy of white matter in mouse brain excited at the 1700 nm window.Journal of Innovative Optical Health SciencesVol. 17, No. 05, 2450006 (2024)

文章链接：

https://worldscientific.com/doi/10.1142/S1793545824500068

5.In vivo label-free measurement of blood flow velocity symmetry based on dual line scanning third-harmonic generation microscopy excited at the 1700 nm window

基于1700 nm激发双线扫描三倍频显微技术的活体无标记血流速度对称性测量

摘要：

血流速度测量是理解活体生理与病理过程的关键环节。现有测量多集中于血管中轴线区域，而对瞬时血流速度分布特征的研究尚显不足，这主要受限于缺乏具备高时空分辨率的测量技术。本研究采用新开发的双波长线扫描三倍频（THG）成像技术，通过同步采集双波长THG线扫描信号，实现了对活体小鼠脑微静脉与微动脉中两个径向对称位点血流速度的同步测量。实验结果明确显示：在常规生理条件下，瞬时血流速度分布并不具备对称性特征。

引用：

Hui Cheng, Jincheng Zhong, Ping Qiu, and Ke Wang. In vivo label-free measurement of blood flow velocity symmetry based on dual line scanning third-harmonic generation microscopy excited at the 1700 nm window.Journal of Innovative Optical Health SciencesVol. 17, No. 01, 2350011 (2024)

文章链接：

https://worldscientific.com/doi/10.1142/S1793545823500116

6. Optical second-harmonic generation imaging for identifying gastrointestinal stromal tumors

光学二次谐波成像技术用于胃肠间质瘤识别研究

摘要：

胃肠间质瘤（GISTs）是消化系统最常见的间叶源性肿瘤，其临床表现隐匿性给诊断带来挑战。众所周知，肿瘤发展常伴随胶原纤维形态结构的改变。新兴的光学成像技术——二次谐波成像（SHG）凭借其非中心对称特性，无需染色即可直接识别胶原纤维。本研究通过监测肿瘤微环境中胶原纤维的形态变化，探讨SHG成像技术检测GISTs的可行性。研究发现，与正常组织相比，GISTs中胶原纤维呈现显著结构改变；进一步通过自动图像分析从SHG图像中提取两项形态学特征，定量评估正常肌层与GISTs的胶原纤维形态差异。定量分析显示这两项胶原特征参数存在显著区别。本研究证实了SHG成像作为无标记识别GISTs辅助诊断工具的潜力。

引用：

Shichao Zhang, Xingxin Huang, Deyong Kang, Jikui Miao, Zhenlin Zhan, Guoxian Guan, Jianxin Chen, Yongjian Zhou, and Lianhuang Li. Optical second-harmonic generation imaging for identifying gastrointestinal stromal tumors. Journal of Innovative Optical Health SciencesVol. 16, No. 05, 2350007 (2023)

文章链接：

https://worldscientific.com/doi/10.1142/S1793545823500074

7. A simple Bessel module with tunable focal depth and constant resolution for commercial two-photon microscope

用于商用双光子显微镜的简易贝塞尔模块：实现可调焦深与恒定分辨率

摘要：

双光子显微镜的体积成像通过扩展焦深和提升通量，在三维样本（尤其是神经科学研究）中展现出独特优势。然而，现有的体积成像技术大多需要定制化系统，这限制了其与商用双光子显微镜的集成。本研究通过分析调控偏振环形成像焦深与侧向分辨率的关键参数，提出了一种可直接集成于商用双光子系统的体积成像模块。该设计利用商用系统的光束直径调节功能，在保持恒定侧向分辨率的同时实现焦深灵活调控。我们进一步验证了该设计的焦深范围与侧向分辨率，并通过在清醒小鼠大脑皮层中成功捕获更多成像神经元的实验，证实了其提升成像通量的能力。

引用：

Ting Mo, Yiran Liu, Fatao Bie, Zimin Dai, Jin Chang, Hui Gong, and Wei Zhou. A simple Bessel module with tunable focal depth and constant resolution for commercial two-photon microscope. Journal of Innovative Optical Health SciencesVol. 16, No. 04, 2350017 (2023)

文章链接：

https://worldscientific.com/doi/10.1142/S1793545823500177

8.Comparison of the emission wavelengths by a single fluorescent dye on in vivo 3-photon imaging of mouse brains

单分子荧光染料发射波长对活体小鼠脑三光子成像影响的对比研究

摘要：

多光子显微成像（MPM）是脑科学研究的重要成像技术，其成像深度部分取决于荧光标记物的发射波长。已有研究表明，随着成像深度增加，较长发射波长更有利于信号探测，但尚未有研究系统比较近红外（NIR）波段发射的性能。为定量分析发射波长对活体小鼠脑三光子成像的影响，我们采用相同激发波长激发单一荧光染料，同步采集828 nm近红外与620 nm橙红波段发射荧光。实验与模拟结果一致表明：随着成像深度增加，近红外发射信号的衰减显著低于橙红荧光。这些结果证实，将发射波长向近红外波段偏移能有效提升深部脑区信号采集效率。

引用：

Ke Wang, Wanjian Zhang, Xiangquan Deng, Shen Tong, Hui Cheng, Mengyuan Qin, Lei Zheng, Kun Zhao, Ruizhan Zhai, Zhongqing Jia, and Ping Qiu. Comparison of the emission wavelengths by a single fluorescent dye on in vivo 3-photon imaging of mouse brains.Journal of Innovative Optical Health SciencesVol. 16, No. 06, 2340002 (2023)

文章链接：

https://worldscientific.com/doi/10.1142/S1793545823400023

9.Compact and robust dual-color linearly polarized illumination source for three-photon fluorescence imaging

用于三光子荧光成像的紧凑型双色线偏振光源

摘要：

近红外II区小型化飞秒激光器是三光子显微系统的核心设备。本文设计了一种结构紧凑、性能稳定的双色线偏振照明光源，其基于全保偏被动锁模光纤激光器，通过级联拉曼效应将脉冲中心波长移至1.7μm波段，从而产生双波长脉冲。为提升信号分离度，利用渐变折射率多模光纤对双波长进行分离，最终获得波长1639.4nm/1683.7nm、脉宽920fs、重复频率23.75MHz的双脉冲序列。该光源输出信号平均功率53.64mW，对应单脉冲能量2.25nJ。此照明光源可进一步进行放大与压缩处理，特别适用于三光子荧光成像（尤其是双色三光子荧光成像），为生物医学应用提供了理想选择。

引用：

Jiazheng Song, Yanyan Zhang, and Yuanshan Liu. Compact and robust dual-color linearly polarized illumination source for three-photon fluorescence imaging.Journal of Innovative Optical Health SciencesVol. 16, No. 05, 2241005 (2023)

文章链接：

https://worldscientific.com/doi/10.1142/S179354582241005X

10.Three-dimensional remodeling of collagen fibers within cervical tissues in pregnancy

妊娠期宫颈组织中胶原纤维的三维重构研究

摘要：

宫颈作为富含胶原的结缔组织，需在妊娠期间保持闭合状态，同时为分娩进行始于早产启动前的渐进性重构过程。因此，解析宫颈重构过程中胶原纤维的变化对预防早产具有重要意义。本研究通过三维空间尺度评估妊娠小鼠第3、9、12、15和18天宫颈组织中胶原纤维的空间构型。研究发现：表征排列有序度的新指标——三维方向方差在妊娠第9天高于第3天，随后从第9天至第18天逐渐降低；与二维分析方法相比，三维分析具有更高灵敏度，凸显了真三维量化的重要性。此外，研究还揭示了三维方向方差随组织深度的变化规律。通过整合多个三维方向方差衍生指标，实现了对妊娠不同时期的高精度区分。这些结果表明，三维方向方差对宫颈组织中胶原纤维重构过程具有高度敏感性，为早产（PTB）的高灵敏度早期检测提供了新思路。

引用：

Lingxi Zhou, Rushan Jiang, Jia Meng, Shuhao Qian, Shenyi Jiang, Chuncheng Wang, Chen Yang, Zhihua Ding, Zheyue Shu, and Zhiyi Liu.Three-dimensional remodeling of collagen fibers within cervical tissues in pregnancy.Journal of Innovative Optical Health SciencesVol. 16, No. 04, 2243005 (2023)

文章链接：

https://worldscientific.com/doi/10.1142/S1793545822430052

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