可编程形状优化与形变问题的研究：Morpho环境的开发与应用 学术背景 软材料（soft materials）在科学和工程领域中扮演着至关重要的角色，特别是在软体机器人、结构流体、生物材料与颗粒介质等领域。这些材料在机械、电磁或化学刺激下会发生显著的形状变化。理解并预测这些材料的形状变化，对于优化设计及其背后的物理机理具有重要意义。然而，形状优化问题通常非常复杂，现有的模拟工具要么功能有限，要么不够通用，导致研究人员在处理这类问题时面临诸多挑战。 为了解决这一难题，研究人员开发了一个开源的、可编程的优化环境——Morpho，旨在为形状优化问题提供一个通用且易于使用的工具。Morpho能够处理多种软材料物理问题，如膨胀水凝胶（swelling hydrogels）、复杂流体中的非球形液滴、肥皂...
深度学习框架用于多体薛定谔方程的自旋对称解研究：一种新方法的开创性成果 量子物理和量子化学领域中，多体电子体系的描述一直是一个重要但极具挑战性的课题。准确表征电子-电子强关联尤其对催化、光化学和超导性等领域具有深远意义。然而，传统的方法，如广泛使用的Kohn–Sham密度泛函理论(KS-DFT)，在多参考体系中对静态关联的描述仍存在不足。这一不足导致了所谓的“对称性困境”(symmetry dilemma)，即自旋对称破缺的解尽管是不物理的状态，却能获得较低的能量结果。此外，虽然波函数方法在捕获静态关联方面表现出色，但其计算复杂度较高，需要专家选择合适的活性空间，对普通应用存在显著障碍。因此，找到一种高效且准确的方法来解决多体薛定谔方程，同时保持正确的自旋对称性，这是科学家们长期以来期待解决...
研究助力皮肤癌诊断的新方法：基于光声成像与水平集分割算法的研究 近年来，随着全球人口老龄化和环境变化，皮肤癌的发病率逐年攀升。皮肤癌已成为重要的公共卫生问题，其中主要的非黑色素瘤类型包括鳞状细胞癌（Squamous Cell Carcinoma, SCC）和基底细胞癌（Basal Cell Carcinoma, BCC）。其中，基底细胞癌是最常见的一种。据统计，美国每年约有430万例新的基底细胞癌病例。尽管这种癌症死亡率较低，但对患者的生活质量和医疗资源造成了巨大挑战。 基底细胞癌的临床诊断和治疗仍存在诸多问题。传统的肿瘤边界评估方法主要依赖组织病理学（histopathology），这种方法虽然精准，但需通过活检等侵入性手术获取样本，并且需要耗费大量时间。此外，诸如光学相干断层成像（Opt...
背景介绍 随着白内障手术和晶状体置换手术的广泛开展，人工晶状体（intraocular lens, IOL）的光学性能在术后患者视觉质量中的重要性愈显突出。临床视觉表现(如视力、焦距范围等)的预测正成为眼科领域的重要研究方向，特别是在讨论不同设计的人工晶状体时，其光学性能可能随瞳孔大小的变化而有所不同。然而，目前已有的预测模型通常假设固定的瞳孔大小，而忽略了这一关键变量在实际临床应用中的影响。 近年来，标准化流程（如ANSI Z80.35-2018和ISO 11979-7:2024）已引入单眼离焦曲线（monocular defocus curve），以更准确地分类IOL（如延展深度焦距的IOL，EDOF IOL）。尽管这些标准推荐将瞳孔大小的影响纳入考量，但目前针对瞳孔大小变化如何影响离焦...
红细胞沉降及外部磁场影响的三维监测研究：科学新视角 背景及研究目的 随着现代社会中电子设备的广泛普及，人类生活的环境中正逐渐受到越来越多的外部磁场（Magnetic Fields, MFs）的影响。然而，对于这些磁场对生物体尤其是血液中红细胞（Red Blood Cells, RBCs）行为的潜在影响，科学界尚未形成全面的认识。红细胞对氧气的运输至关重要，且其形状和尺寸使其能够轻松通过最狭窄的血管，完成氧气向全身组织和器官的高效运输。为了评估身体炎症或其他病理状态的标志，红细胞沉降率（Erythrocyte Sedimentation Rate, ESR）是一种广泛使用的血液学诊断技术。然而，该技术缺乏精确的三维动态监测血液流动过程的能力。 研究者发现，红细胞中的血红蛋白（Hemoglobi...
一种新型紧凑型双通道眼内散射测量系统的研究进展 学术背景 根据世界卫生组织（World Health Organization, WHO）的报告，白内障是全球范围内导致失明的主要原因，约占失明病例的50%。全球超过2000万人因为白内障而丧失视力或者严重受损。现有的治疗方法主要依赖于手术，通过移除浑浊的眼晶状体并植入人工晶状体来恢复视力。然而，随着对白内障发生机制的深入研究，人们对药物预防和治疗白内障寄予了更大的希望。这种希望的实现极大地依赖于对白内障早期征兆的精准监测。 白内障的早期症状往往不明显或者难以察觉，但随着病情进展，眼内的屈光介质逐渐浑浊，导致眼内散射（intraocular scatter）增加，这是白内障发展的重要病理变化。因此，眼内散射的变化监测被认为在白内障的早期诊断中具...
挑战皮肤色素沉着偏差：时域近红外光谱技术在组织血氧测量中的应用 背景与研究动机 近年来，光学技术在医学诊断和治疗中的应用日益广泛。然而，不同的皮肤色素水平（皮肤中的黑色素含量）可能会显著干扰光学设备的准确性。例如，COVID-19疫情期间，许多临床医生发现，脉搏血氧仪在低血氧状态下对深色皮肤患者的氧饱和度（SpO2）测量结果不够准确。这种问题促使研究界开始重新审视光学设备在多样化人群中的性能表现。然而，目前对皮肤色素沉着对不同光学设备的影响的研究仍然非常有限，尤其是在新兴的时域近红外光谱技术（Time-Domain Near-Infrared Spectroscopy, 简称 TD-NIRS）领域。 TD-NIRS 是一种基于短脉冲激光、快速光电探测器和计时电子技术的光学技术，其显著特点是可...
丝素蛋白水凝胶中的飞秒激光诱导折射率变化研究：未来眼科生物植入物开发的新希望 在高度智能化和生物医学迅速发展的今天，屈光矫正技术已成为全球眼科领域的一个研究热点。然而，目前的矫正技术，如角膜机械成形和商用眼内镜片材料的使用，仍面临精确度不足、应用材料生物相容性较差等问题。因此，科学界越来越关注一种新型的非损伤性矫正技术——飞秒激光诱导折射率变化（Laser Induced Refractive Index Change，简称LIRIC）。基于这一背景，来自University of Rochester的研究团队与Instituto de Óptica “Daza de Valdés”合作，开展了一项具有革命潜力的研究，探索如何在丝素蛋白（水凝胶，Silk-Fibroin Hydrogels）...
数值分析助力多焦晶状体植入物术后视觉评估与优化 引言与研究背景 白内障手术的主要目标之一是实现患者无需眼镜即可获得清晰视觉。然而，这一目标受到两个主要挑战的限制：晶状体调节功能的丧失和术后角膜散光（corneal astigmatism）。为了应对这些问题，临床上引入了屈光性散光矫正晶状体（toric intraocular lenses, toric IOLs）来校正角膜散光，同时通过多焦晶状体（multifocal intraocular lenses, multifocal IOLs）的研发，试图改善多焦视觉需求。然而，根据临床观察，与单焦点晶状体（monofocal IOLs）相比，植入多焦晶状体的眼睛在相同程度散光下常表现出更明显的视觉性能下降，尤其是在三焦晶状体（trifocal...
光学相干断层扫描与机器人学相结合：当前研究与未来展望 学术背景 光学相干断层扫描（Optical Coherence Tomography，OCT）是一种非侵入性、高分辨率的光学成像技术，自其诞生以来就广泛应用于生物医学成像领域。它在微米级别对组织的结构进行可视化，尤其在眼科领域取得了巨大成功，例如用于角膜、视网膜等组织的成像和疾病诊断。然而，传统的OCT设备通常用于静态环境中的成像，受到体积、视场（Field of View, FOV）和操作灵活性的限制。当应用于动态、复杂的医疗场景或外科手术中时，传统OCT设备的局限性变得更加明显，例如无法适应手术目标物的移动，或难以提供实时的高分辨率成像以指导手术操作。 与此同时，医学机器人的快速发展为OCT的进一步集成提供了可能性。医学机器人以其高精...