高分辨率动态面部微表情捕捉：多聚焦相机阵列的革新 背景与研究问题 在生物医学、情感识别、疾病诊断、外科手术评估、面部修复，以及基因特征研究等多个领域，高质量的动态面部影像捕捉具有至关重要的意义。人类面部表情，尤其是微表情，可以提供丰富的生物医学信息。例如，研究表明捕捉高分辨率动态面部表情有助于提升情感计算精度、诊断某些疾病、评估手术效果以及生成高精度面部假体。在这些应用背景下，面部曲面细节的高清捕捉成为科学界亟需解决的核心问题。 传统的单摄像机成像系统由于景深（Depth of Field, DOF）、视野（Field of View, FOV）和分辨率之间的固有限制，难以同时实现高分辨率和大景深全面覆盖。例如，目前流行的数据集中，诸如2014年发布的BP4D-SPONTANEOUS和SAM...
基于fNIRS的触觉反馈在脑卒中患者手部康复中的神经功能研究 学术背景 脑卒中是一种常见的神经系统疾病，其导致的功能性损害对患者的日常生活和生活质量产生深远影响。在众多受损功能中，手部功能障碍尤其显著，其表现为肌肉力量的下降以及手指动作的控制受到严重限制。这些问题不仅限制了患者执行基本生活技能的能力，还显著减少了社会参与并降低了整体生活质量。传统的运动功能康复训练虽然在一定程度上有助于改善运动功能，但仍有超过一半的脑卒中患者在康复后仍存在残余的手部运动障碍。 近年来，有研究表明结合触觉反馈（Tactile Feedback, TF）的运动康复方法有望成为一种有效的康复干预手段。触觉反馈通过提供实时的触觉或视觉信息，帮助患者感知和调整动作，从而提高运动训练的参与度和效果。然而，触觉反馈在脑卒中...
跨光学革命：融合光学相干断层成像与拉曼光谱技术的多模态视网膜成像系统开发 研究背景与意义 视网膜组织中分子信息的获取是实现眼科及神经退行性疾病早期诊断的关键之一。然而，目前视网膜成像的金标准——光学相干断层成像(Optical Coherence Tomography, OCT)及其功能扩展技术光学相干断层血管成像(OCTA)，仅能提供视网膜的结构和血流灌注信息。尽管这些技术在诊断糖尿病性视网膜病变和与中枢神经系统疾病（如阿尔茨海默病和多发性硬化症）相关的视网膜和血管变化方面有显著价值，但它们对疾病来源的特异性不足。这是因为这些结构和血管生物标志物之间存在显著重叠，很难区分不同疾病。 为了弥补这一不足，拉曼光谱(Raman Spectroscopy, RS)作为一种基于光的分子传感技术被提出...
探索纤维光学Sagnac干涉仪在软组织弹性非接触性表征中的潜力 背景介绍 软组织的机械特性对现代医学和生物医学研究具有重要意义。深入了解软组织的机械特性有助于评估其结构完整性以及潜在的病理情况。然而，传统的组织机械特性评估技术通常需要直接接触组织，这可能引起患者的不适，尤其是在如眼科等敏感领域。此外，直接接触还可能导致组织污染或引入检测伪影，从而影响检测结果的准确性。因此，开发非接触式的软组织机械特性测量方法势在必行。 近年来，基于光学技术的非接触性技术如频域相干光学断层扫描（Fourier Domain Optical Coherence Tomography，简称FD-OCT）正在逐渐成为柔性组织力学波检测的研究热点。然而，FD-OCT方法存在检测频带局限性、数据后处理复杂以及数字噪声显...
基于视频的心率与呼吸率估算的新方法 背景与研究动机 心率（Heart Rate，HR）和呼吸率（Respiratory Rate，RR）是反映心肺功能的重要生理指标，被广泛应用于医学、健康监测以及心理与行为研究中。传统上，这些参数常通过接触式传感器测量，例如使用心电图（Electrocardiography，ECG）或光电容积描记法（Photoplethysmography，PPG）测量HR，通过呼吸带或气流测量仪测量RR。然而，接触式方法在日常生活中使用受到诸多局限，包括设备佩戴的舒适性、可能的皮肤刺激以及不适合某些场景的应用需求（如远程监测）。 近年来，基于视频的非接触式生理信号估算逐渐吸引了研究者的关注，这种方法通过视频捕捉皮肤颜色细微变化或身体运动变化，无需接触即能估算HR和RR。但...
自动化机器人颅骨钻孔手术系统研究报告 背景介绍 大脑作为复杂生命活动的核心器官，掌控了所有心理和意识过程的核心，承担着生命活动的方方面面。进入21世纪以来，神经科学成为了增长最快、研究进展最显著的领域之一。动物模型在研究大脑和神经功能中扮演了至关重要的角色。然而，目前广泛应用的医学成像技术诸如计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）及功能近红外光谱成像（fNIRS），虽然在观察脑组织结构和功能方面很有潜力，但其分辨率尚不足以清晰地捕捉单个神经细胞活动。因此，分辨率达到微米级别的光学显微技术，例如双光子显微镜（two-photon microscopy）、共聚焦显微镜（confocal microscopy）以及光学相干断层成像（Optical Coherence Tomography, ...
低成本光学相干断层扫描（OCT）系统的下一代发展：提升视网膜成像的临床应用 学术背景 光学相干断层扫描（Optical Coherence Tomography, OCT）是一种非侵入性、高分辨率的成像技术，广泛应用于眼科领域，尤其是视网膜疾病的诊断。然而，现有的商用OCT系统价格昂贵（4万至15万美元），限制了其在资源匮乏地区的应用。为了扩大OCT技术的可及性，研究人员致力于开发低成本OCT系统，以在临床护理点（point-of-care）提供高质量的视网膜成像。本文介绍了一种下一代低成本OCT系统，通过改进硬件设计和图像处理算法，显著提升了成像性能，使其在临床应用中更具竞争力。 论文来源 本文由Duke大学生物医学工程系的Hillel B. Price、Ge Song、Wan Wang等...
超分辨成像揭示小鼠脑内神经形态动力学的新进展：头固定清醒动物的动态观察 背景介绍 神经科学研究领域中，神经元的形态变化及其功能动态是理解大脑信息处理和网络塑性的关键。然而，尽管神经元的树突棘（dendritic spines）、轴突末端（axonal boutons）和突触结构在动物学习和行为适应中发挥着重要作用，这些结构在活体中的动态观测依然是一个重大挑战。受限于传统显微成像方法的分辨率和拍摄速度，许多关于神经元微小结构的研究只能停留在固定组织或培养细胞层面，这限制了我们了解塑性变化如何与自然行为和生理状态相关联。 近年来，超分辨显微镜（super-resolution microscopy, SRM）的引入突破了传统光学成像的衍射极限，拉近了研究神经网络超微结构与活体动态行为之间的距离。...
解码生物医学图像分析的未来：多模态联合分割、检测和识别的基础模型 背景介绍 在生物医学研究中，图像分析已成为推动生物医学发现的重要工具，能够跨越从亚细胞器到器官层面的多尺度研究。然而，传统的生物医学图像分析方法大多将分割（segmentation）、检测（detection）和识别（recognition）作为独立的任务分别处理，这种割裂式的方法不仅限制了任务间交互的信息共享，也增加了处理复杂多样的生物医学图像数据的难度。 例如，传统的分割方法通常依赖人工指定的边界框（bounding box）来标注感兴趣目标的区域，这对形状不规则或数量庞大的目标（如病理全片图像中的所有细胞）来说是具有挑战性的。此外，忽略目标检测和语义识别（metadata-like semantic informatio...
利用电阻抗谱技术早期检测葡萄膜黑色素瘤 学术背景 葡萄膜黑色素瘤（Uveal Melanoma, UM）是成人中最常见的原发性眼内恶性肿瘤，具有高度侵袭性，可能导致视力丧失甚至危及生命。早期发现和及时治疗对于保护视力和降低死亡率至关重要。然而，许多UM患者在肿瘤较大之前并无明显症状，这使得早期诊断变得极具挑战性。现有的诊断方法，如眼底检查和超声成像，虽然有效，但需要专业设备和技能，且不适用于大规模筛查。因此，开发一种简便、非侵入性的早期检测方法具有重要意义。 电阻抗谱技术（Electrical Impedance Spectroscopy, EIS）是一种通过测量生物组织的电学特性来区分健康组织和病变组织的技术。已有研究表明，癌变组织的电学特性（如细胞表面电荷、跨膜电位、离子浓度和细胞膜通透...