目的:探讨血管内激光照射治疗(ILIB)对脑卒中后亚急性期交叉性小脑神经机能联系不能(crossed cerebellar diaschisis，CCD)的临床疗效。方法:2019年6月-2021年12月，筛选我院发生急性中风并接受脑SPECT的48名患者作为研究对象，按照脑卒中偏侧性、性别、梗塞等因素匹配为ILIB治疗组(n=24)和常规治疗组(n=24)。使用99mTc-六甲基丙胺肟(99mTc-HMPAO)进行脑SPECT以检测CCD。通过简易精神状态检查(MMSE)、功能性行走类别(FAC)和修正的Barthel指数(MBI)在2个时间点评估功能结果。分析功能恢复以揭示初始和后续评估之间每个临床评分(MMSE、FAC、MBI)的功能增益。结果:根据独立t检验，常规治疗组在初始评估时的MMSE、FAC、MBI评分与ILIB治疗组相比无显著差异(P值分别为0.122、0.106、0.125)；后继评价中，常规治疗组在初始评估时的MMSE、FAC、MBI评分与ILIB治疗组相比亦无显著差异(P值分别为0.123、0.091和0.136)。常规治疗组的FAC恢复更差(P=0.001)，常规治疗组的MMSE和MBI平均功能恢复低于ILIB治疗组，但两组MMSE和MBI恢复的差异无统计学意义(P值分别为0.032和0.036)。结论:血管内激光照射治疗可改善CCD并有利于功能恢复，ILIB对脑卒中后亚急性期CCD具有较好的临床疗效。

扩散拉曼层析成像(DRT)结合了拉曼光谱的分子指纹特性和扩散光学层析成像的深度分辨能力，是一种新型的无标记在体三维光学成像技术。提出一种基于蒙特卡罗光子输运模型的DRT可行性研究方法，该方法应用互易原理建立了快速有效的拉曼数据模拟器，可对实验条件下不同信噪比的拉曼测量数据进行客观模拟，同时结合扩散荧光层析线性成像原理，实现多波段下薄层组织的拉曼光谱分析。通过开展178个波段下5种物质成分的薄层组织模型的模拟重建研究，表明线性DRT图像重建方法能有效构建多种成分浓度的三维空间分布。

针对具有复杂形貌的大面积组织体，基于空间频率域方法，提出并搭建了一种具有在线形貌矫正能力的绝对光学参数测量系统.首先利用相位轮廓术获取组织体三维表面轮廓，用余弦辐射公式法矫正由组织体表面复杂形貌引起的光照度的差异.然后，采用漫反射板代替传统方法中的参考仿体，基于空间频率域测量模式进行绝对光学参数测量，并利用提出的光学参数反演方法实现组织体吸收系数的重建.组织仿体实验结果表明，对于表面高度小于29 mm的仿体，经矫正后，吸收系数的测量相对误差从60%下降到13%.

为实现小动物吲哚菁绿(ICG)药代动力学成像, 设计了一套高灵敏度扩散荧光层析成像系统。该系统采用了基于离散光纤耦合光子计数采集的仿计算机断层成像扫描方式, 在保障高灵敏度和大动态范围测量的前提下, 可有效提高系统的空间采样分辨率; 同时采用了基于光开关切换四通道串-并混和的测量模式, 兼顾了测量时间分辨率和系统性价比之间的平衡。为验证实验系统的有效性, 设计了可模拟小动物体内ICG代谢规律的动态仿体, 并结合实验室开发的荧光剂药代动力学直接重建算法, 实现了ICG代谢速率的重建。实验结果表明, 该系统具有较高的空间分辨率、灵敏度和量化性。

首先研究了LOT中光线倾斜角度对光在组织体内分布的影响, 在此基础上设计并完成了压缩倾角薄层光学层析成像(cdaLOT)系统, 提出了矫正扫描振镜枕型畸变的新方法, 并发展了基于虚拟源-扩散近似技术和GPU的LOT快速图像重建算法.光路模拟结果表明, cdaLOT系统可使入射主光线倾角减小为传统LOT系统的1/2.cdaLOT系统将测量值与蒙特卡洛模拟结果的相对误差由传统系统的38%降低为18%, 从而缓解了实际测量方式和正向数学模型的不匹配性.仿体成像实验表明: 重建异质体的吸收系数、位置和形状与真实情况基本相符.

在体组织光学参数测量是生物医学光子学研究重点, 不仅为人体成分无创检测、 光学成像、 光动力疗法等研究提供基础, 并且可以快速获取人体光学参数变化, 为临床诊断提供依据。 研究了利用单一源探距离漫反射光谱在体测量光学参数的测量系统与反构方法。 漫反射光谱测量系统由宽谱光源、 高分辨光纤光谱仪及光纤探头组成, 结构简单, 测量方便, 可准确快速测量样品漫反射光谱。 在光纤探头几何形状基础上, 研究了光纤收集及系统传递函数, 在此基础上对反构算法进行了校正。 光学参数反构算法中正向模型基于Monte Carlo以及神经网络方法, 适用光学参数范围大, 计算速度快； 逆向算法采用主成分分析与非线性建模拟合相结合的方法, 可抑制测量噪声影响。 在测量系统及反构算法基础上, 进行了组织仿体光学参数测量实验, 结果表明, 利用单一源探距离下漫反射谱, 可以较为准确获取吸收系数以及约化散射系数, 均方根误差分别达到4.58%以及7.92%。 为保证系统测量准确性, 测量波长范围应覆盖样品中所含吸收物质吸收峰范围。 所研究的在体组织光学参数测量方法为人体成分无创检测及测量条件变化获取提供了基础。

组织光学参数测量是生物医学光子学的主要研究内容之一, 人体组织光学性质与其生理病理状态密切相关。 近年来, 利用组织光学特性, 特别是吸收与散射特性进行组织成像诊断及无创成分检测成为生物医学光子学领域研究热点, 为肿瘤早期诊断、 代谢动态监护及光动力治疗等临床应用提供了基础。 双积分球方法能够同时测量离体组织吸收系数、 散射系数等, 具有测量准确、 快速, 适用范围大等优点, 作为光学参数测量的标准方法得到广泛研究与应用。 利用双积分球及超连续激光器搭建了宽光谱的组织光学参数测量系统, 分析了积分球测量传递函数与误差来源及系统最佳测量条件, 建立了基于BP-MCML的系统校正正向模型与L-M算法的光学参数反构算法。 在此基础上, 测量了1 100～1 400 nm连续宽谱范围内Intralipid溶液光学参数, 实验结果表明改进后反构算法测量结果比较准确, 多次测量标准偏差在3%以内, 不同波长下约化散射系数及吸收系数测量结果与其他研究小组得到的测量结果对比, 偏差小于3.4%。

为降低近红外脑功能漫射光断层成像(DOT)固有的逆问题病态性, 并避免多模态方法的图像配准等问题, 提出了基于光学自导引提供先验功能信息的脑功能DOT方法(OT-DOT), 并发展了图像重构方法.模拟验证表明: 上皮厚度(TLT)已知时, OT-DOT获得的重构量化度(QR)约为传统DOT的4.2倍; 当TLT的估计误差小于±10%时, OT-DOT重构的QR值可达92%以上, 远远优于传统DOT; 噪声鲁棒性测试表明, OT-DOT与传统DOT的噪声鲁棒性相近.利用连续光DOT测量系统的仿体实验重构结果表明, 所发展的OT-DOT算法获得的重构结果优于传统DOT算法.

在乳腺扩散光学层析成像中，L1-范数正则化的引入大幅改善了重建图像的质量，但目标函数的不可导性使得最优化过程异常困难。提出了一种新的基于非负约束L1-范数正则化的重建方法。非负先验信息的引入使得目标函数的一阶梯度变得简单易求，最优化过程得以简化和加速。数值模拟和仿体实验均表明，相对于传统正则化重建方法，该方法可简单、快速地获得更高质量的重建图像。

针对辐射率的漫射近似、P3近似等正向模型在描述小源探距离及低约化反照率介质下光子传输时存在的局限性，推导了用于小源探距离低反照率无限媒质中各向同性稳态点光源下辐射传输方程在P5近似下的解析解，并将P3近似、P5近似计算的辐射率分别和蒙特卡洛模拟结果进行对比.结果表明:在高约化反照率（0.97）条件下，P5近似和蒙特卡洛模拟结果的最大相对误差为13.17%，而P3为41.57%.在低约化反照率（0.69）条件下，最大相对误差分别为27.78%，286.70%.在其他光学参数下，P5近似与蒙特卡洛模拟的最大相对误差均小于P3.在P5适用的范围内舍弃最大特征根相关项，可以简化解析表达式，提高计算速度，且对P5的计算结果影响甚微.稳态辐射率测量系统仿体验证表明，在高、低约化反照率介质中的小源探距离下，由P5近似计算得到的辐射率和实验测量结果相符.