长时程细胞成像及分析在生物医学研究中具有重要意义。然而，由于荧光显微镜存在光漂白和光毒性等问题，其应用受到一定限制。非标记成像技术为克服这些限制提供了可行的解决方案。研究了干涉光谱分析技术作为解决非标记长时程活细胞监测问题的潜在方法，并提出了一种基于高光谱干涉重构的非标记定量显微成像技术。通过建立描述干涉信号的数学模型，设计样本定量重构算法，从而获取活细胞纳米结构和干质量分布的定量信息。系统采用自反射式干涉结构，不依赖复杂的光学调制元件，结构简单、操作便捷。此外，本文还在光学显微成像的基础上集成了具有细胞培养能力的微型细胞培养箱，实现了原位长时程成像。利用该系统，研究了不同细胞全细胞周期内的纳米结构定量和干质量变化，展示了本工作在生物医学领域的应用潜力。

作为工业数字图像质量评价在应用领域的重要延伸，光学显微图像定量评价主要通过对图像特征和属性进行分析计算，针对性地量化评估图像的质量。近年来，随着各类光学显微成像技术的蓬勃发展，图像定量化评价的重要性日益凸显，在总体图像处理中具有指导性作用。对现有的光学显微图像定量评价指标及相关算法进行总结，对各个算法的模型结构和性能表现进行讨论说明，阐述显微图像定量评价的应用和发展趋势，并对该领域目前所存在的问题和难点进行分析和展望。

分离培养SD大鼠骨髓间充质干细胞，传代纯化后接种至共聚焦培养皿，置于自主研发搭建的平场定量相位显微镜下，利用荧光及相位双通道证实线粒体特征后，进行长时间无标记观察，分析平场定量相位显微镜观察到的线粒体分裂、融合过程，以及细胞凋亡过程中的线粒体变化。平场定量相位显微镜无标记观察到的线粒体可与荧光标记的线粒体完全重叠，表明平场定量相位显微镜可以清晰观察线粒体并进行无标记高分辨率成像。同时，平场定量相位显微镜可以对培养条件下的骨髓间充质干细胞进行长时间无标记观察，并高分辨率记录线粒体分裂、融合过程。此外，还利用平场定量相位显微镜首次完整记录了CCCP作用下线粒体的变化，该变化直观地呈现了线粒体途径的细胞凋亡过程。平场定量相位显微镜可以对培养的细胞进行长时间无标记高分辨率观察，为线粒体动力学的研究提供了一种新的观察手段。

研究了批量制备的锥形光纤表面增强拉曼散射（SERS）探针的定量检测性能。在统一的制备条件下，基于静电吸附自组装方法批量制备的同一批次锥形光纤探针具有良好的互换性。基于相同检测条件，在同一福美双样品浓度下测得SERS光谱幅度的相对标准偏差（RSD）可达8%以下。不同批次的光纤探针存在互换性退化问题，难以满足实际定量检测应用对光纤探针数目的要求。为了解决该问题，提出并演示了一种将不同批次光纤探针的光谱数据同化至同批次光纤探针测量结果的同化方法。通过对同化后的大样本光谱数据进行统计平均和数据拟合，获得了福美双样品在2×10^-8~10^-6 mol/L浓度范围内的SERS定量关系曲线，福美双加标样品的测试回收率可达90%~110%。该研究结果对于实际SERS定量检测具有参考意义。

荧光粉沉淀是影响白光LED发光质量和光学一致性的关键因素。为了实现荧光粉沉淀的快速、无损检测，提出一种基于光学相干层析（OCT）技术的荧光粉沉淀检测方法。使用OCT系统对白光LED进行成像，比较白光LED的OCT与切片图像，分析了荧光粉的数量分布和沉淀物形态。根据荧光粉数量与面积分数的关系以及荧光粉沉淀过程中荧光粉数量分布的变化特点，设计了从OCT图像中提取荧光粉面积分数的算法，分析了荧光粉面积分数与荧光粉沉淀程度的变化关系。实验结果表明，OCT技术可以准确检测白光LED的荧光粉沉淀物形态，荧光粉在OCT图像中的面积分数可以量化荧光粉沉淀程度。该方法可以满足白光LED荧光粉沉淀的检测要求，并可用于白光LED的质量检测和封装工艺研究。

橡胶添加剂含量是判断橡胶质量好坏的一个重要标志。现有的检测方法不能满足橡胶中添加剂快速、准确、无损的检测需求，而且当检测对象为多组分混合物时，混合物的吸收光谱会出现重叠和失真现象，从而导致预测结果不准确。针对此问题，本文提出了一种基于太赫兹时域光谱结合化学计量学方法、数据融合的定量分析方法。以丁腈橡胶、白炭黑、氧化锌、防老剂H和防老剂MB制成五组分混合物并将其作为实验样品，利用太赫兹时域光谱系统获取并计算了五组分混合物在0.3~1.6 THz范围内的吸收光谱，然后通过求一阶导数的方式获得样品的导数光谱数据。低层数据融合直接将吸收光谱数据与导数光谱融合；中层数据融合将蒙特卡罗无信息变量消除法和连续投影算法进行特征提取后的变量进行融合；高层数据融合使用多元线性回归法进行融合。基于蒙特卡罗无信息变量消除法的中层数据融合的预测精度高于单一光谱的预测精度，而且预测性能最好。研究结果表明，太赫兹光谱结合支持向量回归、数据融合的方法可以实现多组分混合物中防老剂MB的快速、准确、无损检测，对于促进橡胶工业的快速发展具有十分重要的意义。

噪声的抑制对于相位光时域反射仪实现相位信号的精确测量至关重要。为此，在相干探测型相位光时域反射仪中采取了幅度形式噪声抑制和相位形式噪声抑制的双层处理方法，并且在“慢时间轴”和“快时间轴”两个方向上对相位形式的噪声进行抑制。首先，在正交解调时采用数字低通滤波器抑制幅度形式的噪声，以正确求解未解缠绕的包裹相位；接着，在“慢时间轴”方向上采用小波分解与重构的方法实现噪声的抑制，并借助相干探测型相位光时域反射仪相位变化线性分布的空间特征和噪声的随机性同时结合相关计算获得最佳小波分解层数；最后，在“快时间轴”方向上使用整体最小二乘的数据拟合方法进行噪声的抑制。实验结果表明：采用三重降噪得到的相位信号的均方根误差为0.17832 rad，比没有采用“慢时间轴”小波降噪的二重降噪方法降低了23.3%。这表明使用包含“慢时间轴”方向小波降噪的三重降噪方法能够实现更精确的相位信号测量。

华法林钠是肺栓塞治疗中最常用的口服抗凝药。为制定个性化给药方案，急需建立快速、经济、准确的定量检测技术。利用太赫兹（THz）光谱的分子指纹识别特性，建立华法林钠快速定性定量分析方法。首先，通过实验获得华法林钠THz特征吸收谱，结合密度泛函理论量化计算，明确该药物在10~16 THz内的分子运动模式，从分子基团层面建立定性识别方法。接着，对不同浓度的华法林钠水溶液进行THz检测，分析THz特征峰峰高和峰下面积与药物浓度之间的相关性，建立了双指标的华法林钠定量检测方法。最低检测限达到0.01 nmol/mL，低于人的血浆中的华法林浓度，检测耗时小于10 min。所提方法为华法林钠定量检测提供了一种快速、准确的新技术，有助于推动华法林钠血药浓度监测技术的发展。

主要综述高分辨血管成像技术及其在生物医学领域中的应用，侧重评述适用于高分辨血管图像的定量表征方法。血管图像定量表征主要包括3个步骤：图像预处理、血管图像重建及定量特征获取、定量参数的统计学分析。同时，对每个步骤中所涉及的算法流程、准确性评估及后续算法的优化方向进行详尽的阐述。此外，探讨多种血管和血流参数所反映的生物学信息在临床上的参考意义，并结合具体的疾病场景，介绍多参数分析模型在区分不同疾病发展阶段方面的能力。本文的阐述不仅体现了高分辨血管成像技术及定量表征方法的潜在价值，也展示了它们在推进生物医学基础研究和临床诊断等方面的光明前景。