Laser spectroscopic imaging techniques have received tremendous attention in the field of cancer diagnosis due to their high sensitivity, high temporal resolution, and short acquisition time. However, the limited tissue penetration of the laser is still a challenge for the in vivo diagnosis of deep-seated lesions. Nanomaterials have been universally integrated with spectroscopic imaging techniques for deeper cancer diagnosis in vivo. The components, morphology, and sizes of nanomaterials are delicately designed, which could realize cancer diagnosis in vivo or in situ. Considering the enhanced signal emitting from the nanomaterials, we emphasized their combination with spectroscopic imaging techniques for cancer diagnosis, like the surface-enhanced Raman scattering (SERS), photoacoustic, fluorescence, and laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). Applications of the above spectroscopic techniques offer new prospects for cancer diagnosis.

三次谐波源于强脉冲激光照射样品时产生的三倍频光响应，可对生物组织实现无标记、亚细胞量级分辨率、近乎实时的成像。通过与二次谐波信号和双/三光子荧光信号相结合，三次谐波显微成像可在肿瘤术中揭示肿瘤组织的典型病理特征信息，比如细胞增生与血管增生等，从而为医生判断肿瘤边界进而做出肿瘤组织彻底切除与否的决策提供实时帮助。本文阐述了三次谐波显微成像的基本原理，讨论了它在肿瘤术中诊断方面的应用，探讨了基于三次谐波的小型化便携术中诊断仪器，并总结了三次谐波内窥成像的发展现状，这些内容的讨论有望推动三次谐波成像技术的临床化。

肿瘤是一种严重威胁我国居民生命健康的重大疾病。现有的肿瘤诊断方式存在诊断时间长、创伤严重和误判率高等问题,且严重依赖于医生的主观经验。因此,研究出具有智能属性的肿瘤诊断技术对于提升我国的肿瘤诊断水平具有重要意义。拉曼光谱技术是一种无需标记的光学技术,在肿瘤的良恶性判别、肿瘤的亚型分类、切片病理诊断、原位近实时成像等方面被广泛应用。此外,人们将拉曼光谱与人工智能结合发展了具有智能属性的诊断方式。本文主要综述了近三年拉曼光谱技术在各种类型肿瘤诊断上的研究进展,主要从常规拉曼光谱诊断、拉曼成像诊断与探头结合光谱诊断三方面展开介绍,并对拉曼光谱技术在肿瘤诊断中的应用前景进行了展望。

Digestive tract tumors account for 15% and 19.3% of the cancer incidence and deaths, respectively. Early detection of digestive tract tumors is crucial to the reduction of global cancer burden. Two-photon excitation fluorescence lifetime imaging microscopy (TP-FLIM) allows noninvasive, label-free, three-dimensional, high-resolution imaging of living tissues with not only histological but also biochemical characterization ability in both qualitative and quantitative way. Benefiting from these advantages, this technology is promising for clinical diagnosis of digestive tract tumors. In recent years, many efforts have been made in this field and some remarkable progress has been achieved. In this paper, we overview the recent progress of TPFLIM-based researches on digestive tract tumor detection. Among them, our latest results on the gastric cancer and esophageal cancer are elaborately depicted. Finally, we outlook and discuss the potential advantages and challenges of TP-FLIM in future clinical applications.

乳腺肿瘤计算机辅助诊断(CAD)系统在医学检测和诊断中的应用日益重要。为了区分核磁共振图像(MRI)中肿瘤与非肿瘤，利用深度学习和迁移学习方法，设计了一种新型乳腺肿瘤CAD系统：1）对数据集进行不平衡处理和数据增强；2）在MRI数据集上，利用卷积神经网络（CNN）提取CNN特征，并利用相同的支持向量机分类器，计算每层CNN的特征图的分类F1分数，选取分类性能最高的一层作为微调节点，其后维度较低层为连接新网络节点；3）在选取的网络接入节点，连接新设计的两层全连接层组成新的网络，利用迁移学习，对新网络载入权重；4）采用固定微调节点前的网络层不可训练，其余层可训练的方式微调。分别基于深度卷积网络(VGG16)、Inception V3、深度残差网络(ResNet50)构建的CAD系统，性能均高于主流的CAD系统，其中基于VGG16和ResNet50搭建的系统性能突出，且二次迁移可以提高VGG16系统性能。

双光子荧光寿命成像技术在对生物组织进行高分辨三维成像的同时能获得生物组织的生化特性信息，实现结构和功能的精细定量表征，为生物组织的非侵入、无标记、活体成像提供了一种强有力的工具。该技术在肿瘤检测方面具有广阔的临床应用前景，已成为当前生物医学领域研究的热点之一。首先简要介绍了双光子荧光寿命的概念和常用检测方法；其次，结合课题组开展的胃癌和神经胶质瘤诊断等相关研究成果，详细介绍了双光子荧光寿命成像技术在消化道肿瘤、脑肿瘤及皮肤癌等肿瘤检测方面的最新研究进展；最后展望了该技术在未来临床应用中的潜在优势和可能面临的挑战。

为增强乳腺扩散光学层析(Diffuse Optical Tomography, DOT)方法的实用性，提出了一套稳态扩散荧光光学联合断层成像系统与算法.系统采用基于光开关切换的串并混合门控光子计数检测模式，可有效实现测量时间、灵敏度和系统性价比之间的平衡；算法以图形处理器加速的蒙特卡洛光子输运模型为基础，采用了荧光DOT“导航”的血氧DOT图像重建策略，通过利用高对比度荧光DOT的先验位置信息，可有效改善血氧DOT图像重建的不适定性.仿体实验结果表明，与单独DOT方法相比，此联合方法可明显提高图像重建的定位准确度和定量性.

为了获得乳腺诊断的功能影像信息，设计了一套面向乳腺肿瘤早期诊断的血氧扩散光学层析(DOT)成像系统。该时域测量系统采用时间相关单光子计数技术，获得溢出目标体表面的光子随时间变化的分布信息，为了兼顾测量时间和系统成本，采用了四通道并行测量模块与光开关相结合的架构，能够降低不同通道之间的性能差异，减少伪像对诊断的干扰。采用基于广义脉冲谱技术的特征数据算法实现了光学参数(吸收系数、约化散射系数)的同时重建。通过仿体实验和初步临床研究对所提出的时域血氧DOT方法进行了验证，结果表明，该方法可以有效重建乳腺组织中光学参数的空间分布，进而获得乳腺组织功能信息，用于乳腺肿瘤的早期检测。