浅静脉清晰成像对于透析患者动静脉内瘘术前手术路径规划和术中引导手术治疗等具有重要作用，对临床疾病的诊断和治疗具有重要作用。目前临床上常用的血管成像方法能够清晰地实现血管的成像，但对静脉血管网的成像效果难以满足临床需求。笔者利用临床获批的荧光染料吲哚菁绿（ICG）开展了前臂血管的近红外二区（NIR-II）荧光成像，结合人工智能算法获得分辨率更高的血管NIR-IIb荧光图像，更准确地描绘浅表细小血管的直径。在此基础上，笔者继续结合Fluent流体仿真模拟方法，辅助医生在术前判断主干引流静脉，并在术中结扎中选择主干引流静脉进行保留，对大侧枝引流静脉进行结扎，提高患者肾透析血液通路手术的成功率。利用荧光血管造影技术结合模拟方法引导肾透析血液通路手术将桡动脉接入头静脉，手术的早期通畅率为100%（8/8），而接受常规手术的对照组的早期通畅率为73.33%（11/15）。本研究验证了NIR-II荧光血管造影技术的安全性和有效性，并在此基础上进一步验证了荧光成像结合人工智能算法在肾透析血液通路手术中潜在的应用价值。

巨噬细胞作为炎症阶段的主要吞噬细胞，其高表达是急性呼吸道炎症发展过程的临床特征之一。目前还没有一种成像方法能够以深组织穿透性和高分辨率的方式呈现巨噬细胞在急性炎症中的表达。以吲哚菁绿纳米颗粒（Nano-ICG）作为一种高效的光声成像（PAI）增强造影剂，评估了急性呼吸道炎症中巨噬细胞的表达量。激光共聚焦显微镜下的成像效果证实，Nano-ICG能够快速地被巨噬细胞吞噬。利用Nano-ICG增强光声成像效果后，气管内的PAI结果显示了巨噬细胞在炎症后气管壁上的分布区域。Nano-ICG增强的光声成像能够无创、定量地评估急性呼吸道炎症的发展程度，有望为呼吸疾病相关基础研究和临床诊疗提供新的影像技术支持。

基于近红外自体荧光技术，设计一种甲状旁腺快速识别系统，该系统对术中快速识别甲状旁腺具有重要价值。设计一种环形可调激发光源和高精度可调LED恒流源，利用近红外光源激发组织荧光同时通过高灵敏度CMOS相机采集组织自体荧光信息，并对采集的荧光图像进行图像处理，从而准确识别甲状旁腺。利用梯度浓度吲哚菁绿（ICG）溶液模拟组织荧光，实验测得荧光强度与ICG浓度成正相关，信噪比与信背比均符合术中辨别需求，验证了本系统应用于不同荧光强度时的灵敏性与准确性。采用本系统对组织仿体进行测试，荧光仿体能够与背景明显区分开。对甲状旁腺及周边组织进行测试，甲状旁腺呈绿色，与周边组织明显区分，初步验证了本系统可用于对甲状旁腺的识别检测。

荧光成像仪器的成像性能测试对于提高仪器的性能和临床转化成功率具有重要意义，成像性能测试的标准化需要一种可以精确模拟荧光光谱的长期稳定的样品作为测试工具。本团队提出了一种荧光发光模拟系统，该系统可以模拟荧光样品的激发效率、荧光发射谱特性和荧光空间分布特性，可以替代真实的荧光剂仿体对荧光成像类仪器进行量化表征。该系统采用的是基于线性滤光片和液晶显示器的光谱模拟方法。本团队还设计了一种改进的最小二乘光谱拟合算法，该算法可以自动模拟任意荧光发射谱。使用该系统模拟了近红外荧光造影剂吲哚菁绿(ICG)的发光特性，并对不同荧光成像仪器的成像灵敏度进行了测试。实验结果表明，所设计的荧光发光模拟系统可以稳定精准地模拟荧光样品的发光特性。

基于动态扩散荧光层析成像(DFT)的荧光剂药代动力学参数(渗透率等),可为判断不同生物组织体的生理过程和病理信息提供参考。自适应扩展卡尔曼滤波(AEKF)作为一种动态分析方法,具有精确的建模和多参数在线估计等优势。基于DFT系统对吲哚菁绿(ICG)在健康小鼠肝脏和荷瘤小鼠皮下移植瘤组织中的代谢过程进行了测量,然后采用DFT重建技术获得了ICG的时间序列荧光层析图像,在此基础上结合二室模型和AEKF方法得到了ICG的时间序列渗透率参数层析图像。对比两种实验结果可知,肿瘤中ICG的渗透率参数Kpe、Kep均较健康小鼠肝脏中的小。时间序列荧光层析图像显示,AEKF方法能有效获得复杂生物体实时、稳定的ICG药代动力学参数。

目前应用激光热疗治疗肿瘤的研究比较多, 但是激光联合光敏剂治疗肿瘤过程中肿瘤组织的三维温度分布的研究比较少。为了分析激光热疗过程中肿瘤及周围组织的三维温度分布情况, 本实验首先运用红外热像仪监测激光联合吲哚菁绿治疗荷乳腺瘤小鼠过程中肿瘤表面的温度变化; 其次, 运用蒙特卡洛(Monte Carlo)原理模拟激光在生物组织中的光分布, 进一步利用COMSOL Multiphysics构建激光热疗过程中肿瘤及周围组织温度的三维分布仿真模型。结果显示实际测量肿瘤表面最高点温度和仿真模拟肿瘤表面最高点温度分布吻合度较好; 有光敏剂的肿瘤组织温度比没有光敏剂的肿瘤组织温度升高约20 ℃; 模型中可见肿瘤组织不同部位温度可相差15 ℃左右。该模型可以分析肿瘤以及周围组织的温度时空分布情况, 了解激光热疗治疗肿瘤的效果, 该模型为激光热疗的应用提供参考作用。

循环血量(CBV)作为主要的血流动力学参数, 在心血管疾病的病情评估和手术监护中具有重要的临床应用价值。 将吲哚菁绿色素（ICG）作为示踪剂的脉搏色素谱法, 通过建立ICG稀释排泄的色素谱曲线, 实现CBV的在体无创测量。 在实际临床应用中, 由于受到血氧波动和环境背景光等干扰因素的影响, 脉搏色素谱法测量CBV的准确度低于预期值。 为解决这一问题, 研究了一种基于修正脉搏色素谱的循环血量检测方法。 具体操作是, 在患者的肘静脉处注入吲哚菁绿试剂, 利用光电传感器分别采集特征波长点的透射光谱信号和背景光电信号, 采用差分算法消除血氧波动和环境背景光的干扰影响, 建立准确的ICG色素谱曲线, 从而计算CBV等血流动力学参数。 与131I同位素“金标准法”相比较的试验结果表明, 该研究提出的基于修正脉搏色素谱的循环血量检测方法, 将CBV测量的平均相对误差从6.85%降低为4.53%, 显著提高了其测量准确度。