太赫兹时域光谱技术已经用于皮肤癌、 皮肤烧伤以及皮肤疤痕治疗效果的诊断和过程监测, 通常采用太赫兹时域和频域光谱参数作为区分皮肤组织不同状态的诊断参量。 目前最常用的皮肤活体反射式太赫兹测量装置需将皮肤放置于介质窗上来提高测量的准确性, 这使得皮肤表层水分含量因为阻塞而发生变化, 从而影响太赫兹诊断皮肤的精确性。 随着太赫兹生物应用从离体检测到活体测量方向发展, 需要分析阻塞情况下皮肤太赫兹光谱参数的变化规律。 采用太赫兹反射系统对手臂皮肤在石英介质窗上的阻塞过程进行了连续测量, 然后对不同时刻时域波形的峰峰值、 半波脉宽等13个特征量进行了分析。 结果表明: 时域信号和传递函数的峰峰值、 最大值与最小值之间的拟合斜率等参量随阻塞时间而呈指数衰减; 传递函数的最大值与最小值时间差、 最大值与最小值的斜率等随阻塞时间呈指数增加; 时域波形的半峰全宽、 对数频谱等保持不变。 然后用双德拜模型来模拟皮肤组织在0.2～1 THz频段的介电常数, 采用遗传算法和Levenberg-Marquardt相结合的优化算法得到了皮肤阻塞情况下不同时刻的双德拜参数, 结果表明: ε∞和εs均随着时间呈指数上升, 5 min内增幅分别达到了27.8%和12.5%; ε2、 弛豫时间常数τ1和τ2基本保持不变。 将皮肤组织视为多层媒质结构, 基于Bruggeman有效介质模型, 将计算得到的太赫兹反射率和测量得到的反射率作为目标函数, 再采用上述混合优化算法得出了皮肤含水量随时间的变化规律。 结果表明: 随着阻塞时间的增加, 皮肤角质层中的水分以指数函数的形式增加, 5 min的阻塞时间即可增加23.8%。 因此, 在进行临床应用和研究时, 必须谨慎考虑皮肤与介质窗接触阻塞而导致的参数变化。 该研究有利于提高太赫兹活体检测的准确性和推动太赫兹时域光谱技术的临床应用。

根据皮肤组织解剖结构特性建立了六层层状模型, 并给出了皮肤组织各层的特性参数; 考虑了氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收特性, 依据皮肤组织各层的水、 血、 脂肪、 血氧饱和度含量以及血管大小给出了皮肤组织各层的光谱吸收系数; 对不同波长散射系数做了适当简化, 给出了皮肤组织各层的光谱散射系数。 利用蒙特卡罗方法仿真血管组织在收缩与舒张两种状态下, 400～1 000 nm波长光在皮肤组织多层模型中的传输过程, 并通过统计大量光子的分布特性, 获得了皮肤组织光谱反射系数, 并利用模拟所得的两种状态下的反射系数计算得到了光谱容积脉搏波幅度。 仿真结果表明, 当入射光强一定时, 绿光的容积脉搏波幅度优于红光和蓝光。 通过计算不同波长光沿皮肤组织深度方向光能流率衰减为1/e时对应的皮肤组织深度, 获得了皮肤组织光谱穿透深度。 结果显示, 血管舒张状态下蓝光和绿光的穿透深度较小, 蓝光大部分只能达到表皮层, 绿光能到达微循环层, 红光可直达真皮层。 考虑到光在皮肤组织中传播包含了一个从收缩到舒张的动态过程, 基于此, 根据穿透深度定义了脉搏波信号产生深度, 利用血管舒张与收缩两种不同状态下的穿透深度计算得到了光谱产生深度。 结果表明, 不同波长光产生深度大于其穿透深度, 蓝光产生深度较浅, 且其受到的血液吸收调制较小, 因而其获得的脉搏信号易受噪声干扰; 红光的容积脉搏波产生深度较大, 但是相比于绿光其受血液吸收调制较小, 且绿光产生深度足够达到真皮血管层, 因而红光容积脉搏波的幅度小于绿光。 上述仿真结果明确了皮肤组织部分光谱特性, 为皮肤组织多光谱容积脉搏波的精确获取及其他相关研究提供了一定的理论基础。

多光子成像技术是一种层析能力好、信噪比高的新型光学成像技术。在皮肤光学三维检测中, 多光子技术已经应用于无创在体成像, 且已得到产业化开发。本文将首先介绍多光子皮肤检测系统的若干核心技术, 即双光子自发荧光技术、二次谐波成像技术、荧光寿命成像技术、相干反斯托克斯-拉曼成像技术等, 然后简要介绍多光子成像系统在皮肤疾病成像检测上的应用, 最后分析该系统的优势和未来可能的发展趋势。

基于响应面法设计方法对离体皮肤组织进行脉冲激光焊接实验，获得了组织切口的抗张强度和峰值温度数据; 在单因子实验的基础上，以激光功率、光斑移动速率、激光频率作为3个影响因子，建立多元非线性数学回归模型，通过方差分析和回归分析得出该回归模型的相关系数：切口抗张强度的相关系数为0.9131，切口峰值温度的相关系数为0.9985。模型分析结果表明：激光功率、光斑移动速率和激光频率3个因素的主效应和交互作用对切口性能具有很大影响，对切口抗张强度影响最大的主效应为激光功率，交互效应为激光功率与光斑移动速率; 对切口峰值温度影响最大的主效应为激光功率，交互效应为激光功率与光斑移动速率、激光功率与激光频率、光斑移动速率与激光频率。最后依据回归模型得出了最优激光工艺参数组合，回归模型预测响应值与实验结果相吻合，且切口强度满足要求。

为了研究近红外光在皮肤组织中的传播, 建立了人体皮肤组织模型, 包括不同入射波长下表皮、真皮、皮下组织的吸收系数、散射系数、折射率和各向异性因子.结合皮肤组织的光学性质, 采用蒙特卡罗方法分析了1 000~1 900 nm范围内, 光源-探测距离不同时近红外光在皮肤组织中的传播过程和分布特点.结果表明：光子运动路径长度和穿透深度均随光源-探测距离的增加而变大, 而漫反射归一化能量随光源-探测距离的增加而变小.选取光源-探测距离为0.45 mm, 当入射波长为1 550 nm时, 光子运动路径长度为1.806 mm, 穿透深度为0.467 mm, 漫反射光归一化能量为0.001 85.根据蒙特卡罗模拟结果, 分析和设计了一种光纤探测结构, 这种分叉光纤束由18根光源光纤和4根探测光纤构成, 每根光纤间距均为0.45 mm并且刚好紧凑相邻.最后, 仿真计算了光纤收集到的漫反射光能量及照度分布.假设入射光功率为1 W, 则探测器接收的漫反射光功率为0.598 mW, 这为便携式检测光谱仪器的设计提供了参考.

为了获得激光焊接工艺参数对离体生物组织融合效果的影响规律, 设计实验探究了激光功率、激光扫描方式等参数对离体皮肤切口融合形貌及抗张强度的影响, 并对工艺参数进行了优化。结果表明, 采用小功率长时间工艺规范焊接离体皮肤组织, 组织切口融合效果较好、抗张强度较高, 并且可以减小不可逆的热损伤; 采用分段扫描焊接方式, 可以加强切口附近成分的活性, 减小切口热损伤。在此基础上, 采用优化的工艺参数进行可靠性实验, 并对切口抗张强度进行了测试。结果表明, 在该工艺条件下, 组织切口可实现全层融合, 并且无烧损、碳化等缺陷, 与连续激光焊接工艺相比, 焊接时间可减少30%~40%, 焊后组织切口抗张强度可达0.38 MPa, 满足强度要求。

显微共聚焦拉曼光谱成像技术(Confocal Raman Microspectroscopy Imaging, CRMI)能够对样品微区进行精确无损的拉曼光谱分析和光谱图像扫描, 提供生物样品的无损高分辨光学信息。本项研究工作, 利用CRMI技术实验获取了正常人体离体皮肤组织的拉曼光谱特征, 并结合典型特征峰的扫描图像, 探讨了脂类、蛋白质等成分在皮肤真皮层的分布特点。实验发现皮肤组织真皮层内胶原蛋白的拉曼特征峰1 248 cm-1强度及其空间分布尤为突出, 这一实验结果与组织学中胶原纤维占真皮结缔组织95%的事实相符。实验结果显示, CRMI技术能够全面诠释生物组织内部生化组成与分布信息, 在实验描述皮肤组织病理变化的分子生物学机制方面具有广阔的应用前景。

构建由脂肪乳剂和墨水组成的皮肤组织模型, 定量研究皮肤组织模型的吸收系数μa和散射系数μs对光敏化单线态氧(singlet oxygen, 1O2)发光特性的影响。利用1O2发光检测系统测量含光敏剂四硫磺基酞菁氯化铝的皮肤组织模型分别在中心波长为1 230, 1 270和1 310 nm处的时间分辨发光光谱, 对扣除背景信号后的时间分辨1O2发光光谱进行积分和拟合, 获得1O2发光积分强度以及激发三重态寿命τT和1O2寿命τD。结果表明在皮肤组织模型中, 1O2发光积分强度随着μa和μs的增大而减小, μa对τT和τD没有影响。τT随着μs的增加而增加, τD随μs的增加先骤降而后缓慢上升。当μa>1.5 mm-1和μs>32 cm-1时, 1O2发光积分强度和τT、τD均趋于稳定, 其中τT和τD分别为3.4±0.6 μs和3.3±0.7 μs。

蒙特卡罗法(MC)广泛用于模拟光在皮肤组织中的传播。发展了基于四面体网格的蒙特卡罗(TMC)方法，提出了距离阈值的概念避免数值耗散导致的错误能量沉积。通过计算带有单根血管的两层皮肤模型比较了几何蒙特卡罗(GMC)、基于结构化网格的蒙特卡罗(VMC)和TMC。GMC 通过数学定义组织界面，避免了离散，精度最高，但不适用于复杂的界面。VMC 实施简单，但是对曲折表面的离散会导致显著的误差。TMC 使用边界适应性较好的四面体单元在计算的精度和灵活性上找到了平衡。计算结果表明，TMC 法对几何形状的空间适应性远强于VMC，在复杂界面区域的误差仅为VMC 法的10%~25%，是一种理想的边界区域离散化的方法。