脑胶质瘤是一种侵袭性的恶性原发性脑肿瘤，术中准确区分胶质瘤和正常脑组织极具挑战性。基于高分辨偏振敏感光学相干层析术（PS-OCT）对正常小鼠脑和胶质瘤模型小鼠脑进行成像，计算了强度、累积相位延迟和累积光轴信息。结果表明，从PS-OCT图像中可以清楚地显示出鼠脑中的纤维结构及其取向；借助PS-OCT图像中丰富的偏振信息，可以准确区分鼠脑胶质瘤区和正常区；基于计算的光轴标准差可以有效区分胶质瘤和正常脑组织。研究结果表明，高分辨PS-OCT在脑组织成像及脑胶质瘤识别方面具有很大的临床应用潜力。

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。

动脉粥样硬化引起的易损斑块破裂已经严重危害到人类的健康，而血管内光学相干断层成像（IVOCT）凭借其高分辨率已经成为识别冠脉易损斑块的主要工具，但图像判读费时费力，通常还依赖于医生的经验。目前已有基于传统机器学习的研究实现了对单帧图像的分类，但这些信息不足以辅助医生确定治疗方案，仍然需要医生二次判读。基于Faster R-CNN（R-CNN，区域卷积神经网络），针对IVOCT图像中易损斑块的特点，在数据增强、预测框（BBox）编码、网络结构等方面进行了改进和优化，实现了对易损斑块的自动识别，并选取易损斑块的病变累积角度、纤维帽厚度、巨噬细胞浸润情况、浅表微钙化情况和血管狭窄程度作为指标，对易损斑块的破裂风险进行多方面评估。在公开数据集CCCV2017 IVOCT中进行训练，测试后取得了较好结果，该方法可推广应用于同类图像。

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。

核酸检测方法可快速鉴定特异基因指标，但其广泛应用受限于多种仪器设备串行使用以及对操作人员的高专业技术要求。本团队开发了一套注射式微流控芯片全集成核酸分析系统，该系统主要包含两大模块，分别是可以为不同类型临床样本提供多种核酸提取方法的全自动注射式核酸提取模块，以及基于微流控芯片的微纳体系多指标联合并行检测等温扩增核酸检测模块。这两大模块既可以单独发挥各自的功能，也可以组合成全集成注射式微流控芯片核酸分析系统，形成全集成自动化、微纳反应体系、快速、多指标联合并行检测的核酸检测分析平台。采用本团队开发的注射式微流控芯片全集成核酸分析系统，分别对热带念珠菌标准株培养菌液和64例外阴阴道念珠菌感染疾病的临床拭子样本进行检测。结果显示：本系统对菌液的最低检测限为3.95×10² CFU/mL，而且样品制备更方便快捷，仅需1次加样操作，核酸提取时间为10 min；64例临床样本检测效果与金标准培养法相比，卡方检验为1，Kappa值为0.950，说明两种方法无显著差异，且一致性很高。本团队开发的注射式微流控芯片全集成核酸分析系统，可以为临床多指标微纳体系核酸快速检测提供一个可靠的平台，为临床医疗应用提供精准快检技术与便捷分析仪器支撑。

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。

近红外光谱断层成像是一种可以获得乳腺组织内部光学特性，弥补传统乳腺影像学检查方法的不足，具有无创无辐射、高特异性等特性，在乳腺成像中有重要应用价值的光学成像技术。近红外光谱断层成像系统对该技术在乳腺疾病临床诊断中的应用起着重要的作用。然而，近红外光谱断层成像系统的空间分辨率低，限制了其在乳腺成像中的应用。将连续波模式与频域或时域测量模式相结合，并融合临床用的数字乳腺断层摄影、超声或核磁共振成像等技术有助于解决上述问题。先对近红外光谱断层成像系统的测量模式、多模态系统和多模态融合技术进行梳理、对比，然后介绍了该技术在乳腺成像中的最新应用，进一步讨论了乳腺近红外光谱断层成像系统未来的发展方向。

近几年新型冠状病毒COVID-19的迅速传播，引起了全球对传染病防控和快速病毒检测技术的高度关注。表面增强拉曼光谱（SERS）作为一种光学分析技术，凭借其独特的分子指纹特性和高检测灵敏度的特点，成为生物医学检测领域的有力工具，对可能大规模暴发的流行性病毒灵敏迅速的检测以及监控提供新颖、高效的光学解决方案。本文对从2021年以来开展的DNA、RNA病毒，尤其是威胁人类生命健康的流行性病毒检测工作当中使用的标记、非标记SERS技术进行梳理，从SERS基底结构建构及功能化修饰，分子探针的设计，高速响应、高灵敏度检测模型构建，生物技术、机器学习方法的联合使用等方面，特别是基于便携式、手持式拉曼光谱仪的研究，对SERS技术在病毒检测领域的应用进展进行了总结和展望。

磁场量子传感器（超导量子干涉仪、激光泵浦型原子传感器、金刚石氮-空位色心等）利用量子效应对磁场进行精密测量。激光泵浦型原子传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低和易维护的优点，已成为当前快速发展的一个研究领域。激光泵浦型原子传感器已被应用于核磁共振领域，用来获取物质更精确的核磁共振波谱以及实现特殊条件下对样品的测量。特别地，在延伸至零场-超低场（磁感应强度B<1 μT）的核磁共振研究中，激光泵浦型原子传感器展现出了许多重要应用特性，拓展了人们对生物、化学物质更精细结构的探测和解析能力，进而使得核磁共振测量与研究覆盖了高场（B>1 T）、低场（μT<B<1 T）和零场-超低场（B<1 μT）整个工作磁场范围。本文简要介绍了基于激光泵浦型原子传感器的零场-超低场核磁共振的基本原理和相关技术，包括核磁样品的极化增强（强磁场热极化、激光泵浦极化、动态核极化、仲氢诱导极化等）以及传输、编码和探测等，综述了近几年来基于激光泵浦型原子传感器的核磁共振研究进展，并展望了该技术的发展趋势和应用前景。

光学相干层析成像（OCT）是一种高空间分辨率的光学成像方法，可以对生物组织进行非接触、无标记的二维截面和三维体积成像，能为临床疾病的诊断提供具有重要参考价值的影像信息。在传统的台式OCT系统中，扫描探头被固定在工作台上，探头结构较大，灵活性差，不利于深入狭小腔体内部成像或在床旁检测。本团队设计了一种视频引导的手持式高速OCT系统，其手持探头结构紧凑、体积小巧，便于抓取和深入狭小腔体内部；探头内部集成了相机成像功能，可以实时获得成像区域的视频图像，引导OCT成像。该系统的A线扫描速率可以达到200 kHz。为了克服成像过程中的抖动问题，本团队提出了图像自动配准算法，该算法能显著提高图像质量。采用该系统对离体猪眼角膜和离体猪牙齿进行成像，以验证系统的性能。结果显示该系统能够高速获取高分辨的组织图像。