基于荧光标记的显微成像技术是目前用于生物医学成像研究的主要方法，然而，荧光标记面临光漂白、光猝灭、难以特异性标记及荧光干扰等瓶颈，因此，无标记显微成像技术的发展受到越来越多的关注。介绍了四种无标记光学显微成像技术：相干拉曼散射显微成像技术、光热显微成像技术、表面等离激元显微成像技术以及干涉散射显微成像技术。对这四种技术的基本原理进行了阐述，并介绍了它们在生物医学领域的应用，包括生物分子、病毒、细胞的形态与动力学研究。最后对四种成像技术的性能进行了比较，总结了每种方法的优势、局限性与应用前景。
针对如何在相位分布图中选取合适边缘采样点的问题，基于相位成像理论和实验分析了不同处理方案的优缺点并提出了采样策略。结合相位成像机理，采用基于梯度的几类经典边缘检测算子分析了采样特征点位置不确定性的来源及其对检测结果的影响。选取形态结构复杂程度不同的实际样品开展实验研究，对比分析不同采样点位置选取对样本尺寸计算结果的影响，对多种误差产生的原因进行了分析，给出了其理论上的关联和解释。综合多组实验数据对比分析的结果，总结出了适合不同复杂程度样品的形态结构特征提取方案，其处理效率能够满足快速实时检测的需要。
医学图像融合作为一种对多种不同形式的医学图像所包含的信息进行整合的有效方法，被广泛用于疾病诊断和治疗规划等各种临床应用中。然而，现有的医学图像融合方法没有很好地解决不同器官之间的边界模糊问题，使得融合后的图像较难理解。为了解决这个问题，提出了一种基于多尺度特征学习和边缘增强的医学图像融合模型。具体地，首先使用多个不同空洞率的空洞卷积扩大感受野，使模型学习到源图像更具判别性的多尺度特征。然后，根据最大值融合策略融合源图像特征，得到融合特征，并通过卷积层对其进行重建，得到融合图像。同时，引入边缘增强模块，增强融合图像中的边缘信息，从而较好地解决了医学图像融合中不同器官之间的边界模糊问题。实验结果证明，所提方法得到的结果无论从主观视觉效果还是客观定量评价，均优于对比方法。
胃癌是我国主要的致死癌症之一，大部分患者发现时已处于进展期，如果能通过大规模筛查在早期发现胃癌，则可大大提高患者生存率。制约我国胃癌大规模筛查的障碍有二，其一是内镜的侵入性高，患者接受度低，其二是我国内镜医师相较于庞大的人口数量严重短缺。第一个障碍可通过胶囊内镜机器人得到缓解，第二个障碍则有望通过人工智能技术解决。将领域前沿的Big Transfer（BiT）技术迁移到一个小样本的早期胃癌内镜图像数据集上，构建了基于白光内镜图像的早期胃癌分类识别模型。在实现迁移过程中，对BiT的超参数调整规则进行了本地化适配，根据GPU内存的限制，选择了单批次数量；利用线性缩放规则，根据单批次数量动态调整了优化算法的初始学习率；固化小型目标数据集上的训练图像总量为256000张，在此基础上设置了迁移学习的其他超参数。对多个模型进行实验，所有模型的结构均为ResNet-v2，只是深度和宽度不同。最佳模型的深度为101，宽度为初始结构的3倍，在测试集上的准确率为97.14%，F1分值为94.77%，敏感度为90.67%，特异度为99.73%。此外，结果表明，单批次数量对模型训练效果的影响不具有显著的统计学差异。所提模型通过对BiT进行本地化适配，成功地在小规模内镜图像数据集上实现了较大模型的迁移，这将会促进大模型技术在内镜图像分析领域的应用，从而有助于早期胃癌大规模筛查的实现。
为了比较外阴硬化萎缩性苔藓（VLS）组织和正常外阴组织高光谱的差别，得出各自的特点和规律，本研究通过高光谱成像技术定量分析了40位VLS患者外阴皮肤组织中黑色素含量和血氧含量。实验结果表明，VLS组织中黑色素含量指数和血氧含量指数均在统计学上低于正常外阴组织。因此，通过量化正常外阴组织和VLS组织中黑色素含量指数和组织血氧饱和度指数之间的差异，高光谱成像技术为实现对VLS的在体辅助诊断提供了可能。
针对定量相位成像技术中样本形态信息提取繁琐不利于自动化检测分析的问题，探索了基于小规模数据集对轮廓相似的相位物体进行精准识别的可行性及其训练策略。分别建立了包括聚苯乙烯微球、红细胞等4类样本的相位分布和干涉条纹数据集。构建了一个卷积神经网络（CNN）模型成功实现对相位图的识别，进而对不同样品相位值进行变换以增大识别难度，并通过改进网络模型在验证集上成功识别出所有样品类型。为简化检测流程，对4类样本对应的干涉条纹进行了识别，用残差模块改善CNN模型的网络退化问题实现了准确分类。针对条纹可见度、载波频率复杂多变的实际情况，分别考查了其对识别准确率的影响。通过优化训练集提高了模型的识别效率，表明了机器学习技术在相位信息识别方面的潜力。
血管型脑膜瘤血管异常丰富。术前或者术中能明确诊断血管型脑膜瘤对手术方案的制定和预后判断至关重要。联合二次谐波技术、双光子激发荧光技术和光谱技术无标记地对血管型脑膜瘤进行研究。结果表明，多光子技术不仅可以识别血管型脑膜瘤的内源成分，还能可视化它的微结构，联合图像分析技术，还可以进一步自动定位血管的位置并计算血管的数量。随着光纤技术和多光子内窥镜技术的发展，多光子技术有望成为临床诊断血管型脑膜瘤的新技术。
基于双输出皮秒脉冲激光器和激光扫描显微镜平台，构建了一套可实现双光子和多种四波混频（FWM）效应的多模式成像系统，可实现光谱采集和良好的成像功能。等离激元材料可以提高FWM信号，在FWM成像下具有超高的成像对比度。以5 nm金纳米粒子作为成像探针，利用等离激元增强FWM成像追踪了其在小鼠肝脏和肾脏组织内的代谢残留。该研究为体内蛋白类药物的代谢评价应用提供可能。
本研究的目的在于获得Nd∶YAG激光在血液中传播的几何尺寸损耗与血液厚度的关系，从而获得适用于Nd∶YAG激光在血液中传播的修正朗伯比尔定律的准确表达式。通过所建立的Nd∶YAG激光在离体血液中透过的光检测实验系统，检测得到激光在穿透目标厚度为1.0~2.5 mm（临床脉管性病变的常见血层厚度）的圆柱形血层后的光衰减情况，并基于R语言和统计学方法，建立了几何尺寸损耗与血液厚度之间的线性、对数、指数和乘幂回归模型。其中，线性回归模型的拟合效果最好，R2值可达0.9219，由此获得适用于Nd∶YAG激光在血液中传播的修正朗伯比尔定律表达式。
