近红外二区（NIR-Ⅱ）金纳米团簇（Au NCs）具有明亮的多色荧光、良好的生物相容性和可肾脏清除的特性，已成为当前生物医学光子学领域中备受关注的纳米材料。首先介绍了NIR-Ⅱ Au NCs的合成方法，讨论了其面临的低产率和缺乏规模化制备的问题。其次，介绍了NIR-Ⅱ Au NCs的表面调控技术，讨论了调控团簇表面结构、组成和形态的方法，以及增大发光波长和提高荧光量子产率的方法。然后，总结了NIR-Ⅱ Au NCs在血管成像、淋巴管和淋巴结成像、肿瘤成像以及成像引导治疗等方面的最新研究进展。最后，讨论了NIR-Ⅱ Au NCs在生物医学光子学领域中面临的机遇与挑战。

华法林钠是肺栓塞治疗中最常用的口服抗凝药。为制定个性化给药方案，急需建立快速、经济、准确的定量检测技术。利用太赫兹（THz）光谱的分子指纹识别特性，建立华法林钠快速定性定量分析方法。首先，通过实验获得华法林钠THz特征吸收谱，结合密度泛函理论量化计算，明确该药物在10~16 THz内的分子运动模式，从分子基团层面建立定性识别方法。接着，对不同浓度的华法林钠水溶液进行THz检测，分析THz特征峰峰高和峰下面积与药物浓度之间的相关性，建立了双指标的华法林钠定量检测方法。最低检测限达到0.01 nmol/mL，低于人的血浆中的华法林浓度，检测耗时小于10 min。所提方法为华法林钠定量检测提供了一种快速、准确的新技术，有助于推动华法林钠血药浓度监测技术的发展。

结肠癌已成为我国主要癌症发病种类之一，传统的治疗方法难以抑制其转移和复发。免疫疗法虽然可以通过机体免疫系统清除肿瘤组织，但肿瘤组织中的免疫抑制微环境，往往会导致效果不及预期。光学疗法，包括光热疗法（PTT）和光动力疗法（PDT），不仅可以直接诱导肿瘤细胞凋亡和坏死，还能改善肿瘤组织中的免疫抑制环境，从而促进免疫细胞在肿瘤组织中的浸润和活性，提高免疫治疗效果。笔者创新性地利用吲哚氰绿（ICG）介导的光学疗法和天然免疫活性分子羽扇豆醇（Lupeol）对自然杀伤（NK）细胞免疫活性的提升作用实现光-免疫协同激活作用和抗肿瘤效果，通过纳米脂质体将ICG和羽扇豆醇整合得到Lip-Lupeol & ICG，并将其用于结肠癌细胞灭活研究。结果显示：Lip-Lupeol & ICG在通过两次间隔激光照射后可实现PTT和PDT的两次治疗作用，可将结肠癌细胞活性抑制至43.4%；与此同时，包裹的羽扇豆醇释放后可与光学疗法协同激活NK细胞活性，将结肠癌细胞活性进一步抑制至16.7%，为临床结肠癌治疗提供了一种新思路。

光声成像是一种结合光学和声学原理的多模态成像技术，可用于观察和获取组织内部的结构和功能信息。血液流速是评估血管功能的重要指标，血液流速的测量与疾病的发生和发展密切相关。推导了基于热测量法测量血液流速的基本理论，搭建了光声测速/成像实验系统，并开展了光声速度测量和成像实验。通过实验研究，获得了光声声压与流体速度间的定量关系，经实验验证流速测量的平均误差为8.2%，最大测速范围可达200 mm·s^-1。在此基础上，采用二维机械扫描的方式实现了分辨率为10 μm的光声形态/流速协同测量。

水下激光等离子体爆轰波能够作用于微球表面产生推力进而推动微球运动。本课题组依据水下激光等离子体爆轰波的作用机理，提出了激光等离子体爆轰波定点清除血栓的方法。以血液为介质建立血管血栓模型，采用光纤激光器作为动力，进行激光等离子体爆轰波血栓推进的机理研究及数值模拟。结果显示：激光等离子体爆轰波对血栓表面有一定大小的强推力作用，能量为20 μJ的激光对直径为2 mm的下肢静脉血栓表面的峰值推力可以达到1.0 N，而且峰值推力的大小取决于激光能量以及血栓的尺寸和形状。水下光纤激光等离子体推进微球和团簇实验进一步证明了激光等离子体爆轰波定点清除血栓和打散团簇的可行性，为聚集型血栓团簇的定点清除提供了一种可行方法。

生物组织光学参数的无创在体测量是近红外光谱学（NIRS）研究的基础课题之一。在已发展的NIRS方案中，时间分辨测量具备优良的同时反演吸收系数和散射系数的能力，而且近年来该技术的性价比显著提高，获得了更多关注，但其针对分层组织的参数反演在准确性、稳定性和反演速度等方面尚存在一定的局限性。为此，本文提出了一种时域蒙特卡罗模型支持的Nelder-Mead单纯形算法，该算法利用双源探距下的时间分辨漫反射光信号，以循环迭代方式设置不同的基向量，经线性变换后无须求导便可启发式搜索目标函数的最优值，从而实现了高信效度的分层光学参数反演。模拟实验与仿体实验均表明：在组织光学参数反演方面，所提算法的精度优于传统算法，而且该算法具有良好的噪声鲁棒性和临床适应性，为生物组织光学参数的在体测量提供了新方法。

乳腺癌手术中常因缺乏快速准确的组织性质检测手段而导致组织过度切除或手术时间延长。利用组织自体光谱的检测手段因具有速度快、灵敏度高、选择性强以及无创性等优势而受到越来越多的关注。因此，针对乳腺癌寻求高效精准的光谱诊断特征并研究其内在根源具有重要意义。笔者以355 nm亚纳秒序列脉冲激光作为激发光源，采用自主搭建的激光诱导稳态荧光光谱系统对多例乳腺恶性肿瘤组织和正常乳腺组织开展自体荧光光谱实验研究。对两类组织样本的光谱特征进行比较分析，提出了基于430 nm附近光谱特征差异的特异性甄别方法，并比较了三种荧光比值法的甄别效果。进一步的光谱拟合分析揭示了实验测得的乳腺组织自体荧光主要来自4种内源性荧光物质的贡献，而癌变组织的光谱特征变化主要源于还原型辅酶Ⅰ（NADH）的增加以及NADH结合性蛋白的减少。本文提出的乳腺癌变光谱甄别方法特异性显著，生物学根源清晰，能够为临床快速检测应用提供新的技术方法参考，尤其是能为保乳手术中的切缘快速检测提供崭新的视角。

针对传统变焦腹腔镜调焦结构所需空间大、调焦精度难以保证等问题，提出了一种以液体透镜为核心元件参与变焦的腹腔镜光学系统，利用液体透镜代替机械变焦结构，实现了变焦功能。推导了液体透镜电压与焦距的关系方程，结合COMSOL软件设计并仿真了满足所需焦距范围的双液体透镜。用ZEMAX软件设计优化了腹腔镜液体透镜变焦光学系统，通过控制电压即可实现焦距5~15 mm范围内同一像面高清晰成像。在焦距15 mm时，全视场点列图均方根（RMS）半径为6.694 μm，在焦距5 mm时，全视场点列图RMS半径为4.596 μm，均小于7.4 μm的像元尺寸。系统调制传递函数（MTF）在68 lp/mm处均大于0.5，4个组态（焦距分别为5、7.2、10.4、15 mm）畸变分别为7.047%、1.961%、0.732%、0.295%，满足腹腔镜对光学系统畸变的要求。

基于反向传播（BP）神经网络模型结合联合区间等间隔偏最小二乘法（SiPLS），设计了SiPLS-BP模型定量分析复杂背景下血红蛋白含量。以186个不同浓度血红蛋白的血液样本和39个不同浓度的血红蛋白仿体溶液样本的近红外光谱数据为研究对象，优选出最佳的数据集划分方法、最佳划分比例和最佳预处理方法，利用SiPLS优选波段，构建SiPLS、SiPLS-BP、全谱偏最小二乘法（PLS）和全谱BP四种定量分析模型，并进行分析对比。实验结果表明：两种样本的最佳定量分析模型均为SiPLS-BP。即使采用相同的特征波长优选方法，每个模型优选的波段也并不完全相同。对于背景复杂、样本差异性较大的混合溶液和血液，SiPLS-BP模型具有更好的预测效果，能更准确地定量分析血红蛋白浓度。研究结果为复杂背景下的血红蛋白定量分析提供了参考。

提出了一种基于近红外视频的心率检测方法。该方法采用正交分解投影结合奇异值分解（OP-SVD）的方法，实现了夜间运动状态下的高精度鲁棒性心率检测。该方法通过人脸标志点检测，将人脸分为多个感兴趣子区域，获得了多通道成像式光电容积描记（IPPG）信号；采用正交分解投影法去除多通道IPPG信号中的运动伪迹；接着利用奇异值分解法再次去噪，并通过重构子区域信号获得了高信噪比IPPG信号，最终实现了心率的准确提取。实验结果表明，与传统方法相比，该方法的误差最小，其平均绝对误差（MAE）值达到了3.14 bit/min。