偏振光学成像是一种非标记、无损伤的检测技术，对亚波长微观结构的变化比较敏感，可以提供丰富的组织结构和光学信息。然而，在可见波段范围内，生物组织是强散射介质，光在组织中传播时会经历多次散射，失去原本携带的相位和偏振信息，从而影响光学成像的对比度和分辨率。本团队结合空间频域成像和偏振光学成像方法，搭建了偏振空间频域成像系统。通过高频空间频域成像控制照明光的穿透深度，利用穆勒矩阵表征样品浅层的偏振参数，进而反映样品浅层的微观结构信息。实验结果显示：偏振空间频域成像系统测得的灰阶板漫反射率与标准值线性相关（R²=0.99988）；退偏系数与脂肪乳体积分数成正比关系，二向衰减系数随二向衰减器导致的二向衰减增大而增大；该系统可以准确测量四分之一波片和全波片的相位延迟，表明该系统可以准确测量样品的偏振参数。对比传统偏振光成像和偏振空间频域成像结果可以发现，偏振空间频域成像可以有效控制成像深度，精确测量样品浅层的穆勒矩阵。采用该系统对烧伤猪皮进行检测，测量结果显示：猪皮组织内部的胶原蛋白结构被破坏，相位延迟降低。本研究结果预期能够有效提升浅层组织偏振特性检测的准确性，促进肿瘤的早期检测。

基于血流介导组织还原型辅酶Ⅰ(NADH)荧光光谱检测技术的微循环功能评估对心血管病的早期预警具有重要价值,然而血流介导过程中氧饱和度的变化会干扰荧光信号的测量。本课题组搭建了集成有组织漫反射率测量模块的血流介导组织荧光光谱测量系统,并引入生理参数提取和荧光光谱复原算法,以排除干扰。不同光学参数的组织仿体试验结果表明,复原算法可以有效降低吸收、散射的影响,复原后的NADH的荧光强度与其浓度呈线性相关(拟合优度R²=0.99);血液血氧仿体试验结果显示,组织氧饱和度的变化会干扰荧光的检测,经过校正的NADH的固有荧光光谱与氧饱和度的变化无关。4位受试者的在体试验结果显示,经过光谱复原后,荧光闭塞响应值和恢复响应值的平均值分别下降了22.8%和22.1%,这可以解释为氧饱和度的变化对实测NADH荧光的干扰。本研究结果预期能够有效提升血流介导组织荧光光谱测量系统的检测准确性。

糖尿病日益严重地威胁人类健康,但无创血糖检测的方法仍未能在临床上应用,为了解决这一重要问题,从源头进行探索,研究光源随葡萄糖质量浓度变化的光谱特性。在600~1300 nm的波长范围内研究不同葡萄糖质量浓度的溶液的吸收光谱特性和不同葡萄糖质量浓度的2% Intralipid组织模拟液的反射光谱特性,利用单调性、线性度和灵敏度对光谱特性进行分析。实验结果表明,吸收光谱在1140~1210 nm和1130~1200 nm的波长范围内的光波和反射光谱在1010~1130 nm和1150~1300 nm的波长范围内的光波,具有单调性、出色的线性度、灵敏度高的特点。因此认为具有这些特征的光波应用于无创血糖的检测,有助于提高准确性和灵敏度,推动光学无创血糖检测的方法进入临床应用。

Traditional moxibustion therapy can stimulate heat and blood-vessel expansion and advance blood circulation. In the present study, a novel noncontact-type thermal therapeutic system was developed using a near-infrared laser diode. The device allows direct interaction of infrared laser light with the skin, thereby facilitating a controlled temperature distribution on the skin and the deep tissues below the skin. While using a tissue-mimicking phantom as a substitute for real skin, the most important optical and thermal parameters are the absorption/attenuation coe±cient, thermal conductivity, and specific heat. We found that these parameters can be manipulated by varying the agar-gel concentration. Hence, a multilayer tissue-mimicking phantom was fabricated using different agar-gel concentrations. Thermal imaging and thermocouples were used to measure the temperature distribution inside the phantom during laser irradiation. The temperature increased with the increase in the agar-gel concentration and reached a maximum value under the tissue phantom surface. To induce a similar thermal effect of moxibustion therapy, controlled laser-irradiation parameters such as output power, wavelength and pulse width were obtained from further analysis of the temperature distribution. From the known optothermal properties of the patient's skin, the temperature distribution inside the tissue was manipulated by optimizing the laser parameters. This study can contribute to patient-specific thermal therapy in clinics.

通过设计不同光学参数的组织仿体,研究吸收、散射对组织荧光光谱及组织漫反射光谱的影响规律,优化经验复原算法,以校正吸收、散射的影响,获得组织的固有荧光光谱。结果显示:使用优化的经验复原算法(经验参数k_x和k_m分别为0.9和-0.8)能够有效降低吸收、散射对荧光强度的影响,且荧光强度与荧光成分的浓度线性相关。在基于皮肤组织荧光光谱法筛查糖尿病的应用研究中应用上述光谱复原算法,结果显示:与原始荧光光谱相比,采用复原后的固有荧光光谱进行糖尿病筛查时,受试者工作特征(ROC)曲线覆盖面积由0.54增加至0.81,在特异性同为70.6%时,敏感性由38.6%增至77.6%。采用组织仿体优化生物组织固有荧光光谱经验复原算法能有效提高荧光光谱的临床应用价值。

为了探究光清透剂在减少皮肤组织散射，提高到达靶组织激光能量方面的作用，利用皮肤仿体定量研究了可见-近红外波长下甘油的光清透效果。搭建了葡萄酒色斑激光治疗的体外模拟实验系统，研究光清透效果与多脉冲Nd∶YAG激光作用下血液凝结特性之间的定量关系。结果表明，0.5 mL无水甘油涂抹在仿体表面10 min后，在波长1064 nm处仿体的漫反射率降低36.69%，透射率增加38.73%。将无水甘油涂抹在仿体表面4 min后，仿体下毛细血管中血液凝结所需激光脉冲数目减少了25%。作用10 min后，所需激光脉冲数目并未进一步减少，但血液凝结面积与4 min时相比增加了34.1%。这说明甘油能有效提高病变血管对激光能量的吸收，改善葡萄酒色斑的疗效。

Laser Speckle Contrast Imaging (LSCI) plays an important role in studying blood flow, but suffers from limited penetration depth of light in turbid tissue. The strong scattering of tissue obviously reduces the image contrast which decreases the sensitivity to flow velocity. Some image processing or optical clearing methods have been proposed to lessen the deficiency, but quantitative assessment of improvement is seldom given. In this study, LSCI was applied to monitor the blood flow through a capillary embedded within various tissue phantoms at depths of 0.25, 0.45, 0.65, 0.85 and 1.05 mm, and the flow velocity in capillary was controllable from 0 to 4mm/s. Here, glycerol, a common optical clearing agent, was mixed with Intralipid at different volume ratio to make the reduced scattering coefficient of tissue phantom decrease from 13.00 to 0.50 cm^-1. The quantitative analysis demonstrates that the optical clearing method can obviously enhance the image contrast, imaging depth, and sensitivity to blood flow velocity. Comparing the Laser Speckle Contrast Analysis methods and the optical clearing method, we find that for typical turbid tissue, the sensitivity to velocity estimated by the Laser Speckle Temporal Contrast Analysis (LSTCA) is twice of that by the Laser Speckle Spatial Contrast Analysis (LSSCA); while the sensitivity to velocity estimated by using the two analysis methods has a 10-fold increase, respectively, if addition of glycerol makes the reduced scattering coefficient of tissue phantom decrease by 30%. Combining the LSTCA and the optical clearing method, the sensitivity to flow velocity will be further enhanced.

建立了一套用于测量生物组织模型偏振后向散射差分光谱的实验系统。在系统中,线偏振光入射到样品表面,检偏器和光谱仪配合记录后向散射光中的平行和垂直分量,随后计算出差分光谱。采用了平均直径分别为5.0 μm、9.0 μm的两种聚乙烯小球悬浮液进行实验,结果与蒙特卡罗模拟进行对照,验证了实验系统的正确性。初步研究了粒子尺寸分布变化对差分光谱的影响,结果表明,偏振散射差分光谱能敏感地反映粒子尺寸分布的变化,在大小粒子的混合液中,大粒子浓度一定程度的增加,光谱仍保留小粒子的振荡趋势,但差分光强减小。该方法对于早期癌症检测具有潜在应用意义。

基于生物组织的粒状模型以及光谱对米氏(Mie)散射体形态的灵敏性,构建了类上皮组织模型的偏振后向散射光谱反演模型。针对反演模型的多参量、多极值、非线性,涉及到非常复杂的三角函数计算,模型空间极小的特点,采用每代保留最优个体的浮点遗传算法对类上皮组织模型的偏振后向散射光谱反演。对编码策略、适值调整策略及选择策略进行了讨论。研究结果表明：经过70代反演迭代,每个参量的相对误差趋于稳定,最小的达到0.02%左右,最大的不超过3%。采用基于实数编码的遗传算法能从偏振散射光谱中同时反演获得表层粒子的形态参量,具有全局收敛性和良好的反演精度与抗噪声能力。

本文提出一种用光纤测定光在生物组织模型Iitralipid内部光分布的方法并测定了650nm激光在Iitralipid-10%中的分布,该方法与各向同性球形光纤探头探测组织内光分布是一种互补的方法.实验结果揭示了在生物组织模型中不同方向散射光的分布规律,表明了不同的组织光学参数和不同直径的入射光束与光分布之间的关系;采用外推边界条件的漫射方程解拟合前向散射光的测量数据确定了组织模型的散射系数和吸收系数并得到较好的结果,所测量的光学参数与公开发表的结果比较其差别在2.35%以内.