X射线激发发光断层成像（XLCT）是一种新兴的混合成像技术，该技术可同时获得目标体结构信息和功能信息。然而，窄束XLCT重建图像虽然具有高空间分辨率，但X射线利用率较低，数据采集时间过长；锥束XLCT系统提高了X射线利用率，缩短了数据采集时间，但有限的探测角度导致图像重建质量相对较低。为解决上述问题，提高X射线利用率，高效实现多角度高灵敏数据采集，提出了一种基于光子计数测量的锥束XLCT系统，并通过仿体实验对其性能进行了验证。仿体实验结果表明，6个角度锥束照射模式下重建图像的相似度系数（DICE）可达50%，系统保真度（SF）和重建浓度误差（RCE）达到0.7以上，可实现3 mg·mL^-1以上的荧光物质质量浓度差距的重建。

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。

基于近红外自体荧光技术，设计一种甲状旁腺快速识别系统，该系统对术中快速识别甲状旁腺具有重要价值。设计一种环形可调激发光源和高精度可调LED恒流源，利用近红外光源激发组织荧光同时通过高灵敏度CMOS相机采集组织自体荧光信息，并对采集的荧光图像进行图像处理，从而准确识别甲状旁腺。利用梯度浓度吲哚菁绿（ICG）溶液模拟组织荧光，实验测得荧光强度与ICG浓度成正相关，信噪比与信背比均符合术中辨别需求，验证了本系统应用于不同荧光强度时的灵敏性与准确性。采用本系统对组织仿体进行测试，荧光仿体能够与背景明显区分开。对甲状旁腺及周边组织进行测试，甲状旁腺呈绿色，与周边组织明显区分，初步验证了本系统可用于对甲状旁腺的识别检测。

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。

扩散相关光谱法(DCS)是一种新兴的无创检测组织深层血流流速变化的光学方法。开发了一种基于多时延光子相关器的多通道DCS拓扑成像系统,该系统主要包含长相干激光器、光子计数式光电倍增管和光子相关器。多时延光子相关器结构可以保证光强时间自相关曲线的高分辨率和大动态范围。结合该系统的成像特点,将基于相关扩散方程解析解的约束非线性优化算法作为模型,实现半无限空间条件下相关扩散方程解析解与实验测得的相关曲线的最佳匹配,以计算血流指数。动态仿体实验验证了该系统可以分辨液体介质的流速,且可以重建出不同流速的二维图像。

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。

为实现小动物吲哚菁绿(ICG)药代动力学成像, 设计了一套高灵敏度扩散荧光层析成像系统。该系统采用了基于离散光纤耦合光子计数采集的仿计算机断层成像扫描方式, 在保障高灵敏度和大动态范围测量的前提下, 可有效提高系统的空间采样分辨率; 同时采用了基于光开关切换四通道串-并混和的测量模式, 兼顾了测量时间分辨率和系统性价比之间的平衡。为验证实验系统的有效性, 设计了可模拟小动物体内ICG代谢规律的动态仿体, 并结合实验室开发的荧光剂药代动力学直接重建算法, 实现了ICG代谢速率的重建。实验结果表明, 该系统具有较高的空间分辨率、灵敏度和量化性。

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。

在生物医学光学成像方法的研发、评估和使用中, 需要用到在较长时间内具有稳定的光学及力学属性的生物组织仿体, 以使光学成像实验可以重复进行。这些仿体一般由混有散射、吸收粒子的基质制成。常用散射粒子包括脂质微粒、聚合物微球、金属氧化物粉末和金纳米粒子等, 吸收粒子(及其溶液)包括血液、印度墨水(Indian Ink)和分子染料等。常用来模拟组织特性的基质包括硅胶、纤维蛋白和聚乙烯醇凝胶(Polyvinyl alcohol cryogel, PVA-C)等。讨论和分析常见仿体的光学性质(吸收系数、散射系数、折射率)和力学性质(弹性和粘弹性)。从生物相容性、制备难易程度及耗时情况、稳定性等方面比较了几种常见散射粒子、吸收粒子和基质的优缺点, 并据此总结其适用范围。最后对仿体研究的发展进行了展望。

为了实现对甘油光透明效果的定量描述，引入组织仿体模拟皮肤的光学参数，分别利用双积分球系统及近红外光谱仪对含有不同浓度甘油的皮肤仿体的光学特性进行测量，研究甘油浓度变化对皮肤仿体光透明效果的影响。结果表明，在632.8 nm处随甘油浓度的增加皮肤仿体的散射系数降低，光穿透深度也得到提高，最大能提高48.76%；同时，皮肤仿体在近红外波段的透射能量也随着甘油浓度的增加而增大，即总衰减系数降低，从而表明利用皮肤仿体可描述甘油引起的光透明效果与甘油浓度变化的定量关系。