扩散光学成像技术在生物医学领域有着广泛的应用。相较于磁共振成像（MRI）、计算机X射线断层扫描（CT）、正电子发射断层扫描（PET）和超声成像等成像方式，扩散光学成像利用经组织吸收和散射的扩散光进行成像，可无创、无标记、宽场、定量测量氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、血氧、水分、脂质、黑色素等成分浓度和组织功能信息，在安全性、特异性和系统成本等方面有明显优势。本文介绍了扩散光学成像的基本原理，包括光与组织的相互作用和光传播模型，并总结扩散光学成像的相关方法和应用，包括脉搏血氧术、漫射光谱、扩散光学层析成像、荧光分子层析成像和空间频域成像，并对它们的未来发展进行了展望。

MicroRNA（miRNA）是癌症等重大疾病检测过程中一类非常重要的标志物。定量实时聚合酶链式反应由于逆转录限制主要存在扩增偏差大的问题，Northern印迹杂交存在灵敏度低的不足，下一代测序和单分子阵列技术兼有检测限低及灵敏度高的优势。然而，扩增偏差大或缺乏简化的工作流程不利于即时点对点医疗诊断、治疗以及预后。基于此，提出一种基于单分子检测原理的miRNA检测方法。首先，依据泊松分布，利用三明治夹心结构形成复合物，链霉亲和素-poly-HRP与酪胺-Alexa Fluor 488分子通过催化沉积的方式生成并放大信号；然后，运用纤维蛋白水凝胶而非微流控芯片固定复合物；最后，进行单分子计数处理，通过样点寻址、样点筛选、图像重合及信息提取等4个步骤识别并统计阳性点个数，从而实现miRNA超灵敏定量检测。以人类miR-21为检测对象，检测下限是6 fmol/L。该方法在体外诊断检测miRNA方面有较好的潜在应用价值。

激光散斑衬比血流成像（LSCI）是一种利用激光散斑强度的时空统计特性来实现活体组织血流监测的全场光学成像技术，在临床诊断和生命科学等研究领域具有重要的应用价值。本文在介绍LSCI基本原理的基础上，重点对高信噪比LSCI、高分辨率LSCI、高精度LSCI、大成像深度LSCI和新型LSCI系统等关键技术及其应用的研究进展进行综述。首先，综述了各向异性滤波、特征值分解和变换域滤波的高信噪比LSCI技术，并总结了以运动伪影校正、失焦模糊校正和非均匀光强校正为目标的高分辨率LSCI技术的研究现状；然后，以实现高精度LSCI为目标，从静态散射光校正、定量LSCI技术和新型散斑衬比成像算法等方面阐述了高精度LSCI技术的研究进展；最后，总结大成像深度LSCI技术的发展现状与进展，介绍新型LSCI系统及其应用的最新研究成果，并对LSCI技术未来的发展方向和应用功能拓展进行总结和展望。

散斑血流灌注成像是一种利用红细胞对激光的散射特性监测血流灌注信息的医学成像技术。同传统血流灌注监测方法相比，其具有实时显像、分辨率高、成本低、无需造影剂等优点，尤其在体表血流监测方面独具优势。简述了散斑血流灌注成像的基本原理，总结了其技术进展及在眼底血流、脑血流、体表微循环监测及肿瘤血流灌注监测几个方面的应用，并介绍了其在监测鸡胚肿瘤血管新生方面的新应用。

人体皮肤组织的光学参数和生理参数对于众多疾病的检测与监测具有重要意义，基于空间频域成像技术提取光学、生理参数具有潜在的临床应用价值。空间频域成像技术需要至少在两个波长下提取氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度；在反演人体皮肤组织中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度时，皮肤中的黑色素会增加结果的不确定度。本课题组搭建了一套空间频域成像系统，在反演人体皮肤组织生理参数的算法中引入最小二乘法和最小误差准则，以解决不确定度问题。实验结果表明：该系统获得的梯度漫反射板的测量值与准确值线性相关，且获取的组织仿体的吸收系数与直接测量法获取的吸收系数的偏差在0.3%～9.6%之间，验证了该系统测量光学参数的有效性。通过对不同黑色素含量的组织仿体进行测量后发现，系统的测量浓度与配制浓度之间显著相关。血液仿体实验和动脉闭塞实验结果表明，系统测量的氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、总血红蛋白浓度以及血氧饱和度随时间变化的趋势符合血液实验变化趋势和闭塞条件的变化趋势，进一步验证了空间频域成像算法提取生理参数的准确性。在体和离体实验结果均说明空间频域成像方法可以用于组织体中血氧饱和度的测量，为实现相关疾病的无创、快速检测提供了新手段。

临床上诊断消化道早期癌症主要依赖于电子内镜活检术，但是其诊断周期长。细胞内镜是一种具有超高放大倍率的内窥镜，配合术中染色可以直接在体内观察到病灶的细胞核等病理结构。为了使内窥镜医生能够在术中更准确地分析细胞核病理特征，基于已研制的高倍率细胞内镜系统在猪食管黏膜组织上开展了细胞核染色及分割方法研究。利用1%浓度的甲苯胺蓝水溶液对猪食管黏膜进行细胞核染色，并成功在细胞内镜显微成像模式下观察到染色的细胞核。在此基础上，采用深度学习方法训练了细胞核分割模型，有效实现了染色细胞核的分割提取，分割准确度达到了99.23%，特异性达到了99.54%，敏感性达到了84.37%，Dice系数达到了0.813 8，为细胞内镜的AI辅助诊断算法研究奠定了基础。

报道了一种用于神经外科手术立体定向导航的原位同轴投影技术。该技术可以自动完成图像与患者位置的配准,并将术前重建的手术靶点和规划入路实时原位地投射到手术部位,指导术者按照预定靶点和入路进行精准手术。同轴标定实验表明该系统在工作距离下的平均投影仪重投影误差为0.4 mm,具有较高的摄影-投影同轴度。立体定向投影精度实验表明该系统在不同投射角度下的靶点平均投影误差为1.2 mm,具有较高的立体定向导航精度。仿体实验表明该系统在不同的模拟手术条件下可达到0.3 mm到3.1 mm的平均投影误差,具备良好的临床应用可行性。 跟其他立体定向导航系统相比,原位同轴投影技术摈弃了屏幕显示,可以避免术者视角在显示器和术野之间频繁切换带来的不便和操作误差,提升了手术效率,在脑肿瘤及脑血肿手术导航中具有广阔的临床应用前景。

糖尿病是一种以高血糖为特征的代谢障碍性疾病，是21世纪人类最需要重点解决的健康问题之一。因为降糖类药物的使用剂量需要根据血糖水平随时进行调整，所以血糖监测成为了糖尿病护理最重要的组成部分。经过半个多世纪的研究，大量的葡萄糖传感器被开发出来，不同的检测方法相继得到发展。通过梳理整个血糖监测系统的发展过程，阐述各类葡萄糖传感器的技术方案和特点，针对研究现状及存在问题进行总结讨论，并对未来的机遇与将要面对的挑战进行了展望。