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。

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。

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。