目前，口腔黏膜病的筛查和诊断主要依靠临床医生的目视观察和触诊，组织病理学仍然是口腔癌诊断的金标准。目视观察、触诊和组织病理学方法都存在不同的局限性。近年来，随着影像学技术的不断发展，X射线计算层析、核磁共振、超声、荧光、光声、光学相干层析等技术逐渐被应用于口腔黏膜病的成像研究。不同影像学技术的成像原理、成像能力及性能各不相同，在口腔癌的筛查与诊断中可以发挥不同的优势，具有极大的临床应用潜力。本文主要总结了现有影像学技术在辅助口腔癌筛查和诊断中的研究进展，分析了它们的临床适用性，并预测了口腔癌筛查与诊断影像学技术未来的发展趋势。

衰老是引起主动脉硬化进而引发各种心血管疾病的主要独立风险因素。对主动脉增龄性改变进行定量评估有望为心血管疾病研究提供重要线索。采用二次谐波成像技术，结合三维灰度共生矩阵纹理分析算法，对不同周龄大鼠主动脉血管壁内外表面的胶原纤维进行了定量评估；提取出多种可量化表征主动脉增龄性改变的特征参数，从胶原纤维微结构角度揭示了主动脉增龄性变化规律。上述方法及提取出的特征参数有望为评估血管老化程度提供有力工具和重要参考指标，并进一步应用于与老化相关的心血管疾病的研究。

为进一步提高双光子多焦点结构光照明显微技术（2P-MSIM）的空间分辨率，笔者提出并发展了一种双光子亚衍射多焦点结构光照明显微成像方法（2P-sMSIM）。首先，通过改进的Gerchberg-Saxton（GS）相位恢复算法设计亚衍射聚焦点阵，生成相位图，利用高速相位型空间光调制器产生亚衍射聚焦点阵。通过计算机模拟的仿真实验，探究算法的可行性，并通过对荧光染料溶液的激发成像，证明了每个亚衍射聚焦点阵的平均尺寸为正常衍射受限点阵聚焦点尺寸的80%。其次，将该点阵引入2P-MSIM系统，对固定在BS-C-1细胞内的微管和商用线粒体切片分别进行了超分辨成像实验，证明了在亚衍射聚焦点阵激发下，2P-MSIM的分辨率和成像质量得到了进一步提高，这对于2P-MSIM的发展具有重要意义。

成熟人红细胞膜骨架是由膜下多种蛋白组成的三角晶格网状结构，在维持红细胞形态、变形性、运动和代谢等功能方面扮演着重要角色。单分子定位超分辨成像（SMLM）技术在解析骨架超微结构方面展现出了强大的能力，但分辨率的提升对成像分析手段提出了更高要求。作为一种常用的空间分析方法，Vorono?分割在SMLM图像聚类分析中已被广泛应用。笔者利用自主搭建的SMLM超分辨成像系统获得红细胞膜蛋白和骨架蛋白的超分辨点簇图像，对点簇质心进行Vorono?分割，并对Vorono?多边形面积分布进行伽马函数拟合，发现自由膜蛋白CD59的伽马分布峰值对应的x轴坐标x_peak为0.78。结合模拟结果，验证了自由膜蛋白CD59呈随机分布。进一步，肌动蛋白、血影蛋白N端和原肌球蛋白的Vorono?分析结果显示它们的x_peak均为0.86，而锚蛋白的x_peak为0.84，说明骨架膜蛋白呈相对均匀的分布状态，但锚蛋白较其他骨架蛋白更具随机性。Vorono?方法可助力阐释红细胞膜骨架蛋白的空间分布特性，同时也为点簇状SMLM超分辨图像数据的深入提取提供了新思路和新方法。

建立了小鼠原位肝癌模型，利用活体荧光成像系统激发的荧光信号对肿瘤进行了定位，通过光声显微成像系统观察了正常肝小叶、肿瘤中心和癌旁的微血管结构特征和血氧功能。结果表明，正常的血管分布均匀、分化良好，而肿瘤的血管分布不均匀且混乱，分支直径增加，更适合低氧环境。光声技术在研究肝细胞癌方面展现出巨大的潜力，可以为肿瘤抗血管生成治疗和诸多肝脏相关疾病的诊断提供更深入的见解。

Cherenkov激发的荧光扫描成像（CELSI）是一种新型的光学成像技术，为监测体内恶性肿瘤的生物学特性提供了一种手段。为提高CELSI图像重建质量，本文提出了一种基于迭代优化展开的深度学习图像重建算法——ADMM-Net。在该算法中，交替方向乘子法（ADMM）与卷积神经网络（CNN）相结合组成一个深度网络，网络中的所有参数通过端到端训练进行学习。实验结果表明：该算法可以有效提升重建图像的质量。当网络层数为5时，该算法重建的单荧光目标图像的平均峰值信噪比和结构相似性值分别可达到33.75 dB和0.86。该算法不仅可以分辨出边沿距离最小为2 mm的双荧光目标，而且在多荧光目标和不同荧光量子产额比率下表现出了良好的泛化能力。

光学相干层析成像（OCT）在眼科方面的应用通常受到散斑噪声和低分辨率的影响。目前主流的OCT图像超分辨率重建方法多基于卷积神经网络，往往存在成像质量低、图像过度平滑和边缘细节缺失等情况。本文提出了基于Transformer的OCT视网膜图像超分辨率网络——TESR。TESR加入了边缘增强模块，以加强边缘信息对模型的影响，提高视网膜各层边缘的清晰度；新提出的金字塔长程Transformer模块融合了局部特征和全局表示，对图像的内部信息进行长程建模，能更有效地学习更丰富的图像特征。实验结果表示：本文所提TESR模型在峰值信噪比和结构相似度这两个指标上比其他经典模型均有一定程度的提高，在学习感知图像块相似度这一指标上表现优秀，同时在主观视觉质量上也有明显提高，泛化能力较强。

微创介入治疗近年来发展迅速，具有重要临床价值。然而，微创条件下手术视野与操作范围受限，手术结果高度依赖医生经验。为解决这一问题，临床关注的焦点是如何实现手术信息的可视化、手术定量信息的获取和治疗范围的精准控制。光学辅助与激光消融技术在解决该问题上发挥了重要作用。增强现实技术提供新的可视化方式，光学追踪与传感为术中提供多维的定量信息，而激光消融则提供了精准治疗的途径。同时，光学技术与计算机视觉、人工智能、材料科学等多学科结合，推动微创介入朝着智能化、精准化、个性化的方向发展。聚焦于微创介入中的光学辅助与激光消融技术，主要从增强现实、光学追踪与感知、激光消融三方面，对相关研究进展进行综述。

全球成年男性的精子质量呈明显下降趋势。精子质量下降与男性不育虽并非线性关系，但显然与低生育力密切相关。辅助生殖技术针对不育男性精子水平低、形态和运动活力异常等常见问题，通过评估和筛选优质精子，提供了解决男性不育问题的主要技术方案。现有临床研究局限于精子形貌和活力等特征参数的筛选，缺乏针对精子DNA损伤情况的无损评筛手段。本文首先介绍了精子无损评筛技术在辅助生殖领域男科的应用需求以及显微拉曼光谱技术的基本原理，继而对基于拉曼光谱技术的精子研究进行了综述，综合分析探讨了精子的拉曼光谱检测和光谱特征，聚焦精子DNA损伤的拉曼光谱响应问题，最后讨论和展望了精子无损评筛技术的发展前景。

宫颈异常细胞特征细微难以提取、小目标容易漏检、细胞边界回归不准确导致异常细胞检测精度不高，鉴于此，本文提出了一种结合注意力的全尺度特征融合RetinaNet（AFF-RetinaNet）宫颈异常细胞检测算法。首先，采用ResNeSt-50作为特征提取网络提取宫颈异常细胞的细微特征；其次，引入平衡特征金字塔（BFP）结构，对所有特征层进行全尺度融合，增强小目标的语义信息，并利用BFP中的非局部注意力模块获取图像的全局信息，以进一步增强特征空间的语义信息；最后，采用CIoU Loss作为回归分支的损失函数，以提高对异常细胞边界回归的准确率。另外，针对实际应用场景，基于AFF-RetinaNet算法实现了全视野宫颈细胞病理学图像（WSI）推理流程，并基于该推理流程对WSI中的异常细胞进行了检测。AFF-RetinaNet在宫颈异常细胞数据集上的平均精度均值（mAP）为83.4%，其中对小目标的mAP值（mAP-s）达到了24.4%，相较于基准RetinaNet算法分别提高了3.2个百分点和10.8个百分点。基于AFF-Retina的WSI推理结果在感兴趣区域中的mAP为70.8%。实验结果表明：AFF-RetinaNet算法可以增强对小尺寸异常细胞的检测能力，有效提升宫颈异常细胞的检测精度。基于AFF-RetinaNet的宫颈WSI推理流程可辅助医生快速定位高分辨率宫颈WSI中的异常细胞，有望减轻医生的阅片负担。

根据薄膜结构振动理论，采用人造耳膜材料作为样本，针对耳膜病态中的穿孔、划伤和钙化对一阶振动模态的影响进行了有限元分析，并设计了一种数字全息与内窥镜技术相结合的振动形变检测光路系统；采用空间载波相位提取方法检测耳膜的振动模态，并进行了相应的实验验证。结果表明：穿孔、划伤和钙化对耳膜的一阶振动模态具有一定影响，振幅在穿孔和划伤情况下会增大，并会随着钙化层厚度增大而减小，同时还会随病态位置变化而有所不同。本研究为真实耳膜病态的原位检测提供了参考，对于听力方面的医疗诊断具有重要的参考意义。

肺部疾病的诊断和治疗很重要，目前实现肺部疾病的无创监测具有一定困难。笔者采用近红外光子传输技术，定量研究了人体肺部的结构。以可视中国人数据集（VCH）为实验对象，利用蒙特卡罗（MC）模拟对其进行了仿真。对肺部血流动力学非侵入式测量的可行性进行了理论探讨，并对光子在肺部传输时的最佳光源位置进行了研究，同时还对光源‐检测器距离进行了优化。光通量强度显示，光子在人体肺部可以穿透6~8.4 mm，光源到检测器的最佳距离是2.8~3.6 cm。在此基础上，对13名志愿者进行了近红外漫反射实验，实验数据与仿真结果基本一致。实验结果表明，本研究在肺部血流动力学无创监测方面具有广阔的应用前景，同时也为生物医学光学技术在人体上的应用提供了参考。

相较于传统非偏振光学表征方法，Mueller矩阵成像偏振（MMIP）法可以表征丰富的生物组织微观结构，在癌症病理诊断方面有着巨大的应用潜力。研究了机械拉伸下不同生物组织结构的MMIP表征，在MMIP系统的基础上增加机械拉伸模块，通过机械拉伸改变生物组织的光学特性。采用Mueller矩阵极化分解方法提取了可以表征介质基本偏振特性的2个表征参数，即二向色性（D）和散射退偏（Δ）。以乳腺导管内癌组织及正常乳腺组织为研究对象，分析了不同组织结构之间表征参数的平均值差值的变化趋势及其变化率在机械拉伸作用下的变化规律。结果表明：在机械拉伸作用下，不同组织结构之间的D参数平均值差值呈减小趋势，差值变化率最大可达7.9%，Δ参数平均值差值亦呈现减小趋势，差值变化率最大可达12.7%。研究结果为基于偏振成像的癌症病理诊断提供了参考。

以治疗血栓的新型药物拜瑞妥为例，利用远红外光谱，实现了药物快速准确的定量分析。首先，基于密度泛函理论进行理论仿真，分析了拜瑞妥基团结构的振动模式，预测其在0~100 cm^-1波数范围内存在多种共振吸收。接着，利用远红外光谱仪对拜瑞妥进行检测，获得了与理论仿真结果高度一致的实验谱图，明确了拜瑞妥在远红外频段的特征吸收峰。最后，对不同质量拜瑞妥样品进行了测试，研究了拜瑞妥的特征吸收峰强度与其质量之间的线性关系，以多个特征峰为指标进行联合分析，实现了拜瑞妥药物含量的快速定量分析。研究结果有助于推动相关抗血栓药物的快速检测手段的发展。

神经接口是神经系统与外界物理设备进行信息交互的关键器件，利用光、电、磁、声等多种模态信息的融合，以神经信息增强的形式，可对大脑网络进行高时空精度的神经动力学分析，植入式多模态神经接口在神经科学基础研究、神经疾病的生物光电子诊疗、脑机融合与交互等前沿领域中具有重要应用。首先介绍了最新基于光学方法和电生理技术的多模态神经记录和调控原理，接着回顾了光电神经探针研究进展，并归纳了光学成像和记录及电生理记录等多种模态神经数据分析处理的一般方法，最后对植入式多模态神经接口进行总结，展望了该领域当前面临的挑战和未来的发展趋势。

光学操控已被广泛应用于生物医学、物理和材料科学等领域。近年来，锥形光纤光镊由于具有操作灵活、结构紧凑、易于制造等特点，在光学操控领域引起了极大关注。作为一种非侵入式光操控工具，锥形光纤光镊不会对生物组织和活体细胞产生接触式物理损伤，因而可以直接应用于细胞的多维度操控。此外，红外光波对生物组织具有良好的穿透性，这使得锥形光纤光镊在生物及医学领域有着不俗的表现。在这篇综述，笔者总结了锥形光纤光镊在单细胞、多细胞、亚细胞等层面的研究现状，并介绍了其在神经细胞调控方面的最新进展。

生物材料的表面拓扑结构能够显著影响细胞的黏附、增殖、迁移和分化等行为。为有效模拟体内细胞微环境，利用飞秒激光无掩模光学投影光刻技术制备了一系列曲线型拓扑结构。结果表明：细胞在沟槽、折线和三种不同曲率的波浪形拓扑结构上严格按照拓扑结构形貌进行生长、迁移。当波浪形结构曲率过大时，细胞改变原有的迁移方向，产生沿弯曲方向的迁移行为。共聚焦荧光显微图像显示：细胞在折线结构和波浪线结构的拐角区域发生骨架重排，相较于线区域细胞圆度增加。据此提出了细胞在曲线型拓扑结构上的迁移机制。该研究揭示了细胞对曲线型拓扑结构的响应机制，将为体外植入材料的设计提供科学依据。

近年来，有机半导体聚合物点（Pdots）以其光吸收截面大、稳定性好、生物相容性好、光物理性质可调等特性受到了广泛关注。聚合物点已被应用于生物传感、生物成像以及光学治疗等生物光学应用领域，对即时检测、活体成像、肿瘤治疗等具有重要意义。本文简要介绍了聚合物点的发光原理、制备方法、性能表征和修饰策略，总结了聚合物点在生物传感、生物成像以及光治疗应用中的最新研究进展，并分析了聚合物点在生物光学领域面临的挑战及未来的发展方向。

光镊采用聚焦的激光束束缚微米、纳米级的粒子，具有亚皮牛级的力分辨率和亚毫秒级的时间响应，在单分子生物物理中具有广泛的应用。通过化学耦链将生物大分子连接到高分子微球上，光镊可以测量大分子的伸长以及受力，进而研究DNA‐蛋白质相互作用、蛋白质折叠及分子马达机械化学性质等动态过程。简要介绍光镊的基本原理和常见的单分子光镊几何构型，并以双光镊为例，介绍如何设计和搭建光镊设备、所涉及的技术原理、稳定性与降噪处理方法以及分辨率测试方法。以国家蛋白质科学研究（上海）设施的双光镊实验装置为例，论述双光镊在单分子生物物理中的应用及进展。最后，对单分子光镊技术的发展前景作出展望。