与可见光区（400~700 nm）和近红外一区（NIR-I，700~900 nm）荧光成像（FL）相比，近红外二区（NIR-II，1000~1700 nm）荧光成像具有更深的穿透深度、更高的信噪比。开发亮度高、吸收/发射波长长、生物相容性好的NIR-II荧光探针一直是NIR-II荧光成像领域的一个重要研究方向。有机NIR-II荧光探针以其优异的生物相容性和良好的药代动力学特性而备受关注。本文从红移吸收/发射波长、提高荧光量子产率/摩尔吸光系数、改善生物相容性等角度系统总结了近年来花菁类染料、D-A-D小分子、聚合物点等有机NIR-II荧光探针的研究进展，重点介绍了具有代表性的荧光探针在活体NIR-II荧光成像中的应用，最后讨论了有机NIR-II荧光探针迈向临床应用面临的潜在挑战。

细胞超微结构的原位解析是当前的一个研究热点。冷冻电子断层扫描成像技术（cryo-ET）是目前细胞原位结构解析的核心技术。cryo-ET只能对厚度小于300 nm的样品进行成像，因此利用cryo-ET研究细胞超微结构时首先需要对细胞进行减薄。聚焦离子束（FIB）切割是目前冷冻生物样品减薄的主流技术。传统FIB切割只能在细胞的任意位置上进行“盲切”，无法对细胞内部特定研究目标进行定点切割。光电融合成像技术（CLEM）恰可解决这一问题。CLEM利用荧光成像技术识别并定位研究目标，通过光电图像的关联匹配，可在FIB图像中确定荧光目标的位置，进而指导FIB的定点减薄。针对荧光导航cryo-FIB减薄的相关技术方法、仪器设备和工作流程进行了梳理，分析对比了主流方案的优缺点，旨在帮助研究者选择出合适的荧光导航FIB减薄方案，并对该技术的未来发展方向进行了展望。

光学相干层析成像（OCT）技术是一种无标记的三维成像技术，具有分辨率高、成像速度快等优点。内窥成像是OCT技术的一个重要应用，它能够通过微型探头和内窥导管获得在体组织的三维图像。内窥OCT成像克服了超声成像分辨率较低和共聚焦成像穿透深度不足的缺点，成为临床诊断不可或缺的成像工具。本文首先介绍了内窥OCT成像的原理和系统结构，然后总结了内窥OCT探头的发展，重点讨论了内窥OCT技术的最新进展及其在生物医学领域的应用。

温度响应型纳米材料作为造影剂的巨大潜力推动了近年来光声成像领域的研究和发展，然而，目前报道的温度响应型纳米探针的响应温度超过了人体可以容忍的范围，同时可逆性低，这两个问题是其实际应用的严重障碍，影响了其有效成像和长期监测的效果。鉴于此，笔者设计了一种聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）包裹金纳米棒（AuNR）的温度响应型相变纳米探针AuNR@PNIPAM，其可在生理温度附近表现出增强且可切换的近红外二区光吸收，实现对肿瘤的高对比度成像。当AuNR@PNIPAM微凝胶热靶向到肿瘤组织后，金纳米棒核吸收近红外光能量触发PNIPAM壳相变。当温度高于PNIPAM的体积相变温度时，PNIPAM水凝胶经历溶胀到坍缩的体积相变，使金纳米棒周围的折射率变大，诱导微凝胶的局域表面等离子体共振峰发生红移并使其吸收峰强度增大。体内外实验均证明，利用所制备的AuNR@PNIPAM微凝胶，在外部近红外光刺激下动态调制温度场，可以获得对比度增强的光声图像。本工作可为开发温度响应型智能光声纳米探针从而增强成像对比度提供一定的参考。

换能器作为超声系统的核心部分，起着重要的作用。传统的超声换能器是电驱动器件，利用材料的压电效应实现电-声转换，然而面对应用环境的苛刻要求，其有限的带宽限制了其在高标准要求环境中的应用。光致超声作为一种新型技术，利用激光代替电作为激励源获得超声，拥有传统压电技术无法具备的特性，如高频率和大带宽，这是成像和传感所需要的。同时，光致超声技术具有较为简单的换能器构架，避免了电子元件组装的复杂性，使得各种形状的超声换能器开发成为可能，比如凹形换能器和全向换能器。光致超声技术的这些优势使其有望获得更广泛的应用。对光致超声技术进行了介绍，主要包括光声机制、换能器性能表征和该技术在生物医学领域中的最新应用，并进一步讨论了光致超声技术未来可能的发展方向。

单分子定位技术通过随机激发荧光标记获得一组稀疏的图像序列，同时对荧光点进行亚像素级别定位，最终实现超分辨显微成像。基于拟合的单分子定位算法，如单发射（SE）及多发射（ME）定位算法，通过对估计器性能进行改进提高了单分子定位的精度和速度；然而，受失配误差和串扰误差的影响，SE算法和ME算法在不同密度情况下各有优劣，均无法达到全密度范围内最优的估计效果，并且分别存在荧光分子利用效率低和计算量大的缺点。本文提出了自适应混合发射单分子定位（SM）算法，该算法通过图像荧光发射密度及强度自适应地确定的拟合区域以及所采用的拟合模型及模型初值，有效避免了上述两种误差的影响，达到了全密度范围内一致、良好的定位效果。在仿真和实验数据上将所提SM算法与SE算法、ME算法进行比较，结果显示，SM算法重构图像的分辨率和对比度在不同发射密度下均具有优势。

在功能性近红外光谱（fNIRS）成像技术的实现中，扩散光学层析成像（DOT）具有改善定量性和分辨率的巨大潜力，但其效果受制于生理干扰（呼吸、心跳和低频振荡等）、检测系统的随机噪声以及有限测量数据量带来的不适定性。为增强fNIRS-DOT成像的性能，本文提出了一种基于模型先验信息的深度卷积编解码网络重建方法，利用分层半三维重建算法实现对表层和深层脑血氧变化信息的初步区分，发挥卷积、编解码网络对空间特征的学习能力，实现对深层脑激活信息的提取重建。为验证所提重建方法的有效性，开展了数值模拟和仿体实验，并将其与传统重建方法进行对比。结果表明，所提重建法不仅可以显著提高重建精度，极大地缩短重建时间，而且具有优异的泛化能力，为实现动态fNIRS成像提供了重要参考。

为了对眼底周边部区域进行成像检查，研究了激光线扫描眼底成像技术。搭建了激光线扫描超广角共聚焦眼底成像系统，进行了系统总体光路设计，以及超广角、高分辨双模式成像的参数设计。对探测成像部分进行了Zemax设计与像质评价，依据参数进行了元器件的选型并搭建了实验系统，利用面阵相机像素边界得到了虚拟共聚焦狭缝，实现了眼底线扫描双模式共聚焦成像。最后对系统的实际视场角、分辨率、成像效果进行了评估。经实际测量，所设计系统在超广角模式下成像单幅眼底图的视场角可达到136.3°，高分辨模式下的成像分辨率为8.5 μm。所提出的激光线扫描眼底成像方法可以有效地实现眼底超广角成像，为相关仪器的研制提供了参考。

二次谐波成像作为一种高空间分辨率和高穿透深度的非线性光学成像技术，可以避免荧光成像中由能量吸收导致的光漂白和饱和吸收等问题，在临床诊断和生物医学领域具有广阔的应用前景。笔者引入了一种具有中心反演对称破缺、高非线性光学效应的材料——硅量子点作为二次谐波探针，同时为了增强硅量子点的生物亲和性并减少其表面氧化，利用聚乙二醇对硅量子点进行修饰，并将其作为生物探针探究了其在人肝癌细胞（HepG2）中的二次谐波成像效果。通过与双光子荧光成像结果进行对比发现，基于聚乙二醇修饰的硅量子点的二次谐波成像技术具有可靠性和稳定性。本研究对未来硅量子点在分子成像、药物递送和干细胞治疗中的应用具有积极的推动作用。

偏振光衍射成像技术可以提供丰富的与细胞结构及组成成分相关的信息，在生物细胞无损检测领域具有重要的研究和应用价值。本文对酵母菌结构特征参数与其偏振衍射特征之间的定量关系进行了深入分析，分析结果表明：酵母菌单体短轴尺寸与偏振衍射条纹空间频率之间存在定量关系，基于偏振衍射实验测量图像可以实现酵母菌单体短轴尺寸分布的快速统计，并且酵母菌单体长短轴之比与退偏系数之间成高斯线性相关（R²=0.9986）。此外，结合偏振衍射图像纹理特征与支持向量机聚类模型可以实现酵母菌发芽率的快速统计，准确率为98.1%。利用多元线性回归模型可以预测出酵母菌母体和芽体的短轴比，模型调整后的决定系数为0.86。本研究结果可为基于偏振衍射特征的细胞结构参数反演研究提供借鉴。

光声计算层析成像（PACT）不需要外源性对比剂便可获取厘米级深度的光声图像。然而，来自皮肤的高强度光声信号遮盖了皮下深层组织信息，阻碍了感兴趣区域光声图像的正面显示和分析。因此，笔者提出了融合多尺度感知和残差连接的U型深度学习模型，并采用该模型实现了PACT光声图像中皮肤信号的智能分割。首先，提出以单类皮肤区域标注为基准标签图像的非像素级皮肤区域标注方法，该方法不需要像素级图像标注，能够显著降低数据处理的复杂度；然后，设计了皮肤完整性拟合和皮肤掩膜生成算法，并采用该算法实现了PACT图像中皮肤信号的自动去除。使用PACT成像实验获得的人体腿部外周血管光声图像验证了所提方法在皮肤组织高精度智能提取和去除方面的正确性和有效性。与现有的皮肤去除工作相比，本文所提皮肤去除算法对MAP图像的重建误差下降了50%~70%，峰值信噪比平均提升了约4.5 dB，为深层组织PACT图像的高清晰显示提供了一条有效途径。

光学相干层析成像（OCT）是一种高速、高分辨率的生物医学成像技术，可实现微米级分辨率和毫米级深度成像。宽带光谱仪是其核心器件，直接决定了系统的轴向分辨率。面向小鼠视网膜高精度成像需求，笔者设计了一套基于自制光谱仪的OCT系统，并提出了一种基于系统性能指标（轴向分辨率和灵敏度下降）的光谱仪标定方法。通过理论计算和仿真，确定了光学器件的参数，并搭建了包括透镜、光栅和线扫描相机等硬件的系统。利用实验数据和光谱仪标定方法对光谱仪性能进行评估，结果表明：系统的有效成像深度可达2.5 mm，轴向分辨率优于3 μm，成像速率为100 kHz，成像范围内的灵敏度下降了23 dB，达到了OCT的应用需求。最后，将所搭建的光谱仪应用于小鼠视网膜成像实验，获得了良好的小鼠视网膜断层图像，并基于断层图像对两种不同小鼠视网膜各层的厚度进行了对比研究。

乳腺癌手术中常因缺乏快速准确的组织性质检测手段而导致组织过度切除或手术时间延长。利用组织自体光谱的检测手段因具有速度快、灵敏度高、选择性强以及无创性等优势而受到越来越多的关注。因此，针对乳腺癌寻求高效精准的光谱诊断特征并研究其内在根源具有重要意义。笔者以355 nm亚纳秒序列脉冲激光作为激发光源，采用自主搭建的激光诱导稳态荧光光谱系统对多例乳腺恶性肿瘤组织和正常乳腺组织开展自体荧光光谱实验研究。对两类组织样本的光谱特征进行比较分析，提出了基于430 nm附近光谱特征差异的特异性甄别方法，并比较了三种荧光比值法的甄别效果。进一步的光谱拟合分析揭示了实验测得的乳腺组织自体荧光主要来自4种内源性荧光物质的贡献，而癌变组织的光谱特征变化主要源于还原型辅酶Ⅰ（NADH）的增加以及NADH结合性蛋白的减少。本文提出的乳腺癌变光谱甄别方法特异性显著，生物学根源清晰，能够为临床快速检测应用提供新的技术方法参考，尤其是能为保乳手术中的切缘快速检测提供崭新的视角。

提出了一种基于近红外视频的心率检测方法。该方法采用正交分解投影结合奇异值分解（OP-SVD）的方法，实现了夜间运动状态下的高精度鲁棒性心率检测。该方法通过人脸标志点检测，将人脸分为多个感兴趣子区域，获得了多通道成像式光电容积描记（IPPG）信号；采用正交分解投影法去除多通道IPPG信号中的运动伪迹；接着利用奇异值分解法再次去噪，并通过重构子区域信号获得了高信噪比IPPG信号，最终实现了心率的准确提取。实验结果表明，与传统方法相比，该方法的误差最小，其平均绝对误差（MAE）值达到了3.14 bit/min。

基于反向传播（BP）神经网络模型结合联合区间等间隔偏最小二乘法（SiPLS），设计了SiPLS-BP模型定量分析复杂背景下血红蛋白含量。以186个不同浓度血红蛋白的血液样本和39个不同浓度的血红蛋白仿体溶液样本的近红外光谱数据为研究对象，优选出最佳的数据集划分方法、最佳划分比例和最佳预处理方法，利用SiPLS优选波段，构建SiPLS、SiPLS-BP、全谱偏最小二乘法（PLS）和全谱BP四种定量分析模型，并进行分析对比。实验结果表明：两种样本的最佳定量分析模型均为SiPLS-BP。即使采用相同的特征波长优选方法，每个模型优选的波段也并不完全相同。对于背景复杂、样本差异性较大的混合溶液和血液，SiPLS-BP模型具有更好的预测效果，能更准确地定量分析血红蛋白浓度。研究结果为复杂背景下的血红蛋白定量分析提供了参考。

针对传统变焦腹腔镜调焦结构所需空间大、调焦精度难以保证等问题，提出了一种以液体透镜为核心元件参与变焦的腹腔镜光学系统，利用液体透镜代替机械变焦结构，实现了变焦功能。推导了液体透镜电压与焦距的关系方程，结合COMSOL软件设计并仿真了满足所需焦距范围的双液体透镜。用ZEMAX软件设计优化了腹腔镜液体透镜变焦光学系统，通过控制电压即可实现焦距5~15 mm范围内同一像面高清晰成像。在焦距15 mm时，全视场点列图均方根（RMS）半径为6.694 μm，在焦距5 mm时，全视场点列图RMS半径为4.596 μm，均小于7.4 μm的像元尺寸。系统调制传递函数（MTF）在68 lp/mm处均大于0.5，4个组态（焦距分别为5、7.2、10.4、15 mm）畸变分别为7.047%、1.961%、0.732%、0.295%，满足腹腔镜对光学系统畸变的要求。

双光子聚合加工技术是基于双光子吸收效应的一种新型的微纳制造技术，已被广泛应用于微纳光子学、微机电系统、组织工程等领域。采用双光子聚合加工技术制备的3D水凝胶微结构形貌可控，而且具有高精度、适当的刚度以及良好的生物相容性等优势，可以更好地在体外模拟体内微环境，因而在生物医学领域展现出了巨大的应用潜力。本文简要介绍了双光子聚合加工技术的原理，综述了水溶性光引发剂的研究进展，着重介绍了双光子聚合加工技术制备水凝胶的研究现状及其在仿生学、生物医学等领域的应用。

随着社会的发展，人类对疾病标志物、食品有害因子、环境污染物等的高灵敏和高特异性检测需求不断增长。基于表面等离子体共振（SPR）的传感器作为一种无标记、灵敏度高、可用于实时检测的生物传感器，在检测各类生物化学分子方面展现出了巨大的应用潜力。本文总结了近年来常用或正在快速发展的5种SPR传感器调制方式，在每种调制方式研究现状的基础上，根据近年来增强SPR传感器的研究，从纳米材料敏化和传感器结构优化两个方面总结讨论了增强传感信号的方法，以克服传统SPR传感器灵敏度较低且难以检测低浓度、低相对分子质量物质的缺点。

叶绿素的检测和监测在植物生理、水质状况、农业管理和生态系统健康等方面具有重要意义。笔者设计了一种基于微波光子滤波器（MPF）射频强度的叶绿素检测系统，该系统利用叶绿素质量浓度变化导致光纤端面反射率发生变化的原理，根据射频强度与叶绿素质量浓度之间的关系，实现对叶绿素的检测。该系统具有体积小、抗干扰能力强的特点，而且可以实现长距离检测。在该系统中，宽谱光源、微波信号源、掺铒光纤放大器、电光调制器、隔离器、光耦合器、光电探测器、频谱仪、光纤等构成了迈克耳孙干涉仪结构的微波光子滤波器。提取不同蔬菜的叶绿素溶液，采用该系统对叶绿素溶液进行检测，验证了其在植物叶绿素检测方面的可行性。采用该系统检测了叶绿素实验原液以及由叶绿素标准溶液配制的不同质量浓度梯度的叶绿素溶液，验证了射频强度与叶绿素质量浓度之间存在较好的线性关系，其中最大射频强度与叶绿素质量浓度的线性拟合度（R²）达到了0.9741，灵敏度为0.007881 dB/（μg·L^-1），最小射频强度与叶绿素质量浓度的线性拟合度达到了0.9841，灵敏度为0.02258 dB/（μg·L^-1）。上述实验结果表明该系统在高质量浓度叶绿素和低质量浓度叶绿素情况下均具有较好的传感性能。