基于图像的非接触式获取脉搏波的方法具有重要的临床实用价值。在正常情况下，人体颈动脉的搏动会引起颈部皮肤肉眼可见的微小振动，通过振动图像的获取及信号处理可以得到脉搏波。然而，临床中部分患者存在颈动脉搏动较为微弱的情况，此时需要有针对性的图像和信号处理方法。本课题组提出了在弱脉搏情况下获取脉搏波的方法，即：在近红外光源的照明环境中，用近红外相机连续拍摄颈部皮肤得到其振动的图像序列；然后从图像序列的感兴趣区域内得到原始信号，再用滤波和多区域主频增强方法对信号进行处理，最终得到期望的脉搏波信号。实验结果表明，所提方法获得的脉搏波周期状态稳定，并且保留了70%左右的潮波特征和50%以上的重搏波特征。本文所提方法可以在人体颈部微弱振动状态下获得保留细节的完整的脉搏波信号。

脂滴是一种重要的细胞器，与细胞中多种生理活动密切相关。为了观察脂滴并研究其多种多样的功能，共聚焦荧光成像技术是最有力的工具之一。然而，细胞脂滴荧光成像所需的具有高荧光亮度和高标记选择性的脂滴荧光探针却十分有限，这严重限制了脂滴的深入研究。研制了一种具有荧光开关特性的喹啉衍生物脂滴荧光探针（Lipi-QL）。该探针因其敏感的极性淬灭荧光特性，展现出了很高的脂滴标记选择性。Lipi-QL能靶向脂滴是因为其脂溶性，进入脂滴后，荧光增强是脂滴内的较低极性引起的。给受体型分子结构还赋予了该探针高的荧光亮度以及大的斯托克斯位移。将该探针用于细胞脂滴共聚焦荧光成像，在不同浓度下都实现了显著优于脂滴商用探针BODIPY 493/503的标记选择性。此外，使用该荧光探针实现了固定细胞的三维共聚焦成像和活细胞的四色共聚焦成像。该荧光探针的研制一方面为脂滴生理功能的研究提供了强有力的工具，另一方面也为新型高标记选择性荧光探针的设计提供了新的思路。

微循环功能是反映危重病人器官生理状态的关键指标，为确定后续治疗手段提供了重要依据。传统上采用显微镜等手段观察体表微循环状态，但仅能获得组织毛细血管的空间形态，获取的功能性信息有限，难以满足临床需求。针对肠道内微循环监测需求构建了小型化光纤光声内窥镜，将成像探头伸入活体小动物直肠内以旋转扫描的方式进行内窥成像。在扫描过程中通过逐点探测由激光脉冲在生物体内激发出的超声波，能够获得消化道内壁血管空间分布；基于动静脉血在光学吸收谱上的差异，采用双波长激发获得了血氧饱和度的空间分布。基于数小时的连续监测，发现小动物患脓毒症后直肠内壁血管结构与血氧饱和度均发生明显变化。实验结果表明，该技术能够以无创方式表征典型微循环疾病模型的功能性变化，为微循环的无创监测提供了一种新的技术途径。

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。

视网膜光生理是视网膜在受到光刺激后产生的一系列生理反应，在一定程度上可以客观反映视网膜的功能。其中，视网膜光图技术（ORG）是一种新近发展起来的、可以精确量化视网膜光生理响应的功能成像技术，它通过光学相干层析成像（OCT）配合可见光刺激，结合峰值检测与散射强度分析，精确测量视网膜在受到光刺激后产生的形态和光学特性变化，而通过与自适应光学技术及相位分析技术相结合，可以达到微米级的横向分辨力、纳米级的轴向空间分辨力和毫秒级的时间分辨力，能够实现对视网膜单细胞级别的光生理功能成像。在硬件上，ORG只需要在OCT系统上增加一个光刺激单元，尽管目前尚处于技术开发与信号机理探索阶段，但在未来形成一系列的标准后，有望在眼科基础研究与临床诊断中获得广泛的应用。系统回溯了采用OCT进行视网膜光生理功能成像的历史，总结了ORG的最新进展，并讨论了未来ORG的几个潜在发展方向。

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。

双光子成像技术已被广泛应用于活体肿瘤成像、神经功能成像以及大脑疾病研究等领域，但双光子成像视场较小（视场直径一般在1 mm以内），限制了其进一步应用。虽然通过特殊的光学设计或者自适应光学技术能够有效增大视场，但复杂的光路设计、高昂的器件成本以及繁琐的操作过程限制了这些技术的推广。提出了一种利用深度学习技术替代自适应光学技术扩展双光子成像视场的新思路，在低成本（无须特殊物镜，无须相位补偿装置）、易操作的前提下实现了大视场双光子成像。设计了一种适用于光学显微系统中扩展双光子成像视场的nBRAnet网络框架，为使该网络框架可以更好地利用特征图信息，在该框架中引入残差模块和空间注意力机制，同时去除了数据归一化处理，以增加图像对比度信息。实验结果表明：所提深度学习方法可以有效地代替自适应光学技术，增强扩展视场中的精细结构特征，并恢复扩展视场的成像分辨率和信噪比，使双光子成像视场直径扩展到3.46 mm，峰值信噪比超过27 dB。深度学习方法具有成本低、操作简单、图像增强效果显著等特点，有望为跨区域脑成像或全脑成像提供一种经济实用的方案。

在手术导航系统辅助的椎弓根螺钉内固定术中，术前与术中点云配准精度是影响导航定位效果的重要因素。由于术前与术中点云的获取方式不同，且术中暴露位置受限，两种非同源三维点云存在初始位姿差异大、重叠率低的问题，现有的配准算法在术前术中点云配准时容易失效且精度不高。为此，本文提出了一种椎弓根螺钉内固定术中非同源低重叠率点云的配准方法。首先，对术中点云进行降采样，对术前点云进行基于最远点采样的局部区域划分，选取其中的最优局部区域，与术中点云进行采样一致性初始配准；之后，采用迭代最近点算法进行进一步优化，实现点云的准确对齐。在本文所用数据集上，所提算法在术前术中点云配准实验中的平均旋转误差为0.406°，平移误差为0.474 mm，实现了初始位姿差异大、重叠率低的非同源术前术中点云的高精度配准，与现有算法相比，配准成功率从66.67%提高至100%。

贵金属纳米探针及其聚合体以优异的光热转换效率、良好的生物相容性及灵活可调的光学吸收峰位受到了光热治疗领域研究人员的广泛关注。本文通过有限元仿真定量演示了贵金属纳米探针聚集诱导的非线性光学及光热效应，系统地讨论了纳米颗粒的材质、尺寸、排列方式、聚集程度等因素对纳米探针光热转换效率的影响，并对局域表面等离子体共振耦合效应产生的非线性光场以及光热增强效应及其机制进行了深入定量分析。

光动力疗法是一种利用激光、光敏剂发生光化学反应从而特异性杀灭肿瘤细胞的药械联合疗法。治疗的柔性光纤可随人体自然腔道的弯曲而弯曲，通过内窥镜活检通道，光纤能够到达腔内近距离照射肿瘤部位。内窥镜辅助光动力疗法因具有显著的局部疗效和微创治疗优势而被广泛应用于腔道恶性肿瘤的治疗中。本文介绍了光动力治疗肿瘤疾病的内窥镜技术的发展，提出了在实现术前诊断、术中可视、视场统一及诊疗一体等目标中存在的技术问题，并汇总了解决方案。本文概述了光动力诊疗内窥技术在腔道肿瘤诊疗中的临床应用现状，以期为光动力治疗的精准化发展提供参考。

液体辅助红外激光消融硬生物组织的准确性和兼容性均优于机械工具，而在骨科手术中往往会遇到骨组织自然曲面位置的钻切需求。系统研究了波长约为2 μm的中红外激光诱导空泡在自然骨曲面边界附近的演化行为规律，总结了不同无量纲距离（γ）空泡的非球形演变规律和空泡脉动周期的时间长度的变化趋势，并对空泡收缩过程进行了数值模拟分析。发现了空泡演化行为受骨曲面边界影响的机制，自然骨曲面边界的不对称性使空泡收缩时两侧泡壁处的压力梯度和移动速度不同，导致空泡在收缩时质心与两侧泡壁向自然骨曲面边界较高的一侧发生偏移，并引起空泡微射流向相同方向偏移。给出了用于补偿微射流作用点定位误差的光纤预置偏移量，得到了自然骨曲面附近0.2≤γ≤0.6的空泡产生的微射流速度。

为实现角膜在眼底相机系统轴向上的精确对准，提出了一种基于双光点视标的角膜精密对准技术。采用该对准技术，可以将双孔光阑所形成的两个光点视标投影在角膜上，依据两个光点经角膜前表面反射后在探测器上重合的位置坐标，先实现对瞳孔中心的对准，再根据两个光点经角膜前表面反射后在探测器上的分离情况与分离距离，确定眼底相机相对于角膜的轴向位置。实验结果表明：基于该双光点视标的角膜精密对准技术可以达到0.25 mm的对准精度和8.2 mm的对准范围。这种对准方法精确度高，对准范围大，可以满足眼底成像时仪器相对于被检眼轴向调节位置的要求。

近年来，激光诱导液体微射流技术以其热损伤小、精度高、微创等优点，在无针注射、神经外科等医学领域得到了广泛应用。本团队设计了以10.6 μm CO₂激光器为激光光源的微射流装置，并探究了CO₂激光诱导液体微射流特性与激光强度、激光焦点位置与硒化锌镜片距离D的关系。采用不同弹性模量的琼脂糖凝胶模型作为人体模拟组织，评估了10.6 μm CO₂激光诱导液体微射流在组织选择性切割方面的可行性。结果显示，射流流速与激光强度、D成正相关，且微射流对不同弹性模量的生物组织具有高度选择性，表明其在精准去除肿瘤且保留高弹性模量组织的应用方面具有一定的潜在价值。

光动力疗法（PDT）是治疗各种皮肤疾病的有效手段，然而PDT过程中伴随的疼痛限制了其广泛应用。论述了PDT过程中的人体微环境变化情况，介绍了疼痛产生的机理，重点介绍了瞬时受体电位（TRP）通道对疼痛产生的影响。总结了临床缓解光动力疗法中疼痛的干预手段，比较了各措施的效果。

钻孔是骨折修复手术中最常见的临床操作，骨孔的微观组织对骨折稳固及后期愈合具有显著影响。系统研究了激光钻切骨孔的微观组织特征和抗失稳行为，通过探究功率密度对激光钻切骨孔周围组织弹性模量的影响，结合分形方法对骨孔微观结构进行了量化分析与评价，并针对非均质骨微观结构，模拟分析对比了激光钻切骨孔与机械钻切骨孔在轴向力作用下的抗失稳行为。结果表明，在激光功率密度为5.70×10⁴ W/cm²、扫描速度为4 mm/s的优化工艺参数下，骨孔边缘弹性模量受影响区宽度仅为200 μm，较机械钻切骨孔缩小了67%，壁面无裂纹，其余区域保持了骨组织的本征结构与力学特性。在轴向力作用下，激光钻切骨孔裂纹会在骨黏合线周围发生抑止或偏转，这有效提升了骨孔的抗失稳破坏能力，对增强内固定手术的稳定性有重要作用。

近视是一种常见眼病，已成为中国青少年视力下降的主要原因。近视防控是一个关系国家和民族未来的大问题，已经上升为国家战略。当前近视防控的有效手段之一就是建立屈光发育档案，并根据数据给出眼屈光度的预测。然而，目前市面上并没有一款专用于屈光发育档案数据采集的设备。笔者基于前期研究，结合干涉、波像差和图像分析等技术建立了眼屈光度与生物参数一体化测量系统，主要测量眼轴长度、角膜曲率、前房深度和屈光度等参数。使用组内标准差、测试重复性、变异系数和组内相关系数评估了实验样机测量的可重复性。通过比较实验样机和IOL Master 500的测量结果，验证了实验样机测量结果的准确性和一致性。从组内标准差和测试重复性的数值可以看出：眼生物参数和屈光度测量都有很高的重复性；眼生物参数的变异系数均低于3%，眼轴长度和角膜曲率的变异更小（≤0.256%）；组内相关系数均高于0.6。说明测量结果具有较高的一致性。实验样机与IOL Master 500测得的眼轴长度、角膜曲率、前房深度数值无显著差异（P>0.05），说明实验样机测量结果的准确性很高。这些结果表明这样的一体化设计能完成基本的眼屈光度和生物参数测量。随着技术的迭代，该系统有望成为近视防控专用的屈光档案数据采集设备，为近视防控提供必要支撑。

在COVID‐19大流行期间，人们在不断探索寻求高效、安全、环保的防疫方法，短波紫外线具有消杀效果好、无毒害、无污染等特性，受到了国内外的广泛关注。鉴于此，本文详细介绍了短波紫外线在消杀机制、影响因素与安全性等方面的研究与应用进展。在消杀机制方面，通过对比两个不同波段（200~230 nm 与250~280 nm）短波紫外线消杀机制的差异，分析了其对微生物灭活的影响因素及制约因素；在消杀影响因素方面，通过分析紫外线波长、辐照剂量、生物类型以及消杀环境等因素对消杀效率的影响，总结得出了短波紫外线消杀的最佳操作参数；在消杀安全性方面，总结了短期低剂量短波紫外线辐照在医疗方面的应用，概述了长期高剂量222 nm紫外线辐照实验研究的结论，提出了短波紫外线消杀未来的研究方向。

随着微电子学与光电子学进入“后摩尔时代”，高性能光电器件与生物系统的融合逐渐成为一个重要的发展方向。采用高性能半导体光电器件和系统解决神经科学领域面临的技术难题，尤其是借助光学、电学等手段对神经信号进行调控和传感，受到了越来越广泛的关注。本综述论文以电子工程领域的基本单元之一——二极管与神经科学领域的基本单元——神经元之间的相互作用为切入点，总结了本课题组近年来的代表性研究工作。通过对材料器件进行设计和加工，实现了生物相容的植入式光电器件。这些光电器件通过光电信号的转换与神经信号相互作用，可以实现对生物细胞、组织和活体系统的光遗传学调控、无线光电刺激、原位荧光检测和光电传感等功能。这些新型的光电器件技术对于基础神经科学研究和神经疾病诊疗都具有重要意义。

为了实现在活体小鼠脑中多部位的光纤记录和区域可选择的光刺激，开发了一套集成度高、参数可独立调控的多通道光遗传系统，以满足光遗传学领域中大规模神经动力学研究需求。在该系统中，设计了一款1转7扇出多模光纤束，将光纤束与扫描振镜相结合，并利用时分复用技术调制不同波长的光源，以实现高质量的多通道记录和通道可选择的光刺激。评估了多光纤通道的参数稳定性，在小鼠前额叶、杏仁核、腹侧被盖等脑区同步记录了4个通道的钙信号。通过振镜靶向特定的光纤通道，可对自由移动的小鼠进行光遗传干预。该系统可用于活体多脑区光遗传干预与记录，为神经环路研究和行为学实验提供了有力工具。

细胞内液‐液相分离现象与细胞内的多种生物过程有关，分析研究相分离的现象及机理可为调控细胞生理过程和药物研发提供参考和策略。相位成像技术因在无色透明物体的非接触、免标记定量化观测方面具有巨大优势而被用于液‐液相分离的研究中；但是，在该技术中，样本厚度与其折射率耦合一起，形态分布需经相应算法反演获得，其分析效率较大程度上取决于数据采集量、计算处理时间和精度等。为满足生命科学研究领域对实时获取相分离凝聚物形态信息的需求，本文提出了一种仅需两幅相位图的三维形态快速反演方法，相应设计了一种由单个图像传感器实现双路光信息采集的干涉相位成像系统。提出的形态重构算法对数据采集要求宽泛，通过布置控制点，运用数学变换解算其沿两个非正交方向投影的平面像素坐标与其三维空间坐标的映射关系，由此计算反演得到像素点对应的三维坐标从而实现凝聚物形态的分离重建。