光动力疗法(PDT)是一种综合利用光敏剂、光和氧分子，通过光动力反应选择性地治疗恶性肿瘤、血管性病变和微生物感染等疾病的新型疗法。PDT作为光治疗的一种重要方法，已逐渐成为继手术、放疗和化疗之后治疗肿瘤的第四种微创疗法，同时还是治疗鲜红斑痣等特殊疾病的首选疗法。本文简要回顾PDT的研究现状；以提高PDT疗效为目标，重点分析光敏剂、光源、组织氧含量、协同治疗、量效评估等基础研究以及临床应用的研究进展；讨论临床个性化精准PDT及其推广应用所面临的挑战和发展方向。

肿瘤是严重威胁人类健康和社会发展的重大公共卫生问题之一。针对肿瘤的治疗，外科手术切除仍是最普遍、最理想的策略。目前，外科医师在术中主要通过肉眼观察、超声等方法确定肿瘤边界、残余病灶以及微小转移病灶，然而，这些方式存在手术切缘肿瘤易残留、难以实时发现微小转移灶等问题，导致肿瘤术后复发、转移率高，严重影响病人的预后和远期生存。荧光手术导航的快速发展为解决这一问题提供了新的技术支撑。本文聚焦于荧光手术导航用荧光探针，重点对荧光手术导航系统和各类有机、无机近红外二区荧光分子探针进行系统阐述，分析其临床转化与应用面临的瓶颈问题，探讨可能的解决思路，以期为国内外相关领域的研究提供思路与参考。

眼球是机体的视觉器官，同时也是一个良好的光学模型，因此激光技术在眼科得到了广泛的临床应用，覆盖了几乎眼部各个亚专业疾病的诊断与治疗。目前，激光在眼部的应用主要借助其高空间分辨率、高空间定位精度，以及激光的热效应、光化学效应、光爆破效应、光切割效应和生物调节作用等实现。本文综述了激光在眼科各领域的应用现状，并结合激光技术本身的不断发展，总结了激光技术在眼科的临床应用进展及未来可能的突破点。

太田痣激光热疗的原理是用激光能量崩解真皮增生的黑色素，但表皮正常黑色素同样吸收激光能量，需要对其进行预冷却以避免热损伤。已经成功应用于辅助治疗葡萄酒色斑的瞬态制冷剂喷雾冷却很有潜力，但需进一步提高冷却能力并缩短液膜残留时间以避免对激光能量的衰减和皮肤感染。具有低沸点、高潜热、低全球变暖潜能值的R-32制冷剂有望成为R-134a和R-404A制冷剂的替代品。搭建了制冷剂瞬态喷雾冷却与激光能量衰减测试系统对喷雾冷却性能开展了实验研究。R-32制冷剂喷雾冷却下的热流密度峰值最大(519.0 kW·m^－2)且液膜残留时间最短(142 ms)，对755 nm和1064 nm的激光能量衰减最小。在喷雾开始63 ms后，R-32制冷剂喷雾对1064 nm激光的能量衰减小于6%。R-32制冷剂喷雾的冷却能力强，液膜残留时间短，对激光衰减小且对环境友好，表明R-32制冷剂具有较好的临床应用潜能。

目前，辅助激光临床治疗鲜红斑痣所使用的R134a制冷剂喷雾冷却冷量不足，导致表皮黑色素含量高的患者的治疗效果较差。R404A以其更强的冷却能力具有取代R134a的潜力。本文通过实验定量研究了喷雾距离和时间对R404A喷雾冷却类皮肤表面动态传热的影响，并分析了不同工况下传热规律的相似性。结果表明：增加喷雾时间，可以延长对表皮的冷却保护时间；喷雾距离对表面温度的影响取决于时间尺度，短时间喷雾(20 ms)下，表面最低温度T_min随着喷雾距离的增大而升高，而长时间喷雾下(100 ms)，表面最低温度T_min在喷雾距离为30 mm时达到最小值；表面的最大热流密度q_max和最大换热系数h_max随喷雾距离增大而单调递减，与喷雾时长无关。通过理论分析提出了无量纲热流密度随无量纲时间变化的关系式。本研究结果对R404A喷雾冷却未来的临床应用具有重要的指导意义。

眼轴长度的精确测量对于近视防控、白内障晶体植入术后视力恢复等具有重要意义。本研究团队将Twyman-Green干涉系统与数字信号处理技术相结合，搭建了低相干双光束外差干涉眼轴长度测量系统。为验证该系统的有效性，采用该系统对ZEISS标准模拟眼、人眼分别进行多次测量，进行重复性检验；然后通过统计学分析测量数据的显著性，结果表明差异无统计学意义(P>0.05)，符合球形检验；Bland-Altman分析表明，测量数据的95%一致性置信区间均在－0.06～0.06 mm范围内。本系统测量结果与IOLMaster500测量结果具有高度一致性。所设计的眼轴长度测量系统具有良好的有效性和可靠性，为国产眼轴长度测量仪器研发提供了技术方案。

折射率是生物样本最重要的光学属性，经常作为内源性“标记物”进行无标记定量成像。虽然通过测量光程差获取相位信息的传统定量相位成像方法已被广泛研究，然而其获取的相位结果是样本折射率与厚度的耦合产物，无法重建三维形态学信息。近年来，以光学投影层析方法为开端，研究人员率先开启了以三维折射率定量成像为目标的形态学特征重建方法研究。然而光学投影层析方法未考虑衍射效应，导致其精度不足。为解决该问题，基于散射反演求解的光学衍射层析技术应运而生，并在无标记生物三维成像方面展现出巨大的潜力。本文锁定生物折射率三维无标记定量成像研究，聚焦光学投影层析和光学衍射层析两种方法的发展历程，从正向测量模型、反演算法以及实现方法三方面进行综述，并对该研究未来的工作进行展望。

全场光学相干层析术(FF-OCT)探测生物组织亚细胞水平折射率扰动的本征信号，为无标记成像提供了丰富的显微结构信息。动态全场光学相干层析技术(D-FFOCT)结合全场OCT低相干层析成像与动态散射光测量原理，可为细胞或组织提供亚细胞动态对比度。介绍了近年来D-FFOCT技术的发展，讨论了基于D-FFOCT的多模态成像技术，分析了成像系统的空间分辨率、信噪比和成像深度。针对目前D-FFOCT干涉信号易受扰动而产生图像伪影缺陷的问题，分析比较了运用高速相机、瞬时移相法、基于希尔伯特变换的算法和基于奇异值分解的图像滤波算法等消除伪影的方法，概述了D-FFOCT在基础生物学、精准医疗领域和药物研究方面的研究，并展望该技术在这些领域的发展前景和未来研究方向。

QuanTi-FRET是一种通过对多种荧光共振能量转移(FRET)标准质粒样本进行多次FRET成像来测量FRET成像系统敏化淬灭转化因子(G)和供受体通道激发效率校正因子(β)的方法。本课题组发展了一种基于一次成像测量系统校正因子G和β的智能型QuanTi-FRET方法——AutoQT-FRET方法。AutoQT-FRET方法包括如下4个步骤：1)将分别转染了不同FRET标准串联质粒(C5V、C17V、C32V和CTV)的细胞合并到一个细胞培养皿中培养，对该皿细胞样本进行三通道FRET成像；2)对三通道图像进行区域划分，并根据不同种类的FRET标准质粒对各区域进行归类；3)对归类成功的区域逐像素绘制三维空间散点图，以确定各个FRET标准质粒的标准线；4)使用确定好的各质粒标准线对整个视野内的细胞区域进行质粒分类与系统校正因子G和β的测量。该方法大幅简化了系统校正因子的测量过程，缩短了测量时间。本文比较了AutoQT-FRET方法与其他方法测量系统校正因子的优劣，实验结果表明：AutoQT-FRET方法操作简单，而且测量稳定性与准确度都有所提高。

无透镜计算显微成像是一种低成本、高效的成像技术。这种成像方式具有大视野、高通量的特点，能够实时地对细胞进行无标记成像。提出了一种轻量化网络模型(Depthwise-ResNeXt)，将该神经网络与无透镜计算显微成像进行有机结合，实现了实时准确的细胞分类。使用SUM、MCF10A、ECa109、CL-1四种细胞作为分类数据，Depthwise-ResNeXt对这四类细胞的分类准确率达到92.8%，参数量仅有806 kB。该网络证明了神经网络与无透镜计算显微成像在细胞分类领域相结合的可能性，并大大降低了神经网络在细胞分类方面的应用成本。

现有分辨率评估方法，如瑞利判据、阿贝判据、半峰全宽方法等都具有一定的应用局限性。本文采用基于切片傅里叶壳层相关(sFSC)的频域分辨率评估方法来评估系统的实际成像能力，该方法对分辨率的评估结果仅取决于图像质量，不受系统成像理论的影响，是一种客观、直接的计算方法。它将傅里叶壳层分成楔形壳层对，每个选择器都是一对镜像楔形，以改善由三维荧光成像各向异性带来的分辨率评估问题。实验结果表明，sFSC可作为一种无参考三维图像分辨率评估方法，且利用sFSC方法的分辨率结果所拟合的三维高斯点扩展函数(PSF)进行图像反卷积操作，能有效恢复图像纹理细节，提高图像信噪比，且相比于其他PSF估计方法，sFSC方法具有更好的性能。

相较于传统的非偏振光学探测方法，Stokes-Mueller矩阵成像技术可反映出丰富的生物组织微观结构信息，被广泛应用于组织病变检测。本文探究了生物组织结构的庞加莱球表征方法，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3个表征向量——延迟向量(R)、二向色性向量(D)、偏振向量(P)，并将其中的P向量和D向量绘制在庞加莱球上，以样本点聚集中心距为评价指标对比向量差异。以骨骼肌组织和纤维结缔组织的细胞核和纤维结构为研究对象，探究了同一生物组织不同结构的表征向量在庞加莱球上的分布规律，进一步对比分析了不同生物组织相似结构的表征向量在庞加莱球上的分布规律。研究发现，对于两种生物组织中相似结构的P向量和D向量的表征差异，纤维结缔组织优于骨骼肌组织8%以上。对于单一生物组织中的两种结构的表征差异，P向量优于D向量19.7%以上。实验结果表明，庞加莱球方法可以用于表征生物组织的不同结构，并作为生物组织表征的潜在技术手段。

本文提出了一种单像素空间频域成像的实时化方法，该方法可动态测量多波长下的空间频域漫反射图像，并快速重构光学参数。动态单像素成像采用交叠成像窗口方式，即只更新少数测量值来重建新一帧图像，其他测量值与前一帧共享，因此在相同的测量时间内可以获得传统方法两帧图像间的多帧中间状态图像，有效提高了单像素成像的帧率。针对空间频域漫反射图像的频谱分布，设计了圆形路径下单像素采样模板的测量顺序及成像窗口交叠长度，以保证动态成像过程中漫反射图像的直流成分和交流成分同步更新。为快速重构光学参数图像，提出一种基于区间优化和像素优化的快速查表法，该方法有效减少了传统查表法重构光学参数过程的冗余运算，提高了重构速度。使用搭建的单像素空间频域成像系统对所提方法进行了一系列仿体验证，结果表明，所提方法可以实现超过10 frame/s的多波长漫反射图像的实时测量，并可以以低于2%的误差实时重构光学参数图像。

光声计算断层成像(PACT)是近年来迅速发展的一种无损生物医学成像技术，在生物医学领域有着较高的应用价值。为了获得高质量的光声图像，成像系统的信号采集装置需要配备高密度的阵列探测器。但在实际应用中，由于经济成本、制造工艺及成像时间等因素的限制，探测器的排布往往较为稀疏，难以实现稳定重建，导致重建图像中出现条纹伪影。为了解决这一问题，本文提出一种基于双域神经网络的PACT图像重建算法。该算法主要包含三个模块：数据域网络、反投影层和图像域网络，其中数据域网络和图像域网络可分别对光声数据和光声图像进行增强，以提升图像质量。为了对网络进行训练和测试，构建了一个血管仿真数据集和一个小鼠活体试验数据集。研究结果表明，所提算法可以有效地抑制条纹伪影，提升图像质量，并且重建性能优于其他重建算法。

本文探讨了高灵敏度多通道fNIRS系统用于解码“肯定/否定”二分类意图的脑机接口应用。实验过程中采用全并行激励下的锁相光子计数模式进行测量，采集了10名被试思考针对其个人情况的相关问题时前额叶脑区的fNIRS信号，从中提取血红蛋白浓度变化数据的均值、方差、偏度、峰度、激活水平这五种特征，根据各特征对不同被试的分类效果和Fisher-score方法分别进行特征与通道选择，并最终构建支持向量机(SVM)模型。采用10次十折交叉方案进行验证，以更好地评估模型的分类准确性。为了对比，本文也研究了以原始光强数据建立的SVM模型的分类效果。实验结果表明：使用血红蛋白浓度变化数据构建的SVM模型的平均平衡准确率为73.1%±1.7%，以原始光强数据构建的SVM模型的平均平衡准确率为70.6%±3.7%，前者较后者提高了3.5%，且二者的平均平衡准确率均达到了70%以上。本研究不但展示了高灵敏度多通道fNIRS系统识别人脑直接意图的能力，也为fNIRS-BCI的应用提供了有益思路。

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。

功能近红外光谱术(functional near infrared spectroscopy，fNIRS)是一种基于大脑血液光学吸收测量的无创神经成像技术，但目前尚未有关于脑激活程度与时间的研究。通过对特定运动想象任务下近红外数据的分析，探讨了脑激活程度与任务重复时间之间的关系。共有20名被试参与实验研究，在数据采集和预处理后，通过绘制各实验数据的地形图及脑激活程度随实验天数变化的折线图，探究了实验过程中脑激活程度的变化。随着实验的进行，每种任务引起的脑激活程度逐渐下降，下降速度与任务难度有关，任务难度越大，则脑激活程度下降到较低水平所用的时间越长，一般在三天后达到较为稳定的状态。因此，在进行脑机接口(brain-computer interface，BCI)实验研究时，需要考虑随时间变化的脑功能活动的影响。研究结果揭示了实验范式设计及实验进程对采集数据的影响，对实验数据的分析有一定辅助作用。

贝塞尔光束在生物组织中的传输易受到样品散射的影响，从而削弱其自重建能力。本文将生物组织建模为折射率弱波动的湍流模型，在弱散射近似下，结合角谱理论及逐步传输算法对贝塞尔光束在生物组织中的传输及自重建过程进行了理论模拟。利用空间光调制器加载涡旋光束相位和轴棱锥相位的叠加相位全息图来调制高斯光束，以产生可调控的贝塞尔光束。结果表明：贝塞尔光束经过生物组织的相位扰动后，重建光束的无衍射距离大大缩短，光强远低于原光束，且生物组织越厚，重建光束的光强越低；轴棱锥的锥角决定了重建贝塞尔光束的中心亮斑或最内环形旁瓣的尺寸，但对重建贝塞尔光束无衍射距离的影响不大；同时，低阶贝塞尔光束展现出了更好的自重建能力。

差分路径因子(Differential Pathlength Factor, DPF)是用于计算脑血氧生理参数的重要变量之一，可通过蒙特卡罗模拟计算得到，但此方法存在耗时长、提取参数复杂等缺点。针对以上不足，提出了一种DPF快速定量计算方法。首先对不同年龄段人群的脑组织光学参数与颅骨厚度进行归一化处理与主成分分析，采用支持向量机(Support Vector Machine, SVM)并结合网格寻优(Grid Search, GS)，建立了基于GS-SVM的脑组织差分路径因子的预测模型，对测试样本数据进行了回归预测，最后将所得结果与反向传播人工神经网络(Back Propagation Artificial Neural Network, BP-ANN)的预测结果进行了对比。结果表明，相较于蒙特卡罗模拟，GS-SVM预测模型与BP-ANN预测模型的均方误差(MSE)分别为0.0268与0.25，相关系数(R²)分别为0.97与0.92。基于GS-SVM的脑组织差分路径因子定量模型的预测结果优于BP-ANN，与蒙特卡罗模拟结果呈显著性相关(显著水平P<0.0001)，有望取代传统蒙特卡罗模拟对DPF进行快速批量预测。

睡眠障碍是临床中的常见多发病，睡眠障碍易诱发和加重认知障碍疾病，损害海马依赖的学习记忆功能。光疗是一种改善睡眠的有效方法，鉴于此，本课题组研究了光疗对睡眠剥夺小鼠炎症反应、氧化应激反应及BDNF-TrkB信号通路的影响，探索光疗对睡眠剥夺小鼠学习记忆的影响。通过旋转圆筒法建立睡眠剥夺模型，小鼠随机被分为对照组、睡眠剥夺组、光疗组(468 nm，光照强度分别为100，300，900 lx)。光疗组边剥夺边治疗，每天早晚进行光照30 min，于剥夺3 d后对各组小鼠进行水迷宫实验和旷场实验，采用ELISA法检测小鼠血浆和海马组织中TNF-α、SOD、5-HT因子的表达量，采用RT-PCR法检测小鼠BDNF、TrkB和Akt中的mRNA表达量。结果显示：与对照组相比，睡眠剥夺导致小鼠体重下降，游泳潜伏期增长，促进了炎性因子TNF-α的表达，降低了SOD活性和5-HT的表达，并降低了BDNF、TrkB和Akt中的mRNA表达；与睡眠剥夺组相比，光疗组小鼠的游泳潜伏期缩短，平台交叉次数增多，TNF-α表达下降，SOD和5-HT表达呈上升趋势，焦虑样行为减轻，BDNF、TrkB与Akt中的mRNA表达升高；300 lx光照剂量的效果较为显著。光疗可以修复睡眠剥夺引起的氧化应激损伤，调节炎症反应，促进BDNF表达，代偿相对较短时间的睡眠剥夺，保护自身的认知能力，缓解睡眠剥夺引起的学习记忆缺陷。