牙周炎是牙齿周围软硬组织的一种感染性、 破坏性疾病, 主要临床表现为牙周袋的形成, 临床附着丧失以及牙槽骨吸收。 可见近红外光谱技术具有无创、 快速检测等优势, 在医学领域得到了较为广泛的应用。 利用可见近红外光谱技术检测重度牙周炎牙龈组织内含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白含量。 本研究纳入5名健康对照者和5名重度牙周炎患者, 采集健康者20个位点和重度牙周炎20个位点龈缘、 龈缘下4 mm及龈缘下7 mm的牙龈组织光谱（400～1 700 nm）, 研究发现含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白分别在544和576 nm处表现出明显光谱吸收特征。 对原始光谱数据进行包络线去除分析, 并计算含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的相对吸收深度。 结果表明重度牙周炎牙周袋内的含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白含量均显著高于健康组（p<0.05）, 而重度牙周炎深牙周袋内不同深度位置其含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白含量无统计学差异。 研究结果可反映重度牙周炎与健康牙龈组织中血氧含量差异, 为可见近红外光谱技术应用于牙周炎患者牙龈组织中含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白含量的无创检测提供科学依据。

肺动脉数字减影血管造影技术是现阶段临床检测肺动脉栓塞的主要手段，但该技术是一种有创的检查，且易对血管及周围组织造成损伤。在目前的心血管医学研究中，肺动脉栓塞的无创检测具有一定挑战性。本课题组运用蒙特卡罗方法模拟研究了光在人体胸部组织中的传输规律，探讨了近红外光谱技术在肺动脉栓塞无创检测中的可能性。结果表明：在2.8～3.1 cm的光源与探测器距离下，检测到信号对肺动脉部位激活的灵敏度可达到0.073%的峰值；不同栓塞水平下的归一化光照强度差异显著，且二者之间呈线性关系(R²＝0.998, p<10^－5)。这些结果表明，近红外光谱技术在肺动脉栓塞定量检测中具有巨大潜力。本研究为无创光学方法诊断肺动脉栓塞提供了参考。

人体的皮肤颜色根据种族不同存在着很大差异，同一种族随着居住地域不同，肤色也各不相同。首先根据皮肤结构与光学特性建立新生儿七层皮肤模型，然后使用蒙特卡罗方法通过改变表皮黑色素体积分数来模拟光在不同肤色条件下的传播情况。模拟结果表明，新生儿肤色差异对光在皮肤内的传播特性有较大影响，且会对黄疸无创检测的关键波长造成干扰，从而影响新生儿黄疸无创检测的准确性。

晚期糖基化终末产物（AGEs）是一种结构多样的化合物, 在人体血糖高于正常范围时, 会大量产生且不能通过自身代谢降解, 具有血糖长期异常的记忆作用。 研究表明AGEs是引起糖尿病及其并发症的重要因素之一, 通过检测体内AGEs的积累情况可以预测糖尿病及其并发症的发生和发展进程。 现有的离体AGEs检测方法存在操作复杂、 时间较长、 成本较高和不易推广等问题; 在体AGEs检测方法存在皮肤色素、 年龄和血红蛋白干扰等问题。 为此, 基于角膜良好的光学特性和AGEs的自体荧光特性, 提出一种角膜晚期糖基化终末产物荧光光谱检测方法。 构建了一套角膜AGEs荧光光谱检测系统, 系统由微型光纤光谱仪、 集成LED激发光源、 Y型12+1光纤和PC端光谱处理显示软件组成。 荧光光谱检测系统采用激发光源波长分别为370和395 nm在暗室条件下对17名志愿者（男性9人, 女性8人, 糖尿病患者4人, 年龄最小15周岁, 最大81周岁）进行数据采集, 得到激发光波长分别为370和395 nm的荧光光谱数据。 为了准确识别荧光光谱中的有用信息, 先截取需要的荧光光谱数据段（450~700 nm）, 然后对其进行去除背景噪声、 归一化、 小波变化等方法处理, 可以将荧光光谱中不明显的荧光峰值进行放大和识别。 实验结果发现, 采用波长为370和395 nm的LED作为激发光源, 检测到角膜发射的荧光光谱范围在420~600 nm内, 并且都分别在450~500, 500~550和550~600 nm三个范围内存在光谱峰值。 根据荧光性物质的荧光峰值与激发光波长无关的原理, 表明两种不同波长的激发光所得到的荧光光谱都是由同一种物质AGEs产生。 对糖尿病患者和正常人的荧光峰值强度进行分析, 显示糖尿病患者的荧光强度明显高于正常人, 表明本研究通过荧光光谱法检测角膜晚期糖基化终末产物具有可行性。

中国在庞大的人口基数下拥有丰富的遗传资源, 这些资源可能被国外非法掠夺以获取利益, 非法掠夺的过程揭示可能存在一些安全隐患, 例如传染疾病的扩散等。 如何加强对中国公民遗传资源的保护, 促进国际间正常合法的信息共享和科研合作已成为生物安全的新问题。 为加强人体细胞及其制品等特殊生物物品出入境管理, 防止遗传资源流失和有害物品传入, 促进各个国家间医学科学研究及国际交流与合作, 提出一种非侵入、 快速安全的细胞光谱鉴别技术。 简述了细胞超连续光谱的物理化学机制, 讨论了细胞浓度对超连续光谱的影响, 实现了无损伤、 非侵入式探测提取生物细胞超连续特征光谱。 实验发现细胞超连续特征光谱主要集中在500~700 nm的可见区域。 实验中的细胞样本均为单独培养, 因此各个样本间互不影响, 不存在平行样本的问题; 实验对象为293T细胞、 HCC827细胞以及HT29细胞, 3类细胞的培养基均为PBS溶液, 每类细胞拥有3种浓度（5×105, 5×106和5×107 cells·mL-1）且每种浓度下独立培养3个样本, 一共获取27个独立细胞样本。 实验测试了24个细胞样本的超连续光谱并以此建立预测模型, 另有3个样本作为未知样本进行模型预判。 使用主成分分析法对测试样本的原始数据进行降维和聚类, 并对降维后的数据通过支持向量机回归法进行分类; 训练集的均方根误差RMSE=0.097 2, R2=0.995 1, 验证集的均方根误差为RMSE=0.097 2, R2=0.931 4。 研究发现细胞浓度影响超连续特征光谱的提取, 在建立模型时, 考虑到该技术应用的普适性以及实验样本浓度参数有限, 未考虑细胞浓度对预判模型识别率的影响。 后期若以某一浓度阈值作为细胞检测的浓度起点, 该模型的识别率将会更准确、 科学。 在可控的实验条件下, 超连续光谱可以应用于生物细胞无损伤、 非侵入式的鉴别。

近红外无创漫反射检测中光纤探头与被测组织之间接触压力变化会导致测量准确性和稳定性较差。 以压力不敏感径向检测位置采集漫反射光信号， 以此削弱接触压力带来的测量误差， 并在Monte Carlo模拟与在体实验中验证了压力不敏感位置的存在性。 首先， 结合人体皮肤结构模型和力学特性， 建立了接触压力与皮肤组织参数之间的定量关系， 并利用Monte Carlo模拟仿真分析了不同接触压力下1 000～1 320 nm波段内， 不同径向检测距离处漫反射光强的变化； 其次， 搭建了基于超辐射发光二极管光源的多环光纤束检测系统， 在体测量了三位志愿者在不同压力下的漫反射光信号。 最后， 评价了人体压力不敏感径向检测位置与其他位置处接收的光信号稳定性。 模拟结果表明， 在距入射径向距离1.3～1.5 mm范围内， 接收到的漫反射光强近似不受压力变化影响， 即存在压力不敏感径向检测位置。 在体实验表明， 在1 050， 1 219和1 314 nm波长下均存在压力不敏感径向检测位置， 位于距入射点0.78～1.0 mm范围内， 初步验证了压力不敏感径向检测位置在人体的存在性， 与其他径向位置相比， 在压力不敏感径向检测位置处测得光强信号信噪比更高。 因此， 基于压力不敏感径向检测位置的测量方法可以有效降低接触压力变化对接收光谱的影响， 有望提高近红外无创漫反射检测的精度。

采用传统的热稀释法和指示剂稀释法测量脑血流参数（cerebral blood flow，CBF）需要导管插植和定时采血，会对机体造成一定的损伤。本文针对上述测量方法存在的有创且操作复杂等问题，提出了一种基于Fick定律和朗伯比尔定律的快速、无创脑血流测量方法。该方法基于脉搏色素法/近红外光谱术（PDD-NIRS）技术，选用吲哚氰绿（indocyanine green,ICG）作为指示剂，通过对脑部和动脉ICG引入量的计算得到CBF。为验证模型的正确性，采用成年白兔进行了动物实验。对白兔静脉快速推注ICG色素，应用PDD-NIRS方法测量其CBF，然后计算出CBF值。 实验显示；应用PDD-NIRS方法测得的CBF相对误差为2%~4%，验证了该方法测量CBF的可行性；临床对比测量显示其平均误差满足临床诊断要求。该方法为临床诊断心脑血管疾病以及临床脑血流监护提供了有益的参考手段。

随着糖尿病的发病率逐年增高,为避免传统有创血糖监测血糖的痛苦,无创血糖监测已经越来越引起人们的重视。无创血糖检测技术就是在不对人体造成伤害的条件下检测人体血糖的方法。该方法可以避免传统试纸测试带来的痛苦,降低检测成本,提高病人测量的依从性,既能增加血糖检测的频率又能获得血糖的动态变化趋势,从而降低了患者糖尿病并发症的发生,同时可以避免针刺可能带来的感染,对于糖尿病人的自我监测具有非常重要的意义。详细介绍了当前各种无创血糖检测技术的原理,分析了各种技术的优缺点,并提供了国内外无创血糖仪的最新成果,还介绍了本人所在课题组所研发的基于代谢守恒原理的无创血糖监测产品。

皮肤胆固醇是评估动脉粥样硬化性疾病风险的新型生物标志物。为实现皮肤胆固醇的无创、快速检测，设计了一套基于漫反射光谱技术的检测系统。采用毛地黄皂苷-辣根过氧化物酶共聚物溶液模拟梯度浓度皮肤胆固醇。通过检测该共聚物溶液和受试者在体皮肤胆固醇，验证了系统的可行性。结果表明，在440~550 nm特征波段内，由相对漫反射率引入的参数S值与共聚物溶液浓度呈线性关系（相关系数r=0.992，P<0.01）；控制年龄、性别等因素后，受试者在体皮肤胆固醇无创检测结果与血液中总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇呈显著正相关，相关系数r分别为0.837（P<0.01）和0.778（P<0.01）。漫反射光谱技术为皮肤胆固醇的检测提供了一种无创、便捷的方法。在体皮肤胆固醇的无创检测有助于动脉粥样硬化性疾病的早期发现。