生物组织光学参数的无创在体测量是近红外光谱学（NIRS）研究的基础课题之一。在已发展的NIRS方案中，时间分辨测量具备优良的同时反演吸收系数和散射系数的能力，而且近年来该技术的性价比显著提高，获得了更多关注，但其针对分层组织的参数反演在准确性、稳定性和反演速度等方面尚存在一定的局限性。为此，本文提出了一种时域蒙特卡罗模型支持的Nelder-Mead单纯形算法，该算法利用双源探距下的时间分辨漫反射光信号，以循环迭代方式设置不同的基向量，经线性变换后无须求导便可启发式搜索目标函数的最优值，从而实现了高信效度的分层光学参数反演。模拟实验与仿体实验均表明：在组织光学参数反演方面，所提算法的精度优于传统算法，而且该算法具有良好的噪声鲁棒性和临床适应性，为生物组织光学参数的在体测量提供了新方法。

由于近红外光对于大多数生物样品具有较高的穿透深度, 因此近红外光谱技术广泛用于生物医学、化工、食品安全以及农产品等领域的无损检测, 但是多局限于生物样品的光学性质测量, 即光吸收测量.利用最新研制的近红外光扩散相关谱系统和采用脂肪乳作为生物样品的替代物, 同时测量了国产30%脂肪乳的光学特性和动态特性, 约化散射系数约为303 cm-1, 吸收系数约为0.037 cm-1, 30%脂肪乳稀释为0.85%(体积比)浓度后的布朗扩散系数约为8.40×10-9 cm2/s, 根据Stokes-Einstein关系可推算出脂肪乳的颗粒半径约为253 nm; 研究了脂肪乳随时间演化特性, 在七天时间内约化散射系数上升106%, 布朗扩散系数下降到63%, 研究表明利用近红外扩散相关谱系统的光强衰减可以获得生物样品的光学特性(约化散射系数和吸收系数), 利用光强随时间的波动可以获得生物样品的动态特性(布朗扩散系数), 因此能够更加准确的测量生物样品的性质变化, 为生物样品检测提供一种新的技术手段.

Microwave ablation (MWA) status monitoring in real time plays a key role in assessment of therapeutic effectiveness. As a novel real-time assessment method, near infrared spectroscopy (NIRs) was used to evaluate the ablation efficacy. MWA experiments were carried out on in vitro porcine livers. An optical measurement system for biological tissue is developed by our lab to monitor reduced scattering coefficient (μ^'_s) at 690 nm of the coagulation zones. It is noted that μ^'_s of liver tissue, which increases as the liver tissue being ablated, is clearly related with the coagulation status. μ^'_s of normal tissue and coagulated tissue is 3–5 and 17–19 cm^-1, respectively. Continuous changes of μ^'_s demonstrate that optical parameter can be used as an efficacy evaluation factor because it essentially indicates the degree of thermal damage. Compared with temperature, optical parameter is more sensitive and accurate, which is promising for real-time therapeutic efficacy assessment in MWA.

为了实现叶绿素含量的无损检测研究，采用激光后向散射图像技术来测量小麦叶片光学特性参量的方法，进行了理论分析和实验验证。利用670nm和970nm的半导体激光器和视频成像系统获得了小麦叶片的激光后向散射图像,通过漫反射理论分析了叶片组织表面的漫射光分布和在这两个波长下绿叶、黄叶、干叶的激光后向散射图像的变化特征，取得了其光学特性参量数据(约化散射系数和吸收系数)，并与叶片的叶绿素相对含量值建立对应的函数关系。结果表明，小麦叶片的光学特性参量与叶绿素相对含量值呈现线性相关，其中利用约化散射系数建立的叶绿素相对含量值预测模型中，预测集样本的相关系数为0.9095，预测均方根误差为5.9；利用吸收系数建立的叶绿素相对含量值预测模型中，预测集样本的相关系数为0.8366，预测均方根误差为7.5，说明激光后向散射图像技术测定植物叶绿素含量是可行的。这一结果对激光散射图像实现农作物长势诊断是有帮助的。

The development of optical methods in modern medicine in the areas of diagnostics, therapy, and surgery has stimulated the investigation of optical properties of various biological tissues, since the efficacy of laser treatment depends on the photon propagation and fluence rate distribution within irradiated tissues. In this work, an overview of published absorption and scattering properties of skin and subcutaneous tissues measured in wide wavelength range is presented. Basic principles of measurements of the tissue optical properties and techniques used for processing of the measured data are outlined.

利用功能近红外光谱技术(fNIRS)监测颅脑创伤(TBI)模型的大鼠脑组织。在大鼠左头部建立急性局灶性脑挫裂伤模型，以功能近红外光谱技术监测并记录颅脑创伤后大鼠脑部组织的优化散射系数，并利用核磁共振影像学、干湿比重法、有创颅内压(ICP)监测技术监测大鼠颅脑创伤后脑水肿和ICP的变化。实验结果显示创伤后脑部组织的优化散射系数、干湿比重法测量的脑水含量(BWC)和创ICP监测仪测量的ICP，三者在颅脑创伤后随时间的变化规律一致，大鼠脑组织的优化散射系数与BWC和ICP均存在正相关，且对颅脑创伤后脑组织的变化更为敏感。这说明优化散射系数是颅脑创伤监测的良好指标参数。

探讨了利用功能近红外光谱（FNIRS）实时在体监测激光诱导肿瘤间质热疗(LITT)进行疗效评估的可行性。实验采用新鲜离体猪肝和肝癌小鼠皮下移植瘤模型，按不同激光功率和加热时间进行LITT毁损热疗，利用FNIRS监测系统同时监测热疗过程中约化散射系数s。结果表明，FNIRS监测系统获取的约化散射系数在LITT热疗过程中呈上升趋势，起始阶段上升较快，达到一定数值后趋于稳定。激光功率越大，s上升越快。组织成分不一样时，约化散射系数的变化趋势一致，曲线形态有所不同。因此，FNIRS可以用于LITT实时在体疗效评估，s可以作为一种新的LITT术中实时在体疗效评估因子，通过监测s的变化将有助于指导临床热疗。

利用近红外光谱（NIRs）技术和米氏(Mie)理论对生物组织射频毁损散射特性进行了研究。首先通过近红外光谱技术对不同参数射频毁损术中大鼠进行实时监测，探索生物组织的约化散射系数(RSC)s与其热凝固程度的关系。然后利用米氏理论分析热凝固前后生物组织在形态方面的变化，探索热凝固导致生物组织光学参数改变的基本机理。生物组织的约化散射系数与生物组织的热凝固程度有着密切的关系，可以通过生物组织的约化散射系数反应生物组织的热凝固程度；生物组织热凝固后约化散射系数增大，平均等效散射颗粒半径减小，颗粒体密度增大，各向异性因子减小。

约化散射系数是生物组织光学研究中的一个重要的组织光学参数。利用微光纤探头与光纤光谱仪组成漫反射光谱采集系统对脑组织约化散射系数的实时在位测量进行研究。通过悬乳液与模拟胶模型实验推导了700~850nm波段约化散射系数与漫反射光谱斜率绝对值的关系式, 用模型对公式的计算精度进行验证, 利用该系统实时在位测量了20只大鼠脑组织在700nm、750nm和800nm处的约化散射系数。经统计分析, 大鼠脑白质约化散射系数在上述波长处分别为 30±5 cm-1、28±5 cm-1和25±6 cm-1, 脑灰质约化散射系数则分别为14±3 cm-1、13±3cm-1和12±3cm-1。脑组织约化散射系数实时在位测量对脑外科微创手术中的组织识别具有重要的参考意义。