扩散光学成像技术在生物医学领域有着广泛的应用。相较于磁共振成像（MRI）、计算机X射线断层扫描（CT）、正电子发射断层扫描（PET）和超声成像等成像方式，扩散光学成像利用经组织吸收和散射的扩散光进行成像，可无创、无标记、宽场、定量测量氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、血氧、水分、脂质、黑色素等成分浓度和组织功能信息，在安全性、特异性和系统成本等方面有明显优势。本文介绍了扩散光学成像的基本原理，包括光与组织的相互作用和光传播模型，并总结扩散光学成像的相关方法和应用，包括脉搏血氧术、漫射光谱、扩散光学层析成像、荧光分子层析成像和空间频域成像，并对它们的未来发展进行了展望。

为了进一步定量分析激光对生物组织的物理剂量问题，为医疗、**等领域的相关研究提供理论依据，需要对生物组织光学特性参数进行准确的测量。为此，系统地综述了目前国内外测定生物组织光学特性参数的主流技术和方法，总结了各个方法的适用范围并将相关方法的优势与缺点进行了横向和纵向的对比分析。回顾了大多数仿真及实验的理论基础，同时对该领域的最新研究成果及应用进行了总结，便于研究者快速准确地追踪前沿。最后总结了目前该领域研究中所面临的主要问题并对今后的发展方向做出了一定的展望。

The concept of region of sensitivity is central to the field of diffuse optics and is closely related to the Jacobian matrix used to solve the inverse problem in imaging. It is well known that, in diffuse reflectance, the region of sensitivity associated with a given source–detector pair is shaped as a banana, and features maximal sensitivity to the portions of the sample that are closest to the source and the detector. We have recently introduced a dual-slope (DS) method based on a special arrangement of two sources and two detectors, which results in deeper and more localized regions of sensitivity, resembling the shapes of different kinds of nuts. Here, we report the regions of sensitivity associated with a variety of source–detector arrangements for DS measurements of intensity and phase with frequency-domain spectroscopy (modulation frequency: 140MHz) in a medium with absorption and reduced scattering coe±cients of 0.1 and 12 cm-1, respectively. The main result is that the depth of maximum sensitivity, considering only cases that use sourcedetector separations of 25 and 35 mm, progressively increases as we consider single-distance intensity (2.0 mm), DS intensity (4.6 mm), single-distance phase (7.5 mm), and DS phase (10.9 mm). These results indicate the importance of DS measurements, and even more so of phase measurements, when it is desirable to selectively probe deeper portions of a sample with diffuse optics. This is certainly the case in non-invasive optical studies of brain, muscle, and breast tissue, which are located underneath the superficial tissue at variable depths.

研究了光源附近微区的漫反射率R 与收集孔径 、约化散射系数μ'_s和散射相函数相关的参数γ之间的关系。根据不同的生物组织,选取不同的散射相函数,采用Monte Carlo 模拟方法得到了光子经生物组织后的漫反射率数据,用得到的数据来验证反射率R 与无量纲的约化散射系数μ'_s 之间的关系。结果表明:当μ'_s <2时,R 对散射相函数的变化是敏感的,且与μ'_s 呈线性关系,其斜率与γ呈二次函数关系。光源附近微区的漫反射率R 对γ的变化是敏感的,这为测量与生物组织微观结构相关的散射参数γ提供了一种较为简单的方法。

光动力疗法(PDT)是一种联合利用治疗光源、光敏剂和氧分子, 选择性治疗恶性肿瘤和良性疾病的精准靶向疗法。光源作为PDT治疗的关键要素之一, 其发光波长、照光方式和剂量直接影响疗效。本文详细介绍了太阳光、近红外光、X射线、在体发光和发光二极管等5种PDT光源的研究新进展, 并分析了这五种治疗光源在生物组织穿透深度上的不同特性以及所存在的不足。随后, 重点讨论了以提高PDT治疗精度为目标的体表照光和体内照光等两种个性化照光模式。研发操作简便、价格低廉、性能优异的新型PDT光源是未来的发展方向。

契伦科夫荧光的宽谱特性带来的组织光学特性差异导致传统的光传输模型的简化球谐函数近似和扩散方程无法兼顾准确度和效率, 为了解决该问题, 采用基于自适应混合简化球谐波近似-扩散方程的光传输模型作为多光谱契伦科夫荧光断层成像的前向模型.该模型利用组织光学特性参数自适应地选择合适的方程描述光在生物组织中的传输, 充分发挥传统光传输模型各自的优势, 以提供准确性和效率之间的平衡.通过简单规则几何实验和数字鼠实验验证所提出模型的准确性和效率.实验结果表明, 与简化球谐近似模型相比, 所提模型具有相同的准确度和更少的计算时间, 与扩散方程模型相比具有更高的准确度, 与简化球谐波近似-扩散方程的简单组合模型相比具有更好的自适应能力, 适合作为多光谱契伦科夫荧光断层成像的光传输模型.

提出一种利用光纤探头测量组织微观结构参数γ的方法.根据Intralipid组织模拟液球状分形结构, 采用蒙特卡罗模拟方法得到光子经Intralipid漫反射的数据样本, 通过对数据进行非线性拟合, 建立漫反射率与γ的函数关系.研究发现漫反射率与无量纲的约化散射系数μs′(是散射光的收集孔径)呈线性关系, 其斜率是γ的二次函数.实验中以Intralipid为样本得到了不同μs′下的漫反射率, 验证了漫反射率与μs′的线性关系, 并利用其斜率获得了Intralipid的γ值为2.04, 分形维数为2.93, 各向异性因子为0.816, 与文献报道相符, 验证了该方法的可行性.

A method for investigating the optical properties of human tissues is suggested. The method is based on the measurement of Cherenkov radiation produced by relativistic electrons passing through the tissue. Monte-Carlo simulation of visible photon emission and propagation is carried out taking into account multiple electron and photon scattering processes. Sensitivity of the Cherenkov radiation to the optical characteristics of human tissues is demonstrated.

对比描述米散射介质退偏特性的米勒矩阵分解法和米勒相关矩阵法, 讨论了完备的退偏特性描述参数。发现退偏介质在不含其他偏振特性时, 分解法和相关矩阵法得到的保偏系数与标准值的差异会随着介质主轴方向上的退偏各向异性程度增大而增大, 此差异最大时分别为0.16和0.07, 相对差值分别为33%和15%。由于米散射介质表现出退偏各向异性特征, 发现除了可用退偏各向异性系数表征此特性外, 保偏系数-熵图也可定性地反映介质的退偏各向异性程度。而当介质表现出其他偏振特性, 如双折射和旋光等效应时线性退偏会表现出各向异性特征, 此时还需引入线性退偏各向异性系数才可完备地表征米散射介质的退偏特性。