乳腺癌手术中常因缺乏快速准确的组织性质检测手段而导致组织过度切除或手术时间延长。利用组织自体光谱的检测手段因具有速度快、灵敏度高、选择性强以及无创性等优势而受到越来越多的关注。因此，针对乳腺癌寻求高效精准的光谱诊断特征并研究其内在根源具有重要意义。笔者以355 nm亚纳秒序列脉冲激光作为激发光源，采用自主搭建的激光诱导稳态荧光光谱系统对多例乳腺恶性肿瘤组织和正常乳腺组织开展自体荧光光谱实验研究。对两类组织样本的光谱特征进行比较分析，提出了基于430 nm附近光谱特征差异的特异性甄别方法，并比较了三种荧光比值法的甄别效果。进一步的光谱拟合分析揭示了实验测得的乳腺组织自体荧光主要来自4种内源性荧光物质的贡献，而癌变组织的光谱特征变化主要源于还原型辅酶Ⅰ（NADH）的增加以及NADH结合性蛋白的减少。本文提出的乳腺癌变光谱甄别方法特异性显著，生物学根源清晰，能够为临床快速检测应用提供新的技术方法参考，尤其是能为保乳手术中的切缘快速检测提供崭新的视角。

基于近红外自体荧光技术，设计一种甲状旁腺快速识别系统，该系统对术中快速识别甲状旁腺具有重要价值。设计一种环形可调激发光源和高精度可调LED恒流源，利用近红外光源激发组织荧光同时通过高灵敏度CMOS相机采集组织自体荧光信息，并对采集的荧光图像进行图像处理，从而准确识别甲状旁腺。利用梯度浓度吲哚菁绿（ICG）溶液模拟组织荧光，实验测得荧光强度与ICG浓度成正相关，信噪比与信背比均符合术中辨别需求，验证了本系统应用于不同荧光强度时的灵敏性与准确性。采用本系统对组织仿体进行测试，荧光仿体能够与背景明显区分开。对甲状旁腺及周边组织进行测试，甲状旁腺呈绿色，与周边组织明显区分，初步验证了本系统可用于对甲状旁腺的识别检测。

黏膜组织病变的早期诊断和治疗是遏制黏膜组织癌变的有效手段。利用光谱检测技术，以实时、在体、无创的方式检测黏膜组织细胞的形态变化引起的光学特性改变，通过合理算法进行客观分析，可实现低成本大规模黏膜组织病变的筛查。为了提高面向黏膜组织病变诊断的光谱检测系统的灵敏度和特异性，开发了一套亚扩散域漫反射与荧光联合光谱测量系统，实现对不同深度黏膜组织的漫反射光谱和自体荧光光谱的高效采集，进而通过对光谱信息进行特征抽取，实现黏膜组织病变的快速筛查和恶性肿瘤等级的实时诊断。为了评估所开发系统的性能，开展了仿体实验、离体组织实验和在体实验：仿体实验证明了系统具有良好的测量稳定性；离体组织实验证明了该系统对离体组织具有优异的分类能力(不同类型组织的分类精度>98%，同类组织不同部位的分类精度>74%)；在体实验初步验证了该系统在黏膜组织诊断和分类领域中的应用潜力。

牙菌斑是牙齿表面一层难以观测的生物膜, 是导致龋齿、牙龈炎等一系列疾病的直接诱因。牙菌斑的早期定量化无损检测具有重要的临床意义。短波长光激发下, 牙菌斑的细菌及其代谢产物可以产生自体荧光。基于前期成像系统的基础上, 采集大量牙菌斑在405nm蓝光激发下产生的红色荧光; 牙菌斑越成熟红色荧光强度越高; 采用改进的U-net网络对该红色荧光进行分割, 对分割出来的牙菌斑进行轮廓提取获得质心, 并利用区域生长算法分割出牙菌斑所附着的牙齿, 综合牙菌斑成熟程度及面积来评估牙菌斑指数。结果表明改进的U-net网络分割精度优于传统方法。将牙菌斑的面积和成熟程度结合对牙菌斑进行量化, 一定程度上可以消除人为诊断的差异性。

对肝细胞及肝病变细胞进行荧光光谱特性研究, 能为早期筛查与攻克肝癌提供光谱学依据。 实验目的包括, 通过光谱实验获得细胞特异性荧光光谱； 结合流式细胞仪获得最大饱和荧光强度与细胞直径的相关性。 实验过程, 首先使用荧光光谱仪来检测肝细胞、 肝纤维细胞以及两种肝癌细胞； 采用去拉曼散射的方法消除背景噪声, 获得五种浓度下细胞荧光光谱； 其次, 使用流式细胞仪检测四种细胞直径的大小, 根据双参数散点图分析四种细胞的直径特点； 最后, 利用高斯多峰拟合对比光谱差异, 并且分析细胞直径对荧光饱和强度变化趋势的影响, 得出细胞大小对荧光饱和强度非线性拟合曲线的影响规律。 光谱实验发现, 在550~750 nm之间, 肝细胞存在两个特异性荧光峰, 第一个峰值位于592 nm处, 第二个峰位于682 nm处, 且前者明显高于后者； 肝癌, 肝纤维细胞除具备与肝细胞相同位置的两个峰外, 在726 nm处出现第三个特异性荧光峰, 并在592 nm处获得最大激发光强, 在726 nm处的荧光峰高于在682 nm处的第二个荧光峰； 结合高斯多峰拟合法对峰值和各峰位置, 以及峰型展宽进行分析。 肝癌细胞和肝纤维细胞三个峰的展宽基本相同, 正常肝细胞最大激发峰展宽略小于另三种细胞, 但是682 nm处的小峰展宽略大于病变细胞； 流式细胞仪实验结果显示, 肝癌细胞直径大于肝纤维细胞大于肝细胞, 同种浓度下荧光强度也是肝癌细胞高于肝纤维细胞高于肝细胞； 利用非线性曲线拟合细胞最大荧光强度随浓度变化曲线, 根据曲线斜率的变化规律, 发现四种细胞的最大荧光强度会随着细胞浓度增大而增强, 但是逐渐呈现荧光饱和状态。 随着细胞直径增加, 最大荧光强度饱和趋势更为明显, 单个细胞自激发效率降低。 结果显示, 将细胞形态学与光谱学有机的融合, 结合两种分析方式, 能提高细胞判断的准确性和有效性。 通过对肝细胞、 肝癌细胞以及肝纤维细胞的荧光光谱特性进行研究, 并结合细胞直径分析荧光饱和变化趋势, 能够为肝病变细胞的研究提供一定的光谱学依据。

本文以亚心形扁藻为样品, 波长1 341 nm的Nd∶YAP激光为光源, 通过激光共聚焦扫描显微技术, 研究Nd∶YAP激光辐照亚心形扁藻对亚心形扁藻叶绿体自体荧光强度和叶绿体面积大小的影响。Nd∶YAP激光辐照后的亚心形扁藻通过488 nm Ar+激光激发获得亚心形扁藻自体荧光图像及其荧光光谱。结果表明,试验中除(10 W, 60 s)辐照剂量组外, 其余辐照剂量组均提高了亚心形扁藻的自体荧光强度, 且所有的辐照剂量组均增大了亚心形扁藻的叶绿体面积。Nd∶YAP激光可刺激亚心形扁藻的叶绿体发育, 促进藻细胞的生长, 改善叶绿体光合作用的活性。

牙菌斑是造成龋病及牙周病的主要因素之一, 通过检测牙齿表面牙菌斑含量多少能在一定程度上了解牙齿健康程度, 对口腔健康的维护有重要意义。 利用牙菌斑与牙齿组织自体荧光光谱的差异性, 本文设计了一套便携式的基于自体荧光成像的检测系统。 (1)该系统以中心波长为405 nm的LED作为激发光源, 辅以中心波长520 nm的长波通滤光片提高系统信噪比, CCD作为感光器件； 系统采集荧光图像后, 根据成像结果分析牙面上牙菌斑含量。 (2)设计了验证实验采集受试者牙齿图像, 并以牙菌斑百分比作为量化牙菌斑多少的指标。 实验结果表明荧光图像菌斑百分比与Turesky改良的Quigley-Hein菌斑指数的Spearman等级相关系数为0944, 牙齿荧光图像牙菌斑百分比与染色图像牙菌斑百分比的Pearson相关系数为0875。 由此可见, 文中的检测系统具有较好的准确性, 而且因为采用光学检测方法, 具有非侵入性且可重复性, 所以它有广阔的临床应用前景, 有望成为家用口腔健康的检查手段。

本文在研究了离体人体鼻咽正常组织和癌变组织的荧光寿命的基础上, 实验研究了生理盐水的浓度、组织光学特性参数、激发光源的偏振性对癌变和正常鼻咽组织的荧光寿命的影响。实验结果表明: 组织的光学特性参数对组织的荧光寿命有不同程度的影响; 而不同浓度的生理盐水和光源的偏振性对组织的荧光寿命没有显著的影响。荧光寿命与该发射荧光的强度没有关系, 只决定于局部环境, 受微环境的物理化学性质因素的影响, 因此荧光寿命作为人体组织癌变的检测方法, 有着很好的应用前景。

本文基于牙菌斑与牙齿组织自体荧光光谱的差异性, 提出了一种利用自体荧光成像的牙菌斑量化分析方法。首先测试了牙齿样品在 405 nm激发光作用下自体荧光光谱分布, 在分析荧光颜色参量与牙菌斑含量相关性的基础上, 提出以荧光图像的 R/B作为牙菌斑含量量化的参量, 并确定使用中心波长为 490 nm的长波通滤光片对荧光光谱波段进行选择性提取。最后, 搭建实验装置获取了牙齿自体荧光图像, 利用 R/B值作为分割阈值得到了三个不同等级的牙菌斑含量与分布的量化分析结果, 与视诊结果相符。