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近年来，光动力治疗(PhotodynamicTherapy, PDT)已成为皮肤癌的主要治疗手段。现阶段的PDT在临床应用上存在一定局限性，影响PDT效果的瓶颈在于如何根据患者的个体化差异精准化治疗剂量，有效的解决方案是通过发展PDT在体测评进行实时治疗剂量的调整和优化。众多在研的PDT在体测评方法中，空间频域(SpatialFrequency Domain,SFD)成像因具有非接触、检测面积大、特异性强等优点，近年来已成为PDT在体测评方法的研究热点。SFD成像能够快速获取皮肤组织的多波长光学参数和PDT过程中的光敏剂浓度，从而可反推出组织体氧饱和度[SO2]、细胞毒性物质单态氧的浓度[1O2]和最低作用阈值[1O2]th。基于病变组织[SO2]比正常组织偏高的特点，在PDT过程中不断对比病变组织与正常组织[SO2]指标的差异，通过调整治疗光强度和光敏剂涂敷量实时优化[1O2]，将病变组织的[1O2]稳定在高于[1O2]th的水平。当病变组织与周围正常组织的[SO2]相等时，立即停止治疗，这样便能达到有效治疗却又不会造成损伤的治疗目的。现有SFD成像技术在测量方式、光学参数和光敏剂浓度重建算法方面均存在一定程度的不足，本文将对此展开研究，该研究是SFD成像的进一步发展，不仅能为PDT的精准化治疗剂量提供有效在体测评方法，也可为新型光敏剂的研制提供重要评估工具。
在SFD成像测量方式方面：传统基于相机的SFD成像系统只能以波长切换的串行方式满足PDT在体测评的多波长检测需求，导致时间成本较高，且高灵敏度相机价格较为昂贵，以普通科学相机作为探测器的SFD成像系统需在显著提高入射光源功率的条件下才能实现SFD成像的临床应用，而高功率的光源在临床上不具有适用性。为此本文将单像素成像技术与锁相光子计数技术引入SFD成像领域，设计并搭建了一套多波长、高灵敏度的单像素SFD成像系统，实现了微弱光检测条件下SFD成像的多波长并行测量和荧光测量，有效降低了SFD成像系统的光源功率，从而显著提高了光学测量安全性和基于传统相机SFD成像系统性价比。基于PDT在体测评波长要求，单像素SFD成像系统包含三个不同波长(450,520和650nm)光源，其中450nm波长用于激发光敏剂产生荧光，实现光敏剂浓度获取，该波长与520nm波长的组织体光学参数可用于计算组织体[SO2]分布；650nm波长为光敏剂荧光发射波长和PDT治疗波长，该波长下的组织体光学参数用于荧光传输建模、计算[1O2]和[1O2]th分布。为快速恢复组织体表面的调制漫反射图像，本文利用宽场正弦调制光空间频率已知的先验信息以及调制漫反射图像在二维DCT域的高度稀疏特性，发展了面向SFD成像测量的基于二维离散余弦变换的单像素成像方法(Discrete Cosine Transform-based Single-pixel Imaging, DCT-SPI)。数值模拟和仿体实验表明，DCT-SPI方法能够有效减少采样模板数目，大幅度缩短了单像素SFD成像系统的测量时间，有望实现PDT过程的动态测评和实时监测。为进一步缩短单像素SFD成像系统的测量时间，本文采用多频合成的宽场正弦调制光单次投影方式，并借助现有的单次快照多频解调方法实现了单幅多频调制漫反射图像中各频率分量的有效分离。结果表明，单像素SFD成像系统只需一次投影便可同时获取组织体多个不同频率分量的信息，有效提升了SFD成像的测量效率和实时性。
在光学参数和光敏剂浓度重建算法方面：传统SFD成像方法不具备光学参数深度分辨能力和光敏剂浓度定量获取能力，为此本文发展了基于一阶Rytov近似线性求逆的空间频域扩散光层析成像(SpatialFrequency Domain Diffuse Optical Tomography, SFD-DOT)和基于归一化Born比线性求逆的空间频域荧光分子层析成像(SpatialFrequency Domain Fluorescence Molecular Tomography,SFD-FMT)方法。SFD-DOT方法建立了探测点出射光强相对于组织内不同空间位置处的光学参数灵敏度矩阵，实现了组织体光学参数的层析重建；SFD-FMT方法在SFD-DOT重建获取光学参数的基础上，通过对宽场正弦调制激发光和荧光在组织体中的光子输运过程同时建模，实现了组织体内光敏剂浓度分布的层析重建。本文采用数值模拟方法对SFD-DOT/FMT方法进行了评估，数值模拟结果表明SFD-DOT/FMT方法使用不同频率分量重建出的层析图像存在较大差异，使用多频联立的SFD-DOT/FMT重建策略可有效提升图像重建质量，且能改善现有反射式层析成像中深度重建趋肤效应的问题。本文以单像素SFD成像系统为平台对SFD-DOT/FMT方法设计了一系列仿体和离体组织实验，证明了单像素SFD成像系统可通过SFD-DOT/FMT方法有效获取生物组织的三个波长光学参数和荧光产率层析图像，后续可用于反推PDT过程中[SO2]、[1O2]和[1O2]th的分布，实现PDT精准治疗目的。
在SFD成像测量方式方面：传统基于相机的SFD成像系统只能以波长切换的串行方式满足PDT在体测评的多波长检测需求，导致时间成本较高，且高灵敏度相机价格较为昂贵，以普通科学相机作为探测器的SFD成像系统需在显著提高入射光源功率的条件下才能实现SFD成像的临床应用，而高功率的光源在临床上不具有适用性。为此本文将单像素成像技术与锁相光子计数技术引入SFD成像领域，设计并搭建了一套多波长、高灵敏度的单像素SFD成像系统，实现了微弱光检测条件下SFD成像的多波长并行测量和荧光测量，有效降低了SFD成像系统的光源功率，从而显著提高了光学测量安全性和基于传统相机SFD成像系统性价比。基于PDT在体测评波长要求，单像素SFD成像系统包含三个不同波长(450,520和650nm)光源，其中450nm波长用于激发光敏剂产生荧光，实现光敏剂浓度获取，该波长与520nm波长的组织体光学参数可用于计算组织体[SO2]分布；650nm波长为光敏剂荧光发射波长和PDT治疗波长，该波长下的组织体光学参数用于荧光传输建模、计算[1O2]和[1O2]th分布。为快速恢复组织体表面的调制漫反射图像，本文利用宽场正弦调制光空间频率已知的先验信息以及调制漫反射图像在二维DCT域的高度稀疏特性，发展了面向SFD成像测量的基于二维离散余弦变换的单像素成像方法(Discrete Cosine Transform-based Single-pixel Imaging, DCT-SPI)。数值模拟和仿体实验表明，DCT-SPI方法能够有效减少采样模板数目，大幅度缩短了单像素SFD成像系统的测量时间，有望实现PDT过程的动态测评和实时监测。为进一步缩短单像素SFD成像系统的测量时间，本文采用多频合成的宽场正弦调制光单次投影方式，并借助现有的单次快照多频解调方法实现了单幅多频调制漫反射图像中各频率分量的有效分离。结果表明，单像素SFD成像系统只需一次投影便可同时获取组织体多个不同频率分量的信息，有效提升了SFD成像的测量效率和实时性。
在光学参数和光敏剂浓度重建算法方面：传统SFD成像方法不具备光学参数深度分辨能力和光敏剂浓度定量获取能力，为此本文发展了基于一阶Rytov近似线性求逆的空间频域扩散光层析成像(SpatialFrequency Domain Diffuse Optical Tomography, SFD-DOT)和基于归一化Born比线性求逆的空间频域荧光分子层析成像(SpatialFrequency Domain Fluorescence Molecular Tomography,SFD-FMT)方法。SFD-DOT方法建立了探测点出射光强相对于组织内不同空间位置处的光学参数灵敏度矩阵，实现了组织体光学参数的层析重建；SFD-FMT方法在SFD-DOT重建获取光学参数的基础上，通过对宽场正弦调制激发光和荧光在组织体中的光子输运过程同时建模，实现了组织体内光敏剂浓度分布的层析重建。本文采用数值模拟方法对SFD-DOT/FMT方法进行了评估，数值模拟结果表明SFD-DOT/FMT方法使用不同频率分量重建出的层析图像存在较大差异，使用多频联立的SFD-DOT/FMT重建策略可有效提升图像重建质量，且能改善现有反射式层析成像中深度重建趋肤效应的问题。本文以单像素SFD成像系统为平台对SFD-DOT/FMT方法设计了一系列仿体和离体组织实验，证明了单像素SFD成像系统可通过SFD-DOT/FMT方法有效获取生物组织的三个波长光学参数和荧光产率层析图像，后续可用于反推PDT过程中[SO2]、[1O2]和[1O2]th的分布，实现PDT精准治疗目的。