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肿瘤对人类的健康和生存构成重大威胁,是世界各国面临的最重要的社会问题之一。人体上皮是肿瘤的“发源地”,90%以上的肿瘤都源于此。一般而言,如果上皮肿瘤能在侵入瘤变前的任何一个阶段诊出并加以治疗,治愈率非常高。到目前为止早期上皮肿瘤的诊断和治疗仍具有很大的挑战性。因此发展既能诊断早期肿瘤又能加以治疗的技术,即诊疗一体化新技术,在医学上具有重大的意义。近年来,多光子技术,即多光子成像技术和多光子吸收技术,已在早期上皮肿瘤诊疗方面呈现出很强的可行性和广阔的应用前景,也正成为生物医学光子学研究的热点。由于该领域的研究工作需要涉及不同学科科研工作者的紧密合作,目前国际上这方面的研究相对比较少。为了推进多光子技术的临床应用,本论文围绕该技术用于早期上皮肿瘤诊疗方面的研究开展了如下工作：首先,为了实现上皮肿瘤与非肿瘤性疾病的鉴别诊断,本论文利用多光子成像技术研究了两种主要的非肿瘤性疾病：1)鳞状上皮—炎症；2)柱状上皮—增生性息肉。发展了鳞状上皮细胞氧化还原比率和基质胶原纤维含量的深度累积计算方法,揭示了炎症和非侵入瘤变鳞状上皮基质的胶原纤维含量都有明显的降低,但它们之间的上皮细胞氧化还原比率存在明显的差异,提出深度累积上皮细胞氧化还原比率和基质胶原纤维含量可作为一种区分正常、炎症、非侵入瘤变鳞状上皮的内源性指标；识别了柱状上皮的细胞及亚细胞结构,揭示了正常柱状上皮黏膜、增生性息肉、腺瘤间杯细胞密度存在明显的差异,提出杯细胞密度可作为柱状上皮息肉病理性质活体诊断的一种新内源性标记物。与此部分相关的主要成果发表于Applied Physics Letters,97,173701,2010(SCI, IF=3.8)、Laser Physics Letters,9,465,2012(SCI, IF=6.0)上。其中,深度累积计算方法被"Applied Physics Letters "评委评价为"a very useful method"。接着,本论文利用多光子成像技术在鳞状上皮肿瘤基质层及柱状上皮肿瘤的诊断特征方面展开了深入的研究；提取了一系列鳞状上皮肿瘤基质的诊断特征,包括胶原纤维的精细结构和含量、弹性纤维之间间距和含量、基质成分含量比率、基质的散射系数；建立了一系列可用于定量区分正常和侵入瘤变柱状上皮的诊断特征参数,包括：瘤变细胞的形态、胶原含量的变化、腺排列和血管壁结构的变化。这一系列的诊断特征对多光子成像技术用于临床早期上皮肿瘤诊断是十分有益的和非常重要的,并填补了“鳞状上皮肿瘤基质层及柱状上皮肿瘤的诊断特征”研究上的空白。与此部分相关的主要成果发表于Journal of Biomedical Optics Letters,14,020503,2009(SCI, IF=3.1)、Lasers in Medical Science,25,911,2010(SCI, IF=2.3)、 Gastrointestinal Endoscopy,73,802,2011(SCI, IF=6.0)上。其中,鳞状上皮肿瘤基质的诊断特征的研究成果被"Journal of Biomedical Optics Letters"评委评价为"an important contribution to new cancer diagnosis";柱状上皮肿瘤的诊断特征的研究成果被" Gastrointestinal Endoscopy,国际内镜排名第一的学术期刊”评委评价为"a novel approach for the early diagnosis of cancer"。然后,本论文利用多光子成像技术对上皮肿瘤发展进程的不同阶段展开深入的研究；发展了定性的非标记多光子成像技术与定量的图像分析技术相结合的新方法;建立了胶原纤维变化与鳞状上皮肿瘤发展进程之间的定量关系,提出源于胶原纤维图像的定量特征参数可作为一种评价鳞状上皮肿瘤发展进程、定位肿瘤和确定肿瘤边界的新内源性指标；实现了柱状上皮肿瘤发展进程中生物形态和生物化学的信息整合和可视化,提出柱状上皮细胞氧化还原比率和基底膜的变化可作为量化柱状上皮肿瘤发展进程的一种新内源性指标。与此部分相关的主要成果发表或接受于Applied Physics Letters,96,213704,2010(SCI, IF=3.8), Biomedical Optics Express,2,615,2011(SCI, OS A New Journal)、PLoS ONE,2012(SCI, IF=4.4, In Press)上。其中,利用多光子成像技术定量建立胶原纤维与鳞状上皮肿瘤发展进程的关系被"Applied Physics Letters"评委评价为"very good "。最后,本论文针对“非侵入上皮肿瘤诊疗一体化的临床需求”,发展了基于多光子成像技术与多光子吸收技术相结合的诊疗一体化新技术。实现了瘤变细胞核异型性及胶原纤维密度和方向变化的信息提取和可视化,提出这一系列信息可作为识别非侵入肿瘤的内源性生物标记物；此外,实现了对非侵入上皮肿瘤在微米尺度的靶向消融。与此部分相关的主要成果发表于Applied Physics Letters,100,023703,2012(SCI, IF=3.8)、Journal of Biomedical Optics Letters,16,120501,2011(SCI, IF=3.1)上。总之,通过本论文的研究工作,填补了“多光子技术用于早期上皮肿瘤诊疗”的研究空白,开拓了基于多光子成像技术与多光子吸收技术相结合的诊疗一体化新技术。为多光子技术的临床应用提供了临床前的研究基础,为实现肿瘤的诊疗一体化提供了科学方案。