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基于粒子群优化算法的生物组织固有荧光光谱复原方法

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中国激光 2016年第5期43卷 102-109页

作者：张元志刘勇候华毅朱灵王安王贻坤中国科学院合肥物质科学研究院应用技术研究所安徽省生物医学光学仪器工程技术研究中心安徽合肥230031 皖江新兴产业技术发展中心安徽铜陵244000

为减少吸收和散射对生物组织荧光光谱的干扰,使用蒙特卡罗(MC)方法模拟不同光学参数下的生物组织荧光和漫反射光,提出基于组织漫反射光谱的荧光复原方法。将复原算法中的经验参数编码为解空间中的一个粒子,以组织荧光临床应用效果作为... 详细信息

为减少吸收和散射对生物组织荧光光谱的干扰,使用蒙特卡罗(MC)方法模拟不同光学参数下的生物组织荧光和漫反射光,提出基于组织漫反射光谱的荧光复原方法。将复原算法中的经验参数编码为解空间中的一个粒子,以组织荧光临床应用效果作为适应值,构建粒子群优化(PSO)算法实现经验参数优化。利用已建立的用于糖尿病无创筛查的组织光谱测量系统,收集327例受试者的皮肤组织荧光光谱和漫反射光谱,使用基于PSO的组织荧光复原算法进行光谱复原。以复原前、后的组织荧光光谱强度作为输入变量进行受试者工作特性(ROC)曲线分析,观察其在糖尿病筛查中的应用价值。结果显示,采用复原前的组织荧光光谱作为输入变量用于糖尿病筛查时,ROC曲线覆盖面积为0.54,最佳诊断点对应的敏感性为32%、特异性为76%;以复原后的组织荧光光谱作为输入变量时,ROC曲线覆盖面积为0.86,最佳诊断点对应的敏感性和特异性分别为72%、86%。上述结果表明,使用基于PSO的组织固有荧光光谱复原算法能有效提高组织荧光光谱的临床应用价值。

关键词：医用光学粒子群优化算法漫反射光谱荧光光谱光谱复原

基于扩散理论的生物组织固有荧光光谱复原方法研究

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光谱学与光谱分析 2016年第12期36卷 3836-3841页

作者：刘勇张元志候华毅朱灵王安王贻坤中国科学院合肥物质科学研究院应用技术研究所安徽省生物医学光学仪器工程技术研究中心安徽合肥230031 皖江新兴产业技术发展中心安徽铜陵244000

组织固有荧光光谱定义为未受生物组织吸收、散射作用影响的荧光光谱,能够直接反映组织微观结构和生物化学性质信息。为了减少吸收和散射特性对组织荧光光谱的干扰,从实测的组织荧光光谱中复原更能反映组织荧光特性的组织固有荧光光谱,... 详细信息

组织固有荧光光谱定义为未受生物组织吸收、散射作用影响的荧光光谱,能够直接反映组织微观结构和生物化学性质信息。为了减少吸收和散射特性对组织荧光光谱的干扰,从实测的组织荧光光谱中复原更能反映组织荧光特性的组织固有荧光光谱,搭建了基于光纤探头的组织光谱测量系统,实现生物组织相同位置处的荧光光谱和漫反射光谱测量。提出运用扩散理论从实测的漫反射光谱中提取组织生理参数,包括组织中血液体积分数、血氧饱和度、黑色素含量以及波长500nm处约化散射系数和瑞利散射在总散射中的比例,进而计算可见波段范围内的组织光学参数;然后,根据组织光学参数和实测的漫反射光谱,从实测的荧光光谱中复原得到组织固有荧光光谱。进行临床试验验证,采集受试者皮肤组织荧光光谱与组织漫反射光谱,并复原皮肤固有荧光光谱。通过复原得到的固有荧光光谱反映人体皮肤糖基化终产物积聚量,并最终用于糖尿病无创筛查。结果显示,分别使用实测的荧光光谱和复原得到的固有荧光光谱用于糖尿病筛查时,在特异性水平同为75%时,敏感性分别为69%和90%。

关键词：生物医学光学扩散理论漫反射光谱光学参数固有荧光光谱

基于空间频域成像的人体皮肤组织光学和生理参数的提取

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中国激光 2022年第5期49卷 188-197页

作者：康旭张洋任慧明张元志王贻坤安徽大学物质科学与信息技术研究院安徽合肥230601 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所安徽省医用光学诊疗技术与装备工程实验室安徽合肥230026

人体皮肤组织的光学参数和生理参数对于众多疾病的检测与监测具有重要意义,基于空间频域成像技术提取光学、生理参数具有潜在的临床应用价值。空间频域成像技术需要至少在两个波长下提取氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度;在反演人体皮肤... 详细信息

人体皮肤组织的光学参数和生理参数对于众多疾病的检测与监测具有重要意义,基于空间频域成像技术提取光学、生理参数具有潜在的临床应用价值。空间频域成像技术需要至少在两个波长下提取氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度;在反演人体皮肤组织中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度时,皮肤中的黑色素会增加结果的不确定度。本课题组搭建了一套空间频域成像系统,在反演人体皮肤组织生理参数的算法中引入最小二乘法和最小误差准则,以解决不确定度问题。实验结果表明:该系统获得的梯度漫反射板的测量值与准确值线性相关,且获取的组织仿体的吸收系数与直接测量法获取的吸收系数的偏差在0.3%~9.6%之间,验证了该系统测量光学参数的有效性。通过对不同黑色素含量的组织仿体进行测量后发现,系统的测量浓度与配制浓度之间显著相关。血液仿体实验和动脉闭塞实验结果表明,系统测量的氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、总血红蛋白浓度以及血氧饱和度随时间变化的趋势符合血液实验变化趋势和闭塞条件的变化趋势,进一步验证了空间频域成像算法提取生理参数的准确性。在体和离体实验结果均说明空间频域成像方法可以用于组织体中血氧饱和度的测量,为实现相关疾病的无创、快速检测提供了新手段。

关键词：医学光学空间频域成像最小误差准则参数提取

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盐溶液体系微观结构分析与验证

盐溶液体系微观结构分析与验证

作者：张元志合肥工业大学

学位级别：硕士

以无机盐-有机溶剂溶液体系为研究对象,体系溶剂化现象为目的,主要考察分析了盐溶液体系中溶剂分子结构的变化情况。实验采用红外光谱、荧光光谱等实验方法,并结合理论计算,对不同的溶液体系分别讨论了浓度、温度和离子等因素对体系溶... 详细信息

以无机盐-有机溶剂溶液体系为研究对象,体系溶剂化现象为目的,主要考察分析了盐溶液体系中溶剂分子结构的变化情况。实验采用红外光谱、荧光光谱等实验方法,并结合理论计算,对不同的溶液体系分别讨论了浓度、温度和离子等因素对体系溶剂化过程的影响及变化规律,从分子层面上对溶液体系微观结构及其变化进行了分析和探讨。得出：在有机溶剂中加入无机盐溶质后,由于离子-分子间发生溶剂化作用,产生新的团簇分子;改变浓度和温度,发生溶剂化作用的有机溶剂分子比例和阴阳离子对构型比例也随之改变;在N,N-二甲基甲酰胺/乙醇(3+1)双溶剂溶液体系中,由于溶剂化作用,产生具有荧光属性的新的团簇,通过结构优化,表明溶剂化形成的离子簇的荧光强度与阳离子的电荷和半径大小有关。

关键词： N,N-二甲基甲酰胺离子溶剂化量子化学团簇分子微观结构

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射吸式液动冲击器的优化设计

射吸式液动冲击器的优化设计

作者：张元志西安石油大学

学位级别：硕士

在钻井过程中,钻进速度对钻井周期的缩短有着决定性的作用。应用射吸式液动冲击器能够实现冲击回转钻进,这种钻进方式能够大幅提高钻进速度,缩短打井时间,减少资金的投入。射吸式液动冲击器能将钻井液的压力能转化为机械能,在钻头的静... 详细信息

在钻井过程中,钻进速度对钻井周期的缩短有着决定性的作用。应用射吸式液动冲击器能够实现冲击回转钻进,这种钻进方式能够大幅提高钻进速度,缩短打井时间,减少资金的投入。射吸式液动冲击器能将钻井液的压力能转化为机械能,在钻头的静压、回转切削和垂直冲击动载三者的共同作用下,实现快速高效破岩。本文主要研究工作如下:根据液动冲击器工作原理对其进行分类,总结了不同种类液动冲击器的优缺点,并对应用相对较少的扭力冲击器做了简单分析。分析本冲击器工作过程,以活塞冲锤为主要研究对象建立动力学方程,推导出运动方程和位移方程,找到各个参数之间的关系。介绍室内试验的设备和过程。射吸式液动冲击器在冲程末端时流道通畅并形成压差(下腔压力大于上腔压力)。用Pro/E软件建立冲程末端时的流道实体模型,用Gambit进行网格划分,导入到Fluent软件中分析。用单一变量法,分别改变喷嘴内径、节流环内径和流量来研究压差的变化规律,得到结论:较小内径的喷嘴和节流环、较大的流量可以形成更大的压差。对母线为二次曲线和三次曲线的喷嘴在上腔所形成的流场进行分析。对二次母线喷嘴,参数θ取相对较小值时,上腔流场压力更低些;对三次母线喷嘴,喷嘴D(θ=30°)在阀上端和活塞上端的静压力最低。以上分析研究有利于提高本冲击器性能。

关键词：液动冲击器动力学模型流场分析

利用三维荧光光谱与平行因子分析法测定细胞培养基中多类代谢成分的含量

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中国激光 2022年第9期49卷 177-188页

作者：宋晓康赵强张元志王贻坤邓国庆朱灵安徽建筑大学环境与能源工程学院安徽合肥230601 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所安徽合肥230031 环境污染控制与废弃物资源化利用安徽省重点实验室安徽合肥230601

将三维荧光光谱技术与平行因子分析法相结合,实现了细胞培养基样本中色氨酸(TRY)、还原烟碱腺嘌呤二核苷酸(NADH)、黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)和维生素B6(VB6)含量的定性和定量分析。首先制备了25个细胞培养基样本,使用六因素五水平正交... 详细信息

将三维荧光光谱技术与平行因子分析法相结合,实现了细胞培养基样本中色氨酸(TRY)、还原烟碱腺嘌呤二核苷酸(NADH)、黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)和维生素B6(VB6)含量的定性和定量分析。首先制备了25个细胞培养基样本,使用六因素五水平正交试验确定每个样本中四类荧光组分的混合方式和浓度梯度;采用荧光分光光度计扫描各样本的激发-发射矩阵,依次进行波长差异性校准、水拉曼和瑞利散射去除、内滤效应校正、光强标准化以及高杠杆点去除等预处理,然后采用水拉曼谱峰面积作为光强的当量单位,将荧光光强进行标准化;采用核一致矩阵确定模型的最佳组分数为4,最后使用平行因子分析法对三维荧光光谱数据集进行三线性分解,得到上述种荧光团的平均回收率分别为100.2%±15.5%、107.4%±37.1%、100.5%±6.4%、99.5%±6.5%,预测均方根误差(RMSEP)分别为0.124、43.312、1.601、0.639μg/mL,相对平均偏差分别为13.216%、36.937%、6.112%、6.331%,检测限分别为0.013、52.628、0.003、0.012μg/mL。TRY的发射光谱与NADH的激发光谱重合,且FAD的激发光谱与NADH的发射光谱重合,因此出现了荧光共振转移现象,该现象导致模型对NADH浓度的预测能力低于对其他三种荧光团的预测能力。模型在各荧光团的定性分析方面表现良好,均通过了S4C6T3的拆半分析校验。实验结果表明,三维荧光光谱结合平行因子分析法能够快速测定细胞培养基中多种代谢类荧光组分的含量,在细胞能量和物质代谢检测方面具有广阔的应用前景。

关键词：光谱学三维荧光光谱平行因子分析代谢类荧光团正交试验设计内滤校正拆半分析

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皮肤胆固醇无创光谱检测模拟和在体实验研究

中国激光 2016年第9期43卷 224-230页

作者：候华毅方朝晖张元志董美丽朱灵王贻坤叶兴顺桑瑶烁刘勇中国科学院合肥物质科学研究院应用技术研究所安徽省生物医学光学仪器工程技术研究中心安徽合肥230088 中国科学技术大学研究生院科学岛分院安徽合肥230026 安徽中医药大学第一附属医院内分泌科安徽合肥230031

皮肤胆固醇是评估动脉粥样硬化性疾病风险的新型生物标志物。为实现皮肤胆固醇的无创、快速检测，设计了一套基于漫反射光谱技术的检测系统。采用毛地黄皂苷一辣根过氧化物酶共聚物溶液模拟梯度浓度皮肤胆固醇。通过检测该共聚物溶液和... 详细信息

皮肤胆固醇是评估动脉粥样硬化性疾病风险的新型生物标志物。为实现皮肤胆固醇的无创、快速检测，设计了一套基于漫反射光谱技术的检测系统。采用毛地黄皂苷一辣根过氧化物酶共聚物溶液模拟梯度浓度皮肤胆固醇。通过检测该共聚物溶液和受试者在体皮肤胆固醇，验证了系统的可行性。结果表明，在440～550 nm特征波段内，由相对漫反射率引人的参数S值与共聚物溶液浓度呈线性关系（相关系数r=0．992，P〈0．01）；控制年龄、性别等因素后，受试者在体皮肤胆固醇无创检测结果与血液中总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇呈显著正相关，相关系数r分别为0．837（P〈0．01）和0．778（P〈0．01）。漫反射光谱技术为皮肤胆固醇的检测提供了一种无创、便捷的方法。在体皮肤胆固醇的无创检测有助于动脉粥样硬化性疾病的早期发现。

关键词：医用光学皮肤胆固醇漫反射光谱无创检测动脉粥样硬化

基于神经网络模式识别的糖尿病无创风险评估方法研究

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光谱学与光谱分析 2014年第5期34卷 1327-1331页

作者：李飞王贻坤朱灵张元志计敏张龙刘勇王安中国科学院安徽光学精密机械研究所安徽合肥230031 皖江新兴产业技术发展中心安徽铜陵244061

晚期糖基化终末产物在人体皮肤组织中的浓度与高血糖水平密切相关,且具有自发荧光特性。使用自行研制的光学无创检测装置对人体皮肤组织的自体荧光光谱进行测量,建立神经网络模式识别模型对检测对象患有糖尿病的可能性进行风险评估。利... 详细信息

晚期糖基化终末产物在人体皮肤组织中的浓度与高血糖水平密切相关,且具有自发荧光特性。使用自行研制的光学无创检测装置对人体皮肤组织的自体荧光光谱进行测量,建立神经网络模式识别模型对检测对象患有糖尿病的可能性进行风险评估。利用检测装置获取荧光光谱后对光谱数据进行主成分分析,选取前4个主成分作为光谱的特征,建立一个具有4个输入层节点、6个隐层节点、1个输出节点的神经网络模式识别模型。选取在安徽省立医院测量的487例对象数据训练该模型,以70%数据作为训练集,15%数据作为验证集,15%数据作为测试集。模型可给出测试对象罹患糖尿病的风险,或直接给出是否糖尿病的判断。结果显示该模型的受试者工作特性曲线的线下面积为0.81,标准误差为0.02;以模型输出0.5为分类界限时的敏感性为72.4%,特异性为77.6%,整体准确率为74.9%。本研究首次提出使用皮肤组织自体荧光结合神经网络模式识别模型对糖尿病进行无创风险评估,实验结果表明该方法的筛查效果优于目前常用的空腹静脉血浆血糖值法和糖化血红蛋白法。

关键词：医用光学神经网络模式识别晚期糖基化终末产物荧光光谱糖尿病

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雪峰运动在贵州天柱的表现形式

贵州地质 1995年第1期12卷 30-36页

作者：张元志贵州省地矿局103地质大队

震旦系铁丝坳组或桂平组与下江群角度不整合接触。雪峰造山运动形成一系列近ＥＷ、ＮＥＥ向褶皱、断裂，构成了天柱地区主体构造骨架。石英脉型金矿形成于雪峰期，在加里东期富集。

关键词：角度不整合造山运动成矿天柱雪峰运动