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基于实数遗传算法的混浊介质光学参数提取

光学学报 2013年第12期33卷 198-206页

作者：李飞张元志王贻坤朱灵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244000

混浊介质的光学参数提取在光动力学疗法及光学无创诊断中有着重要意义。提出了一种实数遗传算法,结合逆蒙特卡罗方法及图形处理单元加速技术,从蒙特卡罗模拟得到的介质表面漫反射光的空间分布中提取光学参数。设计了差值平方和适应值函... 详细信息

混浊介质的光学参数提取在光动力学疗法及光学无创诊断中有着重要意义。提出了一种实数遗传算法,结合逆蒙特卡罗方法及图形处理单元加速技术,从蒙特卡罗模拟得到的介质表面漫反射光的空间分布中提取光学参数。设计了差值平方和适应值函数、随机竞争选择算子、带扩展半径的均匀随机交叉算子、均匀变异算子、冠军变异算子,保证了算法的收敛性和种群的多样性。在0≤μa≤100cm-1和0≤μs≤1000cm-1范围内μa和μs提取的平均相对误差分别为0.25%和0.58%,均方根误差(RMSE)分别为0.32cm-1和1.68cm-1,表明实数遗传算法提取混浊介质光学参数是可行和准确的。

关键词：医用光学实数遗传算法漫反射光学参数蒙特卡罗模拟

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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皮肤晚期糖基化终末产物的自体荧光光谱特性

发光学报 2011年第9期32卷 968-971页

作者：张龙朱灵王贻坤夏营威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

在分析晚期糖基化终末产物(Advanced glycation end products,AGEs)标准品三维荧光光谱和皮肤中AGEs自体荧光光谱的基础上,确定了皮肤中AGEs的最佳激发波长为370 nm。使用自行设计的皮肤荧光光谱检测装置对正常人和糖尿病患者皮肤AGEs... 详细信息

在分析晚期糖基化终末产物(Advanced glycation end products,AGEs)标准品三维荧光光谱和皮肤中AGEs自体荧光光谱的基础上,确定了皮肤中AGEs的最佳激发波长为370 nm。使用自行设计的皮肤荧光光谱检测装置对正常人和糖尿病患者皮肤AGEs的荧光光谱进行了检测,结果表明:在418,450,470 nm处存在3个峰值结构。对光谱归一化处理后发现,450 nm和470 nm处荧光与皮肤中AGEs含量密切相关。因此,使用370 nm激发的皮肤自体荧光可以定量分析AGEs浓度,并可用于AGEs相关疾病的临床诊断。

关键词：晚期糖基化终末产物荧光光谱组织光学无创检测

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漫反射光谱技术快速无创检测皮肤胆固醇

光谱学与光谱分析 2016年第10期36卷 3215-3221页

作者：候华毅董美丽王贻坤朱灵马祖长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合肥230031 中国科学技术大学安徽合肥230026 皖江新兴产业技术发展中心安徽省生物医学光学仪器工程技术研究中心安徽铜陵244000

针对皮肤胆固醇无创检测的迫切需求,设计了一种基于微型光谱仪的便携式和智能化的皮肤漫反射光谱实时测量系统。配制毛地黄皂苷—辣根过氧化物酶共聚物溶液,利用毛地黄皂苷可与皮肤胆固醇分子中的羟基特异性结合和辣根过氧化物酶能与TM... 详细信息

针对皮肤胆固醇无创检测的迫切需求,设计了一种基于微型光谱仪的便携式和智能化的皮肤漫反射光谱实时测量系统。配制毛地黄皂苷—辣根过氧化物酶共聚物溶液,利用毛地黄皂苷可与皮肤胆固醇分子中的羟基特异性结合和辣根过氧化物酶能与TMB试剂（主要成分为3,3’,5,5’-四甲基联苯胺）反应显色的特性,实现皮肤胆固醇的高灵敏和高特异的识别与指示,并通过测量反应后颜色的变化程度来定量皮肤胆固醇的浓度。以与人体皮肤结构相近的猪皮肤为实验对象,采用萃取法获得梯度浓度的胆固醇样本,利用上述光谱测量系统检测样本内的胆固醇浓度来验证该方法的可行性。实验结果显示,相对漫反射率能够区分不同浓度的胆固醇样本,在特征单波长（442,450和463nm）处和特征波段442-500nm内,漫反射率强度因子均可以定量反映样本内的胆固醇浓度,经线性拟合,判定系数R2分别为0.960,0.959,0.958和0.958。研究结果表明,使用漫反射光谱技术可以实现皮肤胆固醇的快速无创检测,将其应用于动脉粥样硬化性疾病风险评估,对于该类疾病的防控具有重要意义。

关键词：皮肤胆固醇无创检测漫反射光谱动脉粥样硬化

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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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用于皮肤荧光光谱检测的光纤探头设计

激光与光电子学进展 2011年第9期48卷 146-151页

作者：王贻坤张龙朱灵杨三梅刘勇王安中国科学院安徽光学精密机械研究所光电子技术研究室安徽合肥230031

为了提高皮肤荧光光谱的收集效率,对用于皮肤组织荧光光谱检测的光纤探头设计进行了重点研究。通过建立人体皮肤组织光学模型,并利用Monte Carlo方法模拟光在光纤探头及皮肤组织中的传播过程,研究光纤数量、光纤芯径、数值孔径、入射光... 详细信息

为了提高皮肤荧光光谱的收集效率,对用于皮肤组织荧光光谱检测的光纤探头设计进行了重点研究。通过建立人体皮肤组织光学模型,并利用Monte Carlo方法模拟光在光纤探头及皮肤组织中的传播过程,研究光纤数量、光纤芯径、数值孔径、入射光纤与收集光纤近边缘距离、光纤探头与皮肤的距离等光纤探头各特性参数对荧光光谱检测的影响;设计、制作了一种光纤探头,应用于人体皮肤晚期糖基化终末(AGE)产物荧光光谱检测中,分析检测效果,并进行模拟与实验的对比研究。结果表明,较之于常规光纤探头,根据Monte Carlo模拟进行设计的光纤探头,荧光光谱检测性能有明显改进,且模拟与实验结果有一致的变化趋势,验证了通过Monte Carlo模拟进行光纤探头设计的可行性。光纤探头特性参数对皮肤荧光光谱检测有着显著影响,针对不同检测目的,设计特定的光纤探头,能够改善基于荧光光谱检测的医疗设备的性能。

关键词：医用光学荧光光谱光纤探头设计蒙特卡罗法皮肤组织

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科研人员要积极主动的开展科普工作

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