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基于深度学习的三维肺部CT图像配准研究

基于深度学习的三维肺部CT图像配准研究

作者：薛旭枫重庆理工大学

学位级别：硕士

三维(three-dimensional,3D)肺部CT图像配准已经广泛的应用在临床医学中。然而,由于肺部是一个高度弹性且结构复杂的器官,基于迭代的传统配准方法需要耗费大量的时间才能完成肺部图像的配准,这限制了该方法在部分临床应用中的使用。而且... 详细信息

三维(three-dimensional,3D)肺部CT图像配准已经广泛的应用在临床医学中。然而,由于肺部是一个高度弹性且结构复杂的器官,基于迭代的传统配准方法需要耗费大量的时间才能完成肺部图像的配准,这限制了该方法在部分临床应用中的使用。而且,传统方法缺乏鲁棒性,每次使用都需要调整参数并重新进行配准。虽然基于深度学习的方法有望训练出快速的并且具有泛化性能的模型。然而,肺部的大形变估计问题仍然是一个巨大的挑战。此外,与该问题伴随的图像折叠也迫切需要解决。针对上述问题,本文采用基于深度学习的方法实现3D肺部CT图像配准,并提出一种多级配准框架以提升大变形估计的能力。同时,研究了序列图像对配准的影响。论文主要工作如下:(1)基于双流配准结构的3D肺部CT图像配准算法研究。本章研究了适用于肺部CT图像配准的基础网络,并提出了一个基于双流配准结构的轻量级配准网络。双流配准结构能够增强特征空间中上下文映射关系,从而有效提升了配准精度。通过对比不同模型的实验结果,验证了该双流结构的有效性(TRE:2.31±1.96,NCC:98.83%,SSIM:87.62%)。(2)基于多级配准策略的3D肺部CT图像配准算法研究。本章设计了一种具有双流配准结构的多级配准网络,旨在实现对3D肺部CT图像由粗糙到精细(coarseto-fine)的配准。同时,提出了一种跨尺度注意力模块,用于增强不同层级之间的相关性,有效缓解了卷积神经网络的长距离依赖问题。此外,双流配准结构还能够提升模型在相同层级中对形变的捕获能力。因此,该方法能够有效地应对肺部的大变形估计难题。最后,通过与先进方案的对比实验,证明了该方法的有效性(TRE:1.56±1.60,NCC:99.52%,SSIM:91.41%)。(3)基于分组配准策略的3D肺部CT图像配准算法研究。本章首先探究了一个呼吸周期的3D CT图像序列对配准性能的影响。随后,提出了一个基于分组配准策略的配准框架,该框架包括一种循环一致性约束。该约束方法通过利用逆向配准来确保配准的真实性和有效性(TRE:1.57±1.01,NCC:98.37%,SSIM:79.95%)。最后,还对比分析了分组配准与成对配准的优劣之处。

关键词：医学图像配准深度学习注意力机制多级配准结构分组配准结构

纳米晶纤维素组装的手性介孔材料及其对手性药物的分离

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液晶与显示 2024年第4期39卷 409-419页

作者：薛旭东侯延丽张炎延安大学西安创新学院陕西西安710100 昆明理工大学理学院云南昆明650500

纤维素纳米晶体(CNC)是由硫酸催化的纤维素水解制备的,根据纤维素的来源和水解条件,纳米晶体的直径约为5~15 nm,长度约为100~300 nm。CNC在水中可以形成具有手性向列型结构的液晶相。当干燥成固体薄膜时,CNC保持螺旋手性向列顺序并组装... 详细信息

纤维素纳米晶体(CNC)是由硫酸催化的纤维素水解制备的,根据纤维素的来源和水解条件,纳米晶体的直径约为5~15 nm,长度约为100~300 nm。CNC在水中可以形成具有手性向列型结构的液晶相。当干燥成固体薄膜时,CNC保持螺旋手性向列顺序并组装成层状结构。在CNC自组装过程中,可以添加溶胶-凝胶前体,如Si(OMe)_(4)。随着溶剂的蒸发,这些前体会发生水解和缩合,从而形成手性向列相二氧化硅/CNC复合材料。复合材料在空气中煅烧破坏纤维素模板,留下高表面积手性向列结构的介孔二氧化硅膜。此外,有机二氧化硅或二氧化钛薄膜也采用类似的方法得到。这些薄膜可用作滤光片、反射器和薄膜。最重要的是,合成的手性介孔二氧化硅可用作手性色谱固定相材料分离手性药物。结果显示,手性分离的效果显著,为CNC开发手性新材料提供了新方法。

关键词：纤维素纳米晶体手性向列结构介孔二氧化硅手性色谱固定相手性分离

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改进YOLOv5s的采煤机滚筒与支架护帮板干涉状态智能识别

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煤炭科学技术 2024年第2期52卷 253-263页

作者：毛清华胡鑫王孟寒张旭辉薛旭升西安科技大学机械工程学院陕西西安710054 陕西省矿山机电装备智能检测与控制重点实验室陕西西安710054

针对综采工作面液压支架护帮板处于未收回异常状态导致采煤机滚筒与护帮板干涉问题,提出一种改进YOLOv5s的采煤机滚筒与液压支架护帮板干涉状态智能识别方法。运用课题组前期提出的基于边界约束和非线性上下文正则化的去雾去尘方法对视... 详细信息

针对综采工作面液压支架护帮板处于未收回异常状态导致采煤机滚筒与护帮板干涉问题,提出一种改进YOLOv5s的采煤机滚筒与液压支架护帮板干涉状态智能识别方法。运用课题组前期提出的基于边界约束和非线性上下文正则化的去雾去尘方法对视频图像进行清晰化处理,提高综采工作面监控视频图像质量;对YOLOv5s模型进行改进,通过将YOLOv5s主干网络中的普通卷积Conv替换为分类效果更佳的Ghost卷积,减少了模型的参数数量,提高了模型识别速度,同时引入坐标注意力机制,提高了模型对护帮板和滚筒特征提取能力,从而提高模型识别精确率。运用软非极大值抑制算法(Soft-NMS)的锚框筛选方法,减少因护帮板重叠而发生漏检问题。针对采煤机滚筒与液压支架护帮板干涉状态判定问题,提出液压支架护帮板与采煤机滚筒锚框重合度的判定方法。运用本文改进YOLOv5s模型与YOLOv5s、YOLOv3-tiny模型进行对比分析,结果表明:本文方法与原模型相比的识别精确率提高了约8.1%,GFLOPs降低1.86倍;mAP@.5达到97.2%、平均识别速度为检测时间为5.9 ms。运用本文方法对煤矿实际综采工作面采煤机滚筒与液压支架护帮板视频图像进行干涉状态识别试验验证,结果表明:对采煤机滚筒与液压支架护帮板干涉状态识别准确率为96%。

关键词：采煤机滚筒液压支架护帮板 YOLOv5s 干涉状态视频图像智能识别

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惯导与视觉信息融合的掘进机精确定位方法

煤炭科学技术 2024年第5期52卷 236-248页

作者：毛清华周庆安炎基薛旭升杨文娟西安科技大学机械工程学院陕西西安710054 陕西省矿山机电装备智能检测与控制重点实验室陕西西安710054

针对煤矿巷道复杂环境下掘进机精确定位难题,提出了一种惯导与视觉融合的掘进机精确定位方法,该方法采用惯导与“视觉+激光标靶”的定位方案。该方案将设计的四特征点大尺寸激光标靶固定于巷道顶板,相机固定于掘进机机身采集激光标靶图... 详细信息

针对煤矿巷道复杂环境下掘进机精确定位难题,提出了一种惯导与视觉融合的掘进机精确定位方法,该方法采用惯导与“视觉+激光标靶”的定位方案。该方案将设计的四特征点大尺寸激光标靶固定于巷道顶板,相机固定于掘进机机身采集激光标靶图像,并运用圆拟合法定位光斑中心和基于四特征点的EPnP算法解算掘进机位置。为了验证“视觉+激光标靶”方法对掘进机位置检测效果,在模拟掘进工作面环境下开展了“视觉+激光标靶”位置检测试验,结果表明:在30 m内沿巷道宽度方向、掘进方向、高度方向最大误差不超过28.549 mm、78.868 mm、44.459 mm,实现了掘进机位置精确检测。针对惯导测量掘进机位姿误差随时间累积和掘进机振动对组合定位系统产生干扰导致位姿检测不准问题,提出改进Sage-Husa自适应滤波的惯导与视觉信息融合方法,该方法通过检测新息方差值修正量测误差来提高定位准确性。在模拟掘进工作面环境下开展了惯导与“视觉+激光标靶”组合定位实验,采用改进前后Sage-Husa自适应滤波算法融合惯导与视觉信息进行对比分析,结果表明:改进后Sage-Husa自适应滤波算法融合得到的定位误差更小,俯仰角、横滚角、航向角最大误差分别为0.029°、0.051°、0.0113°,在距离激光标靶30 m内巷道宽度位置误差在0.033 m范围内,巷道掘进方向位置误差在0.062 m范围内。所提出的惯导与视觉融合定位方法能够满足巷道掘进定位精度要求。

关键词：掘进机定位惯导机器视觉 EPnP Sage-Husa自适应滤波

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氟硅酸制备高纯氟化铝新工艺研究

无机盐工业 2024年第3期56卷 86-90页

作者：王建萍薛旭金薛峰峰多氟多新材料股份有限公司河南焦作454191

面对中国战略资源萤石日益匮乏的现状,开发了以磷肥副产氟硅酸为原料合成氟硅酸钠,经动态分解得到四氟化硅,四氟化硅纯化后和无水氯化铝发生气相沉积反应、提纯制备高纯氟化铝工艺路线,并对反应原理、工艺流程、关键点控制及产品质量和... 详细信息

面对中国战略资源萤石日益匮乏的现状,开发了以磷肥副产氟硅酸为原料合成氟硅酸钠,经动态分解得到四氟化硅,四氟化硅纯化后和无水氯化铝发生气相沉积反应、提纯制备高纯氟化铝工艺路线,并对反应原理、工艺流程、关键点控制及产品质量和原料成本等进行研究。结果表明:氟硅酸钠软膏采用两级干燥方式进行干燥,干燥后水分≤0.05%(质量分数);氟硅酸钠热解采用动态分解方式,分解率>99%。粗四氟化硅气体采用浓硫酸洗涤、分子筛吸附、精馏提纯后纯度>99.5%;无水氯化铝以气体状态和提纯的四氟化硅反应,反应后产品纯度>99.5%,符合高端领域市场需求。该研究可为磷肥副产低品位氟资源的高效高值利用提供参考和借鉴。

关键词：氟硅酸氟硅酸钠气相沉积高纯氟化铝

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煤矿履带式定向钻机路径规划算法

工矿自动化 2024年第2期50卷 18-27页

作者：毛清华姚丽杰薛旭升西安科技大学机械工程学院陕西西安710054 陕西省矿山机电装备智能检测与控制重点实验室陕西西安710054

煤矿履带式定向钻机路径规划过程中存在机身体积约束和实际场景下的行驶效率需求,而常用的A^(*)算法搜索速度慢、冗余节点多,且规划路径贴近障碍物、平滑性较差。提出一种以改进A^(*)算法规划全局路径、融合动态窗口法(DWA)规划局部路... 详细信息

煤矿履带式定向钻机路径规划过程中存在机身体积约束和实际场景下的行驶效率需求,而常用的A^(*)算法搜索速度慢、冗余节点多,且规划路径贴近障碍物、平滑性较差。提出一种以改进A^(*)算法规划全局路径、融合动态窗口法(DWA)规划局部路径的煤矿履带式定向钻机路径规划算法。考虑定向钻机尺寸影响,在传统A^(*)算法中引入安全扩展策略,即在定向钻机和巷道壁、障碍物之间加入安全距离约束,以提高规划路径的安全性;对传统A^(*)算法的启发函数进行自适应权重优化,同时将父节点的影响加入到启发函数中,以提高全局路径搜索效率;利用障碍物检测原理对经上述改进后的A^(*)算法规划路径剔除冗余节点,并使用分段三次Hermite插值进行二次平滑处理,得到全局最优路径。将改进A^(*)算法与DWA融合,进行煤矿井下定向钻机路径规划。利用Matlab对不同工况环境下定向钻机路径规划算法进行仿真对比分析,结果表明:与Dijkstra算法和传统A^(*)算法相比,改进A^(*)算法在保证安全距离的前提下,加快了搜索速度,搜索时间分别平均减少88.5%和63.2%,且在一定程度上缩短了规划路径的长度,路径更加平滑;改进A^(*)算法与DWA融合算法可有效躲避改进A^(*)算法规划路径上的未知障碍物,路径长度较PRM算法和RRT^(*)算法规划的路径分别平均减小5.5%和2.9%。

关键词：煤矿巷道履带式定向钻机自主行走路径规划 A^(*)算法融合动态窗口法避障

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浆水发酵过程中有机酸的变化及其抑菌性能和体外抗氧化能力

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中国食品学报 2024年第4期24卷 159-169页

作者：张哲川梁晓琳张玉双薛旭宁丁波刘红娜西北民族大学、生物医学研究中心、中国-马来西亚国家联合实验室兰州730030 西北民族大学生命科学与工程学院兰州730030

浆水是以包菜、萝卜和芹菜等为原料的传统特色发酵食品。以浆水为发酵基质,探究发酵过程中浆水有机酸的变化及对抑菌性能和体外抗氧化能力的影响。结果表明,浆水发酵过程中酸度逐渐升高,pH值逐渐降低,在4 d后趋于稳定,此时浆水发酵初步... 详细信息

浆水是以包菜、萝卜和芹菜等为原料的传统特色发酵食品。以浆水为发酵基质,探究发酵过程中浆水有机酸的变化及对抑菌性能和体外抗氧化能力的影响。结果表明,浆水发酵过程中酸度逐渐升高,pH值逐渐降低,在4 d后趋于稳定,此时浆水发酵初步成熟。在有机酸测定中,乳酸含量最高(3.331 mg/mL),发酵过程中乳酸、苹果酸和酒石酸含量先降低后升高;乙酸先升高后降低;柠檬酸含量总体呈升高趋势。浆水的抑菌效果随发酵时间的延长先增大后减小,在发酵7 d达到最大值,此时金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌圈直径分别为12.5 mm和11.4 mm。发酵5 d浆水的总黄酮含量达到最大值3.64 mg/L,发酵6 d总酚含量达到最大值52.44 mg/L。采用4种模型(DPPH自由基清除率、ABTS+自由基清除率、亚铁离子浓度及还原力)分析浆水发酵过程中的抗氧化活性,发现浆水体外抗氧化能力逐渐提高。本研究为浆水品质分析、发酵工艺标准化和工业化提供参考。

关键词：浆水发酵时间有机酸抑菌性能体外抗氧化活力

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园林设计中植物配置与规划研讨

居舍 2024年第18期 122-125页

作者：薛旭福建农林大学

园林设计中的植物配置与规划活动囊括着较多细节，设计师在规划期间应当结合地域特色，从适应性考虑的角度完成整体规划；同时也需要从季相变化与景观层次设计的维度加强整体管控和细节优化，并注重提升景观的生态功能，从文化寓意和景... 详细信息

园林设计中的植物配置与规划活动囊括着较多细节，设计师在规划期间应当结合地域特色，从适应性考虑的角度完成整体规划；同时也需要从季相变化与景观层次设计的维度加强整体管控和细节优化，并注重提升景观的生态功能，从文化寓意和景观意境，空间划分与引导等多个维度对植物进行合理配置，从而最大限度释放出园林植物景观的实际功能和作用。本文对园林设计中植物配置与规划的策略进行分析探讨。

关键词：园林植物配置规划

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煤矿掘进机光纤惯导自适应零速修正方法研究

煤炭科学技术 2024年

作者：毛清华周庆柴建权陈彦璋杨文娟薛旭升陕西省矿山机电装备智能检测与控制重点实验室西安科技大学机械工程学院

高精度光纤惯导与高精度位置传感器融合定位是实现煤矿巷道掘进机精确定位的有效方法，但高精度光纤惯导成本较高且误差随时间累积，如何通过低成本、低精度的光纤惯导自适应零速修正达到高精度光纤惯导性能和消除累积误差，是目前亟待... 详细信息

高精度光纤惯导与高精度位置传感器融合定位是实现煤矿巷道掘进机精确定位的有效方法，但高精度光纤惯导成本较高且误差随时间累积，如何通过低成本、低精度的光纤惯导自适应零速修正达到高精度光纤惯导性能和消除累积误差，是目前亟待解决的问题。因此，提出一种零速检测与扩展卡尔曼滤波结合的煤矿掘进机光纤惯导自适应零速修正方法。针对掘进机光纤惯导传统阈值方法零速检测不准确问题，提出一种基于PCA-SCSO-SVM（Principal Component A-nalysis PCA，Sand Cat Swarm Optimization SCSO，Support Vector Machine SVM）的零速检测方法，该方法利用掘进机振动信号进行零速检测，首先对振动信号进行VMD分解并根据相关系数选取IMF分量，其次提取IMF分量的时频域特征，并运用主成分分析法降维以降低诊断模型复杂度与数据分析难度，最后通过引入沙猫群优化算法优化核函数与惩罚参数提高零速检测的准确率。针对高精度光纤惯导成本较高和误差随时间累积问题，提出一种自适应零速修正方法，该方法根据掘进机零速检测结果和掘进机运动特性确定的修正间隔时间，利用扩展卡尔曼滤波在零速时刻的速度误差和角速度误差作为观测量进行自适应零速修正。为了验证本文方法的有效性，开展了零速检测和零速修正的实验验证。零速检测实验中，将本文方法、SVM方法、 GA-SVM方法和PSO-SVM方法进行对比，实验结果表明：本文方法零速检测准确度最高，达到了96.5%。零速修正实验结果表明：本文提出的零速修正方法能有效降低光纤惯导的姿态误差和提升掘进机姿态检测精度，且修正间隔时间越短误差估计越准确、修正后的姿态精度越高，修正间隔时间为10分钟时，能够使0.1(°)/h的光纤惯导达到0.057(°)/h的姿态检测精度，实现了低精度光纤惯导达到高精度定位目标。

关键词：掘进机光纤惯导零速修正振动检测 SVM 扩展卡尔曼滤波