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基于MC模型和Nelder-Mead单纯形算法的时域组织光谱学

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中国激光 2024年第3期51卷 138-147页

作者：张童刘东远高峰天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室天津300072

生物组织光学参数的无创在体测量是近红外光谱学(NIRS)研究的基础课题之一。在已发展的NIRS方案中,时间分辨测量具备优良的同时反演吸收系数和散射系数的能力,而且近年来该技术的性价比显著提高,获得了更多关注,但其针对分层组织的参数... 详细信息

生物组织光学参数的无创在体测量是近红外光谱学(NIRS)研究的基础课题之一。在已发展的NIRS方案中,时间分辨测量具备优良的同时反演吸收系数和散射系数的能力,而且近年来该技术的性价比显著提高,获得了更多关注,但其针对分层组织的参数反演在准确性、稳定性和反演速度等方面尚存在一定的局限性。为此,本文提出了一种时域蒙特卡罗模型支持的Nelder-Mead单纯形算法,该算法利用双源探距下的时间分辨漫反射光信号,以循环迭代方式设置不同的基向量,经线性变换后无须求导便可启发式搜索目标函数的最优值,从而实现了高信效度的分层光学参数反演。模拟实验与仿体实验均表明:在组织光学参数反演方面,所提算法的精度优于传统算法,而且该算法具有良好的噪声鲁棒性和临床适应性,为生物组织光学参数的在体测量提供了新方法。

关键词：医用光学吸收系数约化散射系数蒙特卡罗模拟单纯形算法时域测量

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冬枣黑斑病的光学特性检测方法建立

食品工业科技 2023年第18期44卷 321-330页

作者：江梦薇兰维杰屠康彭菁白冰瑶张丽宋丽军潘磊庆南京农业大学食品科技学院江苏南京210095 塔里木大学生命科学学院新疆阿拉尔843300 河北科技师范学院食品科技学院河北秦皇岛066600 三亚南京农业大学研究院海南三亚572024

本研究旨在探究冬枣果实黑斑病过程中光学特性的变化,并筛选出病害检测的特征波长。采用单积分球检测系统结合反向倍加(IAD)算法测定冬枣果实在黑斑病过程中短-中波近红外区域(900~1650 nm)内光学吸收和散射特性,通过光学特性与品质指... 详细信息

本研究旨在探究冬枣果实黑斑病过程中光学特性的变化,并筛选出病害检测的特征波长。采用单积分球检测系统结合反向倍加(IAD)算法测定冬枣果实在黑斑病过程中短-中波近红外区域(900~1650 nm)内光学吸收和散射特性,通过光学特性与品质指标间的相关性分析获得特征波长,最后通过近红外光谱对特征波长的有效性进行了验证。研究结果表明,随着黑斑病的发展,冬枣果实的失重率和a^(*)呈现明显的上升趋势,L^(*)、可溶性固形物及叶绿素含量则随贮藏时间下降。冬枣果实的吸收系数(μa)和约化散射系数(μs')均表现出明显的下降趋势。μa和μs'分别在1400~1650和900~1360 nm与病害程度(病斑面积)和部分品质指标(失重率、L^(*)、a^(*)、可溶性固形物和叶绿素)呈现高度相关。与全波长和基于算法获得的特征波长模型相比,基于光学特性优选的10个特征变量建立的冬枣黑斑病判别模型效果最佳,建模集和预测集总体正确率分别达到92.53%和92.35%,证明了短-中波近红外光学信号识别不同病害程度冬枣果实的潜力及基于光学特性优选的特征波长的有效性。

关键词：冬枣黑斑病光学特性短-中波近红外特征波长吸收系数约化散射系数

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微波消融系统设计及疗效评估实验研究

微波消融系统设计及疗效评估实验研究

作者：邹止寒南京航空航天大学

学位级别：硕士

微波消融通过在局部构建电磁场产生高热温度灭活肿瘤细胞,是目前临床上新兴的热疗方法;特别在无法耐受手术、危及器官旁病灶等复杂癌症治疗场景中,微波消融因其固有的技术优势取得了良好的治疗效果。目前,基于固态源的微波消融系统设计... 详细信息

微波消融通过在局部构建电磁场产生高热温度灭活肿瘤细胞,是目前临床上新兴的热疗方法;特别在无法耐受手术、危及器官旁病灶等复杂癌症治疗场景中,微波消融因其固有的技术优势取得了良好的治疗效果。目前,基于固态源的微波消融系统设计具有一定发展前景但相关研究较少;另微波消融在临床上以温度作为疗效评估参数,不能客观反映生物组织的热损伤反应进程。为此,本文搭建了一套基于固态源的微波消融系统并进行了初步的实验验证和疗效评估实验研究,对推动微波消融技术发展具有一定价值。主要研究工作如下:微波消融系统硬件平台设计。该部分首先基于临床医疗设备的安全通用标准,拟定了系统的性能指标和总体框架;然后基于核心的功能机制对重要的硬件模块进行电路设计;最后结合SIwave仿真软件对PCB板的时钟端接策略、电源完整性、电磁辐射抗扰度等信号完整性问题进行了分析讨论。微波消融系统软件平台设计。该部分首先基于μC/OS-Ⅲ实时系统将控制程序划分为十一个任务模块,完成了嵌入式软件的设计;然后拟定通信协议的语义、语法和时序,实现了上下位机之间的数据交换;最后基于QT平台采用OOD方法设计了上位机软件的总体框架,并应用多线程、SQLite数据库技术和线性回归方程完成了上位机软件的程序开发。微波消融系统工作性能标定实验。该部分首先对系统的功率输出性能和温度监测性能进行了标定;系统不同功率稳态输出和恒定功率稳态输出情况下的功率误差均小于5%,系统两种拟合算法下的平均温度误差均小于0.2℃,满足拟定的工作指标要求。最后以离体猪肝作为动物组织模型开展了基础的消融实验,并对不同热剂量下的消融结果进行了分析讨论。基于反射光谱的疗效评估研究实验。该部分首先以离体猪肝作为动物组织模型进行消融实验,并对消融过程中反射光谱的变化进行定性分析;然后基于Arrhenius理论结合温度参数建立了热损伤模型,讨论了消融过程中约化散射系数(μ's)与细胞损毁浓度(Fd)的变化规律;最后分析了组织剖面中不同热损伤程度消融区域的约化散射系数(μ's)数值分布。

关键词：微波消融系统固态源疗效评估约化散射系数

利用近红外扩散相关谱同时测量生物样品光学特性和动态特性

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红外与毫米波学报 2019年第3期38卷 389-394页

作者：王德田吕恒星高鹏李生福朱礼国彭其先李泽仁赵剑衡中国工程物理研究院流体物理研究所物理与生物医学交叉实验室

由于近红外光对于大多数生物样品具有较高的穿透深度,因此近红外光谱技术广泛用于生物医学、化工、食品安全以及农产品等领域的无损检测,但是多局限于生物样品的光学性质测量,即光吸收测量.利用最新研制的近红外光扩散相关谱系统和采用... 详细信息

由于近红外光对于大多数生物样品具有较高的穿透深度,因此近红外光谱技术广泛用于生物医学、化工、食品安全以及农产品等领域的无损检测,但是多局限于生物样品的光学性质测量,即光吸收测量.利用最新研制的近红外光扩散相关谱系统和采用脂肪乳作为生物样品的替代物,同时测量了国产30%脂肪乳的光学特性和动态特性,约化散射系数约为303 cm^-1 ,吸收系数约为0. 037 cm^-1 ,30%脂肪乳稀释为0. 85%(体积比)浓度后的布朗扩散系数约为8. 40 × 10^- 9 cm^2 /s,根据Stokes-Einstein 关系可推算出脂肪乳的颗粒半径约为253 nm;研究了脂肪乳随时间演化特性,在七天时间内约化散射系数上升106%,布朗扩散系数下降到63%,研究表明利用近红外扩散相关谱系统的光强衰减可以获得生物样品的光学特性(约化散射系数和吸收系数),利用光强随时间的波动可以获得生物样品的动态特性(布朗扩散系数),因此能够更加准确的测量生物样品的性质变化,为生物样品检测提供一种新的技术手段.

关键词：光学近红外光谱近红外扩散相关谱布朗扩散系数吸收系数约化散射系数

用稳态空间分辨光谱技术检测农产品光学参数的研究及应用

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农业工程学报 2008年第9期24卷 115-120页

作者：刘志存王忠义黄岚徐志龙侯瑞锋王成乔晓军中国农业大学信息与电气工程学院北京100083 国家农业信息化工程技术研究中心北京100089

基于光子输运理论,针对农产品强散射介质的特点,采用光子输运方程的漫射近似理论,从其解的形式出发,进行以稳态空间分辨光谱技术为基础的农产品光学参数无损测量方法的研究,设计了农产品光学参数的无损检测装置,用以获得吸收系数和约化... 详细信息

基于光子输运理论,针对农产品强散射介质的特点,采用光子输运方程的漫射近似理论,从其解的形式出发,进行以稳态空间分辨光谱技术为基础的农产品光学参数无损测量方法的研究,设计了农产品光学参数的无损检测装置,用以获得吸收系数和约化散射系数等光学参数。通过对散射与吸收的标准液体模型(Intralipid-10%溶液与Evan’sblue溶液)在波长750nm处的光学参数的测量,对系统进行了测试校准。测试结果表明,系统稳定、可靠并且检测得到组织的光学参数与文献报道的理论值一致。首次应用基于稳态空间分辨光谱方法测量了富士苹果样品的光学参数,检测结果约化散射系数为(0.97711±0.191858)mm-1,吸收系数为(0.00321±0.00076)mm-1;同时测量了番茄样品,其约化散射与吸收系数分别为(1.1345±0.22749)mm-1,(0.00140±0.00045)mm-1;稳态空间分辨光谱方法较时间分辨光谱TRS方法更适合应用在果蔬生产检测中。

关键词：稳态空间分辨光谱光谱分析品质检测约化散射系数吸收系数苹果番茄

草莓的光学特性及其与可溶性固形物含量和含水率的关系

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食品科学 2021年第1期42卷 41-46页

作者：谢丹丹郭文川高梦杰刘大洋西北农林科技大学机械与电子工程学院陕西杨凌712100 农业农村部农业物联网重点实验室陕西杨凌712100 陕西省农业信息感知与智能服务重点实验室陕西杨凌712100 东北林业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150040

为了解水果的光学特性及其与可溶性固形物含量和含水率的关系,本实验采用单积分球技术搭建光学特性测量系统,并对系统进行了验证;进而以‘红颜’、‘甜香’和‘章姬’草莓为对象,测定950~1650 nm波长范围内草莓的光吸收系数μa和约化散... 详细信息

为了解水果的光学特性及其与可溶性固形物含量和含水率的关系,本实验采用单积分球技术搭建光学特性测量系统,并对系统进行了验证;进而以‘红颜’、‘甜香’和‘章姬’草莓为对象,测定950~1650 nm波长范围内草莓的光吸收系数μa和约化散射系数μ’s,分析光学参数与草莓可溶性固形物含量和含水率间的关系;建立基于光学参数谱预测草莓可溶性固形物含量和含水率的偏最小二乘模型。结果表明,该系统测量μa和μ’s的平均相对误差分别为8.23%和3.71%;整个波长范围内,μa在975、1197 nm和1411 nm波长处存在峰值,而μ’s基本随波长的增大而减小;草莓的μa与可溶性固形物含量呈负相关,而与含水率呈正相关,且吸收峰处出现相关系数极值;基于μa谱所构建模型具有最好的预测可溶性固形物含量(rp=0.815、预测集均方根误差(root mean squares error of prediction,RMSEP)=1.153%)和含水率(rp=0.757、RMSEP=1.280%)的能力,说明可溶性固形物含量和含水率主要影响草莓的吸收特性,基于吸收特性可以更好地预测草莓的内部品质。

关键词：草莓吸收系数约化散射系数可溶性固形物含水率

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光在多层匹配生物组织中的时域传输模型

光子学报 2006年第7期35卷 1061-1065页

作者：王喜昌华臻孟兆昆烟台大学光电信息技术学院山东烟台264005

建立了匹配介质的n层半无限厚频域方程的解,并对频域进行傅里叶变换,计算出时域方程的时间分辨漫反射(Time-resolvedReflectance)·为检验漫射模型的准确性,将时间分辨漫反射与蒙特卡罗(MonteCarlo)模拟结果进行了比较,结果表明两者符... 详细信息

建立了匹配介质的n层半无限厚频域方程的解,并对频域进行傅里叶变换,计算出时域方程的时间分辨漫反射(Time-resolvedReflectance)·为检验漫射模型的准确性,将时间分辨漫反射与蒙特卡罗(MonteCarlo)模拟结果进行了比较,结果表明两者符合得很好·研究表明:该时域漫射模型可以判断生物组织和病变的光学特性·

关键词：组织光学生物组织吸收系数约化散射系数蒙特卡罗模拟

基于时间分辨反射测量的混浊介质光学参数计算方法

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天津大学学报 2008年第6期41卷 757-761页

作者：高峰和慧园马烝天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072

发展了一种基于时间分辨反射测量技术的混浊介质光学参数重构方法.采用半无限空间扩散方程解析解卷积时间定标测量曲线获得模拟时间扩展曲线,将此与基于时间相关单光子计数技术实测的全时间分辨曲线进行归一化拟合;在对一个已知光学参... 详细信息

发展了一种基于时间分辨反射测量技术的混浊介质光学参数重构方法.采用半无限空间扩散方程解析解卷积时间定标测量曲线获得模拟时间扩展曲线,将此与基于时间相关单光子计数技术实测的全时间分辨曲线进行归一化拟合;在对一个已知光学参数的定制模型验证的基础上,通过对4个参数未知的混浊介质进行测量,显示了方法的可行性和有效性.

关键词：时间相关单光子计数时间分辨反射测量扩散方程最小二乘优化吸收系数约化散射系数

基于近红外光谱技术的脊椎外科手术导航路径光学参数研究

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生物医学工程学杂志 2015年第3期32卷 558-562页

作者：王钰妍钱志余李韪韬刘洋洋谢捷如南京航空航天大学生物医学工程系南京210016

椎弓根螺钉准确植入是脊柱手术成功的关键,可靠的术中实时监测技术有助于椎弓根螺钉准确植入,是临床应用研究的重要方向。本文以猪椎骨为实验对象,研究了椎弓根螺钉植入过程中正常穿刺路径、内偏刺破路径及外偏刺破路径上的约化散射系... 详细信息

椎弓根螺钉准确植入是脊柱手术成功的关键,可靠的术中实时监测技术有助于椎弓根螺钉准确植入,是临床应用研究的重要方向。本文以猪椎骨为实验对象,研究了椎弓根螺钉植入过程中正常穿刺路径、内偏刺破路径及外偏刺破路径上的约化散射系数μ′s变化规律,发现约化散射系数值在整个穿刺过程中出现两个明显的峰值,分别为螺钉穿入过程通过骨密质与骨疏质的交界处时,以及螺钉穿出过程通过骨疏质与骨密质交界处时。这说明在螺钉穿刺过程中约化散射系数μ′s可作为术中实时监测的监测因子,有效识别螺钉是否即将到达脊椎刺破的临界位置,获得的μ′s变化规律曲线更为脊椎外科手术导航过程提供重要的参考依据。

关键词：椎弓根螺钉近红外光谱约化散射系数脊柱手术术中监测