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面向桌面交互场景的双目深度测量方法

计算机工程与应用 2024年第9期60卷 283-291页

作者：叶彬朱兴帅姚康丁上上付威威中国科学技术大学生物医学工程学院(苏州)生命科学与医学部江苏苏州215000 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏苏州215000

基于视觉的虚拟现实交互方式在桌面书写应用场景中尚未有针对性的解决方案,书写交互中精细动作准确识别的实现,需要一种全新的高精度手笔联合三维识别技术,其中深度准确度是影响三维识别精度的重要因素。为此提出一种高精度双目深度测... 详细信息

基于视觉的虚拟现实交互方式在桌面书写应用场景中尚未有针对性的解决方案,书写交互中精细动作准确识别的实现,需要一种全新的高精度手笔联合三维识别技术,其中深度准确度是影响三维识别精度的重要因素。为此提出一种高精度双目深度测量方法,该方法针对书写交互采用了高分辨率、近距离的图像对作为输入,并在算法上提出全局与局部重要信息交叉融合的思想以提升速度与精度,减少计算成本。算法使用区域检测模块提取图像对中的手部和笔尖关键区域以重要程度分尺度输入;并且引入区域特征金字塔结构结合多尺度语义信息;同时利用视差级联模块缩小匹配范围,提高网络实时性。实验证明,提出的深度测量方法在手部和笔尖交互区域精度高,实时性好,能够有效辅助提高手笔联合三维识别精度以提供更好的虚拟书写交互体验,具有广泛的应用前景。

关键词：双目视觉深度学习立体匹配深度测量桌面交互

异氟烷麻醉对小鼠自发肌电及TUS/TMAS诱发肌电的影响

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中国生物医学工程学报 2024年第1期43卷 10-17页

作者：王茹茹周晓青赵渝卉刘煦刘志朋王欣殷涛中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所天津300192

经颅超声刺激(TUS)和经颅磁声耦合刺激(TMAS)调控运动皮层效果明显,但受限于清醒状态动物难以束缚,已有研究大多在麻醉状态下进行,对麻醉减弱调控效果的分析集中于中枢神经系统。本研究记录了异氟烷麻醉下24只小鼠的肢体自发肌电和TUS/T... 详细信息

经颅超声刺激(TUS)和经颅磁声耦合刺激(TMAS)调控运动皮层效果明显,但受限于清醒状态动物难以束缚,已有研究大多在麻醉状态下进行,对麻醉减弱调控效果的分析集中于中枢神经系统。本研究记录了异氟烷麻醉下24只小鼠的肢体自发肌电和TUS/TMAS诱发肌电,定量分析了麻醉对自发肌电和诱发肌电发放率、潜伏期、时长和幅值的影响。结果显示,随着异氟烷输出浓度从0.40%增加至0.75%,每周期内小鼠自发肌电频次减少约50%,肌电发放时长变短,呈抑制状态;TUS/TMAS诱发肌电的成功率分别降低约50%和70%、潜伏期均延长约0.1 s、时长分别缩短约0.3和0.5 s,表明TUS/TMAS对运动皮层的调控效果随麻醉程度的加深而减弱。肢体自发和诱发肌电在发放率和时长上存在关联性特征,提示麻醉状态下小鼠自发肌电抑制状态可能是刺激效果减弱的影响因素之一。

关键词：经颅超声刺激(TUS) 经颅磁声耦合刺激(TMAS) 肌电麻醉

基于多物理场复合的新型无创脑深部精准刺激方法探究

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中国生物医学工程学报 2024年第3期43卷 327-337页

作者：祝凯周晓青马任刘煦殷涛刘志朋中国医学科学院生物医学工程研究所天津300192

现有的无创电磁刺激技术,以临床应用最广的经颅磁刺激(TMS)为代表,尚无法突破聚焦性和刺激深度的技术瓶颈,实现对深部功能核团的直接精准刺激。本研究基于磁声耦合理论,结合TMS技术中的交变磁场,提出一种新的基于多物理场复合的无创脑... 详细信息

现有的无创电磁刺激技术,以临床应用最广的经颅磁刺激(TMS)为代表,尚无法突破聚焦性和刺激深度的技术瓶颈,实现对深部功能核团的直接精准刺激。本研究基于磁声耦合理论,结合TMS技术中的交变磁场,提出一种新的基于多物理场复合的无创脑深部精准刺激方法(MI-TMAS),以期实现对脑深部的直接精准聚焦刺激。基于磁声耦合理论和磁感应理论对MI-TMAS中的刺激物理场进行仿真研究,并搭建了MI-TMAS系统及多物理场测试平台,对刺激物理场分布并进行实测。结合仿真和实测结果,对MI-TMAS复合刺激电场的聚焦性和电场强度进行探究。结果显示,该方法能够在脑深部靶区产生聚焦声场、磁声耦合电场、磁感应电场等3个复合刺激物理场,可以在刺激深度50 mm处形成聚焦尺寸约6.2 mm(-3 dB)的复合刺激电场,其在脑深部电场的聚焦性明显优于TMS,且刺激电场强度大于稳恒磁场下的TMAS。本研究为MI-TMAS方法应用于在体神经调控提供了理论以及技术基础。

关键词：磁声耦合效应经颅磁刺激无创神经调控电场测试

超透镜在显微成像中的进展:设计、加工及应用(特邀)

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激光与光电子学进展 2024年第2期61卷 402-414页

作者：闫超胡思怡顾波波上海交通大学生物医学工程学院Med-X研究院上海200030 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏苏州215163

超透镜作为一种二维超表面结构最近十多年来得到了广泛的关注。与传统光学透镜相比,超透镜具有超薄和超轻的结构特性以及高度灵活的设计和调控能力,因此,其在推动光学系统向小型化发展中扮演着不可或缺的角色。在显微成像技术中,超透镜... 详细信息

超透镜作为一种二维超表面结构最近十多年来得到了广泛的关注。与传统光学透镜相比,超透镜具有超薄和超轻的结构特性以及高度灵活的设计和调控能力,因此,其在推动光学系统向小型化发展中扮演着不可或缺的角色。在显微成像技术中,超透镜又提供了多维度的探索视角,展示了其巨大的发展空间。本文全面回顾了超透镜在显微成像技术的最新进展。首先,详细解释了超透镜的波前调控原理,并总结了超透镜主流的设计方法;其次,介绍了超透镜的加工技术;最后,深入探讨了超透镜在光片荧光显微镜、双光子荧光显微镜和内窥镜等显微成像技术中的应用和研究进展。

关键词：超透镜超表面显微成像相位调制

用于增强现实头部外科手术导航的无标记配准方法

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激光与光电子学进展 2024年

作者：陈旭竞许春晓李洋程浩杰王佳俊赵凌霄中国科学技术大学生物医学工程学院(苏州)生命科学与医学部中国科学院苏州生物医学工程技术研究所

传统头部手术导航系统通常使用双目红外相机跟踪固定在人体表面的逆反射标记，实现术中导航的配准定位。标记需要手动安装，配准精度易受到标记安装精度的影响，且存在准备时间长，易对病人造成侵入式损伤的问题。导航系统使用屏幕交互... 详细信息

传统头部手术导航系统通常使用双目红外相机跟踪固定在人体表面的逆反射标记，实现术中导航的配准定位。标记需要手动安装，配准精度易受到标记安装精度的影响，且存在准备时间长，易对病人造成侵入式损伤的问题。导航系统使用屏幕交互，医生需要在手术部位和屏幕之间反复切换视线，可视化效果不直观，且加重了医生的认知负担。为了解决上述问题，我们提出了一种使用结构光相机的无标记配准方法，将三维影像数据和人体目标部位空间配准。使用结构光相机得到患者面部点云，然后通过一个包含粗配准和精配准算法的快速精确的配准管线得到患者头部的精确位姿。本文将该配准方法与光学透视（Optical seethrough,OST）头戴式显示器（Head Mounted Display,HMD）结合，搭建了一个增强现实（Augmented reality, AR）配准系统。我们通过多用户实验验证了我们的配准方法和功能的有效性。实验结果显示，目标配准误差（TRE）的平均精度为2.61±0.55毫米，真实和虚拟模型的重叠系数(Dice)为0.9548，配准算法所需时间平均约为0.47秒。测试结果表明，该系统可以快速准确地自动配准，能够为医生在手术导航中提供准确的目标空间信息，满足头部手术导航的精度和时间要求，有进一步发展完善并应用到临床的潜力。

关键词：手术导航增强现实 3D配准 HoloLens

DBS手术机器人中超声电机和本体材料的MRI兼容性研究

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工程科学与技术 2024年

作者：彭任远张举中王之森储雨奕吴煜雯彭浩然林军杨洪波中国科学技术大学生物医学工程学院(苏州)生命科学与医学部中国科学院苏州生物医学工程技术研究所

本文针对实时磁共振引导的高精度脑深部刺激（DBS）手术机器人关键器件——两种型号的超声电机（以下简称60电机与30电机），以及机器人本体预期使用的材料，以标准水膜的磁共振成像(MRI)质量为参照，测试并研究分析了超声电机与本体材... 详细信息

本文针对实时磁共振引导的高精度脑深部刺激（DBS）手术机器人关键器件——两种型号的超声电机（以下简称60电机与30电机），以及机器人本体预期使用的材料，以标准水膜的磁共振成像(MRI)质量为参照，测试并研究分析了超声电机与本体材料的MRI兼容性。首先在不同工况下，测试了超声电机对MRI的影响：在3.0 T磁共振环境下，分别把两种电机放置于磁共振扫描腔体内，将驱动设备置于扫描室外，通过穿墙屏蔽电缆控制电机运转，此时，60电机可以与MRI同步工作而不会使其产生伪影和噪点，而30电机工作时则会对MRI造成严重影响；在1.5 T磁共振环境下，将驱动设备置于扫描室内，两种电机运转时，均会使MRI产生明显伪影和噪声，两种电机待机时，不会对MRI造成影响，因此，电机与MRI可以通过轮流工作的方式达到兼容目的。然后测试分析了MRI对电机性能的影响，结果表明，在磁共振环境下，两种超声电机的运动控制均不受太大影响，与非磁共振环境对比，位置控制精度基本相同。接着，对机器人本体选用的材料进行了测试，结果表明，这些材料均与MRI兼容。最后，通过研究分析，提出了减少设备对MRI干扰的措施，有望进一步提高MRI信噪比，防止产生伪影。本文的研究结果不仅能为DBS手术机器人的优化设计提供依据和支撑，还可以为其它在MRI环境下工作的机电产品提供工程技术参考。

关键词：脑深部刺激手术机器人 MRI兼容

LSNFS：高鉴别力和强鲁棒性的局部特征描述算法

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激光与光电子学进展 2024年

作者：洪森达程浩杰许春晓陈振鑫王佳俊赵凌霄中国科学技术大学生物医学工程学院(苏州)生命科学与医学部中国科学院苏州生物医学工程技术研究所

局部特征描述符的研究是三维计算机视觉中的核心问题之一。为应对复杂场景中特征描述符鉴别力不足和鲁棒性较低的挑战，本文提出了一种创新的局部细分邻域特征统计(Local Subdivision Neighborhood Feature Statistics, LSNFS)描述符。L... 详细信息

局部特征描述符的研究是三维计算机视觉中的核心问题之一。为应对复杂场景中特征描述符鉴别力不足和鲁棒性较低的挑战，本文提出了一种创新的局部细分邻域特征统计(Local Subdivision Neighborhood Feature Statistics, LSNFS)描述符。LSNFS描述符的核心是一种名为曲面邻域偏差统计(Surface Neighborhood Deviation Statistics, SNDS)的高鉴别力方法。SNDS通过引入两种空间特征，全面编码局部空间信息。在细分空间中统计加权邻域偏差角，并结合特定的属性分区策略，显著增强描述符的鉴别能力。对生成的SNDS直方图进行线性插值和归一化处理，提高了描述符对噪声和点云分辨率变化的鲁棒性。LSNFS描述符通过计算两个角度特征来编码局部几何信息，并将生成的角度特征直方图与SNDS直方图融合，实现局部信息的充分描述。本文在六个具有不同质量和干扰类型的数据集上进行大量的实验验证，结果表明：LSNFS在所有数据集上的性能明显优于现有的多种先进方法，具有较高的描述性和较强的鲁棒性。此外，本文将LSNFS应用于三维物体配准和真实场景配准，结果表明，LSNFS不仅在三维物体配准中实现了最好的配准性能，而且还能够泛化到大规模真实场景数据中，具有良好的泛化性能。

关键词：机器视觉局部特征描述符点云配准特征描述特征直方图

单物镜光片三维荧光成像技术研究进展(特邀)

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激光与光电子学进展 2024年第6期61卷 233-246页

作者：张一凡李辉杨光中国科学技术大学生物医学工程学院江苏苏州215163 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏省医用光学重点实验室江苏苏州215163

光片显微镜由于具有强大的光学层切能力、较快的成像速度和较低的光损伤,成为三维成像的重要工具。光片显微镜通常利用两个垂直放置的物镜分别进行照明和成像,这带来了对样品的空间限制并禁用了高数值孔径的成像物镜。以倾斜平面照明和... 详细信息

光片显微镜由于具有强大的光学层切能力、较快的成像速度和较低的光损伤,成为三维成像的重要工具。光片显微镜通常利用两个垂直放置的物镜分别进行照明和成像,这带来了对样品的空间限制并禁用了高数值孔径的成像物镜。以倾斜平面照明和微镜微器件反射技术为代表的单物镜光片显微技术突破上述限制,展示出在高分辨率和体积高速成像方面的优势,并且可与超分辨显微术等多种技术结合,在近年来取得了巨大发展。介绍单物镜光片显微成像技术的原理、关键性能的提升和其在生物医学的应用。

关键词：生物光学成像光片显微镜三维成像荧光显微镜

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多聚焦显微图像融合算法

激光与光电子学进展 2024年第6期61卷 322-330页

作者：付宏语巩岩汪路涵张艳微郎松张志郑汉青中国科学技术大学生物医学工程学院(苏州)生命科学与医学部江苏苏州215163 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所医用光学技术研究室江苏苏州215163

在显微成像过程中,受系统景深限制,沿光轴方向不同层面之间聚焦位置存在显著差异,同时不同层面的显微图像存在部分聚焦区域重叠,现有多聚焦融合算法往往无法并行提取和融合多幅显微图像中最清晰的聚焦部分。提出一种多聚焦显微图像融合... 详细信息

在显微成像过程中,受系统景深限制,沿光轴方向不同层面之间聚焦位置存在显著差异,同时不同层面的显微图像存在部分聚焦区域重叠,现有多聚焦融合算法往往无法并行提取和融合多幅显微图像中最清晰的聚焦部分。提出一种多聚焦显微图像融合算法,首先构造了一种类高斯四邻域梯度算子并结合快速引导滤波,实现高频聚焦信息的提取;同时针对大视场显微图像序列中存在聚焦信息重叠、像素数量大的情况,引入了一种小区域聚焦度量方法,提高了对聚焦清晰区域高频信息提取的能力,实现了多图最佳聚焦点的融合。拍摄3组包括4 mm和2 mm对角线视场的多聚焦显微图像序列进行测试,相较5种常用多聚焦图像融合算法,所提算法的峰值信噪比平均提高了2.4772,结构相似性指数达0.9400以上,对聚焦清晰区域有更好的融合效果,融合图像细节丰富且清晰度高,能够满足大视场多聚焦显微图像融合的准确性要求。

关键词：图像处理多聚焦显微图像引导滤波聚焦信息检测多图融合