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可穿戴光学汗液传感器的研究进展

中国科学:化学 2024年

作者：陈至威陈艳霞陈晨钟兴平秦雷张学记北京信息科技大学北京市传感器重点实验室清华大学医学院北京信息科技大学自动化学院深圳大学生物医学工程学院

生物传感器的不断进步促进了可穿戴健康监测技术的快速发展.汗液中富含与人体健康相关的多种生物标志物.基于汗液检测的可穿戴传感技术对于人体健康监测具有重要的应用价值.除了传统的电化学检测,光学检测作为一种快速、简便的测量方法... 详细信息

生物传感器的不断进步促进了可穿戴健康监测技术的快速发展.汗液中富含与人体健康相关的多种生物标志物.基于汗液检测的可穿戴传感技术对于人体健康监测具有重要的应用价值.除了传统的电化学检测,光学检测作为一种快速、简便的测量方法,在可穿戴汗液传感领域也发挥着至关重要的作用.基于此,我们从柔性界面材料、汗液采集方式和光学检测原理及方法三个方面综述了近5年来国内外可穿戴光学汗液传感技术的研究进展.最后,总结了目前可穿戴光学汗液传感器面临的问题,并对其发展及应用前景进行展望.

关键词：汗液柔性材料光学检测生物传感

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压电生物传感器及其在医疗健康中的应用

化学进展 2024年第7期36卷 975-986页

作者：钟兴平陈艳霞陈晨秦雷张学记北京信息科技大学北京市传感器重点实验室北京100101 清华大学医学院北京100084 深圳大学生物医学工程学院深圳518060

随着社会经济的快速发展和人民生活水平的不断提高,医疗健康已具有重要的战略地位。生物传感技术作为一种重要分析检测手段,在医疗健康领域发挥着关键作用。压电生物传感器是利用压电材料进行生物分析的一种新型生物传感器,具有稳定性... 详细信息

随着社会经济的快速发展和人民生活水平的不断提高,医疗健康已具有重要的战略地位。生物传感技术作为一种重要分析检测手段,在医疗健康领域发挥着关键作用。压电生物传感器是利用压电材料进行生物分析的一种新型生物传感器,具有稳定性好、检测速度快、精确度高、操作简单的优良特性,在生物医学、健康监护和疾病防控等领域具有重要的应用价值。本文综述了近年来国内外压电生物传感器的研究进展,介绍了基于石英晶体微天平压电效应的压电生物传感器的工作原理及常用的压电材料,包括无机压电材料、有机压电材料、压电复合材料以及生物压电材料。此外,还介绍了压电生物传感器在人体健康监护与疾病防控方面的应用,如心率、脉搏等生理性体征的监测,生物标志物及新冠肺炎等流行病毒的检测。最后总结了目前压电生物传感器面临的问题,并对其未来的发展进行了展望。

关键词：生物传感压电材料生物标志物疾病防控压电效应

石墨烯柔性生物传感技术与可穿戴式精准医疗健康监护应用

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中国激光 2024年第9期51卷 215-226页

作者：杨晗王铈弘钟豪黄乐阳赵建鑫吕文琦毛则尹邓安妮石艺璇黄琴王一璐黄国亮清华大学生物医学工程学院北京100084

可穿戴柔性电子技术是医疗健康监测,尤其是心血管疾病监测的重要发展方向之一。脉搏波是评估心血管健康的重要信息来源,但它属于非平稳弱信号,对检测端的灵敏度与稳定性具有较高要求。为解决可穿戴健康监测的柔性传感关键技术问题,设计... 详细信息

可穿戴柔性电子技术是医疗健康监测,尤其是心血管疾病监测的重要发展方向之一。脉搏波是评估心血管健康的重要信息来源,但它属于非平稳弱信号,对检测端的灵敏度与稳定性具有较高要求。为解决可穿戴健康监测的柔性传感关键技术问题,设计并开发了具有多级分支微结构的石墨烯柔性压力传感器,显著提高了对脉搏波的传感性能,并构建了可穿戴柔性传感脉搏波健康监测系统,建立了基于单点桡动脉脉搏波和Transformer架构的类感知无袖带血压监测算法,对人体收缩压和舒张压的预测误差分别为(0.7±10.5)mmHg和(0.5±6.1)mmHg。本工作可以为心血管健康动态监测系统与应用研究、可穿戴式精准医疗健康监护提供重要技术支持。

关键词：石墨烯柔性压力传感器脉搏波可穿戴设备无袖带血压测量

注射式微流控芯片全集成核酸分析系统与精准医疗应用

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中国激光 2024年第9期51卷 190-199页

作者：黄琴黄乐阳靳翔宇毛则尹邓安妮吕文琦钟豪王铈弘石艺璇陈家辉黄世光黄国亮清华大学医学院生物医学工程系北京100084

核酸检测方法可快速鉴定特异基因指标,但其广泛应用受限于多种仪器设备串行使用以及对操作人员的高专业技术要求。本团队开发了一套注射式微流控芯片全集成核酸分析系统,该系统主要包含两大模块,分别是可以为不同类型临床样本提供多种... 详细信息

核酸检测方法可快速鉴定特异基因指标,但其广泛应用受限于多种仪器设备串行使用以及对操作人员的高专业技术要求。本团队开发了一套注射式微流控芯片全集成核酸分析系统,该系统主要包含两大模块,分别是可以为不同类型临床样本提供多种核酸提取方法的全自动注射式核酸提取模块,以及基于微流控芯片的微纳体系多指标联合并行检测等温扩增核酸检测模块。这两大模块既可以单独发挥各自的功能,也可以组合成全集成注射式微流控芯片核酸分析系统,形成全集成自动化、微纳反应体系、快速、多指标联合并行检测的核酸检测分析平台。采用本团队开发的注射式微流控芯片全集成核酸分析系统,分别对热带念珠菌标准株培养菌液和64例外阴阴道念珠菌感染疾病的临床拭子样本进行检测。结果显示:本系统对菌液的最低检测限为3.95×102 CFU/mL,而且样品制备更方便快捷,仅需1次加样操作,核酸提取时间为10 min;64例临床样本检测效果与金标准培养法相比,卡方检验为1,Kappa值为0.950,说明两种方法无显著差异,且一致性很高。本团队开发的注射式微流控芯片全集成核酸分析系统,可以为临床多指标微纳体系核酸快速检测提供一个可靠的平台,为临床医疗应用提供精准快检技术与便捷分析仪器支撑。

关键词：医用光学注射式微流控芯片全集成核酸分析系统精准医疗应用

单级虚像相位阵列光谱仪应用于角膜及晶状体二维成像光谱色散率研究(特邀)

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激光与光电子学进展 2024年第1期61卷 461-470页

作者：何兴道许锦刘明轩史久林南昌航空大学江西省光电信息科学与技术重点实验室江西南昌330063 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京100191 南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室江西南昌330063

基于单级虚像相位阵列(VIPA)的布里渊散射光谱信号检测技术具有结构简单、光通量高的特点,在透明生物组织弹性快速检测方面具有优势。眼角膜和晶状体是典型的透明组织,但由于单级VIPA光谱仪中布里渊信号易被弹性散射淹没,限制了其信噪... 详细信息

基于单级虚像相位阵列(VIPA)的布里渊散射光谱信号检测技术具有结构简单、光通量高的特点,在透明生物组织弹性快速检测方面具有优势。眼角膜和晶状体是典型的透明组织,但由于单级VIPA光谱仪中布里渊信号易被弹性散射淹没,限制了其信噪比和分辨率的提高,成为临床进一步应用的技术瓶颈。针对这一问题,从理论和实验两方面探究了提升单级VIPA布里渊光谱检测系统性能的方法。利用VIPA的傍轴近似色散模型,理论分析了柱面透镜前准直光束的半径、柱透镜焦距、球面透镜焦距和VIPA倾斜角度对单级VIPA光谱仪色散率的影响。研究结果表明,影响色散率的主要因素是球面透镜焦距、VIPA倾斜角度和探测器分辨率。在实际测试系统中,对一种变焦镜头与高分辨CMOS相机结合的信号接收装置进行有效的参数设计与系统匹配,实现了色速率与散射信号强度的平衡,优化了光谱仪系统各项参数,提升了该检测系统的性能。应用该单级VIPA光谱仪,实现了猪眼角膜和晶状体二维频移成像。该研究结果对于单级VIPA光谱仪在临床诊疗领域的应用具有重要意义。

关键词：布里渊散射虚像相位阵列色散率频移

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光谱成像技术及其在植物中的应用研究进展

电子显微学报 2024年第3期43卷 390-404页

作者：李若凡葛颜锐陈盈盈吴丁洁崔亚宁李瑞丽北京林业大学生物科学与技术学院林木遗传育种全国重点实验室北京林业大学生物科学与技术学院林木育种与生态修复国家工程研究中心北京林业大学生物科学与技术学院林木、花卉遗传育种教育部重点实验室北京林业大学生物科学与技术学院树木花卉育种生物工程国家林业和草原局重点实验室北京100083

光谱成像技术能够同时获取样品的空间与化学信息,是研究复杂生物样品的有力工具。近年来,由于具备非入侵、无损测量等优势,光谱成像技术在食品与农产品检测、生物医学与环境监测等方面引起了越来越多的关注。同时,随着成像技术的发展,... 详细信息

光谱成像技术能够同时获取样品的空间与化学信息,是研究复杂生物样品的有力工具。近年来,由于具备非入侵、无损测量等优势,光谱成像技术在食品与农产品检测、生物医学与环境监测等方面引起了越来越多的关注。同时,随着成像技术的发展,光谱成像技术在成像速度、波段数量、光谱分辨率、空间分辨率等方面的性能都得到了极大的提升,空间分辨率甚至可以打破衍射极限达到超分辨级别。本综述总结了拉曼光谱、红外光谱和近红外光谱等几种主要光谱成像技术的基本原理与性能,重点介绍了这类技术在植物细胞壁与木材研究、细胞结构与成分可视化、生物与非生物胁迫检测以及种子的无损测量等领域中的应用进展,并对这一类技术的发展潜力进行了探讨与总结,为今后光谱成像技术在植物研究领域的进一步发展与应用提供理论参考。

关键词：成像拉曼光谱红外光谱近红外光谱细胞壁细胞结构

用于管道检测机器人的微型化成像系统(特邀)

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激光与光电子学进展 2024年第2期61卷 205-211页

作者：苏德尔李浩宇高伟达王宇航郭长亮赵唯淞哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院先进光电成像技术研究室黑龙江哈尔滨150080 哈尔滨医科大学附属第二医院神经外科室黑龙江哈尔滨150086 东北林业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150040 北京协同创新研究院北京100094 北京大学未来技术学院国家生物医学成像科学中心分子医学研究所膜生物学国家重点实验室代谢及心血管分子医学北京市重点实验室北京100871

管道机器人是对复杂系统中管道损伤进行检测和评估的主要工具之一,通过沿行进方向搭载成像系统,实现了在管道中的运动导航和内环境观察。然而,这会导致管壁信息存在于图像传感器边缘,不可避免地会受到镜头畸变的影响而降低对损伤的检测... 详细信息

管道机器人是对复杂系统中管道损伤进行检测和评估的主要工具之一,通过沿行进方向搭载成像系统,实现了在管道中的运动导航和内环境观察。然而,这会导致管壁信息存在于图像传感器边缘,不可避免地会受到镜头畸变的影响而降低对损伤的检测精度,提高对损伤的定量难度。而搭载额外的成像系统观察管壁会大大增加机器人的承载负荷和整体体积,尤其在小尺寸管道机器人中。设计一款适用于管道机器人的微型化管壁成像系统。经过元件选型、光学系统优化和3D打印集成后,整个系统的体积为25 mm×30 mm×12 mm,最优横向分辨率为15.63μm。最后利用该系统制作了一款微型管道机器人,验证了其成像效果和定量能力。此系统有望搭载到其他管道机器人上作为扩展载荷,提升对管壁细节信息的捕捉能力。

关键词：管道机器人微型化成像系统管壁检测光学系统优化设计

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用于管道检测机器人的微型化成像系统

激光与光电子学进展 2024年

作者：苏德尔李浩宇高伟达王宇航郭长亮赵唯淞东北林业大学机电工程学院北京大学未来技术学院国家生物医学成像科学中心分子医学研究所膜生物学国家重点实验室代谢及心血管分子医学北京市重点实验室哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院先进光电成像技术研究室哈尔滨医科大学附属第二医院神经外科室北京协同创新研究院

管道机器人是对复杂系统中管道损伤进行检测和评估的主要工具之一，通过沿行进方向搭载成像系统，实现了在管道中的运动导航和内环境观察。然而，这会导致管壁信息存在于图像传感器边缘，不可避免地会受到镜头畸变的影响而降低对损伤的... 详细信息

管道机器人是对复杂系统中管道损伤进行检测和评估的主要工具之一，通过沿行进方向搭载成像系统，实现了在管道中的运动导航和内环境观察。然而，这会导致管壁信息存在于图像传感器边缘，不可避免地会受到镜头畸变的影响而降低对损伤的检测精度，提高对损伤的定量难度。而搭载额外的成像系统观察管壁会大大增加机器人的承载负荷和整体体积，尤其在小尺寸管道机器人中。设计一款适用于管道机器人的微型化管壁成像系统。经过元件选型、光学系统优化和3D打印集成后，整个系统的体积为25 mm×30 mm×12 mm，最优横向分辨率为15.63μm。最后利用该系统制作了一款微型管道机器人，验证了其成像效果和定量能力。此系统有望搭载到其他管道机器人上作为扩展载荷，提升对管壁细节信息的捕捉能力。

关键词：管道机器人微型化成像系统管壁检测光学系统优化设计

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基于深度学习的铁轨图像识别技术

铁道科学与工程学报 2024年

作者：徐心慈师秀霞耿晨歌陈祥献浙江大学生物医学工程与仪器科学学院浙江众合科技股份有限公司

为保证城轨交通中地铁的运营安全，避免铁轨轨道内障碍物的存在造成安全事故，有必要进行地铁铁轨识别。考虑到铁轨有细长连续的物理特性，同时受深度学习中的车道线检测任务启发，改进车道线检测网络CLRNet算法，提出针对铁轨图像识别... 详细信息

为保证城轨交通中地铁的运营安全，避免铁轨轨道内障碍物的存在造成安全事故，有必要进行地铁铁轨识别。考虑到铁轨有细长连续的物理特性，同时受深度学习中的车道线检测任务启发，改进车道线检测网络CLRNet算法，提出针对铁轨图像识别的CLRNet-L算法。为解决铁轨轨道细长且难以被准确识别定位的问题，CLRNet-L使用特征金字塔网络进行高级特征与低级特征的提取与融合，通过自上而下的思想，首先用高层特征粗略地定位轨道，再利用与高层特征融合后的浅层特征进一步细化轨道从而实现铁轨识别。针对铁轨轨道线细长连续且因其颜色较深难以与周围环境区分的问题，在原CLRNet中引入注意力机制和多尺度聚合器，提出大核注意力模块捕获更多的上下文信息，加强对铁轨轨道的特征表示。由于在轨道交通领域中缺少针对铁轨识别任务的公开铁轨轨道数据集，使用在杭州五号线和六号线中采集的地铁运行时轨道照片制作轨道场景的数据集，数据集中包含直道、弯道和道岔场景的铁轨图像，该数据集用于进行铁轨识别实验，来验证算法的有效性。实验结果证明：CLRNet-L在自制数据集中达到了88.96%的MIoU和最快11.54 ms的检测速度，与其他算法相比有更高的精度和检测速度。研究结果能为地铁安全保障技术尤其是障碍物检测提供技术基础，保障地铁运营安全。

关键词：铁轨识别图像处理轨道交通深度学习计算机视觉