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非规律运动伪迹干扰鲁棒的人脸视频心率检测

中国图象图形学报 2024年第7期29卷 2024-2034页

作者：成娟殷辰楚宋仁成付静刘羽合肥工业大学生物医学工程系合肥230009 合肥工业大学测量理论与精密仪器安徽省重点实验室合肥230009

目的基于远程光电容积脉搏波描记法(remote photoplethysmograph,rPPG)的非接触人脸视频心率检测广泛应用于移动健康监护领域,由于其携带的生理参数信息幅值微弱,容易受到运动伪迹干扰。据此,提出了一种结合非负矩阵分解(nonnegative m... 详细信息

目的基于远程光电容积脉搏波描记法(remote photoplethysmograph,rPPG)的非接触人脸视频心率检测广泛应用于移动健康监护领域,由于其携带的生理参数信息幅值微弱,容易受到运动伪迹干扰。据此,提出了一种结合非负矩阵分解(nonnegative matrix factorization,NMF)和独立向量分析(independent vector analysis,IVA)的非规律运动伪迹去除的视频心率检测方法,记为NMF-IVA。方法首先,将面部感兴趣区域(region of interest,RoI)分为多个子区域(sub RoIs,SRoIs),利用平均光照强度、光照强度变化、信噪比这3个指标筛选出3个最优质的SRoIs,并获取每个SRoI的绿色通道时间序列。其次,将3个绿色通道时间序列去趋势、带通滤波后送入NMF-IVA进行盲源分离。然后,对分离后的源信号进行功率谱密度分析,并且将峰值信噪比最高且主频落在心率感兴趣范围内的源信号确定为血容量脉冲(blood volume pulse,BVP)信号。最后,将BVP信号的主频确定为所测量心率的主频,从而计算出心率值。结果实验在2个公开数据集UBFC-RPPG和UBFC-PHYS,及1个真实场景自采数据集上与最相关的7种典型的rPPG方法进行比较,在UBFC-RPPG数据集上,相比于性能第2的单通道滤波(single channel filtering,SCF)方法,均方根误差提升了1.39 bpm(beat per minute)、平均绝对误差提升了1.25 bpm、皮尔逊相关系数提升了0.02;在UBFC-PHYS数据集上的T2情况下,其性能提升最为显著,相比于性能第2的独立向量分析(IVA)方法,均方根误差提升了16.42 bpm、平均绝对误差提升了9.91 bpm、皮尔逊相关系数提升了0.64;在自采数据集上,除了低于深度学习方法性能之外,所提NMF-IVA方法在传统方法中取得了最好的结果。结论所提NMF-IVA方法对规律信号提取具有敏感性,即便是在头部存在剧烈非规律运动情况下,相比于传统方法亦能取得最优结果,该结果能够媲美基于深度学习的方法。

关键词：远程光电容积脉搏波描记法(rPPG) 非接触式心率检测盲源分离(BSS) 非负矩阵分解(NMF) 独立向量分析(IVA)

基于夏克-哈特曼波前检测的无透镜屈光测量系统

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中国激光 2024年第3期51卷 225-233页

作者：耿康杰张贺童丁上上张洋刘敏付威威中国科学技术大学生物医学工程学院(苏州)生命科学与医学部安徽合肥230000 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏苏州215163

为了解决现有电脑验光仪和视力筛查仪体积庞大、价格昂贵的问题,设计并搭建了一套基于哈特曼波前检测原理的小型无透镜屈光测量系统。首先,对测量原理进行了详细介绍;接着,利用Zemax软件对图像采集光路进行模拟,并分析了实际测量屈光度... 详细信息

为了解决现有电脑验光仪和视力筛查仪体积庞大、价格昂贵的问题,设计并搭建了一套基于哈特曼波前检测原理的小型无透镜屈光测量系统。首先,对测量原理进行了详细介绍;接着,利用Zemax软件对图像采集光路进行模拟,并分析了实际测量屈光度与仪器-人眼距离的函数关系;最后,成功搭建了试验样机,并通过对中国计量科学研究院模拟眼进行屈光测量来验证函数关系的正确性及测量结果的准确性。实验结果表明该系统能有效地对-10~+10 D范围内的模拟眼进行屈光测量,测量结果显示:球镜度重复测量误差最高不超过0.20 D,变异系数不超过3%;柱镜度重复测量误差最高不超过0.25 D,变异系数不超过9%。此外,该系统结构简单且成本低廉。在满足测量结果准确性、稳定性要求的前提下,该系统更适用于需要仪器小型化的场合,具有广阔的应用前景。

关键词：测量屈光测量夏克-哈特曼波前传感器波前重构近视小型化

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高质量超声成像与重建研究综述

中国图象图形学报 2024年第6期29卷 1628-1645页

作者：李云舒马宸黄丽红高雪闫鑫汪源源郭翌复旦大学信息科学与工程学院生物医学工程中心上海200433 沈阳工业大学信息科学与工程学院沈阳110870

医学超声作为一种无创、无辐射和实时医学成像模态,在重大疾病早期诊断和精准诊疗领域发挥重要作用。影像分辨率是超声仪器的核心指标,也是影响临床精准诊疗的关键。近年来,超声成像设备呈现多样化的发展趋势,以满足不同的临床应用场景... 详细信息

医学超声作为一种无创、无辐射和实时医学成像模态,在重大疾病早期诊断和精准诊疗领域发挥重要作用。影像分辨率是超声仪器的核心指标,也是影响临床精准诊疗的关键。近年来,超声成像设备呈现多样化的发展趋势,以满足不同的临床应用场景,如超快速成像设备、便携成像设备等。然而,这些超声设备通常以牺牲成像质量来实现特定应用场景的要求,影响了其临床可用性。因此,为提升医学超声设备的诊断能力,研究如何获得高质量超声图像至关重要。本文回顾了近年来高质量超声图像成像的相关工作,从波束形成算法和高质量超声重建算法两方面进行介绍,波束形成算法方面,介绍了以延时叠加方法为代表的传统的非自适应方法,以及4类成像效果更优越但计算复杂度更高的自适应的波束形成方法,并对波束形成的深度学习类方法进行了简要介绍。对于高质量超声重建算法的讨论,则是从传统方法和深度学习方法两方面展开,并重点介绍了在高质量超声重建算法方面具有更广阔应用前景的深度学习技术,包括卷积神经网络方法、生成对抗网络方法等。最后,本文从研究方法的侧重点等方面比较国内外研究进展,并讨论了未来发展趋势。

关键词：超声成像波束形成自适应成像图像重建高分辨率

基于能量转移的光响应型生物探针在分子医学方面的应用

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分析测试学报 2024年第1期43卷 83-94页

作者：黄文文张玉李琪方兴如刘洪林合肥工业大学食品与生物工程学院安徽合肥230601

在各种生物传感和成像探针中,光响应型探针由于具有高特异性和高灵敏度等优点而被广泛应用。其中,基于能量转移的光学生物传感和生物成像技术具有较优异的高信噪比,可以实现更灵敏、更广泛和更精准的传感与测量。该文基于Förster共振能... 详细信息

在各种生物传感和成像探针中,光响应型探针由于具有高特异性和高灵敏度等优点而被广泛应用。其中,基于能量转移的光学生物传感和生物成像技术具有较优异的高信噪比,可以实现更灵敏、更广泛和更精准的传感与测量。该文基于Förster共振能量转移(FRET)、纳米金属表面能转移(NSET)和等离子体共振能量转移(PRET)3种能量转移过程,介绍了光学生物传感和生物成像技术在疾病研究与治疗领域中的应用范例,可为基于能量转移的光学生物探针的开发和实际应用提供参考。此外,探讨了现有检测方法存在的问题,展望了基于能量转移的光学生物传感器和生物成像技术的前景与未来发展趋势。

关键词：能量转移 FRET NSET PRET 生物探针生物成像分子医学

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基于飞秒激光制备光滑圆弧凹槽阵列的垂直振动驱动液滴定向运输

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中国激光 2024年

作者：谢珂琳项乐李建权肖轶高雪丽刘一凡张亚超顾志祥吴思竹合肥工业大学仪器科学与光电工程学院南通职业大学机械工程学院合肥工业大学智能互联系统安徽省实验室合肥工业大学测量理论与精密仪器安徽省重点实验室

液滴定向运输在生化微量分析、微流控装置和水雾收集等许多应用中至关重要。在各种驱动方法中，如机械驱动、热驱动、电驱动、磁驱动和光驱动，机械振动驱动液滴具有无污染和生物相容性好的优势。然而，在机械垂直振动情况下，关于低表... 详细信息

液滴定向运输在生化微量分析、微流控装置和水雾收集等许多应用中至关重要。在各种驱动方法中，如机械驱动、热驱动、电驱动、磁驱动和光驱动，机械振动驱动液滴具有无污染和生物相容性好的优势。然而，在机械垂直振动情况下，关于低表面张力液滴在图案化结构表面的运输以及液滴微化学反应方面的研究相对较少。本文提出了一种由飞秒激光直写和润滑油注入相结合制备光滑圆弧凹槽阵列(Slippery circular groove array, SCGA)以实现低表面张力液滴定向运输的方法。SCGA是一种结合了宏观尺度圆弧和微观尺度对称梯形凹槽的跨尺度阵列，在表面覆盖润滑油后通过机械垂直振动驱动液滴定向运输。液滴定向运输的物理机制在于周期振动过程中，液滴与SCGA上圆弧两侧接触线的不对称阻力引发了液滴的净位移。在此平台上，我们展示了不同表面张力的液滴的定向运输和液滴微化学反应功能。这些结果表明，我们提出的策略在生物医学应用和液滴操控领域具有巨大的应用潜力。

关键词：飞秒激光加工液滴操控机械垂直振动超滑表面液滴微反应

定向生物合成右旋糖酐T2000的融合酶构建及酶学性质研究

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食品与发酵工业 2024年

作者：蔡宝红张心钰夏冰冰吴元元杨静文张洪斌合肥工业大学食品与生物工程学院

右旋糖酐（dextran）是由α（1→6）键连接的葡萄糖聚合物，不同的分子质量右旋糖酐有不同的应用价值。右旋糖酐T2000是重均分子质量为200万左右的葡聚糖，可以作为食品添加剂使用。作为介质可以分离血液中的各类蛋白，用于医学检测，... 详细信息

右旋糖酐（dextran）是由α（1→6）键连接的葡萄糖聚合物，不同的分子质量右旋糖酐有不同的应用价值。右旋糖酐T2000是重均分子质量为200万左右的葡聚糖，可以作为食品添加剂使用。作为介质可以分离血液中的各类蛋白，用于医学检测，是一种高端多糖产品。目前采用酶法定向合成右旋糖酐T2000的研究报道甚少。该文将来源于肠膜状明串珠菌0326的右旋糖酐蔗糖酶和来源于短杆菌的右旋糖酐酶通过连接肽进行连接，设计构建特异性融合酶，旨在达到一步法定向制备右旋糖酐T2000。并成功在大肠杆菌中得到表达，构建具有双酶活性的融合酶。研究结果得到，融合酶中右旋糖酐蔗糖酶的最适pH值是5.5、最适温度是30 ℃；融合酶中右旋糖酐酶的最适pH值是9.0、最适温度是50 ℃。以0.1 g/mL的蔗糖溶液作为底物，添加终酶活力为5 U/mL的融合酶，在25 ℃，120～180 r/min，反应时间24 h，分离纯化后成功得到重均分子质量为2 000 000 Da左右的右旋糖酐，产率为32.6%。研究结果为高分子多糖的酶法定向制备提供了新的途径。

关键词：右旋糖酐融合表达右旋糖酐蔗糖酶右旋糖酐酶

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基于权重复用的训练加速算法

实验技术与管理 2024年第5期41卷 15-22页

作者：应仰威章洛铭齐炜郑楷周泓浙江大学生物医学工程与仪器科学学院浙江杭州310027

深度学习已广泛应用在科研教学、工业生产等各领域,但因其数据量庞大和模型结构复杂,在模型训练阶段要依赖大量的计算资源。为了能在实验教学环节提升资源利用效率,让学生更加熟练地掌握数据搜集和模型参数调整优化的能力,提出了一种基... 详细信息

深度学习已广泛应用在科研教学、工业生产等各领域,但因其数据量庞大和模型结构复杂,在模型训练阶段要依赖大量的计算资源。为了能在实验教学环节提升资源利用效率,让学生更加熟练地掌握数据搜集和模型参数调整优化的能力,提出了一种基于权重复用的训练加速方法,分别对VGG和ResNet网络结构的深度和宽度进行伸缩拓展,允许模型复用结构相似但不需要完全一致的网络权重。实验结果表明,在CIFAR10数据集上测试,采用权重复用方法进行初始化的训练更快收敛,而且在训练结束时与随机化训练的准确率相近,实现拓展后的网络加速训练,是一种更加灵活的知识迁移方法,有助于培养学生对复杂模型的理解与优化能力。

关键词：卷积神经网络知识迁移训练加速权重复用

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黑豆皮提取物对果蝇结肠炎的保护作用

合肥工业大学学报（自然科学版） 2024年第5期47卷 685-689页

作者：瞿涛肖桂然合肥工业大学食品与生物工程学院安徽合肥230601

黑豆是东方医学中常见的药食同源材料,黑豆皮提取物(black bean seed coat extract,BBSCE)含有高浓度的酚类化合物,具有很好的抗氧化和抗炎症活性。文章采用十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate,SDS)诱导的果蝇溃疡性结肠炎研究BBSC... 详细信息

黑豆是东方医学中常见的药食同源材料,黑豆皮提取物(black bean seed coat extract,BBSCE)含有高浓度的酚类化合物,具有很好的抗氧化和抗炎症活性。文章采用十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate,SDS)诱导的果蝇溃疡性结肠炎研究BBSCE对肠道损伤的防御作用。研究发现,果蝇在SDS暴露实验中,其存活率、攀爬能力以及肠道形态会受到显著影响,肠道屏障的完整性也会受到严重破坏。膳食喂养BBSCE可以有效地减轻SDS暴露对果蝇造成的损害,包括行为学损伤、肠道形态及肠道屏障的完整性。结果表明,BBSCE可以通过改善肠道萎缩和提高肠道屏障的完整性保护肠道免受化合物造成的损伤,可为功能性食品或天然药物的开发提供理论依据。

关键词：果蝇溃疡性结肠炎黑豆皮提取物(BBSCE) 肠道形态肠道屏障完整性

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皮肤肿瘤智能远程会诊系统研究

中国激光 2024年第9期51卷 263-272页

作者：郎中亮张帆吴柄萱邵鹏飞申书伟姚鹏刘鹏徐晓嵘中国科学技术大学生物医学工程学院安徽合肥230026 中国科学技术大学附属第一医院(安徽省立医院)整形外科安徽合肥230001 中国科学技术大学精密机械与精密仪器系安徽合肥230027 +中国科学技术大学苏州高等研究院江苏苏州215123 中国科学技术大学电子科学与技术系安徽合肥230026

远程皮肤病学是缓解偏远地区皮肤专科医生缺乏问题的有效手段,但目前的方法存在适用范围有限、严重依赖远程医学专家及显示不够直观等缺陷。为弥补当前研究不足,设计并搭建了一套皮肤肿瘤智能远程会诊系统,该系统兼具无网络环境下的皮... 详细信息

远程皮肤病学是缓解偏远地区皮肤专科医生缺乏问题的有效手段,但目前的方法存在适用范围有限、严重依赖远程医学专家及显示不够直观等缺陷。为弥补当前研究不足,设计并搭建了一套皮肤肿瘤智能远程会诊系统,该系统兼具无网络环境下的皮肤肿瘤自动筛查和有网络环境下的远程会诊及术前规划功能。性能量化实验结果表明,系统可将虚拟的标注高精度原位投射到成像区域。实验对照结果显示,部署于该系统的深度学习模型在诊断能力上与皮肤科专家相当,并且能够辅助专家更迅速、更精确地做出医疗决策。临床试验进一步证实了该系统的实用性。该系统旨在为医疗资源有限的地区提供帮助,使得当地患者能够进行皮肤肿瘤等多种疾病的早期筛查及治疗.

关键词：医用光学生物技术远程皮肤病学人工智能增强现实原位投影成像