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基于RGB-NIR滤波阵列的引入权重系数的加权引导滤波去马赛克方法

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光子学报 2024年第9期53卷 40-50页

作者：吴鑫徐宝腾刘家林周伟杨西斌中国科学技术大学生命科学与医学部生物医学工程学院(苏州) 苏州215163 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所苏州215163

针对RGB-NIR传感器多光谱成像技术中的去马赛克问题,提出了一种引入权重系数的加权引导滤波去马赛克算法。算法以残差插值为框架,引入加权引导滤波代替引导滤波,通过边缘感知权重因子实现对边缘的检测,提高引导滤波在边缘处的性能。算... 详细信息

针对RGB-NIR传感器多光谱成像技术中的去马赛克问题,提出了一种引入权重系数的加权引导滤波去马赛克算法。算法以残差插值为框架,引入加权引导滤波代替引导滤波,通过边缘感知权重因子实现对边缘的检测,提高引导滤波在边缘处的性能。算法使用G通道图像作为引导图,首先进行G通道图像的插值,然后通过加权引导滤波的方法插值出R、B、NIR通道的图像。此外,为了解决在引导滤波中计算线性系数时采用简单的平均值的问题,引入权重系数,并通过加权平均的方式计算得到更准确的线性系数。在TokyoTech数据集以及实际器件上测试了该算法。在数据集的实验上,提出的算法比现有的高性能算法在彩色图像和红外图像上峰值信噪比分别高0.38 dB和0.88 dB;在实际器件实验中,不论是在红外光源打开还是关闭的情况下,所提出的算法在多个场景下表现出最低的平均NIQE指标。此外,在红外光源变动前后,提出的算法所得到的图像的平均NIQE变化也是最小的。实验结果表明,该算法的性能优于对比的算法,并且拥有更好的鲁棒性。

关键词： RGB-NIR 去马赛克加权引导滤波权重系数鲁棒性

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光敏剂的转化与创新

中国激光 2024年第9期51卷 114-130页

作者：刘开宁李睿刘仁发戴志飞北京大学未来技术学院生物医学工程系北京100871 南开大学生命科学学院天津300071

以光敏剂为基础的光动力疗法已被确定为许多肿瘤、皮肤性疾病、血管性疾病等适应证的安全治疗方式。在近些年的研究中,卟啉类光敏剂、二氢卟吩类光敏剂等均投入临床使用,酞菁类光敏剂、稠环醌类光敏剂等均已开展临床研究。但是,光动力... 详细信息

以光敏剂为基础的光动力疗法已被确定为许多肿瘤、皮肤性疾病、血管性疾病等适应证的安全治疗方式。在近些年的研究中,卟啉类光敏剂、二氢卟吩类光敏剂等均投入临床使用,酞菁类光敏剂、稠环醌类光敏剂等均已开展临床研究。但是,光动力疗法在临床转化中还面临着诸多问题,如有限的穿透深度、较低的溶解度、暗毒性、对氧气浓度的高度依赖等,新型的安全高效的光敏剂亟待被进一步开发,以实现高度特异性微创治疗。目前,新型光敏剂的研发主要聚焦于靶向修饰和智能纳米药物递送体系以及可激活/响应型光敏剂、耐乏氧肿瘤微环境的Ⅰ型光敏剂、适应深层实体瘤治疗的光敏剂等。此外,超声激发的声动力治疗也为光敏剂的临床应用开辟了新思路。随着新型光敏剂的开发与转化,将会有更多的光敏剂药物被应用于临床实践,为癌症和其他疾病患者带来福音。

关键词：医用光学光敏剂光动力疗法临床应用

基于主成分分析的多重定量PCR荧光串扰校正

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光谱学与光谱分析 2024年第4期44卷 1151-1157页

作者：王鹏王振亚汪舜张杰张哲杨天航王弼陡罗刚银翁良飞张翀宇李原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工程化研究中心江苏苏州215163 重庆国科医创科技发展有限公司分子诊断中心重庆400700

聚合酶链式反应(PCR)是分子生物学常用的检测手段,主要用于对生物的DNA或RNA进行检测。由于荧光光谱重叠和滤光片过滤带宽限制,检测时所获得的荧光数据通常会包含荧光通道之间的串扰,串扰的存在使PCR结果分析变得复杂,并可能影响最终的... 详细信息

聚合酶链式反应(PCR)是分子生物学常用的检测手段,主要用于对生物的DNA或RNA进行检测。由于荧光光谱重叠和滤光片过滤带宽限制,检测时所获得的荧光数据通常会包含荧光通道之间的串扰,串扰的存在使PCR结果分析变得复杂,并可能影响最终的检测结果。选择合适的光学元件,并确定通道间的补偿矩阵,可以降低甚至消除荧光串扰。目前荧光补偿矩阵大多通过迭代计算获得,还没有一种简单的方法可以从混合的多通道荧光数据中找到荧光补偿矩阵。为了快速获得荧光补偿矩阵,减小计算量,采用主成分分析法(PCA)中确定主成分的方式,基于搭建的测试平台进行单一染料实验,获得染料的荧光信号在各个检测通道的分布情况,计算得到荧光补偿矩阵。通过分析补偿矩阵,发现对于搭建的硬件系统,Cy5染料对Cy5.5通道串扰较大,串扰比例为8.76%,同时Cy5.5染料对Cy5通道串扰影响也相对较大,比例约为6.2%;其次是ROX染料对HEX通道串扰,比例约为2.68%;HEX染料对FAM通道串扰,比例约为1.58%;FAM染料对HEX通道串扰相对较小,比例约为0.25%,其余通道无明显串扰,与荧光光谱反映的结果一致。采用得到的荧光补偿矩阵对单一染料实验得到的原始荧光数据进行处理,有效去除了非目标通道的荧光串扰,实现了荧光通道数据的解耦,验证了方法的可行性。最后设计了染料颜色分辨实验,将不同浓度的多种染料进行组合测试,并采用所提出的方法将得到的数据进行荧光补偿。实验结果表明,荧光通道各自的线性相关性较高,五个荧光通道的线性相关系数r均大于0.99,该结果进一步验证了该补偿方法的有效性。

关键词：聚合酶链式反应(PCR)检测光谱分析主成分分析多重荧光检测荧光串扰荧光分离

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基于脑机接口的功能性电刺激研究综述

生物医学工程学杂志 2024年第4期41卷 650-655页

作者：王瑶李雨涵崔红岩李萌陈小刚天津工业大学生命科学学院天津300387 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

中枢神经系统损伤导致的运动功能障碍个体无法将自主运动的命令传递给肌肉,进而导致控制四肢的能力下降,而传统的康复手段存在治疗周期长且人工成本较高等问题。基于脑机接口(BCI)的功能性电刺激(FES)将患者意图与肌肉收缩联系起来,通... 详细信息

中枢神经系统损伤导致的运动功能障碍个体无法将自主运动的命令传递给肌肉,进而导致控制四肢的能力下降,而传统的康复手段存在治疗周期长且人工成本较高等问题。基于脑机接口(BCI)的功能性电刺激(FES)将患者意图与肌肉收缩联系起来,通过识别神经信号并对运动肌肉群进行电脉冲刺激以产生肌肉抽搐或肢体运动,有助于促进神经功能的重建,是脑卒中、脊髓损伤等神经系统疾病后遗症的有效治疗方法。本文从脑机接口范式、功能性电刺激参数以及康复疗效三个方面对基于脑机接口的功能性电刺激研究现状进行梳理,并对未来该项技术的发展趋势进行展望,以期增进对基于脑机接口的功能性电刺激系统的理解。

关键词：脑机接口功能性电刺激脑电图神经康复

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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

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

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

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

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高通量单分子定位显微成像技术进展(特邀)

激光与光电子学进展 2024年第6期61卷 72-86页

作者：林昭珺常桓梽李依明南方科技大学生物医学工程系广东深圳518055

由于衍射极限的存在,传统的光学成像手段无法观测细胞器结构及细胞器之间的相互作用。单分子定位显微成像技术作为三种超分辨技术中分辨率最高的成像技术,为生命科学领域的研究提供了重要手段。大视场高通量单分子成像技术具有分辨率高... 详细信息

由于衍射极限的存在,传统的光学成像手段无法观测细胞器结构及细胞器之间的相互作用。单分子定位显微成像技术作为三种超分辨技术中分辨率最高的成像技术,为生命科学领域的研究提供了重要手段。大视场高通量单分子成像技术具有分辨率高、成像范围大和成像时间短等特点,在生物医学领域广泛用于观察和分析复杂的生物结构和功能。从基于硬件扫描的拼接成像技术、基于大面阵sCMOS的大视场高通量成像技术、大景深单分子定位成像技术、高通量数据分析技术4个方面回顾近年来大视场高通量单分子定位技术的研究进展。最后,对大视场高通量单分子定位成像技术的发展方向进行展望。

关键词：高通量大视场单分子定位显微镜超分辨成像