生物医学工程专业基础课程中思政教育探索——以“微机原理与接口计算”课程为例

“微机原理与接口技术”是生物医学工程(BME)重要的计算机专业基础课,其内容多而枯燥乏味,因此在传统的教学过程中,理论知识的讲解往往占用了大量的时间,忽略了课程中所蕴含的爱国主义情怀教育。从“微机原理与接口计算”课程的教学内容中,挖掘相应的爱国主义情怀教育资源,通过与知识点的融合与穿插教学,将爱国主义情怀教育融入生物医学工程专业基础课程的教学过程中。

基于Blinn-Phong技术的颈部弱脉搏振动连续拍照法获取脉搏波信号

目的颈动脉在振动较弱情况下仍保留大多数的主波、潮波、重搏波等完整信息。本文提出通过Blinn-Phong模型放大颈动脉皮肤表面振动的原始信号来获取颈动脉脉搏波。方法在近红外光照明环境中,在颈动脉皮肤上静电吸附一张光滑圆形薄膜片,建立一个局部Blinn-Phong模型。使用相机连续拍摄颈动脉处皮肤振动的图像序列,再通过对图像序列选取感兴趣区域(region of interest,ROI)的像素变化获取脉搏波原始信号。采用带通滤波和经验模态分解与重构算法,最后得到特征点保留完整及周期状态稳定的脉搏波信号。在采集颈动脉脉搏波信号时,同时用一款目前临床使用的接触式动脉血压及血流动力学检测设备TL-400,测量桡动脉脉搏波及心率等生理参数并与实验数据对比。结果在获取的15名弱脉搏受试者的颈部脉搏波信号中,其中13名受试者主波信号可以完全测得,信号周期稳定且特征点明显,潮波和重搏波信号的获取率分别为81%和72%。2名受试者由于体脂过高,获取了较少完整周期的脉搏波。与TL-400设备获取的心率具有一致性,且获取的脉搏波波形与TL-400所获取的波形特征细节及趋势一致。结论本文提出的方法可以获取颈动脉弱振动下,周期稳定并保留大多数潮波和重搏波等特征的完整脉搏波信号,为后续的心率、心率变异性、血氧甚至血压等生理参数的测量提供稳定和可靠的信号源。

负缩镜片设计方法对比

通过对比3种负缩透镜优化设计方法来选择易精密加工、质量减轻和佩戴美观的高度近视镜片。在相同的光学参数下,运用双三次样条插值法、高阶多项式和几何构造法设计了3组-10 m^(-1)的负缩镜片,对比了矢高和光焦度的分布,加工了设计的负缩镜片,比较了3种设计镜片的中心定焦区、最大厚度和边缘厚度。几何构造法镜片中心定焦区面积与双三次样条插值法相同,比高阶多项式大20.99%,最大厚度较高阶多项式法薄0.7%,比双三次样条插值法薄13.26%。同时,几何构造法边缘厚度较高阶多项式法薄80.3%,比双三次样条插值法薄92.42%;双三次样条插值法的中心光焦度与仿真结果的差值为0.06 m^(-1),几何构造法的差值为0.11 m^(-1),高阶多项式的差值为0.15 m^(-1)。几何构造法设计的镜片能够满足佩戴者的需求,亦适用于其他类型光学元件的设计。

光纤灰度分布的高斯函数拟合法测量光纤几何参数

光纤的几何参数影响着光纤的光学传输和机械性能等,是衡量光纤质量的重要指标。近场光分布法是国标GB 15972.20-2008中推荐的几何参数测量方法。该方法在对光纤纤芯的测量中需对光纤通光照明,以区分纤芯和包层的边界。通光的纤芯端面是一个边缘并不清晰的发光亮斑,因而无法准确判断纤芯与包层的真实边缘。本文分析了光纤内光传播模场的分布,理论上光纤模场电磁矢量的解满足贝塞尔函数,但在近似情况下也可以用高斯函数代表光纤模场分布。因此本文利用高斯函数拟合光纤纤芯端面灰度分布,进而由拟合后的高斯函数得到纤芯与包层的真实边缘。本方法是对国标GB15972.20-2008的测量方法的进一步完善。实验测量结果表明,当光纤的切割效果不佳或成像质量较差时,模场灰度分布的高斯函数拟合法仍能保证测量的重复精度和测量数据的稳定性。

权重函数对渐进镜片设计的影响

为了研究权重分布函数对镜片设计的影响,在构建最小化模型的基础上,使用样条插值方法对过渡区域权重函数进行处理,设计了三组连接高权重区域和低权重区域的过渡区域变化快慢不同的权重分布函数.根据不同的权重分布函数设计了相应的渐进多焦点自由曲面镜片,并进行了仿真、加工及评价.实验结果表明权重分布矩阵对镜片光学性能有影响,曲面的平均曲率和主曲率差的过渡区域权重变化越快,镜片的光学性能越优.因此,使用过渡区域较快变化的权重函数有利于降低镜片周边像散、优化镜片光焦度和散光分布.

基于远场可变孔径的贝塞尔函数拟合法求单模光纤模场直径

模场直径作为单模光纤的一个重要参数,远场可变孔径法是GB.15972.45-2008中推荐的测量方法。本文分析了单模光纤中传播光场的分布,其中光场的模式行为是亥姆霍兹方程的解,理论上应满足贝塞尔函数。对此,本文基于远场可变孔径法提出一种利用贝塞尔函数拟合光纤出射光场分布,进而由拟合得到的模场分布曲线计算模场直径。与目前常用的远场可变孔径法相比,在测量数据正常时,本方法与常用方法测量精度相当。当测量数据存在误差时,本方法仍能保证测量结果的稳定性与准确性。

任意椭圆函数拟合法测量光纤几何参数

无论是通讯光纤还是医用光纤,光纤的几何参数总是评价其质量的重要指标。灰度法是国标GB15972.20-2008中的建议方法,但该方法在拟合过程中会出现拟合圆与椭圆的中心不重合,存在测量原理上的缺陷。且当光纤的切割效果与照明条件发生改变时,往往导致测量数据的不稳定并带来误差。本文用更符合光纤端面实际的任意椭圆函数(非标准椭圆),且仅用这一种函数拟合的方法求取光纤几何参数,从而从根本上消除由圆拟合与椭圆拟合的中心不一致带来的原理缺陷。同时,由于在计算各个参数时不需要图像分布灰度的具体值,从而降低了对测量条件的要求。实验表明,本文方法能有效提高仪器测量结果的稳定性和一致性。

基于小波及改进Canny算子的光纤涂覆层几何参数测量

光纤涂覆层对光纤的性能有较大影响。在涂覆层几何参数的测量过程中,由于涂覆层的切割过程易产生较大形变,而且往往造成边缘模糊,因此直接对其进行边缘拟合求几何尺寸的方法会造成较大误差。使用小波阈值法去除图像高频信号中的噪声部分,保护边缘信息,使用自适应阈值的Canny算子提取有效边缘,利用可变的半径限制在形变较大的情况下区分边缘,最后通过函数拟合求取几何参数。以一次涂覆层直径为例,仪器测得直径为185.298μm,重复测量精度为0.112μm,当切割条件不好时,仪器测量值变为184.516μm,测量精度变为0.198μm。该方法前后测量值为184.599、184.613μm,测量精度分别为0.054、0.075μm,实验对比表明,该方法有效提高了光纤涂覆层几何参数测量的准确性与稳定性。

从颈部多帧图像序列获取脉搏波信号

脉搏波是表征人体生理状况的重要指标,基于成像式的非接触式脉搏波检测技术在医疗健康领域具有重要的研究意义。鉴于目前非接触式获取脉搏波的方法存在波形细节丢失的缺点,提出一种利用近红外光源照明,多帧连续照相颈动脉搏动来获取脉搏波信号的方法。实验中,在波长为850nm的光源照明环境下,由工业级近红外相机远距离拍摄颈动脉搏动引起的表皮振动。选取感兴趣区域后提取到原始脉搏波信号,进而利用极大重叠离散小波变化对信号进行滤波处理,最终得到保留细节特征的脉搏波。对不同受试者的测量结果显示,方法获得的波形可以观察到主波、潮波及重搏波等特征,对于非接触式获取脉搏波具有重要的参考价值。

基于远场可变孔径的高斯函数拟合测量模场直径

模场直径作为单模光纤的一个关键参数,由基模的模场分布而决定。单模光纤基模的横向电场强度分布接近于高斯分布。通过远场可变孔径法能测量出一组多孔径远场辐射光功率数据。本文将此数据转化得到光纤的出射光场分布,并使用高斯函数对出射光场分布进行数值拟合校正,最后由拟合得到的高斯函数分布求得模场直径。实验表明,标准仪器在测量条件良好条件下测得模场直径为9.090μm,在测量条件变差时测得的模场直径为8.794μm,存在3.2%的相对误差,而使用高斯函数拟合方法测得的前后模场直径数据为9.089μm、9.061μm,仅存在0.3%的相对误差。对比多次数据后发现本文方法可以有效消除在实际测量过程中的偶然误差,如由于被测光纤模场中心与透光孔中心偏离引起的测量误差,提高了模场直径测量结果的稳定性和准确性。

基于遗传算法的非球面眼镜片设计

为降低眼镜片的像散和畸变,获得更好的视觉效果,采用多目标优化遗传算法设计非球面眼镜片。非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ算法)随机生成多组前弯和非球面系数后,采用光线追迹计算像差大小,通过模拟自然选择的过程对参数进行优化,再结合实际生产情况确定最终的设计结果。通过仿真和加工测量的手段对−8 D(1 D=1 m^(−1))镜片的设计进行验证,所得的球镜光焦度分布情况与仿真结果一致。与球面透镜相比,所采用的方法可以显著降低非球面眼镜片的像散、畸变和边缘厚度。

近红外荧光标记抗体芯片法检测血清中的AFP

肝癌的发病率和死亡率逐年上升,寻找提高肝癌早期筛查和诊断的有效方法是降低死亡率的重要途径,通过定量检测血清中甲胎蛋白(AFP)是实现肝癌早期筛查和诊断的重要辅助手段。常用的AFP检测方法具有成本高、检测时间长、不适于大规模人群的筛查等缺点,本文采用基于激光共聚焦原理的生物芯片扫描仪和近红外荧光标记抗体芯片相结合的方法,实现AFP的定量检测,并与常用的罗氏电化学发光免疫分析方法检测患者样本中AFP含量进行比较,结果表明,二者之间具有高度相关性。

分段多项式拟合法测量光纤几何参数

光纤几何参数是影响光纤性能的一个重要指标。灰度法为光纤几何参数测量的一种常用方法,测量时需要对光纤通光照明以区分纤芯和包层。由于光并不完全集中于纤芯传播(部分光在包层中传播),导致纤芯与包层的界面难以区分。为了准确找出纤芯边缘,本文利用两段多项式分别拟合纤芯和包层区域的光强灰度分布,求得两段多项式的交点对应的灰度值作为纤芯和包层的分界点,从而得到纤芯的边缘数据。利用分段三次Hermite插值对测量数据进行矫正,降低误差点对拟合的影响。通过对两组成像质量不同的光纤端面图像进行测量,用标准仪器先后测得纤芯的直径和不圆度为10.068μm、0.616%和10.397μm、0.766%,本文方法的测量值为9.999μm、0.716%和10.020μm、0.857%。实验表明,本文方法对光纤几何参数的测量具有较好的准确性和稳定性,而且从理论上讲,本文方法较之常用的灰度法更具有物理意义和测量原理上的合理性。

基于近红外荧光标记蛋白芯片的多肿瘤标志物联合定量检测技术

为了有效降低恶性肿瘤的死亡率,提高肿瘤筛查的普适性、稳定性和灵敏度,建立了近红外荧光标记蛋白芯片的多肿瘤标志物联合定量检测系统。对该系统的近红外荧光标记蛋白芯片免疫分析原理和用于蛋白芯片扫描分析的生物芯片扫描仪进行了研究。采用双抗体夹心的近红外荧光法检测,在固相载体上包被多种肿瘤标志物抗体,捕获被检者血清中对应肿瘤标志物的抗原,再结合生物素标记的二抗,并与近红外荧光标记的链霉亲和素结合,利用专门研制的生物芯片扫描仪进行扫描分析,进而获得被检者血清中肿瘤标志物含量的生物信息。最后,利用该检测系统和罗氏电化学发光免疫分析仪对10例样本血清中4项肿瘤标志物进行检测。实验结果表明,两仪器对肿瘤标志物CA125、CEA、CA19-9、AFP检测的线性相关系数分别为0.995、0.992、0.991和0.990。近红外荧光标记蛋白芯片的多肿瘤标志物联合定量检测系统可实现多人份多项肿瘤标志物的一次性检测,结果与罗氏单人份单指标检测结果高度相关。

利用数据库技术的近红外消光法颗粒粒度测量

为了实现在近红外波段测量介质中颗粒的粒径,提出了一种基于消光光谱结合数据库技术的颗粒粒径反演方法。首先通过全散射消光的Lambert-Beer定律计算生成与颗粒粒径大小及分布相关的消光光谱数据库,然后用数据库处理算法比较数据库中数据与实测颗粒消光光谱数据,两者最佳吻合所对应的数据库中颗粒粒度及分布参数即为所求值。分别对颗粒的单峰和双峰粒度分布进行数值仿真,仿真结果的体积频率分布的相对均方根误差小于10%。利用3种不同粒度的国家标准颗粒进行实验验证,实测得到粒径D50的相对误差均在10%以内,仿真及实验对所提算法的验证得到了满意的结果。研究表明,将数据库技术及算法应用于近红外窄波段消光法颗粒粒度的测量是可行的和有效的。

基于圆锥曲线参数方程的渐进多焦点镜片设计

在渐进多焦点镜片(PAL)的直接设计法中,光焦度轮廓分布对镜片的光学性能至关重要。在子午线上同一曲率变化的基础上,引入不同圆锥曲线方程来描述镜片光焦度轮廓分布。利用椭圆、双曲线、抛物线和圆的定义设定镜片内表面子午线上每个点曲线的离心率以及开口大小。根据圆锥曲线分布情况加入偏移量,实现远近视区视配点可视区宽度调整。设计、仿真和加工了4块镜片。结果表明,基于双曲线方程计算得到的渐进多焦点镜片的周边最大像散大于1倍加光度(ADD),而基于椭圆方程、圆方程和抛物线方程计算得到的渐进多焦点镜片周边最大像散小于1倍ADD,光学性能更好。当定焦区较大时,基于椭圆方程设计得到的镜片定焦点可视区宽度最接近理论值;当定焦区较小时,基于圆方程设计得到的镜片定焦点可视区宽度最接近理论值。所提方法可为渐进多焦点镜片的优化设计提供新的方案。

基于近红外窄波段光源的消光光谱粒径测量

提出一种基于连续透射消光光谱的粒径测量方法。基于Mie散射理论和人工蜂群算法对颗粒粒径进行反演,结果表明,单峰分布时颗粒的体积频率分布曲线相对均方根误差(RRMSE)低至0.08%,双峰分布时颗粒的体积频率分布曲线RRMSE低至3.49%。用编号为GBW120134、GBW120024和GBW120041的聚苯乙烯乳胶标准颗粒进行了对比实验。结果表明,单峰分布时D50粒径的相对误差在10%以内,双峰分布时D50粒径的相对误差在20%以内。

基于多区域主频增强方法获取颈部的弱脉搏信号

基于图像的非接触式获取脉搏波的方法具有重要的临床实用价值。在正常情况下,人体颈动脉的搏动会引起颈部皮肤肉眼可见的微小振动,通过振动图像的获取及信号处理可以得到脉搏波。然而,临床中部分患者存在颈动脉搏动较为微弱的情况,此时需要有针对性的图像和信号处理方法。本课题组提出了在弱脉搏情况下获取脉搏波的方法,即:在近红外光源的照明环境中,用近红外相机连续拍摄颈部皮肤得到其振动的图像序列;然后从图像序列的感兴趣区域内得到原始信号,再用滤波和多区域主频增强方法对信号进行处理,最终得到期望的脉搏波信号。实验结果表明,所提方法获得的脉搏波周期状态稳定,并且保留了70%左右的潮波特征和50%以上的重搏波特征。本文所提方法可以在人体颈部微弱振动状态下获得保留细节的完整的脉搏波信号。