基于主成分分析的多重定量PCR荧光串扰校正

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。

用于荧光显微技术的多波长激光耦合系统

为了满足荧光显微镜技术对多波长单模耦合输出激光的需求,研究了400~680 nm内多波长激光耦合进单模光纤的技术,设计了三片式耦合透镜组很好地消除了不同波长耦合时的色差以提高耦合效率,同时考虑光纤耦合调试难度大的问题,设计了能快速简单完成耦合调节的耦合光纤部件结构以及耦合调试的方法,通过实验测试荧光成像常用的4种波段激光(405,488,561,638 nm),耦合效率均大于65%。实验结果达到了较高的光纤耦合水平,证明该多波长激光耦合器性能优异。同时,由于耦合器装调简单且成本低,本文的工作具有进一步商业化的价值,且为多波长单模耦合激光器国产化打下了坚实的基础。

多孔腔镜手术机器人手术器械风险评估及可靠性分析

多孔腔镜手术机器人是用于开展腹腔微创手术的机器人系统,其中手术器械是与患者身体直接接触的部分,因此其重要度、安全要求极高。同时,因手术器械具有构型复杂、装配工序多等特点,其风险评估和可靠性研究一直是行业内一个难以解决的问题。首先,借助故障模式与影响分析(FMEA)工具,对某款典型手术器械进行了风险分析。其结果表明,机构钢丝-滑轮结构故障发生率较高且危害较大。其次,通过设计钢丝-滑轮结构寿命试验对比分析了不同材质和结构钢丝绳的寿命。试验结果表明,用钨制作的8×19+7×7结构钢丝绳具有最高的使用寿命。然后,通过拟合预紧力与疲劳寿命映射关系,获得钢丝-滑轮机构的疲劳寿命曲线。最后,通过对钨钢丝绳试验结果进行可靠性分析,可求得其疲劳寿命P-S-N曲线图,为钢丝绳使用期限评价和后续风险控制提供了一定的指导。

激光共聚焦近红外荧光扫描系统光学设计

为了实现对近红外荧光的高分辨率扫描,设计了工作在近红外光谱区的激光共聚焦光学系统。采用结构简单的凹凸双透镜物镜实现了照明光路和发射光路的设计,并采用Zemax软件进行了光学设计和仿真。实验表明:照明光路的聚焦弥散斑小于1μm,照明针孔处的聚焦光斑小于40μm,满足照明针孔的尺寸要求;发射针孔处的聚焦光斑小于10μm,满足探测针孔尺寸要求;同时照明光路和发射光路的MTF曲线的截止频率都分别满足其衍射极限分辨率的要求,照明光路在全视场空间分辨率420lp/mm处MTF>0.08,发射光路在全视场空间频率400lp/mm处MTF>0.07。

结构光数字栅线法对物体三维形貌的高精度测量

为了对物体的微观三维形貌进行高精度测量,开发了基于结构光的数字栅线三维纹理测量系统,该系统利用解位相的方法进行物体三维高度信息的计算。首先对相位主值的计算,采用了4步等步长相移法采集16幅等步长的相移图像,分成4组分别计算相位主值,再求其平均值作为最终的相位主值。为了滤除噪声及投影仪、CCD相机畸变等各种影响,对采集的条纹图像采用了自适应维纳滤波和小波多阈值方法进行预处理;其次对于位相展开,提出了基于多频的梯度导向相位展开算法,能够有效避开相位间断点,具有稳定的展开结果。实验结果表明,此系统所使用的方法在条纹图的P0=22.7mm-1时,获取的三维信息分辨率为2.75μm,高度信息精度优于0.5μm,同时具有测量快速,操作简单,无接触等特点,能够满足高精度的微观三维形貌测量的要求。

可见近红外波段无人机载成像光谱仪设计

为了满足地物成像光谱分析的需要,设计了同轴安装、体积小、重量轻的适用于无人机载的棱镜-光栅-棱镜型可见近红外成像光谱仪.通过角放大率选择、光焦度分配、相对孔径计算设计了视场较大的前置物镜;通过光栅方程求解、体相位全息光栅布拉格条件约束、棱镜折射定律设计了光谱系统的初始结构;通过工作光谱上下限出射角与探测器光谱维宽度的关系确定了成像物镜的焦距;通过出射光角度明确了出射光谱的非线性.设计的无人机载成像光谱仪工作光谱范围为400~1 000nm,视场角为40°,全工作波段在空间截止频率20.8lp/mm处的传递函数值均大于0.67,光谱分辨率小于3nm.装调了无人机载成像光谱仪对室外绿化树木进行光谱推扫成像实验,实现了树叶的多光谱成像.该成像光谱仪能够有效实现光谱成像,性能良好.

基于DSP的血型图像判读系统

为了减少人眼判读对血型分析结果的人为因素干扰,设计了自动血型图像判读系统。对该系统所采用的硬件组成和软件识别算法进行研究。采用DSP芯片、SDRAM芯片、FLASH芯片、图像编码芯片、图像解码芯片、U盘/SD卡读写芯片等设计了本系统的硬件;采用灰度变换、平滑滤波、模板匹配、阈值处理、颜色分量提取等算法设计了本系统的软件识别算法。实验结果表明:本系统采用的算法可以有效地分割出血型卡中的微柱小管,并实现红细胞分布的有效识别;同时,采用颜色分量提取的方法可以有效地区分血型卡的种类。本系统基本满足血型图像自动判读的要求。

Offner型消热差中波红外成像光谱仪设计

为了满足中波红外光谱分析的需要,设计了Offner型中波红外成像光谱仪。在分析红外系统消热差方程的基础上,明确通过选择不同热特性材料的合理组合可以设计出合理的消热差光学结构;在分析Offner结构原理的基础上,建立了一种简化的初始结构求解过程以及采用光学仿真软件进行优化的设计方法。最后,利用该方法设计了工作波段为3~5μm的推扫式成像光谱仪,并进行了一体化消热差设计,工作温度范围为-40~100℃,全视场范围内的弥散斑小于30μm,调制传递函数值在空间截止频率16.7 lp/mm处均大于0.35,光谱分辨率小于15.6 nm,具有较好的光谱分光性能。

基于单光子计数的半自动化学发光免疫分析仪的研究

研究了一种基于单光子计数技术的新型半自动化学发光免疫分析仪。利用光电倍增管(PMT,Photomultiplier)作为微弱荧光的检测元件,采用单光子计数技术来测量微弱荧光光强,并且使用自主设计的测量暗室和聚光光路来提高光子采集效率。以浓度为3mIU/ml的卵泡刺激素(FSH)为例,分别用不加聚光光路、单独加抛物面反射器、加了聚光光路测量其反应后的光子数值,所得光子数平均值分别是91 610.8、115 307.4、149 500.8,单独加抛物面反射器和加上聚光光路后的光子采集效率比不加聚光光路时分别提高了25.86%和63.19%。设计的新型半自动化学发光免疫分析仪采用自主研发的测量暗室和聚光光路,极大的提高了测量结果的准确性。

近红外荧光扫描用共聚焦光学系统设计

为了实现近红外荧光的高分辨率扫描,设计了用于近红外荧光扫描的激光共聚焦光学系统。采用复消色差显微物镜结构设计了物镜,采用凹凸双透镜结构设计了点光源光路和照明光路,采用柯克物镜结构设计了发射光路,并采用ZEMAX软件进行了光学设计和仿真。实验表明:物镜的数值孔径为0.42;点光源光路的焦点弥散斑小于0.2μm,将圆形光斑激光很好地转换成了点光源,其离焦弥散斑的直径小于40μm,满足照明针孔的尺寸要求;照明光路的焦点弥散斑小于1μm,且焦点弥散斑的能量在2μm范围内超过了83%,因此焦点光斑的能量集中度很高;发射光路的离焦弥散斑的直径小于100μm,满足照明针孔的尺寸要求;同时照明光路和发射光路都具有较高的光学传输效率。该激光共聚焦光学系统具有数值孔径较大、工作于近红外光谱区、分辨率高的优点。

无阀式微量泵的结构设计及有限元分析

为了实现医疗仪器对反应试剂加样的高精度要求,研究一种采用无阀式柱塞结构的微量泵。对其机械结构和运动学方程进行了详细描述,并且针对不同材料的柱塞进行了有限元分析。实验结果表明:该微量泵具有极高的加样精度,在加样量20μL时的变异系数小于1%。

时间Petri网在即时检验流程建模中的应用

针对即时检验系统的设计与开发建模问题,提出一种基于时间Petri网的并发系统建模分析方法,为即时检验流程设计建立较为准确的信息化模型。通过将活动持续时间概念引入Petri网模型中,提出了适用于即时检验系统建模的时间Petri网建模方法,并设计了嵌入Petri网模型中的调度仿真器协助分析、优化即时检验控制过程。仿真实验结果表明所提出的时间Petri网建模方法在可达节点和运行时间等方面能够满足并行多类别即时检验调度与控制系统的流程建模实际需要,为流程仿真和分析提供有力工具,从而辅助系统设计者对即时检验系统进行优化。

协调决策理论在门诊资源分配调度中的应用研究

目的优化病人就诊时间不确定环境下的门诊资源分配调度方案。方法建立门诊资源拍卖品模型,提出病人局部决策和协调中心协调两种数学模型。结果基于协调模型设计得到了包含局部优化竞标算法、优胜者判定与价格调整算法的协调决策方法。结论提出的一对多协商决策模型,能够清晰有效地描述同时存在未预约就诊和预约取消的病人就诊时间不确定等门诊资源分配问题,对优化门诊诊疗资源配置提供支持。

基于ARM的双色近红外荧光扫描系统

由于扫描样品的多样化,样品的发光点并不一定在焦平面上;双色近红外荧光扫描分析可以实现数据对比以及准确的量化分析。因此,设计基于激光共聚焦原理的ARM控制、三维移动、双色近红外荧光扫描的系统。采用STM32F407作为主控板,THB7128芯片作为x,y,z三轴步进电机的驱动,可以实现快速定位和精准扫描。信号采集电路由H11461-03型号的侧边PMT,以OPA686芯片作为运放的电流-电压转换和放大电路,LM747H芯片构造的二阶巴特沃斯低通滤波电路以及ADS8320采样电路组成。系统的背景噪声实验结果显示信号范围在0.075~0.2 V之间,且数值较低、变化平稳。

激光扫描共聚焦光谱系统设计

为提高激光扫描共聚焦显微镜光谱模块的分光性能,设计了双Amici棱镜光谱结构。根据棱镜色散特性,计算得到Amici棱镜和双Amici棱镜的线性与非线性数学模型,给出直视型棱镜结构参数。比较相同色散条件下Amici和双Amici棱镜结构,得到双Amici棱镜组能提供更好的色散线性度。在光谱波段400~700 nm,中心波长偏向角为0°,最大色散角为4°,光谱分辨率为5 nm的条件下,利用双Amici棱镜结构设计共光轴直视型分光系统。用双Amici棱镜结构和单棱镜对比,进行了光谱分布实验。实验结果表明,双Amici棱镜组的色散线性度明显优于单棱镜,大大改善了因棱镜非线性分光特性对荧光成像光谱分辨率的影响。同时,将双Amici棱镜结构设计进共聚焦光谱成像模块中,对牛肺动脉内皮细胞切片进行了三通道荧光成像,得到了高质量的多通道荧光图像。

基于ARM的荧光定量分析仪设计

针对检测人体血液中或体液中的C反应蛋白,设计了一种基于ARM处理器、免疫层析技术和时间分辨荧光免疫分析原理的荧光定量分析仪。仪器采用STM32F103为主控芯片,以紫外光为激发光扫描试纸条,通过光电传感器接收标记物受激发出的荧光信号并转换为电信号,经信号处理电路处理后传给STM32对数据进行处理和存储。以市场购得的浓度为4.74mg/L的质控品为待测液进行2组实验,每组测量5次,其相对标准偏差分别为4.56%和3.58%,均小于5%。实验结果证明,仪器系统运行稳定、重复性好,能满足人们日常检查C反应蛋白的需求。

一种具监测功能的高精度微量移液器的设计

目的针对全自动临床检验仪器传统移液方式的精度以及可靠性限制问题,设计一款带有液面监测功能的高精度微量移液器。方法基于气动置换技术,以STM32微处理器为主控芯片,通过实时检测移液器内部压力变化,实现了液面探测、吸样异常监测等功能。采用位置-速度双闭环PID算法实现对直线步进电机的精确定位,提高样本吸取的准确度。最后,通过移液过程监测实验和吸样精度验证实验,验证了设计的微量移液器的液面探测功能、吸样异常识别功能及吸样精度。结果该微量移液器移液精度较高,移液误差较小,重复性较好,并能实现移液的全过程监测。结论本文设计的微量移液器满足JJG646—2006国家标准设计规范,适用于全自动临床医疗检验仪器。

Dyson型流式细胞光谱分析系统设计

为满足流式细胞分析仪对多荧光波长同时快速分析、小体积的需求,通过分析Dyson分光结构的特点,给出了流式细胞光谱分析系统的设计方法。并据此方法设计了一种Dyson型流式细胞光谱分析系统,工作光谱范围为400nm^800nm,在工作光谱范围内的弥散斑基本都在24mm的像素尺寸之内,在空间截止频率21lp/mm处的传递函数值都在0.8以上,光谱分辨率小于3nm,且整体尺寸为83.54mm×85.60mm,具有良好的光学性能和较小的体积,满足流式细胞荧光光谱分析的需要。该系统的突出创新点是Dyson分光结构和高速高灵敏度EMCCD探测器在流式细胞光谱分析中的应用。

浅析脱硫石膏的烘干煅烧设备及其生产工艺

本文介绍了一种脱硫石膏进行预烘干及煅烧后得到优质β半水石膏的设备及其生产工艺。该设备能将煅烧滚筒内的煅烧废气再利用作为预烘干滚筒的热源,实现废气热能的二次利用,降低了废气的含尘量,提高了半水石膏的品质,大大节约了生产成本。此生产工艺已获国家知识产权局授权发明专利,专利号为:ZL201310214297.7。

全自动配血系统用试剂卡离心机的设计

针对目前没有适用于全自动配血系统的试剂卡离心机的问题,提出了一种采用交流伺服电机和采用Atmega128L芯片设计离心机控制主板设计离心机的方案。