RGB图像高光谱重建的组织血氧饱和度评估

组织血氧饱和度(StO_(2))是检测组织和血液中血液灌注和血液氧合变化的重要指标,在临床及日常监测中具有重要意义。高光谱成像以其非接触、光谱信息丰富等优点,成为一种评估StO_(2)的新兴手段,然而高光谱成像设备造价昂贵且操作复杂,限制了其使用环境及发展。传统工业相机获取皮肤组织的RGB图像空间分辨率高、但其光谱分辨率低,若能提高光谱分辨,则其实现高精度生理参数测量成为可能。提出了一种基于RGB图像高光谱重建的StO_(2)评估方法。该方法基于深度学习方法构建了从RGB图像到皮肤组织高光谱图像的重建模型,获得了高物理可靠性皮肤组织高光谱图像,并利用改进的朗伯比尔模型,实现了区域StO_(2)评估。采用普通可见光相机与高光谱相机通过捆绑实验同时采集了49位受试者处于不同血液灌注状态下手部的RGB图像与高光谱图像作为数据集。在对高光谱图像进行降维去噪的基础上,根据含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白的特征光谱选取了450~600 nm(含31个光谱通道)波段作为重建光谱波段,构建了基于深度学习的皮肤组织高光谱重建神经网络模型。实验结果表明,重建模型获得的皮肤反射光谱与高光谱相机直接采集的反射光谱曲线具有较高的一致性,测试集中二者的平均绝对误差(MAE)为0.00938,均方误差(RMSE)为0.01481。之后对重建模型得到的区域StO_(2)测量结果与高光谱相机得到的测量结果二者的相似性进行了定量评估,测试集样本中两种方法生成StO_(2)空间分布图的二维相关系数均处于可靠范围内(大于94%),表明了本文提出的基于可见光图像高光谱重建的StO_(2)评估方法具有较高的可靠性。该研究利用普通彩色相机实现了区域StO_(2)评估,为各种疾病的临床诊断和监测提供了一种简单低成本的StO_(2)监测方法。

基于经验模态分解的两种混合氨基酸太赫兹光谱分析研究

L-苯丙氨酸和L-酪氨酸在合成神经递质和激素的过程中起到了重要的作用。这两种氨基酸具有极为相似的分子结构,但在生物功能上却具有明显区别。前人的研究表明,这两种氨基酸在低频振动上存在显著差异。近年来,太赫兹(THz)光谱学技术作为研究生物分子低频动力学的有效手段被广泛应用,通过太赫兹光谱对氨基酸进行研究,对进一步了解蛋白质和相关生物活性具有重要意义。多变量校准方法已成功应用于太赫兹多组分光谱数据定量分析研究中。然而,传统校准技术由于仅在光谱和目标之间建立单个模型预测未知样品,其预测性能有时仍不尽人意。因此,具有更好精度的集成建模方法(ensemble modeling method)应运而生。集成建模的基本概念是组合多个单独模型的优势以产生更好的预测结果。由黄锷博士提出的经验模态分解(EMD)的方法,可以将信号自适应地分解为一系列的本征模式函数(IMF),成功地应用于信号和光谱处理中。基于该方法的信号分析也已在太赫兹波段开始使用。然而,在对物质进行定量分析的过程中,目前还没有报道基于EMD方法的太赫兹光谱偏最小二乘(PLS)回归的相关工作。提出了一种基于PLS的EMD分析,并对不同浓度氨基酸混合物的太赫兹光谱进行了定量研究。具体而言,原始的太赫兹时域信号首先通过EMD手段在不同频段被分解为一系列的IMF和一个残差函数。随后,将前几个IMF相加作为一个整体(此处研究了前两、三、四和五个IMF叠加的结果),对其进行吸收光谱的重建。最后,建立PLS回归模型,用于进一步的物质定量分析。预测结果表明,与原始吸收光谱及其他分解后重组光谱的PLS结果相比,基于前四个IMF信号之和的吸收谱具有更高的R(0.9961)和最小的RMSEP(0.0198)。由此可知,EMD-PLS法可以在太赫兹波段对两种氨基酸混合物进行有效地定量分析,实现较为理想的预测精度。

基于卷积神经网络的高精度分块镜共相检测方法

为获得与单口径望远镜相当的空间分辨率,使成像系统成像质量达到或接近衍射极限,拼接主镜式望远镜的分块子镜应确保实现共相位拼接,本文针对拼接主镜式望远镜高精度平移(piston)误差检测问题,提出了一种基于卷积神经网络的高精度平移误差检测方法.通过在成像系统的出瞳面上设置具有离散孔的光阑,构建了对平移误差极为敏感的点扩散函数图像数据集,根据此数据集的特点搭建了具有高性能的网络模型,并测试得到网络的最佳检测范围.仿真结果表明,在略小于一个波长的捕获范围内,单个网络能够准确地输出一个或多个分块子镜的平移误差;应用于六子镜成像系统时,平移误差检测精度达0.0013λRMS(root mean square),并且方法对残余倾斜(tip-tilt)误差、波前像差、CCD噪声、光源带宽具有良好的鲁棒性.该方法简单快速,可广泛应用于分块镜系统的平移误差检测.

量子点增强硅基探测成像器件的研究进展

硅基探测成像器件具有可靠性高、易集成和成本低等优点,是目前应用最广泛的探测成像器件。随着人工智能和无人驾驶等技术的日益发展,对探测成像器件提出了更高的要求,而硅基探测成像器件性能的提升成为重要的研究方向。量子点具有吸收系数大、光谱可调、发光效率高和易集成等优点,是一类优异的光谱转换和光调制材料。利用量子点材料可调制的光学特性,可以对硅基探测成像器件的功能进行拓展,从而实现紫外响应增强、红外响应拓展、紫外偏振探测和多光谱成像等功能。经过多年的研究,这一领域已经取得了一定的进展,部分技术展现出较好的应用前景。本文介绍了量子点增强硅基探测器在紫外探测、红外成像、偏振探测和多光谱成像方面的研究进展,希望能够引起国内学术界和工业界的关注和重视。

头部旋转运动下自适应非接触鲁棒性心率检测方法

基于人脸视频的生理信号检测面临的主要挑战是运动伪影噪声.针对受试者头部刚性旋转运动引起的伪影噪声,本文提出利用头部运动信息构建自适应滤波器的非接触式心率检测方法.该方法利用人脸二维和三维的特征点计算受试者运动中头部的偏航和俯仰欧拉角度,并将其作为调控过程噪声协方差的信号质量指数,进而构建了自适应Kalman滤波器,实现了稳健的心率估计.实验结果表明:本文提出的方法可有效抑制头部刚性旋转运动引起的噪声,平均绝对误差为2.22 beat/min,均方根误差为2.76 beat/min,与现有方法相比准确度分别提升9%与24.6%,具有统计显著性.本文提出的头部旋转角度自适应非接触鲁棒性心率检测方法在自发运动的真实场景下能有效提升检测的准确性,扩大了成像式光电容积描记技术在视频健康监测领域的使用场景.

《工业锅炉系统节能设计指南》国家标准解析

根据我国工业锅炉系统节能现状和国外工业锅炉节能标准化的经验,介绍了国家标准GB/T 34912—2017《工业锅炉系统节能设计指南》的主要思路,并提出进一步完善标准内容的建议。

The Dynamics of Rubidium Atoms in THz Laser Fields

By using B-spline basis set combined with model potential,energy levels and wave functions of rubidium atoms are obtained.Using a time-dependent multi-level approach,we study the dependence of the population of rubidium atoms excited from a low lying state to a target state on the parameters of a single or two broadband terahertz laser pulses.The population redistribution between the states n=23 and n=24 due to the interaction with terahertz pulses is analyzed in detail.Population oscillation in the initial and final states as a function of the time delay between two half cycle pulses is shown,and the oscillation period is the same as the Kepler period of the selected states.The calculation results agree well with the experiment and can be explained by the semiclassical picture.

Population Evolution of Rydberg Rubidium Atoms by Half-Cycle Pulses

Using the B-spline basis set method combined with model potential,the Stark energy level of rubidium atoms in the vicinity of n=30 is presented.By using a using time-dependent multilevel approach,we calculate the population redistribution of high Rydberg rubidium atoms under the interaction of external time-dependent half-cycle pulses.Our numerical results show that the population of rubidium atoms can be driven to lower or higher n levels with a train of half cycle pulses,the final population distribution of all the l states for the same n is observed after these interactions.

Calculation of Multiphoton Transition in Li Atoms via Chirped Microwave Pulse

The position and width of avoided crossings of Li atom energy levels in a static electric field is presented by using the B-spline basis set method combined with the model potential.Using the time-dependent multilevel approach,the population of Li atoms is transferred to the target state completely by one-photon,two-photon or a single multiphoton adiabatic rapid passage,which requires only a small frequency sweep.The calculation results agree well with the experiment and novel explanations are given to understand the experimental results.