眼轴长度测量方法及进展研究

为配合临床实现人工晶体屈光度数计算,以及为日常眼病预防提供依据,眼生物参数测量特别是眼轴长度测量逐渐被人们所重视。以眼轴长度为目标,论述了现有的眼轴长度测量方法,包括超声测量方法和光学测量方法。重点概述了光学部分相干原理,低相干原理和光学相干层析(OCT)技术在眼轴长度测量方面的研究进展,分别介绍了各方法及典型仪器的测量原理、测量精度及范围,论述了眼轴长度测量的发展方向。光学测量方法以其无损伤、快速、高精度等优点逐渐替代了超声测量方法,但对于晶体混浊眼还需依靠超声测量方法。

细胞弹性光散射计算与检测方法的研究进展

研究细胞光散射特性、掌握细胞光检测技术是光学诊断和光学治疗疾病的重要基础。总结了研究细胞光散射的理论方法,阐述了每种方法的理论结果和表述光散射特性的方式。给出了光散射光谱在细胞检测中的应用技术,并说明了每种方法的实验检测结果及其优点与不足。

龋齿的快速检测方法研究

全球超过一半的人口患有口腔疾病,口腔微生物与龋齿、牙周病、糖尿病、阿尔茨海默病、早产等全身性或慢性疾病显著相关。随着大众越来越重视口腔健康,关注口腔疾病,光学技术在口腔龋病研究中的优势得到广泛的关注。系统研究了龋齿快速检测方法的基本原理和临床适用结果;介绍了口腔致病菌对消化系统,神经系统,免疫系统等人体系统的影响,达到预警口腔以及全身疾病,保障人身体健康的作用。

基于光辐射压力的激光功率测量技术

随着激光应用领域的快速拓展,超高峰值功率、超窄脉宽逐渐成为未来激光行业的重点研究方向之一,这种激光的超高电场能量给高精度的激光功率测量提出了挑战。传统的激光功率测量方法,如光电法、热释电法、量热法等逐渐显露出不适用于上述激光功率测量的缺点,此外上述方法都难以实现实时、在线测量。为了克服以上困难,需要一种新型激光功率测量原理与方法。以美国国家标准与技术研究院为代表的机构提出了一种光辐射压力测量法,该方法使激光作用在高反射率的反射镜上,激光动量形成了光辐射压力,这个力可以采用多种力学传感方式进行计量。该方法不但能实现激光功率快速、准确测量,而且不影响激光能量传输,可以实现实时、在线的激光功率测量。系统回顾了国内外通过光辐射压力测量激光功率的基本原理和系统组成,光辐射压力测量激光功率的研究现状,并对该方法的发展方向进行了展望。

癌变组织可见光反射光谱测量

实现在体、实时、无损的早期癌变检查是人们一直努力的方向。通过对几组样本的显微切片观察得出癌症的确切诊断,然后通过癌变组织和同体正常组织的光谱比较,得到癌变组织的可见光反射光谱特性。发现癌变组织的血红蛋白和去氧血红蛋白的增加是导致反射光谱谱线改变的主要因素。组织癌变后在可见光谱范围反射较正常组织的低,在630nm处发生了较强烈的吸收变化。光谱中吸收峰值表明了癌变组织中含有丰富的血红蛋白和去氧血红蛋白,这与癌变组织的组织特性一致,实验上表明了可见光反射光谱能区分正常组织和癌变组织。

基于压缩感知的频域OCT图像稀疏重构

为了减轻频域光学相干断层扫描成像(Frequency Domain Optical Coherence Tomography,FD-OCT)中高数据量导致的后续数据采集与处理系统的压力,同时解决成像时间和成像质量之间的矛盾,引入了压缩感知技术,并对该技术中的重构算法进行了重点研究。首先,通过分析压缩感知技术的框架,利用离散余弦变换(Discrete Cosine Transform,DCT)获得频域OCT图像的稀疏表示。接着,利用高斯随机矩阵对OCT图像进行线性观测。然后,研究了FOCUSS(Focal Underdetermined System Solver)重构算法的原理,并在算法中结合分块思想、引入正则项lp范数以及嵌入各向异性平滑算子。最后,组合所有小图像块,得到整幅频域OCT图像的压缩感知重构结果。实验结果表明:改进重构算法的运行时间由78.65 s缩短为1.89 s,并且显著改善了图像块效应,将重构图像的PSNR值提高了1.6~2.7 dB,SSIM值可达到0.9383。压缩感知技术可以用较小的采样数据量精确重构出原始频域OCT图像,改进FOCUSS重构算法可以在一定程度上实现频域OCT图像重构效率和重构质量的平衡。

癌变组织显微光谱测量分析

将光纤共聚焦显微技术和光谱分析技术相结合,研究了显微尺寸下癌变组织与正常组织光谱的特性,建立了光纤共聚焦显微光谱分析系统;获取了正常胃和癌变胃组织的显微光谱.实验结果发现癌变组织和正常组织的轴向显微光谱在可见光波段范围内有明显的差别.而且,利用光纤共聚焦技术能够实现组织不同层面的光谱特性测量,正常和癌变的胃组织不同层面的显微光谱也有明显的区别.同时表明,显微光谱测量可以有效分辨来自组织体内不同层的信息,提高了癌症检测的准确度.

基于PCA和SVM算法的肝癌细胞显微后向散射光谱分类

为了实现对肝癌的早期实时和在体探测,基于前期搭建的光纤共聚焦后向散射(FCBS)光谱仪获取肝癌细胞的显微后向散射光谱,分别使用主成分分析(PCA)和支持向量机(SVM)两种算法,对获得的正常肝细胞株(L02)、低转移潜能肝癌细胞株(MHCC97-L)和高转移潜能肝癌细胞株(HCCLM3)三种细胞的后向散射光谱进行分类。使用PCA对获得的三种细胞光谱数据进行降维分析,得到的前两个主成分综合了全部信息的95.4%,由主成分1和主成分2的得分图可以观察到,三种细胞在直观上有明显的区分;对同一数据集选取69例对象通过SVM机器学习算法训练分类模型,随机抽取50例作为训练集,19例作为预测集,最终分类的准确度达到了94.7%。实验结果表明:使用光纤共聚焦后向散射(FCBS)光谱仪获取的细胞显微后向散射光谱可以分别通过PCA和SVM对不同转移潜能的肝癌细胞进行自动分类,这将为研究活检提供必要的检测手段。

亮白光LED结合古典音乐疗法的抗抑郁效果（英文）

通过小鼠实验提出了一种亮白光LED联合古典音乐疗法。遭受过慢性不可预知性应激的小鼠被随机分成3组,均饲养在350 lx、光周期为12小时明亮12小时黑暗的环境中。对照组(C):不做任何处理。五行音乐组(M):每天播放2个小时古典音乐。五行音乐+光照组(M+B):每天播放2小时古典音乐并采用5 000 lx的白光LED照射。30天后用糖水偏爱度测试和强迫游泳实验来评估抑郁程度。与C组相比,M和M+B组的小鼠表现出更短的游泳不动时间和更长的游泳和攀爬时间(p<0.001)。M+B组小鼠的游泳不动时间(52.3±25.18 s)要短于M组(78.9±14.82 s),且差异存在统计学意义(t(9)=3.414,p=0.008<0.05)。亮白光LED联合古典音乐疗法能够提高应激小鼠的活力,具有一定的抗抑郁作用。

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.

窄带LED照明的多光谱显微成像系统研究

在生物医学领域,为了降低成本,降低对高端器件的依赖,以及实现对无标记样本的光谱和结构等多维度图像分析的目的,基于窄带LED光源技术,自主研制了一套多通道LED照明的多光谱显微成像系统。本系统在420~680 nm范围内系统的光谱分辨率约为20 nm,空间分辨率优于2μm,在放大倍数为13倍时成像范围为520μm×416μm。为了验证系统在临床病理分析中的可行性,采集了小鼠皮肤鳞状细胞原位癌病变病理切片和正常皮肤组织病理切片的多光谱图像。从多光谱图像中可以清楚地观察结构,由图像序列中提取的光谱信息表明,癌变细胞核的反射率在可见光波段内与正常细胞核有明显差异,能有效区分两种细胞。这些实验结果表明,基于LED照明的多光谱显微成像系统有望替代传统昂贵、复杂的多光谱成像系统,并可在病理分析中发挥重要作用。

基于低相干干涉测量的眼轴长度测量系统研究

眼轴长度的精确测量对于近视防控、白内障晶体植入术后视力恢复等具有重要意义。本研究团队将Twyman-Green干涉系统与数字信号处理技术相结合,搭建了低相干双光束外差干涉眼轴长度测量系统。为验证该系统的有效性,采用该系统对ZEISS标准模拟眼、人眼分别进行多次测量,进行重复性检验;然后通过统计学分析测量数据的显著性,结果表明差异无统计学意义(P>0.05),符合球形检验;Bland-Altman分析表明,测量数据的95%一致性置信区间均在-0.06~0.06 mm范围内。本系统测量结果与IOLMaster500测量结果具有高度一致性。所设计的眼轴长度测量系统具有良好的有效性和可靠性,为国产眼轴长度测量仪器研发提供了技术方案。

基于聚类算法的血管直径测量研究

血管形态的变化与疾病密切相关,血管直径是血管形态的主要参数之一,测量血管直径有助于疾病的筛查与预防。提出一种基于聚类算法的血管直径测量方法,对微血管进行测量。大多数显微血管图像(如光学显微成像或光声显微成像)中存在噪声,通过非线性变换函数对显微图像进行增强;使用训练后的U-Net网络模型进行图像分割;利用结合聚类算法以及射线算法的测量方法对分割得到的血管进行测量,得到血管直径。实验表明,算法与传统测量结果一致(P>0.05),与传统算法相比,本算法的测量精度得到提升,将测量误差由4.21%降低至2.27%,满足血管测量的准确度需求。

基于主成分分析和模糊聚类法的细菌后向散射光谱分类方法

食源性致病菌的快速检测是解决食品安全问题最有效的途径之一。为了实现对食源性致病菌的快速、高效、无标记检测和分类,提升了原有的光纤共聚焦后向散射光谱系统的性能,将其光场直径减小到适合较小生物样品的水平,即达到单菌水平检测。在无标记条件下,测定了三种常见的形态相近的食源性致病菌(肠炎沙门氏菌、大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌)的后向散射光谱。选取500~800 nm范围的特征波段,将主成分分析和模糊聚类分析相结合,建立多元分析模型。主成分分析结果表明,所得的前5个主成分已经包含80.41%的特征区光谱信息。将前5个主成分分量作为模糊聚类分析的变量。由所求得的隶属度矩阵可知,三种细菌聚类结果的准确率均为100%。该结果说明光纤共聚焦后向散射光谱方法结合主成分分析和聚类分析法能够快速、高效、无标记地对单个细菌进行分析和分类。

基于口腔自体荧光效应和深度学习的牙菌斑的分割及量化

牙菌斑是牙齿表面一层难以观测的生物膜,是导致龋齿、牙龈炎等一系列疾病的直接诱因。牙菌斑的早期定量化无损检测具有重要的临床意义。短波长光激发下,牙菌斑的细菌及其代谢产物可以产生自体荧光。基于前期成像系统的基础上,采集大量牙菌斑在405nm蓝光激发下产生的红色荧光;牙菌斑越成熟红色荧光强度越高;采用改进的U-net网络对该红色荧光进行分割,对分割出来的牙菌斑进行轮廓提取获得质心,并利用区域生长算法分割出牙菌斑所附着的牙齿,综合牙菌斑成熟程度及面积来评估牙菌斑指数。结果表明改进的U-net网络分割精度优于传统方法。将牙菌斑的面积和成熟程度结合对牙菌斑进行量化,一定程度上可以消除人为诊断的差异性。