采用变分模态分解与领域自适应的表面肌电信号手势识别

针对传统机器学习在表面肌电信号手势识别领域的适应性和准确性不足,以及新用户因个体生理和行为差异在已有模型上表现不佳的问题,提出一种利用卷积神经网络模型并有效克服肌电数据分布差异的算法,用于提升手势识别的性能。首先对肌电信号进行变分模态分解,构建易于识别的表面肌电图像,并提出了一种卷积神经网络模型进行手势识别,提升用户相关的肌电信号手势识别准确率;同时利用迁移学习中的领域自适应和模型微调技术,提升用户无关的肌电信号手势识别准确率,并将所提算法在NinaPro DB1肌电数据集中进行了3分类、4分类、5分类和12分类共4组评估验证。结果表明:在4组评估验证中,用户相关的肌电信号手势识别平均准确率分别达到了99.28%、99.30%、98.39%和93.40%,用户无关的肌电信号手势识别平均准确率分别达到了94.05%、92.60%、88.38%和70.03%,表明本文提出的算法在表面肌电信号手势识别中具有良好的效果,为实现人机交互中的普适性的肌电设备开发提供了一种可行的方案。

基于改进计时电流法精确模型的数值解仿真及实验验证

根据电极表面被测物浓度变化经验公式所建立的改进计时电流法的理论模型,只能定性分析响应电流峰值与被测物浓度关系,无法准确描述响应电流峰值与反应体系及激励电势中其它参数的关系.为解决该问题,利用能斯特方程与扩散定律,建立了描述电极表面被测物浓度与响应电流关系的积分方程,通过数值分析方法求解得到该积分方程数值解.进而利用数值仿真得到精确的电流与时间关系曲线,分析了电流峰值与试剂浓度、惯性时间常数、参比电极标准电势、激励电势初始值以及稳态值之间的关系.最后,利用改进计时电流法的电路装置对K3[Fe(CN)6]试剂进行测试,实验结果表明该数值模型比经验模型更接近真实情况,也验证了由该模型推导得到的各参数之间关系的正确性.

结合人体移动特征频率提取新方法的红外探测实验教学平台的设计

基于改进的经验模态分解和谱峭度法设计了一种新型的红外探测实验教学平台。该平台应用改进的人体移动特征频率提取新方法,能对红外检测区域内的人体移动输出正确的报警信息。通过理论分析与实验验证表明:相比普通被动红外传感器,该平台提高了识别人体移动的准确率,具有较好的外部环境抗干扰能力。该平台的教学应用可以提高学生的动手实践与创新能力,为开放式实验教学做出了有益的探索和实践。

基于频谱校正技术的光学相干振动和热变形层析系统研究

本文提出采用基于频谱校正技术的增强型频域光学相干层析系统(EOCT)及其在非接触结构振动和热变形检测的应用.该EOCT系统采用基于CCD的宽带光谱仪以及宽带低相干的白光,所以这个增强型光学相干层析系统具有很高的检测分辨率,可达到0.9μm精度.但是,由于光谱信号作傅里叶变换的过程中产生了能量泄露,从而导致振动或热变形检测存在一定程度的误差.为了解决这个问题,本文提出采用一种频谱校正技术来校正此误差.从振动、热变形以及压电驱动器标定等实验的结果可知该方法的检测精度最高可达0.1μm.因此,自研制的EOCT系统在非接触振动、热变形测量以及压电驱动器在线标定等领域具有很好的应用前景.

基于MEMS的步态信号采集实验教学装置

本文设计了一个stm32平台下的微电子机械系统(MEMS)传感器步态信号采集实验教学装置,通过软件滤波与仪器标定的方法消除了该装置的测量误差。对8例志愿者步态信号分析得到对比滤波前后步态信号角度、角速度及角加速度的均方根误差,它们分别降到0.5o、0.02o/s、0.006o/s2以内,信噪比分别提高到44dB、55dB、5.9dB以上。该装置具有一定的通用性与可扩展性,为创新实验课程建设做出了积极的探索与实践。

核密度估计算法结合近红外光谱技术鉴别三叶青产地

三叶青是我国珍稀中药材,具有多种疗效,但不同产地的三叶青有效成分含量差异悬殊,为防止三叶青以次充好,其产地鉴别尤为重要。以浙江、云南、安徽、广西和湖北五个产地的三叶青为研究对象,利用傅里叶变换近红外光谱分析仪(Fourier transform near infrared spectroscopy,FT-NIR)收集4 000~10 000cm-1范围内的近红外光谱,由于三叶青近红外光谱数据还未完善,因此在其产地鉴别上,应对鉴别算法提出更高的要求,即在实现三叶产地鉴别的同时,还要能够有效地识别出其他或未知新产地的三叶青。针对这一问题,本文结合三叶青近红外光谱数据的特点,对算法共做了三方面改进:(1)从距离的角度估计样本的概率密度;(2)以训练样本可信度的方式计算带宽参数;(3)在未知新产地的识别上,提出一种基于训练集样本的概率密度函数的识别方法。结果表明,该算法对训练集样本的识别精度达到了100%,且在140组预测集样本中,只有3组样本识别出错,并能够100%地识别出未知新产地的三叶青,说明基于核密度估计的改进算法在三叶青产地鉴别上,不仅鉴别精度高,且能够有效识别出其他或未知新产地的三叶青。

基于低频电磁技术的管道缺陷检测方法研究

为了系统地研究基于低频电磁技术的管道缺陷检测方法,建立了其二维有限元模型。借助ANSYS参数化设计语言(APDL),进行了循环仿真计算,研究了不同尺寸缺陷的漏磁场分布;对漏磁场的信号进行微分处理,得到了所隐含的缺陷信息,并进行了实验验证。研究结果表明,该方法在锅炉水冷壁等管道缺陷的无损检测中有较强的实用性。

人体通信中发送端接触阻抗的实验研究

本研究着眼于电流耦合型人体通信方式,抽象并简化人体前臂的发送端等效电路模型。通过施加交变方波电流激励,测量使用不同尺寸电极时的模型参数,并比较不同频率下接收端的信号衰减率。结果表明人体前臂的信号衰减率随接触阻抗的增大而增大。在小腿处的测量也得到类似的结果。所以,在人体通信过程中应尽可能减小发送端"电极-皮肤"的接触阻抗,可提高通信质量。

基于形态识别的脊柱个性化建模与侧弯评估系统

脊柱侧弯是一种高发于青少年群体中的脊柱疾病,为了解决X片评估脊柱侧弯所带来的辐射危害,本文设计并实现了基于形态识别的脊柱个性化建模和侧弯评估系统。首先,提取与脊柱相关的特征点,根据特征点之间的相对位置关系计算生成附加特征点;其次,设计并应用特征点校正算法和滤波算法以提高特征点的位置精度;最后,在Unity中将椎骨模型配准到由特征点拟合的脊柱线上,得到个性化三维脊柱模型,并计算Cobb角、胸椎后凸角、腰椎前凸角以评估脊柱侧弯。本文对28位受试者进行了实验,对比分析了系统评估结果与X片评估结果:Cobb角与实际Cobb角之间的皮尔逊相关系数为0.82,平均绝对误差为3.4°,均方根误差为4.2°;胸椎后凸角与实际胸椎后凸角之间的皮尔逊相关系数为0.80,平均绝对误差为3.4°,均方根误差为3.8°;腰椎前凸角与实际腰椎前凸角之间的皮尔逊相关系数为0.78,平均绝对误差为3.2°,均方根误差为3.7°。实验结果表明,脊柱侧弯评估系统的精度较高,使用方便,可适用于大范围的青少年脊柱侧弯筛查。

肌电调制结合迭代学习控制的足下垂FES系统

足下垂是指由于神经控制功能障碍导致踝关节无法产生背屈以致足尖上抬不完全或不能的现象。功能性电刺激(FES)作为纠正足下垂步态的治疗方法,通过低频脉冲刺激胫骨前肌引起肌肉收缩,使踝关节产生背屈动作,达到矫正足下垂的目的。本文提出了基于肌电(EMG)调制和迭代学习控制(ILC)的FES输出强度调制方法,利用小腿角速度信号通过动态BP神经网络预测健康步态胫骨前肌肌电信号,以脚尖俯仰角作为反馈信号通过ILC输出参考肌电信号,与神经网络预测的肌电信号加权平均得到修正后的肌电信号,最后利用肌肉激活特性调制FES输出。实验表明开环肌电调制模式下的脚尖俯仰角仅有17°左右,而在闭环调制模式下,脚尖俯仰角最大角度达到了21°左右。本文设计的FES控制系统可以帮助足下垂患者进行康复训练。

基于扩增子测序的瘤胃内含物中木聚糖酶基因多样性研究

采用高通量扩增子测序技术,对山羊瘤胃微生物宏基因组第10家族(GH10)和第11家族(GH11)木聚糖酶基因多样性进行分析.经序列拼接、过滤和可操作分类单元聚类(<95%),获得348个GH10木聚糖酶基因.GH10木聚糖酶基因片段与GenBank数据库中已知蛋白序列的一致性为46%~97%,其中一半以上的序列与已知木聚糖酶的一致性低于80%.序列注释结果表明,GH10木聚糖酶基因分布于5个门,其中拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes)为优势门.经序列处理分析,获得143个GH11木聚糖酶基因,与GenBank中已知蛋白序列的一致性为51%~100%.GH11木聚糖酶基因分布于6个门,其中子囊菌门(Ascomycota)和放线菌门(Actinobacteria)为优势门.基于片段序列和染色体步移技术,获得两个新的全长木聚糖酶基因,由其编码的蛋白具有特殊的结构域组成.本研究表明,山羊瘤胃环境中GH10木聚糖酶基因的多样性远高于GH11,且两者的分布存在较大差异.此外,该环境中还存在大量的新木聚糖酶基因,可为后续木聚糖酶基因资源的发掘和应用奠定基础.

心内传导通信调制方案分析

目的:电流耦合心内传导通信(conductive intracardiac communication,CIC)方式已被证明适用于多腔无导线心脏起搏器(Leadless Cardiac Pacemaker,LCP)的同步。本文基于自主设计的电流耦合CIC收发器分析调制方式和信道长度(10mm-110mm)对收发器性能的影响。方法:以FPGA为平台,结合外围电路设计出可实现OOK和CPFSK两种调制方式的电流耦合CIC收发器。通过离体猪心实验,检测所设计收发器的通信性能,并探究信道长度对收发器性能的影响。结果:实验表明,采用简单的调制技术,在较低的传输功耗下实现LCP是可行的;两种调制方式的传输误码率均处于较低水平(<2.80×10^(-5));在该信道长度内误码率波动明显,最大差值达100倍;OOK方式随信道长度的变化趋势比CPFSK方式更平缓。结论:OOK方式用于心内传导通信时准确性良好并具有更高的稳定性。

基于智能手机的多通道电化学检测装置

目的:设计了一款基于智能手机的多通道电化学检测装置,能够极大地简化操作步骤、提高检测效率,满足多种场景下的即时检测需求。方法:开发出多通道电路,各通道均可独立运行、实现多种电化学测试方法;设计出两级放大电路,电流检测灵敏度提高至10-8A;同时在智能手机APP上实现了各通道检测量程自调节功能。结果:实验表明,多通道电化学检测装置能够准确地进行电化学方法的检测,装置的变异系数小于1.9765%(n=3),证明该装置具有较好的可重复性和稳定性;通道之间的检测差异小于0.745%(n=3),证明该装置的通道间一致性高。装置和电化学工作站的检测差异小于1.671%(n=3),证明该装置的可靠性好。结论:该装置在进行电化学检测时具有较高的灵敏度和准确性,具有极大的应用价值。

准静态近似条件下电流耦合型人体通信模型的建立与验证

目的建立准静态近似条件下电流耦合型人体通信的电磁理论模型,并验证模型的正确性。方法以人体前手臂为研究对象,讨论人体组织在电流耦合型人体通信过程中满足准静态近似的条件,并由麦克斯韦方程推导出电磁模型的解析解;进而选用圆柱形火腿肠作为实验模拟对象,验证模型的正确性。结果构建了准静态近似条件下人体通信的电磁模型,模型计算值与试验测值间偏差不超过10%;描绘出人体模型在贴附有环形电极的情况下,直径切面的电位分布及衰减情况。结论得到了电流耦合型人体通信在满足准静态近似条件下的电磁理论模型,为人体通信技术提供了初步的理论依据。

基于Android系统的KOA运动监测系统研究

本文设计了一种便捷式的膝骨性关节炎(KOA)运动监测系统,KOA患者可以通过该监测系统了解自身运动规范性并作出适当的调整。该监测系统将装有MMA7361加速度传感器的蓝牙模块穿戴在人体的下肢进行三轴加速度信号的采集,并将三轴加速度信号通过蓝牙发送至Android智能手机上。Android手机通过扩展Kalman滤波算法将采集到的加速度信号进行滤波,并通过规则归纳法对动作规范性进行识别。经过大量实验测试结果统计,对保持时间太短、运动腿弯曲、抬腿速度太快这三类动作训练的平均识别率分别为89.6%,89.3%,89.5%。结果表明:基于Android智能手机平台构建的KOA运动监测系统具有便捷、成本低等优点,而且能够较好的识别患者运动中出现的不规范动作,满足运动监测的应用要求。

荧光免疫层析定量检测系统的设计与实现

荧光免疫层析定量检测技术正被广泛应用于临床检测领域,实现基于该技术的定量检测系统具有实际意义。针对这一目的,通过设计光学机构与电子电路,实现了一套完整的荧光免疫层析定量检测系统。该检测系统包括荧光信号检测,信息处理以及上位机软件等功能模块,可自动控制样本定量检测的全过程,最终输出结果。实验表明,系统最小可测的荧光物质溶液浓度量级为0.001%;测得的数据重复性误差为1.3%;定量结果误差小于2%。系统对荧光分析样本的测试快捷准确,具有重要的意义。

基于红外热成像的PCR温控系统

电化学实时定量PCR仪中,对热循环3个温度区试剂温度的精度控制至关重要,因为其决定了PCR反应效率。根据非稳态传热原理,热量从基座传递到试剂存在延迟,因此基座上的接触式温度传感器无法直接测得试剂的温度。设计基于红外热成像仪温度检测的温控系统,可以同时对多通道试剂表面的温度进行直接测量,从而准确控制DNA解链-结合-延伸时间,提高DNA扩增效率。为了实现红外热像仪对温度的精确测量,对获取的红外温度进行中值滤波,根据热辐射理论与红外热像仪的测温原理以及公式推导,在线得到被测试剂表面发射率,通过换算从而获得试剂真实温度。实验表明,校准后热像仪测温精度由2.0℃提高到0.3℃;对试剂表面温度的监控使得PCR温控更加准确高效,具有重要意义。

艾滋病合并马尔尼菲青霉菌感染的实验室检测

目的明确从AIDS患者血液、骨髓中检出的病原体为马尔尼菲青霉菌。方法取患者血液、骨髓于血培养瓶中置Bacter/Alert3D血培养仪中培养,待血培养仪报阳性即作革兰染色,并转种至马铃薯斜面培养基于27℃和37℃孵育,观察真菌生长情况及菌落形态,并作乳酸棉兰染色于显微镜下观察菌体特征。结果该菌为一双相真菌,27℃见菌丝相,呈淡黄色绒毛样,并产生酒红色色素,镜下可见典型的帚状枝及孢子链;37℃见酵母相,不产生特征性色素,镜下见酵母样细胞。结论从体内分离出马尔尼菲青霉菌,即可诊断为马尔青霉菌病,也可排除组织胞浆菌感染。

基于不同半抗原的呋喃唑酮代谢物免疫检测方法的建立与比较

为实现呋喃唑酮代谢物3-氨基-2-恶唑烷酮（3-amino-2-oxazolidinone,AOZ）的快速定量检测,制备AOZ-牛血清蛋白单克隆抗体,建立2种分别基于抗3-（4-羧基苯亚甲基）-氨基-2-恶唑烷酮（CPAOZ）、抗AOZ的单克隆抗体酶联免疫检测试剂盒.CPAOZ检测试剂盒在1.0～100.0 ng/mL范围具有较好的线性,IC50值为14.6 ng/mL,检测限为6.56 ng/mL,回收率为97.6％～101.3％;AOZ检测试剂盒在0.5～12.5 ng/mL范围具有良好线性,IC50值为3.9 ng/mL,检测限为0A5 ng/mL,回收率为94.1％～97A％.这2种检测试剂盒对于其他硝基呋喃类抗生素及其代谢物均不存在交叉反应.从经济、方便、快速、灵敏等因素来考虑,后者更具有发展前景.

近红外特征波长筛选在勾兑梨汁中原汁含量的快速检测中的应用

为实现近红外光谱进行勾兑梨汁中原汁含量的快速检测,采用相同可溶性固形物含量的新鲜梨汁和果汁粉冲剂按照原汁含量为0%~100%进行勾兑,并结合遗传算法(GA)、粒子群算法(PSO)以及萤火虫算法(GSO&FA)进行特征波长筛选,比较分析四种算法分别建立的偏最小二乘(PLS)模型。结果表明,GA-PLS,PSO-PLS,GSO-PLS,FA-PLS四种模型均能够剔除大部分波长变量,其中以FA-PLS模型效果最佳,不仅保证模型的稳健性,而且简化了模型,提高了预测的精度。为了进一步优选特征波长,利用连续投影算法(SPA)在FA基础上做进一步波长筛选,并比较全波段PLS,SPA-PLS,FA-PLS,FA-SPA-PLS模型,四种模型泛化能力为:FA-PLS>PLS>FA-SPA-PLS>SPA-PLS,其预测均方根误差分别为0.029 1,0.033 3,0.033 9和0.137 0,相应的波长变量数量依次367,765,20和18。其中SPA-PLS波长变量最少,但预测误差远远高于其他三种模型,综合考虑预测精度与波长变量数目,FA-SPA-PLS模型不仅波长变量较少而且预测精度较高,能够有效鉴别勾兑梨汁中原汁含量。研究利用近红外光谱技术为快速鉴别勾兑果汁提供一种有益思路,并通过波长变量筛选简化定量分析模型。