利用fNIRS研究情绪状态下的脑力负荷评估

为研究采用功能性近红外光谱(fNIRS)技术评估不同情绪状态下操作者脑力负荷(MWL)的可行性,为开展以MWL评估为基础的操作者功能状态(OFS)评估提供技术支持,进行了多种情绪刺激下的图片n-back任务实验,包括负性、积极和中性三组情绪.采用任务绩效、主观量表和fNIRS生理测量等方法采集16名参试者的实验数据.任务绩效和主观状态评分均表明参试者MWL在外部因素影响下发生变化.从fNIRS信息中提取了时域、频域和非线性域共380个生理特征作为OFS评估模型输入,采用支持向量机作为分类器,建立了MWL评估模型.评估模型采用中性情绪刺激下的任务数据作为训练数据,积极情绪和负性情绪刺激下的实验数据作为测试数据,分别取得了92.49%、75.90%和79.99%的平均分类正确率.通过实验数据分析,验证了任务负荷和情绪刺激能够有效影响操作者MWL的实验假设,证明了采用fNIRS技术建立多种情绪状态下MWL评估模型的可行性,为开展复杂任务情况下以MWL为基础的OFS评估提供依据.     

基于功能性近红外光谱技术识别情绪状态

利用功能性近红外光谱(f NIRs)技术实现了对不同情绪状态的识别。采集了15名受试者在6种情绪种类图片刺激下的f NIRs信号以及唤醒度、愉悦度评价数据。为了实现对受试者情绪状态的分类评估,采用支持向量机(SVM)和基于支持向量机的递归特征筛选(SVM-RFE)算法来筛选参数并设计情绪状态的分类器。结果表明在多种情绪种类图片刺激下,受试者出现了显著的功能响应曲线,并且在唤醒度、愉悦度和情绪种类三个分类目标上分别实现了81%、78.78%和68%的平均分类正确率。同时发现唤醒度和愉悦度的敏感特征主要出现在眶额叶皮层和背外侧皮层,且近似熵是反映情绪状态变化的有效指标。因此采用f NIRs能够基本实现对人体情绪状态的识别。     

EEMD-ICA在功能性近红外光谱特征信号提取中的应用

近年来,功能性近红外光谱技术(fNIRS)广泛应用于神经影像学领域。为解决fNIRS特征信号提取中的信噪频谱混叠问题,依据近红外光谱脑功能成像信号非线性与非平稳特点,提出一种结合集合经验模态分解法和独立成分分析的多分辨率联合信号提取方法EEMD-ICA。在脑功能成像仪器平台上采集多通道多波长脑功能成像近红外光密度信号,先对该信号进行集合经验模态分解将其按频率成分分解为多层本征模态函数,之后将独立成分分析应用于目标频率分量函数进行自适应去噪,最后将处理后的分量累加、重构获得近红外光谱脑功能成像的特征信号。将Valsalva氏实验测试数据作为研究对象进行滤噪处理,与经验模态分解法和集合经验模态分解法对fNIRS特征信号的提取效果对比。对实测数据的处理结果进行信噪比和误差参数分析,结果表明,该方法能够有效解决去噪过程中丢失原始信号有用信息及由于信噪频谱混叠不能完整去除噪声的问题,信号处理效果理想,对比另外两种信号提取方法更为优化。     

功能性近红外光谱系统及锁相放大器算法的研究

功能性近红外光谱(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)技术是一种新兴的非侵入式光学技术,该技术可以测量脑皮层的功能性活动信息。介绍了单通道fNIRS系统的开发,为了验证系统的性能,2人参与了算数运算任务,获得了氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化。锁相放大器在fNIRS系统中可以很好地提取淹没在噪声中微弱的光强信号,但是模拟锁相放大器价格昂贵,对多通道系统来说是很大的负担。设计了数字锁相放大器算法,通过与模拟锁相进行比较,结果表明设计的数字锁相放大器可以取代价格昂贵的模拟锁相放大器。     

弱背景声对声音信号感受的影响

本工作在6名受试者身上比较了在有及无连续背景声作用下声音信号感受阈的变化。当信号及背景声为频率相同的纯音时,弱背景声(强度为阈上0—5分贝)能使信号感受阈降低8分贝左右。在有白噪声干扰的条件下,这一作用仍然存在。信号感受阈的降低是弱背景声提高了听觉系统对信号感受能力的结果。当背景声与信号有较大的频率差时,弱背景声即无降低信号感受阈的作用。     

机械冲击下坐姿人体舒适性主客观评价

为减小主观随意性带来的偏差,引入最大化差异度量(MaxDiff)方法展开机械冲击下坐姿人体不适的主观评价试验,并结合加速度和惯性力客观指标对舒适性进行评价。构造了16个具有不同标称频率或位移幅值的冲击信号,基于MaxDiff方法得到12名受试者的主观评分。利用加速度传感器和测力板获取受试者的客观数据,提取其峰值、峰峰值、振动剂量值、最大瞬态振动值等客观评价指标,并采用相关性分析方法以及线性回归拟合进行主客观关联性分析。主观评价结果表明,随着机械冲击信号标称频率和位移幅值的增大,人体舒适性均变差。标称频率主客观数据之间具有较大相关性,客观指标(除振动剂量值外)的相关系数均在0.9左右。线性拟合回归结果表明,加速度和惯性力的峰值、峰峰值、最大瞬态振动值可作为表征冲击工况下坐姿人体舒适性的客观指标,而加速度比惯性力更适合用于表征舒适性。     

窄通道内热厚材料表面火焰传播的实验研究

利用高度为14 mm的水平窄通道对微重力条件下聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚乙烯(PE)塑料材料表面的火焰传播进行了地面实验模拟研究。在环境气体氧气浓度为30%和50%、低速气流速度小于15 cm/s的实验条件下,实验测量了窄通道内材料表面火焰传播速度随气流速度的变化,它们与微重力下热厚材料火焰传播速度的理论预测结果符合得相当好。分析认为,窄通道能够有效地限制浮力对流,提高燃料表面固相热辐射在火焰传播中的相对作用,从而提供模拟微重力下热厚材料表面火焰传播特性的实验环境。     

太阳漫射板反射率在轨衰退监测技术研究

多通道扫描成像辐射计搭载于风云四号气象卫星上,为了使其实现高精度定量化遥感,其上配备了星上定标装置。该装置主要是引太阳漫射板(SD)反射的太阳光作为标准辐亮度源,太阳漫射板反射率衰减监测仪(简称比辐射计)定期监测漫射板反射率的变化。主要介绍了比辐射计的工作原理,并针对在轨返回的数据特点建立了太阳漫射板双向反射分布函数衰减因子计算模型。数据表明:比辐射计探测器受到了温度的影响,其不确定度为0.165%/℃,比值监测的方式消除了温度的影响。计算了3个通道衰减因子的合成监测不确定度,第一通道的合成监测不确定度为1.48%(k=2),第二、第三通道合成监测不确定度为1.16%(k=2)。结果表明:比辐射计可以实现漫射板反射率的衰减监测。     

微通道热沉内液氮流动沸腾的换热特性

本文研究了流最为50.1～880.5 kgm-2s-1,干度为0.01～0.25范围内微通道热沉内液氮流动沸腾的换热特性.热沉基材为一块长宽厚为50 min×30 mm×4 mm的不锈钢板,钢板上加工有宽1.0 mm,深2.0 mm的9个通道.实验结果表明在定热流密度条件下,热沉表面温度分布很不均匀,这主要是由微通道内...     

超导调相机中信号监测系统的设计

高温超导调相机具有高速旋转、信号种类及数量多的特点,因此需要开发一套高效可靠的小信号采集系统。通过将数据采集卡,数字隔离器,电源进行综合集成的模式,结合行动热点无线传输,达到对超导同步调相机的工作状态进行实时监测,获取所需的科学研究数据,并且对超导同步调相机进行保护的目的。利用该套多通路信号监测系统在静止以及6、12和120 r/min转速下对铂电阻探头和霍尔探头进行了测量,实验发现在77 K下铂电阻探头温度噪声小于0.2 K,霍尔探头磁场噪声小于0.2 mT,通道间干扰信号小于1/1000实际信号值,旋转条件下数据稳定,表明这种结构的信号采集系统能够为300 kvar超导同步调相机实验提供有效数据。     

简易脑功能近红外光谱系统设计

功能近红外光谱(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)是一种无损的脑成像技术,经过20年的发展,已广泛应用于认知神经科学研究领域。基于神经血管耦合机制,与功能相关的大脑神经活动增强会引起局部脑血流量的升高,进而引发血液中氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白浓度相应的变化,间接反映了大脑中神经激活程度。研制了一套基于多功能采集卡的单通道连续波fNIRS系统。在该系统中,选择激光二极管作为光源具有较好的单色性和较低的发散角,690和830 nm波长的组合有助于降低发色团之间的串扰。频分复用技术用于区分来自不同光源的信号,同时也消除了环境光、工频干扰等特定频率的噪声源。利用LabVIEW软件平台实现了光源的时序控制、自动增益调节、数字正交相干解调,以及数据可视化与存储等功能。屏气和心算实验结果表明,该系统可用于监测大脑局部血红蛋白浓度的实时变化,并可以检测与高级脑功能相关的激活。     

扩展的卡尔曼滤波在近红外光谱提取脑血流信号中的研究

脑血流中的血红蛋白有两种:氧合血红蛋白(HbO_2)和还原血红蛋白(HbR)。这两种血红蛋白在脑血流中浓度的变化可以反应脑部神经活动,提取其浓度变化信号可以为如癫痫病灶定位、抑郁等相关疾病的诊断和治疗提供依据和参考。目前,使用近红外光谱提取脑血流信号的算法有EEMD-ICA法主成分分析法(PCA)、独立成分分析法(ICA)、相干平均法、自适应滤波等,这些算法在对近红外脑神经活动信号提取时都有各自的特点和优势,但都重视如呼吸、眼动等各种生理干扰,忽视了测量过程中符合高斯分布的测量干扰,如仪器精密度、信号传输中的串扰等。为了提取脑血流中氧合血红蛋白(HbO_2)和还原血红蛋白(HbR)浓度变化信号,设计了功能性近红外光谱(fNIRS)的脑血流参数采集装置,选择波长为750和830 nm的二极管近红外光源采集脑部血流变化信号,采用扩展的卡尔曼滤波(EKF)算法,把生理干扰和测量干扰建立对应的数学模型,使用基于误差平方和最小的原理进行递归计算,通过对下一时刻系统的初步状态估计以及测量得出的反馈相结合,得到该时刻无限逼近真实值的状态估计,结合修正的朗伯比尔定律(Lambert-Beer law),将光密度信号的变化转换为氧合血红蛋白(HbO_2)和还原血红蛋白(HbR)浓度变化信号。结果表明:所提方法可以有效去除符合高斯分布的测量干扰,在Valsava实验和视觉诱发实验中,可以提取出脑血流中氧合血红蛋白(HbO_2)和还原血红蛋白(HbR)浓度变化曲线,和主流的EEMD提取脑信号算法比对其RMSE值提高了0.96%,r值提高了0.6%,表明提出的方法有一定的优越性。所提方法为相关脑部疾病诊断等提供了有效的脑神经活动探测方法。     

近红外无创血糖检测系统信号提取能力的验证

近红外无创血糖检测技术的精度目前仍达不到临床应用的需求,主要的原因为:一方面人体血糖信号微弱,并且血液中一些组分的近红外吸收谱带与葡萄糖的吸收谱带存在重叠,为了从光谱中解析葡萄糖浓度信息,通常会采用如偏最小二乘(PLS)等多变量回归的方法。另一方面,在实际测量中,必然会存在光源漂移、测量条件变化等背景干扰,这些背景干扰对测量造成的影响往往大于血糖浓度变化引起的光谱响应,因此在建立血糖预测模型之前必须对这些背景干扰进行有效地控制与消除,否则使用多变量回归方法所建立的血糖预测模型中很可能存在伪相关。因此为了更好地实现无创血糖检测,测量系统本身必须具备很高的血糖检测能力,并且在控制测量条件尽可能稳定的前提下,采用合适的数据处理方法去除绝大部分的背景干扰。为此,对自行研发的无创血糖检测系统的血糖检测能力进行了评估,证明了本系统能够达到较高的测量精度;对三名健康的受试者开展了口服糖耐量试验(OGTT)以及口服水耐量试验(OWTT),对比了本系统在两个不同光源-探测器距离下测得的OGTT与OWTT的光谱数据,发现在两个光源-探测器距离下OGTT吸光度变化量的方差值都大于OWTT,但由于受到背景干扰的影响,三名受试者的吸光度变化量的方差值随波长的分布特点存在较大的差异;对两个光源-探测器距离下的光谱数据进行差分处理,对比分析OGTT与OWTT的差分光谱数据,结果表明OGTT差分吸光度变化量的方差值远大于OWTT,且三名受试者的差分吸光度变化量的方差值随波长分布特性与葡萄糖溶液的吸收特性基本一致,证明使用自行研发的无创血糖检测系统配合差分处理方法,能够有效去除背景干扰,提取血糖浓度信息。     

利用功能性近红外光谱成像方法评估脑力负荷

为了研究利用功能性近红外光谱(FNIRS)评估脑力负荷的可行性,综合生理参数法、绩效法及主观量表法,对12名在校大学生被试进行了图片N-back及多元归因任务(MATB)实验,分析了FNIRS参数对不同难度的敏感性及差异。N-back任务中背外侧前额叶皮层(DLPFC)1、5、9、10号通道及MATB任务中1、9号通道的FNIRS数据对脑力负荷更敏感;在0~2级难度的N-back及MATB任务中,含氧血红蛋白(HbO)和总血红蛋白(tHb)的含量随任务难度提升而增加,但在3级难度时出现降低。结果表明大脑前额叶皮层(PFC)的FNIRS信号对脑力负荷相对更敏感区域为DLPFC;在一定难度范围内,HbO和tHb的含量随任务难度的提升而增高,而当难度超过一定范围会出现下降。     

VUV-TOFMS二恶英在线检测应用研究

通过指示物间接实现二恶英在线检测是一种可行的检测方法,氯苯是较合适的指示物。本文采用真空紫外光电离/飞行时间质谱仪进行定浓度一氯苯(MCBz)和1.2-二氯苯(DCBz)为二恶英指示物在线测量,两种物质的检测信号峰具有很好的辨别度,峰值都在6以上,检测信号强度与实际浓度之间用常用对数(1g)拟合关系最为理想。MCBz和DCBz的信号集中在4～12 min内,其信号基本符合正态分布的形式。离线测量与在线测量数据对比表明,DCBz的检测信号与二恶英生成总量和毒性当量的变化趋势相同,MCBz的检测信号则与二恶英信号的变化趋势不同。     

密闭环境条件下人的听觉功能变化

本文研究了10名受试者在密闭环境条件下听觉功能的变化。环境因素包括噪声、温度、湿度、脑力负荷和某些微量气体成分。受试者的听阈偏移在实验期15—30天后即趋于稳定,在实验终止后15天恢复到原有水平。最大听阈偏移为20—40分贝,主要频率为1000—4000赫,与噪声频谱一致。在实验期90天最大清晰度值下降10％,可懂度阈增高7分贝。音调辨别阈在60—90天持续升高。刺激后疲劳测定表明,尽管实验后15天听阈已恢复,但听觉系统的疲劳状态仍然存在。文中讨论了听觉分析器外周和中枢部分的变化与噪声等环境因素的关系。     

激光等离子体X射线极化光谱诊断

针对波长为0.5～0.8 nm的激光等离子体X射线极化度的诊断,研制了一种新型适用的基于宅问分辨的极化谱仪.在极化谱仪内的垂直和水平通道上分别布置正交的季戊四醇(PET)晶体色散元件.信号采用成像板进行接收,有效接收面积为30 mm×80 mm,从等离子体光源经品体到成像板的光程长为240 mm.通过实验成像板获得了铝激光等离子体X射线的光谱空间分辨信号,分析了获得的类氦谱线和类锂伴线并计算其极化度,并分析了负极化的原因.实验结果表明该谱仪获得的X射线极化度测量值与理论值相符,适合激光等离子体X射线极化光谱的诊断.     

基于阵列波导光纤温度特性的分布式光纤布喇格光栅解调法

设计了一种使用阵列波导光栅对分布式光纤布喇格光栅中心波长较大范围变化的解调方法.根据阵列波导光栅各通道的中心波长可随温度变化而改变的特性,通过控制软件循环地在几分钟内使加在阵列波导光栅的芯片温度从30℃线性增加到90℃,同时用微机高速采集各通道的数据并分别找出各通道数据的最大值时刻所对应的阵列波导光栅芯片温度,从而根据其波长-温度关系在微机上报告此时各光纤布喇格光栅的中心波长.实验结果表明,系统有效地解决了分布式解调的问题, 微机以小于10 min的周期报告出每通道0.6 nm范围变化的光纤布喇格光栅中心波长(共40个通道),测量相对误差小于2%.     

冲击波加热的氩气的发射光谱

为了研究弱冲击条件下氩气的辐射特性,从二级轻气炮发射的89 W飞片以2.00 km/s的速度撞击封装有常态下氩气的LY12铝靶,用六通道瞬态高温计和示波器记录到受一次冲击压缩的氩气的光辐射信号随时间的变化规律:从405 nm到700 nm的5个通道信号为直线段,800 nm通道的信号为指数曲线段,并测量出相应的冲击波速度为4.10±0.09 k m/s.实验表明,冲击压缩的氩气对可见光的吸收系数较小,气体的光学厚度沿长波方向从光学薄向光学厚转变.二次冲击压缩氩气的辐射信号上升前沿的时间分辨光谱用OMA系统记录,并观察到450 nm附近有较强的发射光谱带,但没有观察到明显的线状光谱.通过冲击波后参数和氩气电离度的理论计算,解释了冲击压缩下氩气的发射光谱特性.     

基于阵列波导光纤温度特性的分布式光纤布喇格光栅解调法

设计了一种使用阵列波导光栅对分布式光纤布喇格光栅中心波长较大范围变化的解调方法.根据阵列波导光栅各通道的中心波长可随温度变化而改变的特性,通过控制软件循环地在几分钟内使加在阵列波导光栅的芯片温度从30℃线性增加到90℃,同时用微机高速采集各通道的数据并分别找出各通道数据的最大值时刻所对应的阵列波导光栅芯片温度,从而根据其波长-温度关系在微机上报告此时各光纤布喇格光栅的中心波长.实验结果表明,系统有效地解决了分布式解调的问题,微机以小于10min的周期报告出每通道0.6nm范围变化的光纤布喇格光栅中心波长(共40个通道),测量相对误差小于2%.