高光谱成像用于中医舌诊舌苔信息提取

舌苔信息的提取对于中医舌诊客观化起着非常重要的作用,目前中医舌苔信息提取多基于图像处理技术,用数码相机拍摄舌体RGB彩色图像,然而,现有的方法在信息量方面还不能满足中医临床的需要,为了探究舌体更多信息,本研究将高光谱成像技术用于中医舌诊舌苔信息的提取中,以获得在全波段内舌体信息进而为中医舌诊诊断方式以及客观化提供一种新途径。首先运用高光谱采集系统采集来检者舌体在371.200 0～992.956 0 nm之间的343个波长的高光谱信息,并且记录来检者的中医舌诊的临床诊断结果,然后对采集到的16例来检者的高光谱图像进行感兴趣区域提取,即将舌体信息与背景信息进行分离,进而对提取的感兴趣区域舌质与舌苔光谱信息和图像信息进行处理。由实验结果分析发现,16例来检者舌苔和舌质部分光谱差异最大波段位于525～600 nm之间,对382.108 0～963.668 0 nm之间均匀提取9个波长处的舌体单一波长的二维图像信息并进行图像绘制,通过对比来检者舌体实际情况发现在527.548 0 nm处能够很好的真实反映舌体表面舌苔附着情况,实验结果表明,高光谱技术在中医舌苔信息提取方面具有一定的可行性,能够为中医舌诊舌苔分离以及舌苔信息提取提供一种快速、简便的检测手段。     

人体舌苔的反射光谱特征分析

望舌苔是中医舌诊的重要组成部分,对舌苔定性以及定量分析对于阐释舌苔携带的生理病理信息起着非常重要的作用,也是中医舌诊客观化研究的一个重要内容,提出舌苔的光谱分析法。采用Usb4000可见光谱仪对80例样本进行舌体附着舌苔部位以及无舌苔附着部位的反射光谱数据采集,并对所采集的光谱数据进行分析,发现同一个体的舌体不同部位的光谱特征与有无舌苔附着存在一定的相关性,进一步对采集的光谱数据进行比较发现,光谱曲线在500～600 nm之间存在较大差异,差异最大处于579.39 nm,同时对不同苔色光谱曲线进行了比较,不同苔色及苔厚在光谱上存在较大差异,实验结果表明,人体舌苔苔色、厚薄、润燥的不同,造成光谱特征上存在差异,与当前中医舌诊客观化普遍采用的比色法相比,反射光谱能够反映更多的舌体生理、病理信息,同时实验结果也说明,舌质、舌苔光谱特征的差异为进一步的舌质、舌苔分离奠定基础,从而有望为人体舌苔定性和定量分析提供客观指标,促进中医舌诊客观化。     

基于有效衰减系数直接测量的人体光谱特征分析

在活体成分无创测量中,人体组织的漫射光谱之间存在千差万别,即使同一组织的光谱也时刻发生着变化,这是影响活体组织成分测量精度的重要原因。通过漫射光谱实时监测组织的光学特性非常重要。由于漫射光的吸光度光谱沿光源-探测器距离不再呈现线性变化,不同距离下的测量结果不易相互借鉴,因此不宜采用单一距离的漫反射光测量方式。采用双光源-探测器距离的测量方式,通过差分测量获得了组织有效衰减系数,其与测量距离无关,是反映组织吸收、散射的综合光学参数。实验系统采用中心光纤入射,距中心0.6和2.0 mm的两个环状分布的光纤束接收漫反射光,并据此推测出被测组织的有效衰减系数。通过实时监测组织的有效衰减系数,可以监测组织的状态与成分变化信息。采用Intralipid脂肪乳作为组织仿体,考察了其中的葡萄糖浓度、血红蛋白浓度、颗粒密度、温度四个因素变化时在1 000~1 300 nm波段的有效衰减系数光谱,比较了它们的光谱特征。结果表明,有效衰减系数的光谱形状主要由介质的吸收变化决定。其中血红蛋白的有效衰减系数光谱显示出其在1 000~1 200 nm波段吸收显著,1 200~1 300 nm吸收减弱,这与血红蛋白的吸收特征一致;温度的光谱显示出与温度对水吸收光谱影响的光谱形状一致; 葡萄糖与颗粒密度引起的有效衰减系数光谱相似,原因在1 000~1 300 nm波段葡萄糖吸收较弱,其主要影响介质散射特性。最后测量了不同人体的手指、手掌、手背、手臂外侧、手臂内侧的有效衰减系数光谱,比较了部位差异和个体差异。从人体光谱差异上很明显地看到了血红蛋白、散射特性不同引起的光谱差异。综上,提出的有效衰减系数光谱测量方法特别适用于活体组织的成分测量,为实时监测组织的散射、吸收变化提供了一条新途径。     

太湖水体浮游藻类吸收系数分离方法研究

利用太湖实测水色因子吸收系数数据,根据非藻类颗粒物与有色可溶性有机物(CDOM)吸收相似的特性,采用两者合并参数化方案,并结合浮游藻类吸收系数在580 nm与692 nm波长处比值恒定的特点,提出了适合于太湖的基于水体总吸收的浮游藻类吸收系数分离方法,并从数值和光谱曲线特征等方面对分离效果进行了评价。结果表明,浮游藻类吸收能够较好地从水体的总吸收中分离出来,在440,550和675 nm波段处,吸收系数的分离效果都较好,其中在675 nm波段分离平均相对误差在10%以内;分离得到的浮游藻类吸收光谱整体上保持了其原有的特征,与实测光谱具有很好的相似性,平均相似度在0.97以上。     

舌体高光谱的高血压患者中合并冠心病的筛查方法

高血压合并冠心病是高血压疾病的一类严重合并症。目前高血压患者对合并冠心病的情况检测不及时,容易导致严重事件的发生,其致残率、致死率极高,严重影响患者的生活质量。因此对高血压患者合并冠心病的早期发现对预防更严重事件的发生显得尤为重要。舌体信息与心血管功能关系密切,为此,提出一种基于舌体高光谱用于高血压患者中合并冠心病筛查新方法。采集154例心血管科门诊患者舌体377.8～1 049.1 nm高光谱数据并记录临床诊断信息。对高血压患者组及高血压合并冠心病患者组舌体光谱比较发现,在500～600 nm波段之间,两组光谱存在显著性差异。基于中医舌诊分区理论,对舌体进行区域划分,划分为舌尖、舌左、舌中、舌右以及舌根五个区域。各舌体分区在波长509.6和561.2 nm以及540.5和576.7 nm均存在极大和极小值,这与血红蛋白对光的吸收特征相吻合。对组间各舌体区域光谱特征进行差异性分析。T检验分析结果显示高血压患者组与高血压合并冠心病患者组舌尖与舌中区域光谱具有显著性差异。基于高血压患者组与高血压合并冠心病患者组舌体不同区域光谱特征的差异性,利用神经网络,选取500～600 nm舌尖与舌中光谱数据进行后续高血压患者组与高血压合并冠心病患者组分类辨识模型的建立。选用准确度、灵敏度以及特异性作为模型预测能力的评价指标。最终获得模型的预测准确度、灵敏度以及特异性分别为84.78%,86.95%和82.61%。实验结果表明高血压患者与高血压合并冠心病患者舌体高光谱信息之间存在显著性差异。利用舌体高光谱所建立的分类模型能够用于高血压以及高血压合并冠心病患者的无创辨识,为高血压患者中高血压合并冠心病的早期发现提供一种有效筛查手段。     

基于LCTF成像选取萝卜叶片的特征波段

从大量的成像光谱数据中选择出有效的特征波段,用于对园艺作物的特征进行快速识别和分类。基于LCTF(liquid crystal tunable filter)成像的优点在于能够连续改变光谱透过中心波长。首先实验选取园艺作物———萝卜叶片为研究对象,获取萝卜叶片表面每隔5nm各波段图像的灰度信息;然后求出各波段的灰度值标准差和相关系数;最后通过波段指数排序选取萝卜叶片的有效特征波段。实验结果表明,在530nm、550nm、535nm、555nm和715nm波段具有较理想的波段指数值,这些波段离散度大,信息量丰富且波段间相关系数小,因此这些波段是识别萝卜叶片的有效特征波段。     

高光谱成像技术的库尔勒梨早期损伤可视化检测研究

利用高光谱成像技术对库尔勒梨早期损伤进行快速识别检测。以60个库尔勒梨为研究对象,采集380～1 030 nm波段范围内完好样本和损伤后1～7天样本的480幅高光谱图像。提取图像中感兴趣区域(ROI)的平均光谱信息,利用小波变换(WT)对光谱数据进行去噪平滑,将去噪后的全部样本按2∶1的比例分成建模集(320个)和预测集(160个)。利用二阶导数从全谱信息中提取出19个特征波长,分别基于全谱和提取出的特征波长对建模集和预测集进行支持向量机(SVM)建模分析。结果表明,基于全谱和特征波长的判别分析模型中,两者预测集的识别率都达到93.75%,表明提取的特征波长包含了光谱数据中的关键信息。然后,基于特征波长运用波段比运算挑选最佳波段比,根据波段比F值的分布确定光谱图像分割的最佳波长684和798 nm。对最佳波段比(684/798 nm)下的图像,利用选择性搜索(SS)对高光谱图像中样本的完好和损伤区域进行分割,从分割结果来看,1～7天损伤样本的受损区域能够被准确检测出来。研究结果表明：基于高光谱成像技术对库尔勒梨进行损伤鉴别是可行的,该研究所获得的特征波长和波段比为研发在线实时的库尔勒梨损伤检测系统提供支撑。     

光调制技术用于提高光谱法舌诊的测量信噪比

为了解决光谱采集受环境光干扰严重的问题,首次将光调制技术用于提高光谱法舌诊测量的信噪比。系统采用调制盘对参考光信号强度进行调制,运用此装置采集同一被测体在分别叠加绿色、紫色、红色激光以及自然环境光干扰情况下的反射光谱,对采集来的数据运用离散傅里叶变换进行解调,提取最大谐波分量,然后对提取的最大谐波分量进行归一化,绘制解调后的光谱曲线,通过比较发现,不同干扰情况下所测同一被测体经过调制解调后的反射光谱曲线走向基本一致,结果表明光调制技术能够去除舌体反射光谱采集中环境杂散光的干扰,为高信噪比舌诊光谱数据采集提供了一种新途径。     

外来物种紫茎泽兰光谱特征

紫茎泽兰是一种有毒的外来物种,对我国经济和环境产生了深远的影响。紫茎泽兰具有分布广、扩散快的特征,使得传统监测手段显得捉襟见肘。文章在分析了紫茎泽兰光谱特征的基础上,尝试建立紫茎泽兰遥感识别模型,旨在挖掘有效的紫茎泽兰空间分布动态监测方法。研究表明:紫茎泽兰光谱曲线在可见光范围内有2个反射峰和1个吸收谷,对应的波长分别为560,730和674 nm。紫茎泽兰在674 nm的吸收深度为0.504 3～1.910 3,吸收宽度为13.778 9～17.2518 nm,中心吸收波段的左右面积呈左偏型,且左边面积与右边面积的比值为1.771 9～2.444 1。紫茎泽兰白色的花使光谱反射率在可见光范围内有一明显的抬升,并导致一阶微分光谱在420 nm产生一个波峰。与其他典型地物的光谱特征对比可知,紫茎泽兰在674 nm的吸收宽度和左右面积比值以及420 nm的一阶导数值是花期紫茎泽兰独有的光谱特征,可作为花期遥感识别与提取紫茎泽兰的重要参数。     

水体细菌微生物多波长透射光谱解析模型EI北大核心CSCD

细菌多波长透射光谱包含有细菌结构、组分、浓度等信息,这些特征信息的有效提取是实现细菌微生物快速识别与检测的基础。以水体常见的大肠埃希氏菌(大肠杆菌)为研究对象,采用紫外-可见分光光度法获得了其多波长透射光谱;基于Mie散射理论,在充分考虑水体大肠杆菌散射和吸收特性的基础上,构建了240~900nm波段范围内细菌微生物多波长透射光谱的解析模型;基于该模型对250~750nm特征波段范围内的光谱进行解析,获得了大肠杆菌的体积、粒径、结构及浓度等相关参数,并将这些参数与文献及实验得到的结果进行了对比验证。结果表明,建立的多波长透射光谱解析模型能够准确表征水体细菌微生物的光谱特征,该模型可为水体细菌微生物的快速识别分析和检测提供关键数据。     

基于平场全息凹面光栅的舌诊用光谱仪的研制

由于传统的望舌诊断法过于依赖中医师的经验判断,导致误诊的概率相对较大,而基于图像处理的舌诊法受光源、图像采集设备影响较大,同时对于病理不同而颜色相近的舌象识别率不高。为了克服上述缺点,利用舌光谱的“指纹效应”,通过使用光谱法来对不同性状的舌象进行诊断,为了实现这一目标,研制了一款用于舌象诊断的光谱仪,同时为了克服传统分光器件的不足,分光系统中采用了平场全息凹面光栅作为分光器件,能保证系统小型化、光通量利用率提高的同时,改善光谱成像的质量和分辨率。通过系统实验测试,该光谱仪的光谱范围达到340～850 nm, 分辨率优于2 nm,同时通过模拟实验充分验证了该系统的有效性。     

基于光谱吸收靶标的成像光谱仪光谱定标方法研究

中心波长和带宽是影响成像光谱仪数据定量化应用水平的两个重要光谱性能参数。针对覆盖光谱范围较窄的可见光与近红外波段成像光谱仪,提出了一种利用人工光谱吸收靶标进行光谱定标的方法,论证和建立光谱吸收靶标光谱定标方法的数学模型。在同一环境下利用成像光谱仪和ASD光谱仪对地面光谱吸收靶标进行准同步光谱测量,并进行反射率计算,然后通过光谱匹配计算中心波长偏移量和带宽变化量。利用该方法对设计带宽为6 nm的可见光与近红外波段的成像光谱仪进行了地面定标实验。实验结果表明,该方法能够作为外场光谱定标的辅助手段,提高成像光谱仪的定量化应用水平。     

光栅色散型成像光谱仪的在轨光谱定标方法研究

精确的光谱定标是定量化反演地物信息的前提与基础。光栅色散型可见近红外成像光谱仪(VNS)主要用于海洋水色遥感和海岸带监测,采用推扫式成像方式,工作波段范围覆盖400～1 040 nm,空间维视场像元总数为1 024,共设置256个光谱通道,光谱采样步长为2.5 nm。针对仪器入轨后可能发生的光谱通道中心波长漂移或通道宽度展宽问题,基于光谱特征曲线匹配思想,提出了利用太阳大气廓线和星上定标器镨钕特征光谱进行在轨光谱定标的新方法。开展了在轨光谱真实性检验与定标的地面模拟实验,采用最小差值与相关系数联合算法对数据进行了处理。以大气氧气吸收763 nm波段为例,介绍了在轨光谱定标的步骤。给出了太阳夫郎和费517 nm、Pr-Nd玻璃685 nm和氧气吸收763 nm三个典型波段对应VNS的光谱通道的定标结果：三个通道穿轨视场Smile效应幅度相近,约为0.6 nm;中心波长漂移方向和大小各异,分别为0.707,-0.369和0.293 nm;对穿轨方向各像元的测量值进了二次曲线拟合,763 nm通道标准偏差小于另外两个通道,三个通道的光谱定位精度较高优于0.176 nm。为成像光谱仪开发出一种适用的在轨光谱定标算法。     

Optical wavelength selection for portable hemoglobin determination by near-infrared spectroscopy method

Hemoglobin concentration is commonly used in clinical medicine to diagnose anemia, identify bleeding, and manage red blood cell transfusions. The golden standard method for determining hemoglobin concentration in blood requires reagent. Spectral methods were advantageous at fast and non-reagent measurement. However, model calibration with full spectrum is time-consuming. Moreover, it is necessary to use a few variables considering size and cost of instrumentation, especially for a portable biomedical instrument. This study presents different wavelength selection methods for optical wavelengths for total hemoglobin concentration determination in whole blood. The results showed that modelling using only two wavelengths combination (1143 nm, 1298 nm) can keep on the fine predictability with full spectrum. It appears that the proper selection of optical wavelengths can be more effective than using the whole spectra for determination hemoglobin in whole blood. We also discussed the influence of water absorptivity on the wavelength selection. This research provides valuable references for designing portable NIR instruments determining hemoglobin concentration, and may provide some experience for noninvasive hemoglobin measurement by NIR methods.     

连续统去除法分析不同马铃薯品种高光谱差异性

在我国实施“马铃薯主粮化”战略的背景下,加强马铃薯相关的研究显得十分有意义。比较和分析不同马铃薯品种不同时期的光谱差异性,旨在为马铃薯品种鉴定、马铃薯与其他作物的区分、马铃薯空间分布提取、马铃薯病虫害监测、马铃薯受各种胁迫的影响以及各种作物识别研究等提供理论和技术支持,也为作物高光谱相关研究提供新思路。对在吉林地区大田试验获取的马铃薯早熟品种费乌瑞它和中晚熟品种延薯4号结薯期和块茎膨大期等关键生育期的样品的冠层高光谱反射率数据,首先利用Savitzky-Golay平滑滤波进行去噪声处理,获取其连续统去除光谱并提取出最大吸收深度、总面积、左面积、右面积、对称度、面积归一化最大吸收深度6个特征参数。同时对滤波后的光谱反射率数据和连续统去除光谱反射率数据进行一阶微分处理。在对不同马铃薯品种这两种光谱反射率曲线对比分析的基础上构建反射率差异性指数、一阶导数差异性指数、连续统去除光谱特征参数差异性指数共3类8种差异性指数作为评价指标。其中反射率差异性指数和一阶导数差异性指数研究“绿峰”550 nm,“红谷”670 nm以及可见光-近红外平台760 nm附近的波段。利用这些差异性指数定量地分析了不同马铃薯品种高光谱差异性。将连续统去除法应用到植物高光谱差异性分析中来,并且深入到不同马铃薯品种以及其不同生育时期。构建的差异性指数取得了很好的评价效果,结果表明：(1)相比反射率差异性指数和最大吸收深度差异性指数,一阶导数差异性指数、总面积差异性指数、左面积差异性指数、右面积差异性指数、对称度差异性指数和归一化差异性指数都可以很好地描述不同马铃薯品种的高光谱差异性,连续统去除光谱局部放大了两个不同马铃薯品种的高光谱差异;(2)滤波光谱和连续统去除光谱反射率差异性最大的波长位置和时间都相同,均处于8月16日波长671.24 nm处;最大吸收深度差异性指数值最大仅为0.01;滤波光谱一阶导数差异性指数值在6月24日波长673.55 nm处最大达到0.977,连续统去除光谱一阶导数差异性指数在6月24日波长759.74 nm处最大达47.87,在不同马铃薯品种光谱差异性分析中作用最为明显;总面积差异性指数值、右面积差异性指数值、对称度差异性指数值和归一化差异性指数值均在6月24日最大,最大值分别为0.13,0.214,0.205和0.113,左面积差异性指数值在7月24日最大,为0.199;(3)根据所构建的差异性指数定量评价结果综合推测可知,两个不同马铃薯品种高光谱差异最大的时期处于早熟品种费乌瑞它结薯期的中晚期,中晚熟品种延薯4号结薯期的初期。     

基于HJ-1A-HSI提取稀土元素地球化学异常信息研究

稀土元素的特征谱带基本不随赋存状态的不同而变化,不能用于矿物种类的探测,却能够证实其自身的存在。通过研究稀土元素及其化合物在遥感可见光-近红外波段的光谱特征,分析了稀土元素含量与特征谱带吸收指数的定量关系。以内蒙古白云鄂博稀土富集地区为例进行试验,通过采集矿区典型岩矿标本的光谱、测试分析样品中Nd含量,表明Nd含量与各特征谱带的吸收深度、吸收指数均存在明显的正相关线性关系,相关性均在0.778以上。其中,726～772 nm谱带的吸收指数与Nd含量相关性最好,达到0.937。在此基础上,结合HJ-1A-HSI高光谱遥感数据的波段设置,构建了定量反演Nd含量的最优模型,并以此反演了区域Nd元素遥感地球化学异常信息。结果表明：与1∶20万水系沉积物地球化学异常对比,二者总体相关性良好。为快速获取区域稀土元素地球化学异常提供了新的手段。     

离体正常乳腺组织350～850 nm波段光谱特性

采用带有积分球附件的紫外/可见/近红外分光光度计测量了离体正常乳腺组织在350～850 nm光谱范围的反射率和透射率,运用反向倍加法得到了离体正常乳腺组织在相应光谱范围的光学参数,分析了正常乳腺组织的光学穿透深度随波长的变化情况。实验结果表明：350～850 nm波段正常乳腺组织的约化散射系数μ′_s大于吸收系数μ_a。μ′_s随着波长的增加而减小,即从350 nm波长值为9.731 mm-1～850 nm波长值为1.476 mm-1。μ_a从350 nm波长值为0.798 mm-1～850 nm波长值为0.102 mm-1,410 nm波长处存在一个吸收峰,其值为0.506 mm-1。光学穿透深度随着波长的增加而增大,从350 nm波长值为0.199 mm-1～850 nm波长值为1.439 mm。基于反向倍加法计算获得乳腺组织的光学参数,采用Monte Carlo模拟得到其相应光谱范围的反射率和透射率,并与实际测量值进行比较,二者的一致性较好。实验结果为乳腺组织的光活检及其光学治疗提供重要参考。