支持向量回归在人体血红蛋白无创检测中的应用

采用线性渐变滤光片(Linear variable filter, LVF),优化设计高性能、便携式的人体血液成分近红外检测设备,研究了支持向量回归(Support vector regression, SVR)模型对人体血红蛋白(Hemoglobin, Hb)的预测能力及稳定性,以实现贫血疾病的无创诊断.无创采集100位志愿者食指前端光谱信息并划分定标集、验证集1和2.应用网格搜索方法优选惩罚参数与核函数参数c=5.28, g=0.33,用以建立稳健的SVR模型.随后,分别对验证集1和2中Hb水平进行定量分析.实验结果表明: 预测标准偏差(RMSEP) 分别为10.20 g/L和10.85 g/L,相对预测标准偏差(R-RMSEP) 为6.85%和7.48%,测量精度较高且SVR模型对不同样品的适应性较强,基本满足临床检测要求.基于SVR算法自行设计的LVF型近红外光谱检测设备在贫血症的无创诊断中有着良好的应用前景.     

近红外无创生化分析中高效双复合抛物面聚光系统设计

近红外无创生化分析中,要获得准确的血液生化成分信息,需要非常高的系统信噪比。为提高分析系统的信噪比,开展了以增大系统光能利用率为目标的高效双复合抛物面聚光(DCPC)系统研究。首先,针对近红外无创生化分析中光学系统集光要求,研究了复合抛物面聚光器(CPC)出射光特点,确定出一级CPC最大聚光角范围。然后,通过比较标准型和截短型DCPC光能利用率变化,优化出最佳结构参数。最后,结合皮肤组织光学参数,计算了入射光波长为1 000nm时,DCPC系统、CPC-聚焦反射镜系统以及无光学收集系统的光能利用率。结果显示,三种系统的光能利用率分别为1.46%,0.84%,0.26%。设计的DCPC系统增强了对人体漫反射光的收集能力,可有效提高无创生化分析系统的信噪比及整体分析精度。     

基于蒙特卡罗模拟的无创生化检测最佳探测距离的研究

人体内各种血液生化成分含量的变化是评价健康状况的重要信息。人体皮肤中,血糖、胆固醇等生化成分主要存在于真皮层的血液中,本文通过研究最佳的探测距离,提高真皮层的近红外光谱信号强度,排除表皮层、皮下组织产生的干扰。首先,通过对人体皮肤的组织结构进行分析,计算得到了皮肤各层的组织光学特性参数,以葡萄精在合频波段吸收峰2 270 nm处的组织光学参数为例建立了皮肤的蒙特卡罗模型;然后,利用蒙特卡罗方法模拟了光在皮肤中的传输规律,得到了平均路径长度、平均探测深度以及各层吸收光子能量比例随入射角度、探测距离的变化情况。结果表明,光子以小于45°角入射时,可以忽略入射角度对光子传输路径的影响。探测距离为1 mm时,真皮层吸收光子能量所占比例最大,同时又能保证探测器接收到较多的能量。本文确定1 mm作为最佳的探测距离,可以有效降低皮肤中其他组织的干扰,获取真皮层中血液的光谱信息,有利于生化成分的近红外无创检测,为后续实验奠定理论基础。     

X射线干涉光刻偏转聚焦系统热载影响与分析

为缩短实验前的等待时间，减小热辐射对光学元件的损伤以及热变形对实验的影响，充分利用同步辐射X射线获得稳定有效的实验结果，对X射线干涉光刻(XIL)光束线偏转聚焦系统进行了热结构耦合分析。针对上海光源(SSRF)的光源参数，计算偏转聚焦系统所受的热功率密度分布，在此基础上对偏转聚焦系统在相同载荷、不同边界条件下进行了瞬态热平衡分析，得到双柱面镜M1、M2达到热平衡所需的时间、温度分布，并做了比较分析。结果表明，对XIL光束线上偏转聚焦系统的M1、M2采用间接水冷方式可削弱热载效应，达到热平衡的时间分别由8677 s和7850 s缩短到960 s和840 s，最高温度分别由182.73 ℃和129.73 ℃降低到57.94 ℃和47.29 ℃，此时的最大面形误差分别为7.23 μrad和9.24 μrad，缩短了从开机到实验的等待时间，在提高实验效率的同时能够获得稳定有效的实验结果。     

基于NLMS自适应滤波的近红外光谱去噪处理方法研究

为了去除直接采集的近红外(NIR)光谱中含有的噪声,将归一化最小均方(NLMS)自适应滤波方法引入到NIR光谱去噪领域中。以51份土壤样品的NIR光谱为研究对象,探讨NLMS自适应滤波方法在NIR光谱预处理中的应用,并将处理后的结果与土壤中有机质的含量相关联,建立模型。结果表明,通过NLMS自适应滤波去噪后的光谱,预测集的相关系数r由处理前的0.8284提高至0.9654,预测均方根误差(RMSEP)由处理前的0.3385降至0.1606。由此可见,NLMS自适应滤波对NIR光谱的去噪有显著效果,可以有效地提高光谱的分析精度和模型的稳健性,为NIR光谱的预处理提供了一种新方法。     

便携式近红外光谱仪器现状及展望

近红外光谱分析技术具有速度快、操作简单等优点,在农业、制药等行业得到了大量应用,其中一些应用需要将仪器携带到分散的分析现场使用,为满足这一需求,很多体积小、便于移动的便携式近红外光谱仪被研制出来。这些仪器的种类较为繁多,采用了很多不同的基本原理,使用了不同的光路结构。文章综述了国内外便携式近红外光谱仪的技术现状,根据光路结构的不同将仪器分成滤光片型、光栅型、傅里叶变换型、声光可调滤波器型以及使用微机电系统（M EM S ）的新型光谱仪等类型,重点介绍各类仪器的原理和主要部分的结构,同时简要介绍不同类型仪器的特点,并列举典型产品。也对测量附件、操作、显示等外围部分的设计作简要介绍,这些附件针对便携应用采取了特殊的设计。通过介绍,为新型便携式近红外光谱仪的研制提供借鉴。最后,对便携式近红外光谱仪器的现状作总结,并对未来国内外技术的发展进行展望。     

前置平面镜热负载对变包含角平面光栅单色器分辨率的影响

针对变包含角平面光栅单色器前置平面镜（PM）受热负载而导致的单色器分辨率降低问题,提出优化聚焦常数（C_ff）补偿分辨率的方法。首先,计算不同C_ff值时PM的热功率吸收谱,在此基础上对镜面热负载进行热-结构耦合分析,得到不同热负载时PM表面热变形的变化量;然后,结合理想分辨率公式和光线追迹软件求出加热负载的单色器分辨率;最后,优化C_ff实现分辨率的补偿。研究结果表明,以软X射线谱学显微光束线站为例,当出射光能量为1 000 eV时,将C_ff由1.8优化至1.84,单色器分辨率即可与无热负载时的相同,该优化方法可有效补偿单色器分辨率的降低。     

基于连续投影算法的土壤总氮近红外特征波长的选取

讨论了如何利用连续投影算法提取土壤总氮的近红外特征波长.使用连续投影算法对光谱数据进行初步压缩,将优选出的波长按其对总氮贡献值的大小进一步筛选,剔除不敏感的波长,降低模型的复杂度.分析85份土壤样品的近红外光谱,使用连续投影算法得到了总氮的12个波长,贡献值筛选后,波长数量减少到6个,所建模型的预测相关系数(Rp)为0.913,预测均方根误差(RMSEP)为0.011%,模型的预测精度与贡献值筛选前相当,且优于全谱偏最小二乘回归结果.结果表明结合贡献值筛选的连续投影算法能够有效选取待测成分的特征波长,文章所优选的土壤总氮的6个特征波长可以作为小型滤光片式近红外光谱仪波长选择的参考依据.     

经验模态分解法在近红外无创血红蛋白检测中的应用研究

为提高近红外血红蛋白预测模型的稳健性,分别应用Savitzky-Golay平滑、移动窗口平滑以及经验模态分解(EMD)方法对原始光谱进行去噪处理,以提高数据信噪比。采集了81例临床志愿者的手指指端血流容积脉搏波光谱数据,同时获取相应的血红蛋白浓度值临床化验结果。剔除异常样品,确定78例样品为研究对象,建立反向传播神经网络(BP-ANN)定量分析模型并预测。结果表明,经EMD处理后的模型预测效果最优,预测相关系数由0.74提高至0.87,误差均方根由12.85g.L-1减小至8.08g.L-1。实验证明应用EMD方法能够获得高信噪比的容积脉搏信号,提高血红蛋白浓度预测模型的准确性,有利于推动近红外无创血红蛋白检测技术的进一步发展。     

高功率TEA CO2激光器主机结构优化设计

为促进高功率TEA CO2激光器的工程化应用,对主机结构进行了小型化轻量化研究。设计了一种新型环形流道式主机结构,取代原来的圆筒式结构。采用计算机有限元分析方法对壳体结构的应力和变形进行模拟计算,通过对2种结构在刚度、稳定性和重量方面的对比分析,以有筋板的盒式壳体取代纯盒式壳体结构,壳体设计壁厚由7mm下降到4 mm,最大变形减小了近1个数量级,由1.11 mm减小到0.126 mm。研制出的壳体实测变形与模拟计算结果最大误差仅为1.58%。经测量,新型的环形流道式主机比圆筒式主机体积减小约30%,重量减少约40%,放电区气流速度由84.8 m/s提高到97 m/s。在相同的工作参数下进行出光实验,新型主机与圆筒式主机相比,激光重复频率由400 Hz提高到了470 Hz,激光输出平均功率由6 800 W提高到7 900 W。