小波变换提高动态光谱法血液成分无创检测的精度

光谱采集过程中的各种时变噪声影响了动态光谱法血液成分无创检测定量校正模型的精度。该文采用小波变换法,在脉搏频段内对指端投射光谱的时域吸光度波形聚焦,提高了动态光谱数据的信噪比和血液成分含量定量校正模型的精度。对同一个体连续采集10次光谱数据,引入小波变换去噪后动态光谱数据的平均相关系数r自0.979 6提升至0.990 3。对110名志愿者进行血常规体检和指端透射光谱采集,建立动态光谱数据与血糖浓度生化分析值之间的神经网络模型,在引入小波变换去噪后,预测集相关系数自0.6774提升至0.846 8,平均相对误差自15.8%下降至5.3%。实验表明,引入小波变换可以有效地去除动态光谱数据中的噪声,提高定量校正模型的精度,推动了动态光谱法无创血液成分检测的发展。     

消除个体条件测量差异的动态光谱及其频域提取法的研究

在近红外光谱的皮肤无创检测中,个体差异是一个相当大的技术难题。在血液成分无创检测中,个体差异包括毛发、角质层、表皮、真皮、皮下组织、肌肉、骨骼等。研究表明,个体差异随着个体不同而不同,是阻碍血液成分无创检测技术实用化的重要因素。文章提出了基于光电容积脉搏波的产生机理和傅里叶变换的检测血液成分浓度的新方法——频域提取法,这种方法可以消除测量中由于皮肤组织和肌肉组织产生的差异;提出了动态光谱的概念,从理论和实验两个方面说明了这种方法的优点,并通过实验直接提取了各波长中仅由血液成分产生的吸光度光谱图,对于近红外光谱无创检测血液成分的实际应用有着重要意义。     

动态光谱的单拍提取

为了提高动态光谱(dynamic spectrum,DS)数据处理方法的效率与精度,采用单拍提取技术,即对所采集全部波长对应的光电容积脉搏波(photoelectric plethysmography,PPG)叠加平均所得到的全波段PPG,以单个脉搏为周期,提取其上升沿作为模板;用该模板校正各个波长PPG的上升沿,再以...     

傅里叶变换光谱成像仪光谱传递函数研究

根据光学传递函数理论,定义了光谱成像仪的光谱传递函数. 针对基于Michelson干涉仪的时间调制傅里叶变换（FT）光谱成像仪,基于Sagnac干涉仪、Fresnel干涉仪、Lloyd干涉仪的空间调制FT光谱成像仪,推导出相应的光谱调制传递函数和光谱相位传递函数解析表达式,并分析了其物理意义. 光谱传递函数为评价相应光谱成像仪在光谱域的性能提供了一种量化的判据. 与空间域的光学传递函数相结合,成为反映光谱成像仪综合性能的客观依据. 关键词： 傅里叶变换 光谱成像仪 光谱传递函数     

基于统计方法的动态光谱差值提取

为实现血液成分无创检测,针对动态光谱(dynamic spectrum, DS)时域单拍提取法存在的不足,提出时域差值提取法,即顺序提取各波长对数光电脉搏波上相距理想差值间隔的两对应采样点的绝对差值构成差值DS,利用统计方法优选若干有效差值DS进行叠加平均获取最终DS输出。对48例志愿者的实验数据分别利用差值提取法和单拍提取法进行DS提取,结果表明：差值提取法提取DS的去噪效果略优于单拍提取法;对单一个体可获取有效DS的平均个数由48个改善为130个,有效DS间均方误差的平均值由0.39改善为0.006,运算速度提升了近20倍。新方法显著提高了DS提取的质量。     

大白菜根肿病的傅里叶变换红外光谱早期快速检测

应用傅里叶变换红外光谱技术对还未表现症状的大白菜根肿病病样进行早期快速检测。结果表明,健康与染病的根部样品谱图存在一定差异,染病的根部样品在红外光谱图中的1 227,1 143和1 105 cm-1有很强的吸收峰,而健康根部样品的谱图没有,结合吸收峰的峰面积值变化,可以对大白菜根肿病进行早期快速检测。同时,以聚合酶链式反应(PCR)进行检测加以佐证。二者在接种5天后均可以检测到大白菜根部组织中的根肿菌。这表明傅里叶变换红外光谱具有灵敏性高、 方便、 快速等优点,可以在病害未显症时进行早期快速检测,为植物病害的早期诊断提供了新的思路及方法。     

小米的傅里叶变换红外光谱研究

本文利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)结合主成分分析和聚类分析对白小米、黄小米、糯小米、青小米、陈黄小米、黑小米和大黄米进行鉴别研究。所有样品的傅里叶变换红外光谱整体相似,二阶导数光谱存在明显的差异。选取1800~1400cm-1范围内的二阶导数光谱数据对52份小米样品做多变量分析,结果显示,主成分分析的分类准确率为84.6%,系统聚类分析的分类准确率为92.3%。结果表明傅里叶变换红外光谱技术结合化学计量学能有效地区分不同品种的小米,为不同小米的分类鉴定提供新的方法与途径。     

基于最小二乘法的动态光谱补偿拟合提取

高信噪比的动态光谱(dynamic spectrum, DS)提取是实现高精度动态光谱血液成分无创检测的一个关键。为了进一步提高提取的精度和速度,从原理上分析了各单波长光电容积脉搏波(photoelectric plethysmography,PPG)的线性相似性,并基于此性质提出了补偿拟合法：首先按照PPG单周期采样点数进行滑动平均得到漂移基线进行补偿,除去基线漂移;其次用各波长对数PPG与全波长叠加平均模板PPG进行最小二乘拟合,提取一次项系数构成DS。利用拟合提取法对近红外和可见光波段各25组PPG数据样本进行DS提取实验验证,并将结果与单沿提取法进行平滑性指标的对比,结果表明：近红外和可见光波段补偿拟合法获取DS的平均方差分别为单沿提取法的77.9%和59.5%,稳定提高了DS的平滑性;近红外和可见光波段补偿拟合法处理时间分别可以达到单沿提取法的10%和20%,处理速度得到显著改善。补偿拟合法在单沿提取法的基础上稳定提高了DS的信噪比,改善了DS提取质量,缩减了提取时间,并简化了处理步骤,有望推动DS无创血液成分检测的发展。     

动态光谱检测中血液散射对等效光程长变化的影响

动态光谱无创动脉血液成分检测方法,从原理上可以去除皮肤等因素带来的个体差异的影响。在使用该方法时,需要考虑血液散射的影响。采用蒙特卡罗模拟仿真方法,对人体指端脉动动脉血液的散射引起的等效光程长变化程度进行了研究,从误差分析的角度对通过动态光谱法测量血液成分浓度的下限进行了评估。     

几种花粉的傅里叶变换红外光谱研究

本文利用傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)对7种植物[玉兰、香水百合、天竺葵(粉红,红色)、兰花、菊花、马蹄莲]花粉进行了研究。结果显示,花粉样品的红外光谱主要由蛋白质、多糖、脂类物质的特征吸收峰组成。不同种花粉的红外光谱的差异表现为脂类物质的特征吸收峰强度的变化,多糖特征吸收峰峰形的区别,以及蛋白质和多糖的特征峰强度比的不同。不同颜色的天竺葵光谱差异较小,仅脂类特征吸收峰略有差异。研究表明,利用红外光谱建立数据库,有可能依据花粉的傅里叶变换红外光谱鉴别植物。     

利用统计处理方法提高动态光谱的检测精度

近红外光谱法成分检测因其检测方法的优越性,已成为生物医学领域的研究热点。目前国内外相关研究虽然广泛,可是还没有进入实际临床应用的报道。关键是现有检测方法中存在着个体差异,测量条件的影响,使光谱检测精度达不到要求,因此提高检测精度是血液成分无创检测得以实现的关键。文章在最近提出的一种新的近红外血液成分检测方法-动态光谱法的基础上,利用传统的统计处理方法,通过剔除含有粗大误差的奇异点和多次测量统计平均来提高动态光谱检测精度。实验结果表明含粗大误差的奇异点剔除和多次测量统计平均能够提高动态光谱的检测精度。     

PLS在基于动态光谱的人体血液中性粒细胞无创测量中的应用

利用动态光谱指端透射法进行了人体血液中性粒细胞百分比无创测量的研究。对21名健康志愿者进行了在体测量,选用偏最小二乘法(PLS)对获取的动态光谱数据和中性粒细胞百分比实测值进行建模分析,建立的定标集的相关系数为0.922,最大相对误差为5.85%,平均相对误差为4.13%;对定标模型的预测能力进行了验证,其中预测集的相关系数为0.912,预测集的相对误差最大为6.74%,平均相对误差为5.07。结果表明：动态光谱法可以有效地克服测量位置及人体成分等对光谱测量的影响,较准确地进行人体血液中性粒细胞百分比的测量,是一种比较好的血液成分无创测量方法,具有较高的临床应用价值。     

动态光谱检测中的相移波形误差分析

动态光谱提取自光电容积脉搏波,是与动脉血液信息高度相关的近红外光谱,可应用于动脉血液成分的无创检测,具有很好的临床应用价值。文章依据动态光谱检测理论,对检测过程中的相移波形误差进行了分析。人体正常生理活动可导致光电容积脉搏波的周期、幅值和基线的不稳定。同时在动态光谱时域检测过程中,不同波长下检测到的脉搏波间存在一定的相位延迟。以上两个因素将导致不同波长对应的脉搏波之间存在一定的波形差异,从而使其频谱发生改变,在动态光谱中引入相移波形误差。文章对该相移波形误差进行了量化分析。结果表明,该误差与截取脉搏周期的矩形窗位置相关。通过精选矩形窗位置,可以将相移波形误差降低一个数量级。     

利用谐波分量提高动态光谱法的信噪比

为了提高动态光谱法信号的信噪比,从信号和噪声能量的角度分析了动态光谱法以往采用的频域数据处理方法优点和缺陷,研究了了典型动态光谱系统噪声来源、频谱特点及其对动态光谱法信噪比的影响;并由此提出了增加多次谐波分量计入动态光谱的方法,并通过实验方法研究了实验中不同对照组的动态光谱相关系数与谐波次数逐渐增加时的变化趋势、确定了计入动态光谱的最佳谐波次数。实验证明,伴随频域处理中引入的谐波次数的增加,源自两个不同个体的动态光谱数据的相关系数会先减小后增加;而源自同一个体不同部位的动态光谱数据则一直增大。当引入的谐波次数为5时,可以得到最佳信噪比。所得到的动态光谱可以更加准确地反应血液成分信息,从而使动态光谱法的信噪比最大。     

动态光谱法用于人体血红蛋白浓度的无创测量

为了实现血液成分的无创检测,利用动态光谱指端透射法进行了人体血红蛋白浓度无创测量的研究。对34名健康志愿者进行了在体测量动态光谱和抽血分析血红蛋白含量,在验证了动态光谱的可靠性的基础上,选用BP神经网络对获取的动态光谱数据和血红蛋白浓度实测值进行建模分析,从34个样本中抽取19个作为校正集,另外15个作为预测集,得到校正集和预测集的相关系数分别为0.983 1和0.936 5,预测集的相对误差最大为7.5%,平均相对误差为3.04%,满足临床应用对血红蛋白测量精度的要求。结果表明： 动态光谱法可以有效的克服测量位置等测量条件对光谱测量的影响,较准确地进行人体血红蛋白浓度的测量,是一种比较好的血液成分无创测量方法。     

Discussion about the DCT/FFT phase-unwrapping algorithm for interferometric applications

After discussing Schofield's fast Fourier transform (FFT) algorithm, a (weighted) discrete-cosine-transform-based (DCT-based) phase-unwrapping (PU) algorithm is described. The algorithm could unwrap some high-phase-variation map which the FFT algorithm could not solve. Although the DCT algorithm is derived from Schofield's FFT PU algorithm, unlike FFT, it avoids the mirroring operation in implementing the boundary conditions so that it has higher efficiency in PU. Furthermore, in order to improve the reliability and noise robustness, we introduce the phase derivative variance (PDV) quality weight extracted from quality map into the DCT algorithm. The unwrapped results of both the computer-simulated and interferometric synthetic aperture radar (IFSAR) data demonstrate that the (weighted) DCT PU algorithm is generally effective, especially in dealing with the high-phase-variation and/or irregular-phase-distribution maps.     

Noninvasive hemoglobin measurement based on optimizing Dynamic Spectrum method

An optimizing Dynamic Spectrum method based on short-time Fourier transform for noninvasive hemoglobin measurement was proposed. A total of 187 volunteers’ spectral data and blood samples were prepared for the calibration (167 samples) and prediction (20 samples) sets. Data processing with optimizing dynamic spectrum method was set as experimental group, while control group was with classical method based on fast Fourier transform. The model for hemoglobin prediction was established with partial least square regression. In the experimental group, the average prediction correlation coefficient was 0.8399, while that of the control group was 0.6686. The results demonstrate that the optimizing method has a good accuracy improvement for noninvasive hemoglobin measurement. The optimizing dynamic spectrum method combining statistical characteristics analysis as a modified analytical method has a promising application prospect of application in noninvasive blood component measurement field.