基于频域近红外光谱法的生物组织光学参数的检测与三维重构

生物组织的光学特性参数与组织的各种生理、生化以及病理过程密切相关。光学特性参数的检测与三维重构可以在一定程度上了解组织的内部结构及特性。基于频域近红外光谱法,使用美国ISS公司的频域近红外光谱检测系统,采用多光源多检测器技术,将830 nm的激光经过调制后,照射进放置了具有一定吸收系数和散射系数的异质体小球的牛奶中,检测出射光的光强和相位,然后应用光学扩散层析成像技术,通过计算含有异质体小球的牛奶的光学参数,重构出了牛奶中异质体的具体位置。实验结果表明,利用频域近红外光谱法得到的出射光的光强和相位信息,能够较准确地计算出牛奶及异质体小球的吸收系数和散射系数等组织光学参数,并可进一步定位出牛奶中异质体小球的位置。因此,可以考虑将该方法应用在分析及定位水果病变等农产品品质检测领域。     

基于组合模拟波段的油菜菌核病早期诊断方法研究

应用组合模拟波段建立的线性和非线性判别模型实现了油菜菌核病的早期诊断。采集油菜健康叶片80个,菌核病染病叶片100个,采用预处理算法与连续投影算法(SPA)相结合提取组合模拟波段,分别建立偏最小二乘法(PLS)、多元线性回归(MLR)和最小二乘-支持向量机(LS-SVM)模型。通过比较,最优PLS判别的预处理分别为直接正交信号校正(DOSC)、De-trending和原始反射光谱(Raw),准确率分别为100%,95.7%和95.7%。应用组合模拟波段的最优线性模型为SPA-MLR(DOSC)和SPA-PLS(DOSC)模型,准确率均为100%,基于DOSC、De-trending和Raw组合模拟波段的SPA-LS-SVM模型的判别准确率均为100%。结果表明,基于组合模拟波段进行油菜菌核病早期诊断是可行的,为油菜菌核病的早期诊断及病害监测仪器的开发提供了方法和依据。     

基于检测光纤的漫射高光谱采集的Monte Carlo仿真

从漫射高光谱中可以获得被测物体成分、结构及其分布等信息。采用光纤光谱仪获取漫射高光谱是一种常用的方法。Monte Carlo方法在研究光在浑浊介质的传播方面得到了广泛的应用。然而,使用Monte Carlo方法研究漫射高光谱时,必须考虑实际的检测条件对信号采集的影响。将光纤参数引入到Monte Carlo模型中,研究了光纤参数对被检测光学信号的影响。仿真结果表明,孔径角和半径增大,检测的漫射高光谱随之增大,而光纤与被测物质表面的距离小于1 mm时对漫射高光谱的影响在一定程度上可以忽略。进一步研究发现存在固定的修正系数使不同孔径角的光纤所采集的漫射高光谱转化为孔径角为π/2的光纤对应的信号。同时,得到了实际光纤孔径角范围内的修正系数拟合曲线。不同半径的光纤通过面积归一化可以得到很好的一致性。研究检测光纤参数对漫射高光谱的影响对实际测量有重要的指导意义,而且不同光纤所对应的检测结果可以通过修正系数和面积归一化进行移植。     

基于蒙特卡洛模型的脊髓损伤后神经细胞定位方法

交通事故、高空坠落、重物砸伤等原因,可能导致人体脊髓损伤（spinal cord injury,SCI）。SCI中断了人体神经信号的传输信道,患者大多高位截瘫,丧失肢体功能,大小便失禁,导致终生残疾,生活异常艰难。2016年世界卫生组织统计数据显示,全世界SCI患病率为（258～785人）/百万人口,每年新发病率为（13.8～86人）/百万人口。目前全球约有SCI患者600万人,并且每年新增约60万人。脊髓损伤一直是医学界的重难点研究课题,医生和科研人员经过长期的研究与探索,目前仍未找到有效的治疗方案来修复脊髓损伤后的微环境以及促使损伤神经的再生。该方法主要针对以下两方面问题：(1) 常规的检测仪器如X射线、核磁共振MRI检查、CT等传统仪器只是影像和形态学方面的观察,不能对脊髓损伤部位的神经细胞进行定位和实时的活性分析,致使医生和科研人员对患者的病情不能精确把握,极有可能延误患者病情,甚至危及患者生命。(2) 2013年12月,西安邮电大学量子通信团队提出采用量子中继“搭桥”的方式,即利用量子纠缠传态在脊髓损伤上断点和下断点建立“连接”,来实现人体神经信号中继的方法;并联合西安交通大学医学院进行大鼠和白兔的实验,取得了突破性进展。2015年1月16日,中国科学院再生医学研究团队联合中国武警脑科医院,结合间充质干细胞,使用神经细胞再生支架完成世界首例脊髓损伤“搭桥”手术,并取得了良好的治疗效果。如何保证“搭桥”是建立在活性神经细胞上,而不是已经坏死的神经细胞上？ 如何找到合适的“桥墩”位置,使“搭桥”的距离尽可能小以保证神经信号传输的保真度能够尽可能的高？ 该文提出的方法可以实现对脊髓损伤后的神经细胞进行精确定位。光谱分析越来越广泛的被应用在生物医学领域,对某些疾病的早期发现和无创或微创的高效检测起着至关重要的作用。神经特异性核蛋白可以用来特异性识别神经细胞,由于存活的神经细胞才会产生神经递质,因此,在动物实验的基础上,通过蒙特卡洛模型模拟光子在生物组织中的传输,对平面Oxy建立极坐标转换,得出光在生物组织中的衰减系数矩阵的计算方法,对脊髓损伤前后的相同位置进行近红外光检测,用聚类算法对神经元特异性核蛋白和神经递质的检测数据进行处理,通过matlab仿真,得出脊髓损伤前后衰减系数的二维分布图,确定Oxy平面中脊髓损伤部位体素的X和Y坐标,在Oxy平面的异常部位选取异常点W与Z轴建立Ozw平面,最终确定脊髓损伤部位神经细胞的位置坐标。该方法可以为医生和科研人员在脊髓损伤患者肢体功能重建的研究中提供理论依据。     

基于蒙特卡罗模拟方法的光源用LED封装光学结构设计

为满足正在兴起的LED照明光源的设计优化要求,必须探索适合LED光学结构设计的有效方法。引进蒙特卡罗(Monte Carlo)随机模拟方法对常规形式发光二极管(LED)的光学封装结构进行模拟,得出了LED的光强分布,并进行实际测量,模拟结果与实验所得结果吻合较好,证明蒙特卡罗方法是进行LED光源光学结构设计的一种有效工具,可以以此作为LED光源的设计优化手段。重点探讨了此方法模拟中的随机数构造、优化;LED模型;仿真的计算机实现,仿真结果的验证;结构优化的思路等问题。     

基于蒙特卡罗方法的光固化模拟

采用蒙特卡罗方法分析了光子在树脂中的输运过程,建立了紫外光单点固化模型,并进行了单点固化过程的模拟计算,通过曝光固化实验验证了该算法的可靠性.理论模拟和实验结果表明,当曝光能量达到临界值,固化点的高度和直径随曝光时间、功率的增大呈对数关系增大.利用该算法可以模拟各种不同光强分布的曝光固化过程,为加工分辨率的提高和工艺参量的优化提供理论基础.     

多分散高浓度介质偏振光后向扩散散射的Monte Carlo仿真

建立了针对多分散高浓度介质偏振光后向扩散散射的Monte Carlo仿真模型，导出了多分散 系统的有效自由程分布函数. 给出了半径为50nm与550nm及其三种不同体积浓度比混合的聚 苯乙烯微球作为散射粒子的高浓度介质的仿真结果. 定性地分析了多分散介质偏振光后向扩 散散射的光强空间分布特征与粒子的体积浓度比的关系. 关键词： 后向扩散散射 偏振光 多分散高浓度介质 Monte Carlo仿真     

大空间生物组织透射的Monte Carlo模拟方法的加速

乳腺等类型生物组织的透射Monte Carlo模拟(简称MC模拟)耗时很长,这主要是由于被模拟的组织较厚和Monte Carlo模拟自身统计特性引起的所需光子数量多造成的。针对光源与接收面在同一直线上,采用光纤接收透射光的模型进行分析,通过考虑生物组织自身的光学特性,进行了边界约束和有效后向散射次数的限制来缩短仿真时间,经过多次实验验证,以两次散射所到位置为分界,并充分利用组织光学参数计算约束边界,计算相对比较简单,同时考虑到入射与出射的实际情况进行微扩,从而得到的约束边界。对光学参数相同但厚度不同的组织进行仿真,分析进入同一位置光纤的光子数所发生后向散射次数,发现后向散射次数随着组织厚度与散射系数的增大而增大,随着吸收系数与各向异性因子的增大而减小,通过限定后向散射次数来节省时间。仿真结果表明,在传统计算机上,该方法能够显著缩短MC模拟的运算时间50%左右,尤其适用于较厚且边界较为复杂的高散射物质的MC模拟。该提速方法主要应用于光源与接收面处于同一直线,且生物组织较厚,散射系数较大的情况,能够有效节约仿真所需时间,有利于分析组织透射成像。     

在BEPCⅡ/BESⅢ上寻找胶子球的Monte Carlo研究

在即将建造的BEPCⅡ BESⅢ上利用MonteCarlo模拟研究了J ψ→γX→γηη′(η′→γρ0 ,ρ0 →π+ π-,η→γγ)过程.研究显示BESⅢ的良好性能和大统计量的J ψ事例样本为寻找胶子球态的一些候选者并确认其存在提供了可能.基于所研究的衰变道,为BESⅢ电磁量能器晶体BGO和CsI的选择及磁场强度的选择提供了数据.     

用于HIRFL重离子治癌的PET成像实验研究与蒙特卡罗模拟

为了HIRFL重离子治癌的需要,使用两个位置灵敏闪烁体探测器组成了一个简单的PET成像系统.对PET成像进行了实验研究,实验测量得到了物体成像以及γ射线能谱,对于511keV全能峰处的能量分辨率为186%,峰总比为52.4%.采用GEANT3程序对该系统进行了模拟计算,并与实验进行比较,最后对该系统进行了优化设计     

基于临床实例的影响蒙特卡罗程序MCNP计算精度和速度的若干参数模拟研究

蒙特卡罗方法是目前最精确的剂量计算方法,但其较长的模拟时间阻碍了它在临床治疗中的应用。基于蒙特卡罗程序MCNP4c,针对一临床头部病例,探讨了记数方法、电子和光子截断能、光子产生次级电子参数ENUM对计算速度和精度的影响,给出了在保证一定精度前提下的最佳计算模式,以获得计算速度的有效提升。Monte its long simulation and photons, and investigated based Carlo method is regarded as the most accurate method for dose calculation at present, whereas time hinders its clinic application. The effects of the tally method, the cut-off energy of electrons the secondary electron number parameter ENUM on precision and speed of MCNP4c have been on a clinical case to seek for a relatively optimum calculation mode.     

Monte Carlo Simulation of the Non-universal Short-Time Behavior for a Kinetic 2-D Ising Model

The short-time dynamic process for the two-dimensional Ising model with the nearest-neighbor coupling and the next-nearest-neighbor antiferromagnetic coupling in the critical domain is simulated by the Monte Carlo method. From the power law behavior of the initial order increase, the critical points and the initial dynamic exponent θ are determined.