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。     

动态光谱信号质量的评估与筛选

近红外光谱分析作为一种无损、实时、连续检测的方法,为血液成分无创检测提供了思路。为了保证采集到的光谱数据的准确性和可靠性,本文通过动态光谱脉搏波时域有效单沿数和频域品质因数Q值相结合的方法对405例采集的样本进行了评估,剔除异常的样本,筛选出218例可靠样本。对筛选出的218例样本和对照组的218例样本的动态光谱数据与相应的被测对象的血红蛋白浓度值进行了建模分析,每组选取200例样本作为校正集,18例样本作为预测集。有效单沿数和Q值联合筛选的实验组的预测准确率达到93.8%,有效单沿数或Q值单一评估的两个对照组的预测准确率分别为65.6%和67.7%,未经过筛选的三个对照组的预测准确率分别为53.7%,33.3%,42.6%;实验组的预测平均相对误差为0.067 5,单一评估的两个对照组分别为0.072 3和0.072 2,随机选取的对照组分别为0.082 3,0.078 9,0.082 8,较其他各组相比为最小。结果表明时域频域联合法对光谱数据样本筛选具有可靠性和有效性,这将为动态光谱的无创检测的精准性研究提供了方法。     

基于动态光谱法的人体血液胆固醇含量无创检测

为实现患者血液总胆固醇含量的无创检测,检测了80例临床志愿者的手指脉动血液的动态光谱,同时获取其血液内总胆固醇含量的临床化验结果。对动态光谱加入谐波分量的数据进行了主成分分析,提取数据中的重要有效成分。对提取后的数据和总胆固醇实测值进行BP神经网络的建模并预测,得到预测集相关系数为96.48%,预测集最大相对误差为25.44%,预测误差均方根为0.242 6mmol.L-1。由于在建模前对建模数据进行了主成分分析,建模速度得到大幅度提高。证明了动态光谱法结合主成分分析进行血液总胆固醇含量检测的可行性,是无创血液成分分析研究的又一进展。     

EMD算法在动态光谱无创测量血红蛋白浓度中的应用

将经验模态分解(EMD)算法结合动态光谱理论中的频域提取算法用于血红蛋白浓度的无创测量。在体采集57例光电容积脉搏波,选取636.98～1 086.86 nm范围内的光谱数据进行分析。首先通过EMD方法分别对各个样本每个波长的光电容积脉搏波进行去噪预处理,再利用离散傅里叶变换提取脉搏波的峰峰值构成动态光谱,最后运用偏最小二乘方法对各样本的动态光谱和血红蛋白浓度建立模型。与未经EMD处理的数据建模结果相比,EMD处理后,血红蛋白浓度预测集的相关系数从0.879 8提高到0.917 6,预测集均方根误差从6.675 9 g·L-1减小到5.300 1 g·L-1,相对误差从8.45%减小到6.71%,建模精度有了较大的提高。结果表明,采取经验模态分解的算法进行光电采集数据的去噪预处理可以提高光谱数据的信噪比,进而可以提高血液成分无创测量的准确性。     

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。     

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。     

基于BP神经网络的人体血液中红细胞浓度无创检测

采用BP神经网络算法模型对人体血液红细胞浓度进行无创检测。对获取的动态光谱数据和红细胞实测值利用BP神经网络进行建模分析,校正集输出对期望值的跟踪较好,相关系数R达到了0.993,用建立起的BP神经网络模型去检验预测集输出值,得到预测集的相对误差最大为4.7%,平均相对误差为2.1%,预测能力较为理想。结果表明：用BP神经网络模型能够较准确的处理动态光谱数据和人体红细胞实际值的非线性关系,提高了血液成分无创测量在临床上应用的可行性,具有较高的应用价值。     

近红外光谱分析测定鱼丸中的水分和淀粉含量

用近红外光谱技术分析了草鱼鱼丸中水分和淀粉的含量,并建立了数学模型.以定标集和验证集的相关系数(rc,rv)及预测标准误差(SEC,SEP)作为模型优劣的判定依据.结果表明,采用偏最小二乘法(PLS)建立的数学模型效果最佳,具有较高的相关系数和较低的预测标准误差.水分和淀粉模型中,定标集样本的相关系数rc分别为0.9834,0.9634;预测标准误差分别为0.6293,0.8875;验证集样本的相关系数rv为0.9841,0.9699;预测标准误差分别为0.6358,0.8850.该研究说明利用近红外光谱分析技术测定鱼丸中水分和淀粉的含量是可行的.     

动态光谱数据质量的评价

为消除数据采集过程中各种因素对基于动态光谱法无创血液成分测量精度的影响,需要对动态光谱数据建立一个质量评价标准,以提高建模的稳定性和预测的准确度。在对110名志愿者的测量数据进行分析后,提出了动态光谱数据的一个质量评价指标——稳定波长数,并依此选取出60例优秀样本。利用BP神经网络对此样本的总胆固醇、血糖、血红蛋白进行了建模和预测。预测结果较之对照组均有所改善,平均相对误差分别从13.8%,15.8%,5.4%降低到6.5%,6.5%,2.1%,证明将稳定波长数作为动态光谱数据质量评价标准的有效性。引入稳定波长数指标,可对测量数据进行预先的质量评估,提高实际仪器预测的可靠性,为动态光谱法血液无创检测走向临床应用铺平了道路。     

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。     

提高DS法无创血液成分检测信噪比的方法与分析

为了提高血液成分无创检测精度,增加预测模型稳定性,对基于动态光谱(dynamic spectrum,DS)的血液成分无创检测仪器和预处理方法进行了定量信噪比分析与实验验证。在DS数据提取时加入boxcar积分器、降低波长分辨率、均衡DS信噪比和剔除粗大误差等预处理方法,使得各个波段上的DS数据信噪比得以均衡,提高了DS的总体信噪比。利用DS数据采集平台对两名志愿者连续多次测试,同一个体的DS数据相关度分别从0.934和0.953分布提高到了0.991和0.987,而不同个体间DS数据相关度与同一个体DS数据相关度差距也显著增加, 结果表明这些方法可以提高DS数据信噪比。无创血液成分检测信噪比定量分析可有效指导预处理方法的选择,为无创血液成分检测的临床应用创造了条件。     

时频域独立元分析方法实现超声兰姆波的多模式分离

为方便兰姆波信号分析与模式定征,提出一种将短时傅里叶变换(Short-Time Fourier Transform,STFT)与独立元分析(Independent Component Analysis,ICA)相结合的多模式超声兰姆波识别方法.首先通过STFT将兰姆波时域信号投影至时频域,基于各模式信号在时频域相对独立...     

Double-sampling to improve signal-to-noise ratio (SNR) of dynamic spectrum (DS) in full spectral range

To balance the signal-to-noise ratio (SNR) of dynamic spectrum (DS) in the full spectral range due to the light intensity and the tissue absorption, we present a double-sampling method which is implemented by two spectral samplings at different integration times. In the first spectral sampling, we obtain a part of DS in the spectral range with high SNR. For the second, we increase the integration time to enhance the sensitivity of DS in original low SNR range. The combinative spectrum of two samplings is defined as the final DS for the continued model input variables. The experimental results demonstrated that the double-sampling method can widen the effective spectral range and significantly improve the SNR of DS.     

无创血液成分检测全波段信号信噪比均衡

为充分扩展动态光谱无创检测血液成分的种类和提高检测精度,在全波段范围内对光源、组织吸收和传感器的灵敏度进行统筹考虑,通过光源补偿和加入远心透镜设计不仅扩大了有效光谱检测范围,而且均衡了全波段范围光电脉搏波信噪比,提高了动态光谱信号整体信噪比并扩大了测量带宽。动态光谱质量评估的方法验证了该方法的有效性:将可见动态光谱的有效检测范围从600～1000nm拓宽到500～1135nm,近红外动态光谱的有效检测范围从900～1 100nm拓宽到900～1 700nm,既为基于动态光谱无创检测新的血液成分创造了条件,也可进一步提高已可检测血液成分的精度。     

Spatial distribution of the interacting Waves’ amplitudes under third harmonic generation in a negative-positive refractive medium

The process of third harmonic generation in a cubically nonlinear medium that is negatively refractive at the fundamental frequency and positively refractive at the third harmonic frequency is considered. For the stationary case, the amplitude distribution was obtained for waves interacting inside a sample for different values of phase mismatch. In the periodic regime of generation, it is shown that the amplitude of the fundamental wave inside the medium can exceed its value at the input, which is impossible in the standard case of harmonic generation in a medium positively refractive at both frequencies. The influence of energy losses in the sample on the spatial distribution of waves’ amplitudes of both frequencies has been studied.     

Optimum formation of the response of aperiodic nonlinear crystals in the process of second harmonic generation

The theory of second harmonic generation in nonlinear optical crystals that is caused by the quasiphase-matched interaction of the waves with a random domain structure is developed. The theoretical analysis is performed using the approximation of the intensity fixed within the domain length. It is shown that the developed method allows one to accurately describe the energy exchange between the interacting waves at any values of the efficiency of second harmonic generation. Within the framework of the developed theory, the so-called simulated-annealing algorithm for the formation of the response of the medium is created, which is responsible for the spectral dependence of the efficiency of the second harmonic generation with any specified profiles under conditions of energy depletion of the fundamental radiation.     

噪声环境中的汉语浊语音检测

为了在低信噪比和复杂噪声环境下检测汉语浊语音,根据浊语音谐波结构特性,提出了一种鲁棒的浊语音检测方法。通过改进的谱跟踪算法,得到能表征浊语音谐波特性的一簇谱线;从谱线簇中提取谐波特征作为汉语浊语音检测的依据。在不同信噪比和不同噪声环境下的浊语音检测对比实验中全面优于传统方法,在0 dB信噪比时正识率高于传统方法约30%。实验结果表明,该方法在低信噪比和非平稳复杂噪声环境下都具有较好的浊语音检测效果。      

Second-harmonic generation of electron-bernstein waves in an inhomogeneous plasma

In the injection of electron-Bernstein waves (EBW) into a plasma, proposed for plasma heating and current drive in over-dense plasma, conversion of the fundamental to its second harmonic is predicted analytically and observed in computations. The mechanism is traced to the existence of locations where one can have both wave number and frequency matching between the fundamental and its harmonic. Further, at such locations, the second harmonic commonly has minimal group velocity, and this allows the amplitude of the second harmonic to build to values exceeding that of the fundamental at power levels less than anticipated in experiments. The second-harmonic power can then be deposited at half-harmonic resonances of the original wave, often far from the desired location of energy deposition. Estimates for the power at which this is significant are given.