基于光谱成像技术的宫颈癌TBS与细胞DNA定量分析联合筛查方法研究

传统的宫颈癌筛查方法主要有TBS分类筛查法和基于细胞DNA的定量分析筛查法,TBS分类筛查法诊断率高但需要经验丰富的医生参与且敏感度低,难以实现宫颈癌早期筛查;基于细胞DNA的定量分析筛查法仅染色细胞核,实现了定量化与自动化分析,敏感度高但特异性差。因此实现宫颈癌TBS与DNA定量分析联合筛查十分必要,但目前TBS与DNA定量分析联合筛查方法均是使用两张不同的细胞涂片分别进行,费时费力费材极为不便,国内外还没有在一张宫颈细胞涂片上联合使用这两种方法的宫颈癌筛查方法。为此提出了一种在一张细胞涂片上同时使用TBS分类法和细胞DNA定量分析法的宫颈癌筛查方法:在同一张细胞涂片上对细胞进行巴氏染色和Feulgen染色,为解决多重染色带来的DNA物质的吸光度干扰问题,建立一套多光谱成像系统,并提出基于线性多元回归的DNA吸光度剥离模型,通过该模型解算出DNA物质的真实吸光度从而实现DNA物质的定量分析;选取接近RGB波长的3个波段细胞图像合成伪彩色图像进行TBS分类筛查。实现了一张细胞涂片上的宫颈癌TBS与DNA定量分析联合筛查,DNA定量分析模型稳定度高、误差小,诊断率高,用于TBS筛查的伪彩色图像颜色明亮、细胞核清晰可见、细胞质边缘明确,该方法在宫颈癌的诊断和筛查中具有很强的实用性。     

一种多波段光源的显微多光谱成像系统研究

复合染色方法可以解决传统宫颈癌联合筛查无法在同一张涂片上实现的问题。针对复合染色带来的DNA吸光度干扰和色彩还原失真等问题,本文建立了一套多波段光源的显微光谱成像系统.组合光源的设计兼顾彩色图像的还原和吸光度模型的建立,采用多元线性回归法建立多光谱剥离模型,利用该模型从混叠的多光谱图像中剥离出福尔根染料的真实吸光度用于DNA定量分析,同时合成符合医生诊断习惯和要求的伪彩色图像.实验结果表明:选用的四个波段的光源的带宽为12nm/12nm/14nm/19nm,是符合要求的窄带单色光;以显微测微尺为标尺,以原光源测量参数为标准,测得组合光源的光斑偏移量最大不超过3个刻度,其平行度和同轴度满足成像系统要求;合成的伪彩色图像颜色明亮饱满、背景干净,不会对阅片医生诊断造成干扰和障碍;吸光度剥离模型可以成功将福尔根染料真实吸光度剥离出,能够准确计算DNA含量.选用小鼠肝脏涂片作为测量标本,测量计算的DI值符合肝细胞多倍体性的特点;选择宫颈阳性样本进行对比实验,两种方法测得的二倍体细胞和四倍体细胞DI值相吻合.本系统具有较高的准确性和可靠性.     

基于多通道窄带滤光片和彩色图像传感器的实时多光谱成像系统

针对复染情况的出现,采用多通道窄带滤光片与彩色图像传感器相结合的方式,设计了一种多光谱成像方法.使用多通道窄带滤光片对光源进行分光,采用多元线性回归方法建立多光谱剥离模型,并对彩色图像传感器输出的多个单色光混叠响应进行剥离,通过FPGA实现多光谱图像的实时剥离运算和输出.实验结果表明:多通道窄带滤光片的半高宽为12nm/15nm/20nm,其透射光是三个不同波段的窄带单色光;在检验水平为0.01情况下的模型具有较高的准确性;具有相同光谱特征的物质在同一波段的灰度图像上特征一致,同一物质在不同波段上的灰度图像特性差异较大.     

玻璃温室环境下番茄叶绿素含量敏感光谱波段提取及估测模型

为了快速、准确估测番茄叶片叶绿素含量,利用光谱分析技术研究了玻璃温室环境下番茄叶绿素含量敏感光谱波段提取及其估测模型。番茄以基质方式栽培,在结果期使用ASD FieldSpecTM HH型便携式光谱辐射仪采集叶片光谱,并采用752型紫外-可见分光光度计测定其叶绿素含量。从原始光谱、吸光度光谱、一阶微分光谱、去除包络线光谱出发,进行光谱预处理,分析了净化图谱信息、突出作物叶绿素含量光谱特征的有效性。其中,吸光度光谱在可见光部分增强了光谱响应特征,去除包络线光谱和一阶微分光谱均具有较强的蓝光、红光吸收谷和绿光反射峰。又结合波段间自相关分析和多重共线性诊断提取了番茄叶绿素含量敏感光谱波段,原始光谱特征波段为639,672,696,750,768 nm;吸光度光谱特征波段为638,663,750,763 nm;去包络线光谱特征波段为436,564,591,612,635,683,760 nm;一阶微分光谱特征波段为516,559,778 nm。最后,应用4种预处理下的番茄叶绿素含量敏感光谱波段分别建立多元线性回归模型,模型精度由高至低分别为去包络线、吸光度、原始、一阶微分,其中去包络线模型校正集决定系数R2_c为0.88,验证集决定系数R2_v达到0.82,具有较好的预测能力。     

近红外光谱仪器中滤光片波长组合的优选

如何快速、准确地进行滤光片波长组合的优选,是滤光片型近红外光谱仪器研究的一个关键技术.利用组合生成算法与多元线性回归分析相结合,并运用计算机编程语言分析了掺假山茶油的近红外光谱吸光度矩阵,优选出不同组合数下滤光片波长组合.该方法可在全光谱波长范围内快速的实现滤光片的优选,且建立的定量分析模型简单、精度高、稳定.     

近红外光谱结合人工神经网络分析蔗汁的锤度和旋光度

应用中波近红外(NIR)光谱结合误差反传人工神经网络(BP-ANN)方法,建立蔗汁锤度、旋光度的定量分析模型。光谱范围为1 000～1 800 nm,采用2 mm光程透射方式获得蔗汁吸光度光谱。对蔗汁的吸光度光谱进行Savitzky-Golay求导和均值中心化处理,然后通过相关系数法结合样品特征吸收优化建模波长范围,再采用PLS降维获取主成分并输入BP-ANN建立校正模型,用验证样品对校正模型进行验证。结果显示,BP-ANN法建立的锤度和旋光度的预测相关系数(R2)分别为0.982,0.979,预测标准偏差(SEP)分别为0.159和0.137,均优于偏最小二乘(PLS)建模方法结果,可较好地用于蔗汁锤度、旋光度的快速测定。     

利用红外光谱仪快速测量塑料薄膜厚度

通过对塑料薄膜红外光谱的研究,得到了快速定量无损伤测量塑料薄膜厚度的方法:记录不同厚度的同种塑料薄膜傅里叶变换红外(FT-IR)光谱,应用朗伯-比尔定律,结合红外光谱分析法作出塑料薄膜的厚度与特征峰吸光度的工作曲线,从而快速、准确、无损伤地测量薄膜的厚度.同时建立了特征峰吸光度与厚度线性关系的数学模型,并对此种模型进行了验证.     

基于紫外吸收光谱的癌细胞模型研究

细胞周期是生命起源最基本也最重要的过程,是细胞全部生理过程的综合体现,文章从紫外吸收光谱随其细胞周期的变化入手,以一种简单且能准确反映癌细胞的生长变化过程的方式建模。通过人工诱导细胞同步化方法对子宫颈癌细胞进行处理,获取了处于G1期、S期、G2期和M期的同步化细胞样品,通过测量这些样品的紫外-可见光光谱,对不同周期细胞紫外-可见光光谱的吸光度随细胞周期中芳香族氨基酸、蛋白质及核酸等物质的变化规律进行了分析。根据细胞周期中不同阶段样品对应紫外-可见光光谱在204和260 nm处的吸光度和时间点的关系,利用分段线性回归法建立了子宫颈癌细胞紫外吸收光谱模型。可对细胞周期进行判断,为对细胞周期进行分析研究提供了新的依据,也为细胞建模提供了新思路。     

基于吸光度的PET薄膜专色配方预测方法

基于吸光度与物质浓度的相关关系建立了一种PET薄膜印刷的混合油墨组分预测模型。该方法首先依据光的传播理论和光在墨层与承印材料中的多重内反射原理,利用基色和混合专色薄膜印品在黑白两色基底上的反射光谱,建立具有高透低反特性薄膜印品透射光谱的获取方法,并利用透射光谱求解吸收光谱;然后对专色吸光度与基色浓度进行回归分析,确定吸光度与基色浓度线性相关度高的特征波段,再根据郎伯比尔定律,利用特征波长处的专色样本吸光度与基色样本吸光度建立组分预测模型,求解专色样本的配方比例;最后,分析预测配方与预设浓度的偏差,并按照预测配方浓度重新打样,采用色差与光谱均方根误差对计算配方色与目标专色的匹配程度进行分析,验证模型精度。以凹印PET薄膜双基色混合样品为实验对象,对提出的方法进行测试。光谱分析表明,基色样本和专色样本光谱反射率曲线在黑白两种基底上有明显差异,但都随基色油墨浓度变化具有相同的变化规律,专色样本的光谱透射曲线随着基色浓度的变化接近浓度比例大的基色曲线,在400～580 nm区间,专色的吸收光谱随着基色油墨A浓度降低而升高,在580～700 nm区间随着基色油墨A浓度降低而降低。除570～590 nm吸收曲线相交区间以外,在可见光范围内专色油墨吸光度与基色油墨浓度之间的判定系数R2均大于0.95,平均值为0.990 0,两者具有强线性相关关系。分别选取基色A和B波长为520 nm(R2为0.994 2)和700 nm(R2为0.998 5)处的吸光度代入配色模型,并利用最小二乘法求解目标专色的配方比例。实验结果表明,六组预测浓度与预设浓度相比较,配方平均偏差为2.5%,无显著偏差。配方色样本与专色样本色差最大值为1.98,最小值为0.30,平均值为0.85,均满足GMI对专色复制的要求,其中5组专色色差小于1.5,符合专色忠实复制的要求;6组专色的光谱均方根误差最大值为2.93%,最小值为0.49%,平均值为1.40%,基本实现了同色同谱的高精度颜色复制。验证了该方法对于提高专色油墨配色精度和改善PET薄膜印刷质量具有显著效果,可为PET薄膜专色配方预测提供科学方法。     

近红外光谱谱线特性对物质浓度分析误差影响的研究

为解决近红外光谱法分析物质浓度过程中缺乏可测度分析而导致测量过程存在一定盲目性问题,研究在已知测量条件、样品种类、被测组分以及建模分析方法的条件下,利用近红外光谱谱线特性作为参数,在大量样品近红外光谱采集和标准法测得浓度数据等工作前,对被测物质浓度的分析误差做大致估算。经过大量尝试和试验提出等效信噪比（ESNR）和谱线重叠系数（OC）两个重要参数,其中ESNR反映待测组分吸光度占总吸光度的比重,而OC则反映待测组分近红外光谱曲线间的重叠程度。通过理论仿真得到光谱分析中用经典的偏最小二乘回归建立定量分析模型时谱线特性与物质浓度分析误差的关系,分别计算ESNR和OC与被测组分浓度分析误差（RMSE）的关系,并且研究两个谱线参数的独立性。利用理论分析得到结果对浓度为8%~12%乙醇水溶液进行可测度分析,并与近红外光谱法分析的实际结果进行比较。研究通过理论仿真得到使用光谱分析中经典的偏最小二乘回归建立定量分析模型时谱线特性与物质浓度分析误差的关系,其中ESNR与RMSE成反比关系,而OC与被测组分分析误差成非线性的单调关系,并且验证了ESNR和OC两个参数的独立性。通过理论计算和乙醇水溶液近红外光谱检测实验对等效信噪比和谱线重叠系数与光谱分析浓度误差的定量关系进行讨论,通过理论分析得到的乙醇浓度RMSE预估值为0.30%,近红外光谱分析实际RMSE为0.32%,相对误差6.67%,二者结果相符。实现了在测量条件、样品种类、被测组分以及建模分析方法已知的条件下基于近红外光谱分析的待测组分含量理论误差的定量计算和实验验证。该研究明确了对近红外光谱法分析物质浓度有明确定量关系的两个谱线参数,给出了使用光谱分析中经典的偏最小二乘回归建立定量分析模型时的分析误差经验曲线,以及利用曲线进行近红外光谱法待测组分浓度可测度分析方法。结果表明所提出的ESNR和OC两个谱线特性参数的有效性,以及分析误差预估方法的有效性。为近红外光谱法待测组分浓度定量分析提供了有效、快捷的预估方法,完善了近红外光谱法成分含量可测度分析理论,对近红外光谱法物质浓度定量分析研究具有一定指导意义。     

近红外透射和紫外吸光度法检测水质化学需氧量的研究

化学需氧量(COD)是表征水体中有机物污染程度的一个综合性指标.基于光电检测技术发展起来的红外透射法和紫外吸光度法相较于传统湿化学法有着精度高,速度快,非接触,无二次污染等优点.以邻苯二甲酸氢钾配置的标准液为实验对象,分别采用近红外透射法和紫外吸光法采集标准液的近红外光谱和紫光吸光度光谱,对光谱进行不同的预处理后运用偏...     

微型快照式窄带多光谱成像宫颈癌筛查方法

白光阴道镜图像对比度较低,不利于医生鉴别不同病变程度组织,也不利于自动化宫颈癌筛查。利用癌变组织富含血红蛋白成分及血红蛋白具有特征波段这一特性,与传统高光谱空间扫描成像及分时获取不同波段多光谱成像方法相反,利用快照式多光谱窄带成像来加速光谱图像获取过程,提升不同病变程度组织之间灰度对比度同时,降低后续图像分析处理算法难度,实现对宫颈组织病变类型高帧率自动化分类。首先,使用微型快照式窄带多光谱摄像方法,在血红蛋白的两个强吸收峰(415±10)和(525±10) nm、一个反射带(620±10) nm和一个背景波段(450±10) nm共四个波段对宫颈组织进行快照式零时差获取四幅窄带光谱图像。而后,对所获取的光谱图像进行简单代数加减,以生成突显病变组织的融合图像,提高不同病变程度组织之间的对比度。最后,使用欧式距离分类算法,对光谱融合图像中不同病变级别进行分类,建立计算机辅助宫颈癌筛查方法。创新点在于实现了高帧率计算机辅助光学病理诊断方法。分别采用临床常规白光阴道镜及微型快照式窄带多光谱摄像对宫颈癌手术切下的新鲜组织进行彩色图像及光谱融合图像的高帧率采集,并使用同一个欧式距离分类算法对两种图像进行自动分类,分类结果都以组织病理诊断作为标准来计算正确率。通过对比两种分类结果正确率来检验光谱融合图像相对于彩色图像是否提升对比度,及其是否可以实现与组织病理诊断(金标准)结果一致的诊断。欧式距离分类算法对光谱融合图像分类准确率接近100%,远高于对白光阴道镜图像约50%的准确率。多位临床医生对基于微型快照式多光谱摄像头光谱融合图像的计算机自动分类结果表示接受。微型快照式窄带多光谱成像方法能有效提升光谱融合图像获取帧率及不同病变程度组织之间灰度对比度,能有效快速地将宫颈组织划分为与组织病理诊断结果一致的病变类型。由于诊断客观、无创伤、结果立等可得,该方法将有助于实现落后地区宫颈癌筛查的普及以及图像导航下的宫颈癌精准治疗手术。     

宫颈正常与宫颈癌组织傅里叶变换红外光谱的初步研究

利用傅里叶变换红外光谱对宫颈鳞癌(17例)、宫颈腺癌(5例)及宫颈正常组织(13例)进行了分析。结果显示,18个谱带在各类组织中的出现概率都在80%以上,显示其在组织中的特征性;这3类组织红外光谱的相对吸收峰吸光度差异主要表现在1 080,1 238,1 314,1 339,1 397,1 454,1 541,1 647,2 854, 2 873,2 926和2 958 cm-1处的比较上。傅里叶变换红外光谱仪可用于区分宫颈鳞癌、腺癌及宫颈正常组织,以该仪器为基础的方法有望成为宫颈癌筛检及临床诊断的新方法。     

LIBS技术结合多元校正定标检测土壤中的Cr

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术结合支持向量机(SVM)定量分析土壤中Cr元素的含量。利用波长为1 064 nm的Nd∶YAG脉冲激光器作为激发光源,采用光栅光谱仪和CCD分光探测不同重金属元素含量土壤样品的LIBS特征光谱。为了提高土壤中Cr元素定量分析的精度,分别采用多元线性回归分析和SVM两种方法对土壤中Cr元素的含量进行定量分析。研究结果表明,采用多元线性回归分析方法可以有效提高定量分析的精度,定标曲线拟合相关系数从传统定量分析方法的0.689提高到0.980;SVM定量分析方法训练集得到的定标曲线斜率近似为1,拟合相关系数为0.998,优于传统定量分析方法和多元线性回归分析方法,对检验集的预测相对误差均在2.57%以内。LIBS技术结合多元线性回归和SVM定量分析方法可以有效的提高土壤中Cr元素定量分析的稳定性和精度,校正土壤基体效应对Cr元素定量分析的影响。     

LIBS与反向传播算法结合的橄榄石成分分析

LIBS是一项用于分析物质成分的有力手段，但是定量分析时存在结果不准确、重复性低等缺点。为了准确预测自然界中橄榄石的成分信息，通过按照自然界中的橄榄石的成分信息制作15组橄榄石样品，将其中的11组作为标准样品，另外4组作为测试样品进行LIBS定量分析。每个样本采50条LIBS光谱建立橄榄石的LIBS数据库。然后采用多元线性回归算法和反向传播算法对样本的50组数据进行分析，有效的降低了由于随机误差造成的测试结果的不准确。最终结果表明，使用激光诱导击穿光谱和反向传播算法对橄榄石中镁橄榄石与铁橄榄石含量进行检测，预测结果的决定系数为0.901，接近常规的多元线性回归算法得到的0.911，这说明反向传播算法对橄榄石含量的预测精度接近多元线性回归算法。同时使用反向传播算法得到的结果的均方根误差为28.64，优于后者的29.23，说明使用反向传播算法得到的结果分布更加集中。此外，通过分析关联矩阵中各数值的大小与各元素谱线的位置的对应关系，表明使用反向传播算法反演出来的关联矩阵F与之所代表的物理含义的相关性更高。说明反向传播运算不仅与传统的多元线性回归算法性能相当，而且在预测数据的一致性上表现得更好。此外使用反向传播算法可以直接对激光诱导击穿光谱得到的橄榄石全谱数据进行数据反演，而不需要经过光谱寻峰这一步骤，简化了数据分析流程，弥补了多元线性回归算法难以分析全谱数据的不足。     

Study on probability of detection for fatigue cracks in sonic infrared imaging

Detection reliability of sonic infrared imaging is one of the increasingly important aspects for out of lab applications. And for the detection reliability evaluation, probability of detection (POD) for different defects under given test conditions has been successfully used as an accepted quantitative measurement. In this study, we test a set of C45 ferritic steel plates with artificial fatigue cracks. Experimental results show that the crack heating response increases with the increasing crack length, and the relationship between the logarithmic form of heat response signal and the crack length appears to be linear. Based on the above statistic characteristics, the linear regression analysis and the Wald method are adopted to estimate the POD function and its confidence interval. The study aims to provide a quantitative evaluation method for detection reliability in sonic infrared imaging.     

不同分辨率下气体样品傅里叶变换红外光谱的定量分析误差

通过分析牧场附近测量的大气FTIR光谱中NH3在4种分辨率(分别为1、2、4cm-1和8cm-1)下的浓度,系统研究了不同分辨率下气体样品FTIR光谱定量分析的误差。选择72个实测光谱作为研究对象,其中NH3的光程积分浓度(Path-integrated concentration,PIC)分布在40—1300(μmol/mol).m。分析了NH3的最大吸收峰和次大吸收峰的选取对定量的影响。结果表明:选用NH3的次大吸收峰的定量误差更小;在允许的误差范围内(本研究中设为5%),不需要制作校准曲线,通过选用多个浓度适当的参考光谱,直接应用Beer定律仍能实现气体样品的定量分析;并且分辨率越低,定量分析所需的参考光谱数目越多。本研究通过合理选用多个参考光谱,实现了不同分辨率下FTIR光谱的定量分析;既充分利用了Beer定律,又克服了吸光度-浓度在低分辨率下的非线性问题;为不同分辨率下气体样品FTIR光谱的定量分析提供了参考。