目前常用的宫颈癌细胞筛查方法有TBS分类法和细胞DNA定量分析法, TBS分类法主要是观察细胞形态是否发生异常改变; 而DNA定量分析法是统计细胞核内的DNA含量是否发生增值, 两种方法需要在两张不同的细胞涂片上分别展开。针对此, 设计了一种在复合染色的环境下利用多光谱成像技术的宫颈细胞实时筛查系统。该系统实现了在一张细胞涂片上同时使用TBS分类法和DNA定量分析法进行宫颈癌细胞的筛查。其主要评价参数是细胞核内的DNA含量(即DI指数), 同时可以观察细胞形态。该系统可以测量各个细胞核的DI值并且获得整个细胞的彩色图像, 从而辅助医生对DI值大于2.5的异常细胞进行定位筛查。实验表明, 该系统具有快速、准确和高效的特点, 敏感性超过95%, 克服了涂片质量差、判断阳性率低的缺点。

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12 nm/12 nm/14 nm/19 nm, 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.

为了提高傅里叶红外光谱仪干涉系统的精度, 设计了一种基于一体化分束器的自动装调系统。 使用光学胶水将棱镜与分束器固定在一起组成一体化分束器, 在一体化分束器上设置三点调整机构, O点位置进行固定作为参考点, 在X点、 Y点位置装入压电陶瓷, 利用压电陶瓷驱动分束器进行微小位移的调整。 在动镜匀速运动的情况下, 利用四象限检测器检测三路携带相位差信息的信号, 对信号进行放大滤波和数字化处理后, 采用DSP的ECAP模块捕捉三路相位差信号, 并利用增量式PID算法根据相位差来对三个点位的调整幅度进行实时控制, 使用DSP的AD模块采集三路信号, 并利用USB2.0与上位机进行通信, 在上位机上实时显示三路信号图形及相位差信息。 利用光学胶水的紫外固化特性, 在支架上安装紫外照射灯, 调整过程中不断增加照射强度使光学胶水进行深度固化, 从而制作出符合傅里叶变换红外光谱仪应用需求的一体化分束器。 实验结果表明, 所设计的基于一体化分束器的自动装调系统具有结构简单, 调整精度高等优点, 其能够满足常规红外分束器装调需求。

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。Technology

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12 nm/15 nm/20 nm, 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.

常用的宫颈癌筛查方法有TBS(the bethesda system)分类法和细胞DNA定量分析法两种, 而同时利用多重染色方法在同一张细胞涂片上对细胞质进行巴氏染色和对细胞核进行Feulgen染色进行宫颈癌筛查的研究仍然是空白。 多重染色筛查方法的难点在于非DNA物质的吸光度会干扰DNA物质的吸光度。 因此建立了一套多光谱成像系统, 并基于吸光度的线性叠加特性, 利用多元线性回归方法建立了吸光度剥离模型, 通过该模型成功地将DNA物质的吸光度剥离出来进行DNA定量分析, 实现了两种常用方法的完美结合。 通过一系列实验证明了, 利用模型剥离出的DNA物质的吸光度与实测的DNA物质的吸光度在检验水平为1%的情况下在统计学上没有显著差异, 而且实际应用测试中的统计数据也显示在置信水平为99%的情况下使用该分析方法筛查得到的四倍体细胞的DNA指数的置信区间与癌细胞的DNA指数判别区间没有交集, 验证了这种基于多光谱成像技术的多重染色的DNA定量分析方法的准确性和可行性, 在宫颈癌乃至其他癌症的早期诊断和筛查中有巨大的市场应用潜力与广阔的应用前景。

对生物过程中营养物质的消耗进行监测, 有利于控制微生物的生长环境, 使其始终处于最佳生长条件, 从而使目标产物的产量最大化。 针对酵母培养液中甘油、 甲醇和葡萄糖含量的监测需求, 研制了一种基于阿达玛变换(hadamard transform, HT)技术的近红外光谱仪。 该光谱仪使用自主改进设计的近红外原位探头进行光谱信号的收集, 采用数字微镜(digital micro-mirror devices, DMD)进行阿达玛模板的编码调制, 配合自主开发的光谱采集软件和光谱分析处理软件, 实现了培养液中营养物含量的实时监测。 给出了光谱仪的光路设计、 近红外原位探头改进设计、 硬件电路和软件模块的设计。 通过实验测得该光谱仪的杂散光为0.875%, 波动率为±4.28%。 利用该光谱仪对一系列标准浓度的甘油水溶液进行光谱采集和数学建模, 实验结果表明该仪器测量准确, 能够满足生物过程监测的要求。

提出了一套声光可调谐滤光器高光谱成像系统的标定及性能测试方法, 并针对研制的高光谱成像系统原理样机进行了实验验证. 结果表明: 所提方法可以较为完整、准确地验证系统的光谱域及空间域特性; 经过光谱图像平场校正可明显改善系统响应的非均匀性; 通过自动控制相机曝光时间及像元增益的方式逐波段进行光谱灵敏度校正, 可以提高系统的信噪比; 采用改变相机曝光时间并测定系统响应的方式验证系统的光谱线性度, 较传统方法更为方便, 且可有效节约测试成本.该方法同样适用于基于液晶可调谐滤光器等的高光谱成像系统.

针对生物过程反应底物含量的实时测量,设计了一种在线式傅里叶变换红外光谱仪及衰减全反射(attenuated total reflectance,ATR)探头.(1) 光谱仪采用双立体角镜和平面镜相组合的方法,设计了一种高性能干涉仪系统;采用了光路折叠方式,使干涉仪结构紧凑;采用了双立体角镜,大大减少了动镜运动过程中存在的旋转、倾斜等因素影响;采用平行四边形摆动柔性支撑装置来支撑动镜,使动镜移动时无摩擦,无抖动,运行平稳;采用ZnSe分束器,使仪器抗潮湿性能大大增强;采用分束器60°光入射方式,提高了光通量.(2) 该工作设计的一种结构简单、光通量大、经济实用的ATR原位测量探头,入射光和出射光的传输均利用了大口径内镀中红外高反膜光导管作为ATR探头的红外光传输介质,从而大大降低红外光在光导管内壁多次反射后的能量损失,使得ATR探头具有高光通量,提高了信号强度,使信号的检出更加容易.最后采用灵敏度高的MCT(碲镉汞)检测器实现红外干涉信号的收集,使得检测效果更好.实验结果表明,系统具有防潮性能出色,光通量大,在线测量等优点.所设计在线式傅里叶红外光谱仪,能够较好的完成生物反应器内甘油等常见反应物底物的实时测量,在生物在线分析、化学物质检测、材料分析学等诸多领域具有较好的应用前景.

为了改进傅里叶变换红外光谱仪的动镜驱动装置,设计了一种基于柔性铰链支撑的动镜扫描系统.采用柔性铰链的支撑方式和音圈电机的驱动方式,利用具有高精度高稳定性的直角型柔性铰链支撑机构支撑动镜,利用音圈电机驱动动镜前后往复运动,采用DSP控制系统对动镜的匀速进行控制.实验结果表明所设计的动镜扫描系统具有方向稳定性、速度稳定性、抗震性能优越等优点.