近红外漫射光血流测量的N阶线性算法的去噪研究

论文摘要

漫射相关光谱（DCS）是从光场时间自相关函数中提取血流指数（BFI）的新型近红外漫射光技术。由于受环境和活体生物组织特有的动态性等因素的影响,实际测量的光学数据都带有噪声。为了获得准确的血流值,课题组提出了N阶线性（NL）算法来提取具有任意几何形状的均匀和非均匀组织的血流值。实现NL算法的一个非常关键的步骤是迭代线性回归,此步骤也实现了光学数据的去噪。本文提出并实现了多种线性回归算法,目的是为了寻求最好的组织血流去噪方法用于提升DCS提取血流的准确率并指导临床。本文的创新型工作有:（一）、最小二乘（L2范数）是一种广泛应用于数据拟合和线性回归的方法。最小二乘算法容易受偏差较大数据点的严重影响,特别是在低信号强度和低信噪比（SNR）的情况下。为了克服L2范数方法的缺点,本文引进最小一乘（L1范数）方法,该方法旨在降低噪声数据的权重,与L2范数相比,通过将范数阶从2降到1,噪声数据的权重将大大降低。（二）、本文引进支持向量回归（SVR）对组织测量的DCS信号进行去噪。通过定义ε不敏感损失函数、引入线性核函数和拉格朗日乘子构造对偶函数求解凸二次规划问题,建立了SVR回归模型。该模型引入支持向量的思想进行回归分析,能够通过调整惩罚参数对决策平面以外的噪声数据进行惩罚。尤其大噪声的数据能够完全被排除于线性回归计算。（三）、本文引进基于深度学习递归神经网络（RNN）回归模型。利用RNN网络中的LSTM单元可以通过遗忘门结构来去除异常血流数据信息到网络中的能力,实现血流值去噪。模型构建过程中,将DCS自相关数据作为输入,以不加噪声的自相关函数上的散点作为标签,通过模型训练得到序列化的输出值,建立回归模型。为了评价以上几种算法的去噪效果。通过计算机仿真、仿体实验和人体试验进行了对比验证,并结合均方误差（RMSE）,变异系数（CV）等参数进行了定量评测。计算机仿真中,在不同曲率、不同体积的组织模型（模拟人和小动物的头部和肢体）中加入噪声模型,并结合光子的蒙特卡罗（MC）仿真生成DCS数据;相应地,设计并搭建了液态仿体实验平台,由此获得DCS测量数据。此外,在10名健康志愿者的袖带加压实验中获取了小腿骨骼肌DCS测量数据,也进行了脑血流测量。数据分析结果表明,无论是计算机仿真,液态仿体实验还是人体试验,RNN和SVR方法在提取血流值时具有最好的性能（具体表现为:准确率最高（RMSE值最小）,稳定性最好（CV值最小））。本文的研究成果很大程度地提高了从DCS数据中提取血流信息的准确率,同时对于DCS技术在临床的应用也具有重要指导意义。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 本文主要研究内容及结构安排
• 第二章 DCS血流测量原理与仪器
•   2.1 近红外漫射光（NIR）测量原理
•   2.2 漫射相关光谱（DCS）理论
•   2.3 DCS血流测量原理
•   2.4 DCS血流测量仪
•     2.4.1 DCS血流仪硬件系统
•     2.4.2 DCS血流仪软件系统
•   2.5 本章小结
• 第三章 DCS血流去噪算法
•   3.1 N阶线性算法
•   3.2 DCS血流去噪算法
•     3.2.1 最小二乘（L2范数）回归算法
•     3.2.2 最小一乘（L1范数）回归算法
•     3.2.3 支持向量回归（SVR）算法
•     3.2.4 递归神经网络（RNN）算法
•   3.3 本章小结
• 第四章 DCS数据线性回归的计算机仿真,仿体实验及人体试验
•   4.1 计算机仿真
•     4.1.1 光子的蒙特卡罗（MC）仿真
•     4.1.2 组织模型的建立
•     4.1.3 计算机产生自相关数据
•   4.2 仿体实验
•     4.2.1 仿体装置的搭建
•     4.2.2仿体溶液的配置与仿体实验
•   4.3 人体试验
•   4.4 评价标准
•   4.5 本章小结
• 第五章 DCS数据线性回归的应用结果与分析
•   5.1 计算机仿真实验结果分析
•     5.1.1 仿真产生自相关数据
•     5.1.2 拟合回归结果
•     5.1.3 计算机仿真参数评价
•   5.2 仿体实验结果分析
•     5.2.1 实验测量自相关数据
•     5.2.2 仿体实验参数评价
•   5.3 人体试验结果分析
•     5.3.1 人体大腿袖带加压实验结果
•     5.3.2 人体大脑实验结果
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 工作总结
•   6.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及取得的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张鹏

导师: 尚禹,张晓娟

关键词: 漫射光相关光谱,成像,阶线性算法算法,迭代线性回归,血流值,去噪

来源: 中北大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技,信息科技

专业: 生物学,生物医学工程,自动化技术

单位: 中北大学

基金: 国家重点研发项目(2016YFC0101600),国家自然科学基金面上项目(61771433),山西省回国留学人员科研资助项目(2016-87),山西省研究生创新项目(2018Y79)

分类号: TP18;R318

总页数: 69

文件大小: 6535K

下载量: 60