针对数字PCR体系样品的分割方式, 开发了一款数字PCR体系样品分割芯片, 用于微量生物样品检测。利用微机电系统(MEMS)制备阵列化的硅基片, 采用硅片高效低损伤超精密磨削减薄工艺对硅基片进行减薄, 结合化学改性方法, 成功制备了表面疏水孔壁亲水的毛细管微阵列芯片。通过扫描电子显微镜 (SEM) 对芯片结构进行表征, SEM结果显示, 芯片结构为通孔微阵列。通过接触角表征芯片表面的疏水性, 对比化学处理前后芯片表面的接触角, 结果表明化学处理后芯片表面疏水, 接触角为118°。通过能谱(EDS)表征芯片孔壁的亲水性, 结果表明, 芯片孔壁只有Si, O两种元素, 形成亲水基团, 因此, 芯片孔壁亲水。通过测量显微镜和荧光显微镜表征芯片的样品分割性能, 结果表明芯片将样品分割为均一的独立单元。通过激光共聚焦扫描仪表征, 直观地反应了芯片的整体样品分割效果, 通过计算芯片的样品填孔率为93.8%。本文成功制备了表面疏水孔壁亲水的毛细管微阵列芯片, 该芯片具有优异的样品分割性能, 在生物医学领域具有广阔的应用前景。

为了实现对饮用水中细菌快速定量检测, 建立了基于流式细胞术的高通量定量检测系统。对该系统的信号采集系统、绝对计数方法以及在细菌检测方面的综合性能进行了研究和评估。根据饮用水中典型细菌的荧光染料及其荧光激发光谱特点, 介绍了流式细胞术快速检测细菌的工作原理及硬件平台。通过简化细菌的荧光信号强度计算模型, 评估了信号采集系统的信噪比。建立了基于流量传感器的绝对计数方法, 将检测系统与以参比微球法进行绝对计数的BD LSR Fortessa进行了一系列对比实验和统计学分析, 测试和评估了检测系统在饮用水中细菌检测的综合性能水平。实验结果表明: 对于4 MHz宽带的荧光信号, 信号采集系统的信噪比可达86 dB; 对于一定浓度内的微球, 系统对它测试cv值低于2%, 与BD仪器测试结果的相关系数高达0.999 6, 对等比例稀释的微球测试线性度高达0.999 8, 最低可检测细菌浓度可达102 particles/mL; 系统对E.coli和S.aureus含量测试结果的cv值均低于7%, 与BD仪器测试结果的相关系数均高于0.995 9, 两仪器测试结果的相对误差均在4%以内。该仪器能实现对细菌的高精度快速定量检测, 为饮用水中典型细菌快速检测仪器的开发提供了参考。

为了实现离子源和高场非对称波形离子迁移谱的其它部分的集成, 本文基于PCB工艺设计了一种新型的针-环离子源结构。该结构主要由针电极、环电极、进气底座以及针固定底座组成, 针电极采用针尖曲率半径为28 μm的不锈钢针作为放电阴极, 直径为3 mm、高度为16 mm的铜环作为放电阳极。放电特性实验结果表明: 针-环离子源在放电电压-2 kV和-2.8 kV时, 分别进入了电晕放电和辉光放电, 能够在大气压环境下实现稳定放电。在载气流速为1.5 L/min、方波射频电压幅值为300 V的条件下, 两者FAIMS谱图中补偿电压基本相同, 且采用针-环离子源和紫外灯离子源所得的FAIMS谱图的电流峰值分别为64 pA和45 pA, 由此表明集成式针-环离子源FAIMS系统能够稳定工作, 且相比紫外灯离子源集成性更好, 电流信号更强。

为了实现生物医疗领域软体手术机器人等柔性机构的曲率测量, 本文提出并设计了基于PVC(Polyvinyl Chloride, 聚氯乙烯)和硅胶复合基底的光纤布拉格光栅柔性曲率传感器。将光纤光栅植入到硅胶片中, 并将硅胶片粘贴在PVC基底的表面, 形成基于PVC和硅胶复合基底的曲率传感器。使用标准曲率校准块对传感器进行了校准实验, 测试不同曲率下传感器的反射光谱、波长漂移量等参数。为了证明PVC基底对植入在硅胶中FBG传感器的性能影响, 对基于PVC和硅胶复合基底和基于硅胶基底的传感器进行了灵敏度和重复性的实验测试。实验结果表明: PVC基底可以提高植入硅胶中FBG曲率传感器的灵敏度和重复性, 且基于PVC-硅胶复合基底的传感器灵敏度最高可达245.5 pm/m-1, 偏差指数不足3%。该传感器在生物医学等软体机器人和柔性机构的曲率测量中具有广阔的应用前景。

在皮肤反射式共聚焦显微成像过程中, 为了实现图像亮度的快速调节, 提出了一种图像亮度自适应调节方法。通过实验建立光强控制电压与图像亮度之间的关系模型, 划分图像极端亮度区间与适度亮度区间, 采用分段调节策略, 将初始图像从极端亮度区间快速调整至适度亮度区间, 在适度亮度区间内通过线性补偿调节至目标灰度均值。对不同深度、不同位置的皮肤组织进行实时成像, 图像初始亮度存在着过亮、过暗和适中等各种情况, 上述亮度自适应调节方法均能实现快速亮度调节, 调节迭代次数为2~3, 调节后图像灰度均值达到最优值70左右。实验结果表明, 这种自适应图像亮度调节方法快速、有效, 能够满足皮肤共聚焦成像检测的需要。

为了更简便、准确地测量透明平行板, 提出了一种基于区域生长算法与傅里叶变换的单幅三表面干涉条纹相位恢复方法。通过傅里叶变化将三表面干涉条纹图由空域变化到频谱域。不同表面的干涉条纹在频谱域中对应的位置不同, 通过改变区域生长算法中的参数, 提取出合适的区域, 最终得到面形。该方法可以由单幅三表面干涉条纹图同时得到透明平行板前后两个表面的面形。分析了由算法求得的表面面形的误差, 通过叠加分离的双表面干涉图与原三条纹图进行比较, 得到相应的误差分布图, 通过误差分布图可以改善算法的精度。将得到的面形与Zygo干涉仪得到的面形进行对比, 发现该方法测量精度较高, 其相位提取误差PV值小于0.12λ, RMS值小于0.065λ; 重复性得到验证, 其重复率可靠度优于λ/100。测量到的面形与物体真实面形接近, 测量方法更加简便。

为了对圆锥角膜为代表的角膜扩张类疾病进行安全有效的治疗, 减小手术过程中的人工对准误差, 设计了一种用于角膜交联手术装置的光学系统。根据角膜交联手术治疗光斑尺寸、均匀性及工作距的要求, 基于复眼透镜阵列匀光原理进行了照明系统设计。设计了一种对人眼区域成像, 工作距离为175 mm, 放大率β=-4.2的红外镜头。最后, 搭建了角膜交联装置原理样机, 并对所设计的光学系统进行了测试。实验结果表明, 紫外照明光路工作距离为65 mm, 输出光斑直径为9 mm, 均匀度为90.2%, 达到了国外同类仪器水平, 红外成像光路可以为手术过程中人眼位置的追踪和定位提供清晰、良好的图像。本文设计的角膜交联装置的光学系统具有结构简单、成本低廉、性能良好等特点, 可以很好地满足手术需要。

轴对称3D曲面壳体谐振器具有自身对称性好、耐冲击能力强、可靠性高的特点, 是应用最为广泛的谐振器之一, 但因制备工艺涉及薄壳结构的曲面成形过程, 属于MEMS 3D工艺, 很难进行批量化制备。基于硅各向同性湿法技术对多晶硅3D曲面壳体谐振器的批量化制备工艺进行了实验研究。设计了脱模法制备多晶硅3D曲面壳体结构的工艺流程, 实验优选体积比为15∶10∶75的醋酸、氢氟酸、硝酸的混合液各向同性腐蚀制备硅半球腔模具, 利用自制的水浴设备和水平度可调夹具, 对刻蚀液温度和扩散速度进行了有效控制, 减弱了反应放热和硅基片放置不水平对硅半球腔圆度与粗糙度的影响。制备了直径为0.8~1.3 mm的多晶硅3D曲面壳体结构, 测试对称性最好优于0.4%, 多晶硅3D曲面壳体结构的表面粗糙度优于1 nm。在0.2 Pa的压强下, 激光多普勒测试得到曲面壳体谐振器的谐振频率为28 kHz, Q值为14 365, 调节驱动电压和偏置电压可实现谐振器四波腹谐振模态的模式匹配, 基频差趋于零。

为了实现血糖无创在体检测, 解决测量灵敏度低、激励源波动影响大、病患体温干扰严重等难题, 本文提出一种基于温度补偿的差动光声测量方法, 该方法可以大幅度抑制温度的影响。采用两个相同的光声池分别容纳被测血液和纯水, 分别获取测量光声信号和参考光声信号。首先, 改变两个光声池的液体温度, 测定两路光声信号的温度系数; 然后, 分别对两路光声信号进行温度补偿和修正, 消除温度的影响; 最后将两路光声信号进行比值处理, 抑制光源强度波动的影响。在此基础上, 本文还使用组织工程皮肤安体肤来模拟人体皮肤环境, 探究皮肤对激光和光声信号的透过性。测试结果表明, 低浓度下葡萄糖光声信号强度和浓度的线性拟合直线的拟合度可以达到0.970 6, 证实了这种方法在实际应用中的可行性; 模拟皮肤的不同位置对激光的穿透率不同, 平均透光率为53.88%, 皮肤对光声信号的平均透过率为9450%。本文的研究结果可为血糖在体无创检测的实现提供有益借鉴。

大功率激光治疗过程中, 避免表皮及正常组织的热损伤副作用, 是保证激光治疗安全性和有效性的关键。本文采用具有高制冷性能的医用134a制冷剂, 通过对高压储液罐、密闭传输管路、高速雾化喷射装置以及电子学控制等系统的设计, 形成了可与治疗激光不同时序输出、对皮肤和组织进行实时快速冷却的瞬态喷雾冷却系统。通过研究喷洒时间、喷射距离、类皮肤材料温度变化之间的量效关系, 验证了装置的冷却效果。实验结果表明, 在20~50 ms喷洒时间内可将组织温度降低40~60 ℃。冷却系统的生物兼容性、耐压性、密封性通过了医疗器械注册检验。并联合大功率1 450 nm半导体激光用于面部痤疮的临床治疗, 189例轻中度痤疮患者在连续治疗4次后治疗的总有效率达873%, 未出现皮肤热损伤。该瞬态喷雾冷却系统可与各类激光治疗设备集成应用, 提高了现有激光治疗技术的安全性、有效性和治疗范围。

生物测量在眼科疾病的诊断和治疗中越来越重要, 对儿童和青少年的眼轴长度进行监测有助于预防和治疗近视及其引发的眼科疾病, 眼轴参数的准确测量也是影响眼病患者术后视觉质量的重要因素。为了测量眼轴参数, 本文研究了基于时域低相干技术的眼轴测量方法, 研制了高精度、非接触式眼轴测量的原理样机, 并开展了相应的实验研究。利用低相干干涉技术与长相干干涉测距技术结合的方法, 采用时域的机械扫描方式, 搭建一套光纤型低相干层析测量系统。通过对标准透镜厚度和镜面间隔的测量实验, 重复测量精度优于0.3 μm。最后对鱼眼眼轴参数进行测量, 清晰得到鱼眼的角膜、晶状体和视网膜等结构。实验结果表明, 该系统的稳定性及重复性均能达到设计要求, 可以用于动物眼轴参数的测量。

为了研究脉搏波信号降噪的问题, 文章提出了一种集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition, EEMD)与小波阈值相结合的降噪方法, 对采集到的光电容积脉搏波信号来做降噪处理, 同时和EMD结合小波阈值降噪算法进行比较。算法首先把信号做EEMD的分解, 将原始信号分解为n个模态分量(Intrinsic Mode Function, IMF), 然后对这些分量做相干性的计算, 对其中的噪声分量来做小波阈值降噪, 最后将信号重构。原始信号在STM32平台上采用MAX30100传感器测得。实验结果表明: 本文的方法能够很好地剔除光电容积脉搏波中包含高频噪声与基线漂移的各种噪声, 降噪后信噪比为34.09, 均方根误差为1.99。提高了PPG信号的质量, 为光电容积脉搏波信号的准确测量提供了新的思路。

为了将荧光分子成像技术应用于临床进行手术导航、肿瘤边界识别、在体显微病理诊断等, 设计了一种双模切换显微内窥镜成像系统, 采用荧光素钠作为荧光分子探针, 高亮度蓝光LED光源作为荧光激发光源, 通过切换内窥成像探头, 实现了两个模态下的成像: 宽场白光内窥成像模式下进行手术导航, 荧光分子成像进行病变肿瘤边界识别; 显微内窥成像模式下, 进行在体显微病理分析, 确定肿瘤良恶性及其种类。本文研究了双模切换显微内窥镜成像系统的光学特性, 搭建系统并测试了相关的性能指标, 展示了该系统在小鼠肝脏多模式内窥成像下的效果。研究结果表明: 宽场内窥成像可以实现组织颜色和边界特征识别, 显微内镜成像系统可以实现分辨率达4.4 μm的组织显微成像, 能够满足在体肿瘤实时手术导航和显微病理诊断的临床需求。

针对目前凝血检测仪器存在的成本昂贵操作复杂等问题, 制作了一种基于丝网印刷技术的多壁碳纳米管(MWCNTs)增强型电化学传感器用于凝血酶原时间(PT)测量。利用凝血酶切割凝血酶底物实验验证了计时电流法检测凝血酶原时间原理的可行性。接着对血浆凝血酶原时间参数进行测量, 并用SYSMEX CS 5100光学凝血仪验证测量结果。经过测试, 凝血酶验证性实验中MWCNT型电化学传感器的电流响应强度较普通电化学传感器增加了(36±1)%, 重复实验出峰时间和峰值电流变异系数分别为2.99%和3.27%。测试不同血样PT值, 能够清晰的显示出区分度, 且挑选三组血样进行PT重复实验, 出峰时间变异系数分别为2.26%、3.22%和2.96%, 实验结果与医院的临床结果线性拟合决定系数R2为0.986。MWCNTs增强型型电化学传感器用于PT测试具有良好的重复性和一致性, 易于批量生产, 大大降低了凝血测量的成本, 且适合多种场合的测量, 在即时检测领域具有极大潜力。

为实现卧床病员生命状态的无感实时监测, 设计了一种非接触式呼吸率与心率监测系统。首先, 根据心脏射血收缩过程的力学特性, 选择灵敏度高、稳定性好的压电陶瓷传感器采集心冲击力学信号。对信号进行去噪, 滤波放大等处理, 通过数字化采集得到心冲击图(Ballistocardiogram, BCG)。其次, 通过对心冲击图进行平滑滤波提取呼吸信号, 利用快速傅氏变换(FFT)获取呼吸信号频率。采用带通滤波器去除BCG信号的呼吸包络以及高频干扰, 获取BCG信号的单位时间J波波峰数, 推算出心率值。最后, 为验证系统的准确性与一致性, 与 BIOPAC采集的呼吸及心电图(Electrocardiogram, ECG)信号进行比对, 结果表明本系统呼吸误差率小于4.5%, 心率误差率小于9.7%。通过Bland-Altman分析, 表明监测系统的心率测算准确度与BIOPAC具有较好的一致性。

为更好实现可穿戴柔性电子的初期设计和试验验证, 提出了一种基于“切割和粘贴”的柔性电子快速制备方法。首先, 通过对比光刻工艺与喷墨打印工艺, 提出了一种基于激光切割的微纳图案化工艺; 接着, 利用调节聚二甲基硅氧烷(PDMS)基体的黏附力来控制能量释放率, 将带图案的薄膜结构转印到弹性基底; 然后, 为保证金属电极与柔性基体间紧密贴合, 采用PDMS对整体结构进行了封装; 最后, 搭建了多通道生理信号采集系统, 对所加工柔性电极进行电生理测试与医疗探索。实验结果表明: 与传统柔性电子加工工艺相比, 文章提出的工艺效率较高, 成本较低, 可在10 min内完成整套工艺, 同时制备的电子传感器件可以与皮肤保形接触且输出稳定信号, 可为柔性电子的初期设计及后续产业化应用打下基础。

为了辅助无人值守式眼底筛查设备在不同光照环境下自动进行眼底成像, 搭建了瞳孔中心点自动定位与对准装置, 并提出了一种基于圆近似模型的算法来实现瞳孔中心点的自动定位。首先, 使用二值化、轮廓提取与填充等方法对图像进行了预处理, 以消除噪声和光斑对后续处理的影响; 接着, 使用本文提出的新型的圆近似算法来实现瞳孔中心点的精准定位; 最后, 根据定位的瞳孔中心点位置, 来控制步进电机移动平移台, 从而实现图像采集视场中心和瞳孔中心的对准。为验证有效性, 将文中算法、传统Hough圆算法及改进的Hough圆算法在定位精度、平均定位时间上进行了比较。本文算法的定位精度为93.33%, 平均定位时间为95.67 ms, 比传统Hough圆检测定位精度提高了约3.5倍, 定位时间减少了约68.86%, 比改进的Hough圆算法检测定位精度提高了约2倍, 定位时间减少了约63.11%。实验结果表明, 该系统在光照参量无法严格控制的拍摄环境下, 对瞳孔自动定位与对准的准确度和计算效率均有显著地提升。基本满足无人值守式眼底筛查设备的实时性、精确性、鲁棒性要求, 有助于无人值守式眼底筛查设备的推广。

分子互作检测是目前食品安全检测、临床癌症病理筛查等检测领域的研究热点。为了对生物分子间相互作用进行实时、快速检测, 本文以光干涉技术为理论基础, 设计了基于光纤生物传感器的分子互作检测系统。采用了石英光纤与自聚焦透镜耦合结构, 提高了光源与干涉光的传输光路耦合效率。采用STM32微处理器作为主控制器, 实现了数据采集、三维传动机构控制、恒温震荡控制、通讯等功能。最后, 采用所设计的分子互作检测系统及美国Fortebio公司的BLItz分子互作检测系统, 分别进行不同浓度的定量检测实验, 实时检测IgG与抗原分子蛋白A的结合与解离反应。实验结果表明: 本文设计的系统检测极限达到10 μg/mL, 重复性CV值小于6%, 与BLItz接近。所设计系统检测的自动化程度高、检测过程中无需清洗、不产生交叉污染、成本低, 能够满足药代动力学研究需要。

石墨烯(Graphene, GR)作为一种革命性的材料具有优异的理化特性, 其优异的导电性对凝血电化学传感器的研制极其重要。目前大型凝血检测仪器操作复杂、耗时较长, 且对活化部分凝血活酶时间(APTT)指标的POCT检测较少。针对这一现状, 设计制作一种可以用于APTT指标检测, 基于丝网印刷技术的GR改性增强型电化学传感器十分必要。通过凝血酶切割凝血酶底物实验验证计时电流法检测活化部分凝血活酶时间原理的可行性, 测量血浆活化部分凝血活酶时间参数, 同时使用SYSMEX CS 5100光学凝血仪验证测量结果。实验表明, 丝网印刷GR改性电极具有良好的一致性, 其阻抗测试变异系数为2.71%。凝血酶实验中, GR改性电化学传感器检测的电流响应强度较改性前的电化学传感器增加了16±1%, 重复出峰时间和峰值电流变异系数分别为3.29%和3.13%。选取3组血样APTT值, 能够清晰地显示出区分度, 且每组APTT重复实验的出峰时间变异系数分别为3.20%, 3.25%和2.84%, 实验结果与医院的临床结果线性拟合决定系数R2为0.978。GR改性增强型电化学传感器在APTT测试中显示出了较好地重复性, 具有在多种场合下进行即时检测的潜力。

针对传统种子呼吸CO2浓度检测方法中检测精度低的问题, 为了满足测量需要, 提出一种采用可调谐二极管激光器吸收光谱技术的种子呼吸测量系统方案。该系统是由多次反射池结构的种子呼吸容器、分布反馈式激光器及其控制电路、光电转换及放大电路、数据采集电路、上位机软件等构成, 设计种子呼吸容器其空间体积为1.5 L, 激光器光源采用2 004 nm波段, 多次反射池光程为16 m。然后, 基于朗伯比尔定律, 通过波长调制吸收光谱技术, 利用二次谐波实时反演出种子呼吸过程中产生CO2气体的浓度。测试结果显示: 种子呼吸CO2浓度测量的稳定重复性为0.033%, CO2浓度的线性拟合度为0.999 38, CO2浓度检测极限为1.7 ppm。通过实验对糯玉米种子进行检测, 获得20 g玉米种子呼吸的变化曲线, 其12 h内变化量为2 750.5 ppm, 呼吸速率为229.2 ppm/h, 实验结果表明该系统能解决种子呼吸CO2浓度无法连续性测量、浓度检测精度低等问题。

图像引导放疗是精准放疗的关键点之一, 常规利用X射线的图像引导技术在使用时会带给患者额外的辐射剂量, 因此本文研究了一种没有任何副作用的普通摄像机图像引导放疗的技术。将3台普通摄像机安装在实验室内, 获取摄像机实时图像, 通过设计的自适应背景剔除算法删除图像背景获取感兴趣区域(ROI), 在ROI图像内使用本文改进的ORB角点提取配准算法获取患者实时摆位信息, 引导并验证患者摆位。设计光学图像提取患者呼吸信号算法引导运动器官肿瘤的治疗。将一套放疗用热塑膜固定的仿真体模放置在实验室中模拟患者治疗, 通过多次测试, 证明了本技术患者摆位偏移量精度为1 mm和1°。通过一套呼吸运动模拟装置测试本文设计的呼吸运动信号提取算法, 获得的呼吸运动信号和设定的信号在时间和幅度上达到96%以上的符合度。通过实验室内体模的测试, 本技术基本满足图像引导放疗的技术要求。