光辐射对生物体影响的关键技术研究

摘要

光是一切生物体赖以生存的清洁能源，光在自然界一直与人类相伴左右，光与地球上的生命早已结下不解之缘。但随着社会的发展以及人们生活水平的提高，人们的生活中出现了各式各样的人工光源和照明工具，也就产生了超过人体需求的光辐射，逾量的光辐射会导致眼睛和皮肤受到伤害，它不仅会危害人体健康，打乱动植物的正常生长规律，还会妨碍到天文学的观测，并且污染了城市的环境和气候，因此，解决光辐射带来的污染危害，已经成为人类健康生活迫切需要解决的重要问题。
　　从对光辐射造成污染与危害研究的现状来看，目前国外的主要研究方向集中在视网膜细胞损伤与结构功能缺失的方面，包括热损伤、机械损伤与光化学损伤，也有日本学者研究过生物体受光辐射后血液内多巴胺与儿茶酚胺含量变化的研究成果，而国内的主要研究方向为光照对视觉系统的影响和光辐射对动物行为学的影响及各类物质对视网膜光损伤的防护、保护作用等方面。根据国内外研究现状，围绕光辐射造成污染与危害研究热点，本文创造性地提出光辐射对生物体影响的关键技术研究，基于光子学、光纤传感技术、数字图像处理以及光谱分析等技术，通过对生物体受光辐射后在体生理指标与离体生理指标的实验研究与理论分析开展有关研究。
　　本文设计了一种显微光学测量系统，对实验生物体小白鼠进行了在体与离体光辐射研究，对不同波长、不同功率的LED光辐射，测量其在受不同种类光源辐射不同时间下在体与离体生理指标，并进行了对比与分析；同时还进行了单色光源与复色光源辐射的对比实验；将测得的生理指标进行统计与回归分析，得到了生物体受光辐射时间与生理指标变化之间的回归关系，实现了光辐射时间对生物体作用模型的建立与检验，并推广到使用回归方程进行点预测与区间预测；本文最后对实验中得到的200组数据进行特征提取，通过支持向量机进行了建模与分类，所建立的SVM分类模型具有计算效率高、鲁棒性和统计稳定性好等特点，结果表明，可以将此模型推广到更一般的样本数据集上，即可对小鼠是否受到光辐射的不良影响做出判断，这不仅有利于保护生物体不受光辐射的损伤，也对光危害的研究提供了一种新思路，更可以为开发新型生物安全光源提供研究依据。
　　论文主要创新工作和研究内容如下：
　　（1）设计了一种显微光学测量系统，可以通过选择不同波长、不同功率的LED发光二极管辐射生物体，并进行在体研究与数据测量及处理。通过该系统可以得到受不同光辐射条件下小鼠耳廓微血管的显微图像，再通过图像处理技术得到小鼠在不同波长与不同功率光辐射条件下耳廓微血管的管径数值，通过结果的对比分析，得到生物体受光辐射危害程度与光波长与功率的关系。与波长的关系为387.5nm光对生物体有损害作用，464.7nm光对生物体会产生一定程度的不良影响，512.6nm光对生物体则基本不会产生有害影响，590.0nm光对生物体产生的影响很小，637.3nm光对生物体则有一定的促进和改善作用；与功率的关系则是收危害程度与辐射光的功率成正比。
　　（2）提出了生物体在单色光与复色光辐射下在体、离体参数对比的研究方法。单色光辐射下生物体的离体血清溶液吸光度有加速下降的趋势，且有1~3nm的红移，血流量也因需要给细胞核组织供氧和散热而加速增大；复色光辐射下生物体的离体血清溶液吸收光谱吸光度也有一定程度的降低，但下降的速度较为均匀，血流量则一直保持平稳增加的趋势。单色光与复色光的对比研究不仅可以完善单色光辐射下研究方法的不足，离体检测也可以作为在体检测的补充。通过单色光与复色光、在体检测与离体检测的结果全面对比与分析，可以得到生物体在单色光与复色光辐射下受到影响程度的大小与不同，测量系统的有效性也可以得到验证。
　　（3）对光辐射时间对生物体生理参数影响的回归分析。在统计大量实验数据的基础上，计算并拟合得到了光辐射时间对实验小鼠耳廓微血管管径以及血清溶液吸收光谱的回归方程，建立了光辐射时间对生物体生理参数影响作用的模型，从数学角度验证了光辐射时间对生物体在体与离体生理参数影响程度回归分析的正确性，其特点是可以作为光对生物体作用的特征来进行影响预测。
　　（4）对光辐射对生物体生理参数影响的支持向量机建模。提出了利用支持向量机的二分类方法，采用线性、多项式、径向基以及多层感知核函数，分别用二次最优化和最小二乘法的方法，对实验数据样本进行建模分类，建立了生物体在光辐射下生理参数受影响的支持向量机模型，通过不同比例的训练样本，验证了模型的可行性，表明了该模型在生物体受光辐射危害识别方面具有广泛应用前景。

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注释表

第一章 绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 研究背景与对象

1.3 国内外研究现状分析

1.4 本文的主要工作

第二章 光源的选择与谱线分析

2.1光源的发光原理与分类

2.2常用光源的谱线分析

2.3 LED光源的特点和光生物安全

2.4 实验光源的选择

2.5 本章小结

第三章 显微光学测量系统设计与光辐射生物体在体检测的实现

3.1 显微光学测量系统的设计

3.2 生物体受光辐射影响的在体检测过程

3.3 辐射光源波长对生物体的影响分析

3.4 辐射光源功率对生物体的影响分析

3.5 本章小结

第四章 生物体在单色光与复色光辐射下在体与离体检测的实现

4.1 单色光与复色光的特性

4.2血清吸收光谱及微血管血流量的测量

4.3 实验研究

4.4 单色光辐射下的结果分析

4.5 复色光辐射下的结果分析

4.6 本章小结

第五章 光辐射时间对生物体生理参数影响的回归分析

5.1 回归分析理论

5.2 光辐射时间对微血管管径的影响

5.3光辐射时间对血清吸收光谱的影响

5.4 相关性分析、显著性检验与预测

5.5 本章小结

第六章 光辐射对生物体生理参数影响的支持向量机建模

6.1 支持向量机概述

6.2 二分类问题

6.3 光辐射对生物体在体与离体参数影响的支持向量机模型

6.4 分类模型的准确率评估与算法有效性

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 论文工作总结

7.2 创新点总结

7.3 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文