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光子技术简介
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- p& E6 F7 t+ |5 a/ i* o光子技术是研究生物样本与光子或光线相互作用的科学，这种相互作用涉及整个电磁光谱，从紫外线到可见光、红外线和太赫兹领域。自17世纪光学显微镜发明以来，基于光的技术极大地影响了生命科学和医学。1960年代激光的发明显著推动了多种光学技术的发展，包括光谱学和成像，这促使光子技术应用快速增长。- W; \. |; q( x$ d, b& X% C
6 u i9 C; o3 b/ ^+ ^% N$ X光子技术中的生物样本可根据研究尺度分为单细胞、器官、组织和整体生物。在研究重要特性时，该领域还包括食品相关样品。光子技术在临床应用方面展现出显著潜力，2014年诺贝尔化学奖授予了超高分辨率显微镜的开发，该技术能够显示小于20纳米的细胞结构。: s8 J) L- |) ^1 C
j1 U1 f5 _( @" T" A3 {20世纪，原子光谱中规律性的观察对量子物理学的验证和发展起到了重要作用。在大型数据集中识别模式需要自动分析方法，这正是人工智能的应用场景。机器学习作为人工智能的一个子领域，包含了能够自动改进而无需明确编程的计算算法。使用基于机器学习的技术可以满足对各种数据类型的适应性和灵活性需求[1]。6 M* Y/ L0 a0 ?0 h& Z
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1 U( S! z1 V- |: }0 F) o0 j光子技术中的机器学习方法4 W+ b( m6 c. f) y$ t% f+ R
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机器学习方法可大致分为线性和非线性方法。线性方法包括线性判别分析(LDA)、K-均值聚类、主成分分析(PCA)和支持向量机(SVM)。非线性方法包括Adaboost、t-分布随机邻域嵌入(t-SNE)和人工神经网络(ANN)。; \8 H6 r. \3 Q7 O6 `
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线性判别分析(LDA)寻找特征特性的线性组合来分类输入数据集。该算法特别适用于在线性分类前进行降维。虽然LDA和PCA都是基于线性变量组合来减少数据集维度的线性方法，但它们的方法不同。PCA识别表示类别间差异的方差度，而LDA则根据特征或模式模拟各种组件的相似性。当已知基础数据中的类别先验知识时，LDA最为有用，而PCA可以在没有先验知识的情况下执行。4 E' }9 M2 z3 ?. y0 _" p7 A' ?( f
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K-均值算法是基于向量量化的线性方法，旨在将输入数据集分离为离散的非重叠集群。每个数据点被分配到一个集群，同时保持到集群质心的平方距离和最小。该算法遵循期望最大化方法，首先指定集群数量k，然后随机打乱数据并选择随机k个数据点来初始化每个集群的质心。此过程迭代进行，直到质心分配不再发生变化。. A5 s1 @. w6 `; ?3 R2 L! H7 c8 y
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由于其广泛的适用性，K-均值算法在光子技术中有许多应用。它被应用于概率形状的正交幅度调制相干光通信系统、光学相干断层扫描图像的数字染色和视盘分割。: s& }6 g' H* B6 X
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主成分分析(PCA)是一种用于识别数据集中模式的统计程序，使用正交变换将相关变量集转换为特征值特征向量问题。特征向量通常称为主成分，主成分的数量通常少于原始变量的数量。PCA实现涉及在"n"维度收集数据集，减去均值以消除强度波动的影响，计算协方差矩阵，并提取特征向量和特征值。第一主成分描述最大变异，与具有最大特征值的特征向量相关联。5 _. G" o4 w$ T4 ]7 F
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支持向量机(SVM)是用于回归分析和对象分类的监督学习模型。这种方法涉及找到一个超平面，将不同类别的对象分开。
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图1：支持向量机如何通过找到最佳超平面(实线)来分离两类数据点(圆圈和星形)，支持向量是靠近超平面边距(虚线)最近的点。- c, L- w i6 F' |/ P- [
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为了将对象分配给多个类别，需要单独的二元分类训练。SVM是非概率二元分类器，建立模型将新示例分配到一个或另一个类别。该模型表示具有分类边界的超平面，新数据点投影到超平面中，在最佳模型中，这些数据点延伸到类边界的两侧。
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超平面的维度取决于对象的维度 - 可以是平面、线或点。其目标是通过评估对象落在边界哪一侧来确定类别成员资格。在某些情况下，对象可能具有其他类别的特性，导致创建软边距，对象可以位于明确定义的集群外，而不影响超平面的位置。当单个超平面无法分离两个数据集群时，可能会使用核函数来转换数据并获得类别的线性分离。0 h0 a) ~/ j9 \: T
ADABOOST：高级机器学习算法
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6 O9 r9 b6 H+ C1 _Adaboost(自适应提升)是一种相对较新的非线性机器学习算法，用于二元分类和回归任务。它采用提升技术，在不同的训练数据子集上迭代训练多个弱模型，并在每次迭代中为错误分类的实例分配更高的权重。
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( [0 J( [4 r7 t& a& c" }图2：Adaboost算法工作流程，不同大小的圆圈代表具有不同权重的样本，圆圈的不同颜色表示不同的数据子集。该过程显示了单个分类器如何组合形成集成分类器。3 p/ v6 S3 z, e5 |+ p, w
' I; j1 M7 q9 {4 g% F如图2所示，该算法在后续迭代中更加关注错误分类的样本，使弱模型能够从错误中学习并提高性能。最终，这些模型被组合成一个强分类器。Adaboost广泛应用于计算机辅助诊断(CAD)，可以帮助医疗从业者对患者健康和疾病状况做出关键决策，包括阿尔茨海默病、糖尿病、高血压和各种癌症。# g9 ^9 @( V8 b9 G0 [; U
光子技术中的应用8 ~- B9 [) x# B L
+ u( ]% ^4 p6 E' u: j人工智能与光子技术的交叉领域为各种应用提供了巨大潜力。机器学习和深度学习技术已证明在增强光学仪器和为该领域的复杂问题提供解决方案方面的有效性。$ ]% Z7 k& B9 h9 o2 x& A
. H% G% B/ j5 S! V* t/ w一个重要应用是免标记免疫细胞表征。传统方法通常需要昂贵且耗时的标记程序，但由人工智能驱动的光子技术方法可以仅基于细胞的光学特性来识别和表征细胞，而无需标记。这对于免疫学的快速诊断和研究具有深远影响。
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8 r0 J4 P7 ^) o' S( n3 V0 U光子技术在检测化学和生物分子、微生物以及生物医学成像方面也显示出巨大优势。这些领域产生大量复杂且信息丰富的数据，人工智能可以处理这些数据以揭示隐藏的模式并激发新的理论和实验解释。7 L: n2 S; v. i
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人工智能的强化学习、机器学习和深度学习组件相结合，为在光子技术领域开发应用创造了新的知识路径。随着光学技术的不断进步，人工智能在解释和增强光子数据方面的作用变得越来越重要。
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. `, N0 r7 V) s- h2 q8 ?0 \人工神经网络(ANN)和深度学习代表了机器学习的现代进步，在从生物信息学到光电子学的众多领域都有广泛应用。它们对不同数据类型的易用性使其在光子技术领域特别有价值，因为在该领域，数据复杂性和数量可能对传统分析方法造成压力。
% w( q& U* q t# @; |结论. }) w0 w5 z1 @/ C: o+ `9 j
) t4 z1 E( w7 T: K) q8 E自1960年代激光发明以来，光子技术领域经历了快速发展，众多光学技术呈指数级发展。人工智能，特别是机器学习和深度学习，已经成为应用广泛的技术，包括光子技术领域。/ R. @2 q @7 \/ r9 y
6 W3 H- `3 V: V6 k$ Q本文讨论的各种机器学习方法 - 从线性方法如LDA、K-均值、PCA和SVM到非线性方法如Adaboost - 为分析光子技术应用中产生的复杂数据提供了强大工具。这些方法增强了通过光线与生物系统相互作用来理解生物系统，并提高了光学仪器的功能。
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随着研究在人工智能和光子技术学科交叉领域继续进行，我们期待更多创新，这将在生物医学成像、疾病诊断和分子与细胞水平的生物过程基础理解方面带来进步。人工智能与光子技术的结合不仅增强了现有能力，还提供了一种将继续推动生命科学和医学领域边界的方法。
4 V6 S2 q$ D: Y/ i- H参考文献
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$ t. C, f2 o" M6 x0 l2 y7 u[1] M. Tiwari, G. Singh, and A. Saharia, Eds., Intelligent Photonics Systems: Technology and Applications, 1st ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2025
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