飞行过程中昆虫的光学跟踪和激光致死

为了满足对新的昆虫观察和控制工具的需求，光子围栏可以探测和跟踪蚊子和其他飞行昆虫，并可以对它们施加致命剂量的激光。在此之前，我们在麻醉的斯氏按蚊上测定了各种激光和脉冲条件下的致死暴露水平。在这项工作中，当受试者在距离光学系统2米的透明笼子内自由飞行时，进行了类似的研究；还进行了30米系统的原理证明演示。根据死亡数据在可见光和近红外波长下随不同光束直径、脉冲宽度和功率条件创建的剂量-反应曲线，可见波长需要比近红外波长低得多的激光曝光量才能使受试者残疾，尽管考虑到近红外光源的成本和视网膜安全，近红外光源仍然很有吸引力。研究人员发现，受试者的飞行行为和跟踪系统的性能对脉冲持续时间长达2500ms的死亡结果没有影响，这似乎是将所需激光功率降至最低的理想持续时间。这项研究的结果肯定了使用光学方法保护人和作物免受害虫飞虫侵害的可行性。

昆虫继续对世界各地的人类健康和农业生产力产生重大影响。蚊子对人类健康的影响是有据可查的，疟疾、寨卡病毒、登革热、基孔肯雅热和其他疾病的传播每年影响数百万人1、2、3、4、5、6。亚洲柑橘木虱(ACP，Diaphorina citri)7、斑点翅果蝇(SWD，铃木果蝇)8和昆士兰果蝇(Bactrocera Tyroni)9、10等昆虫造成的农业生产力损失通常比对人类健康的影响要少，但它们仍然是严重的经济问题，不能总是通过传统手段来解决，包括使用化学杀虫剂。

在研究和监测昆虫方面最有前途的新技术之一是被称为计算机(或机器)视觉的成像分支，正如Manoukis等人最近所回顾的那样。11.几个小组探索了将计算机视觉系统与激光系统相结合，以识别和跟踪某些昆虫，通常是蚊子，激光系统可以禁用或杀死所识别的昆虫。国庆等人。演示了计算机视觉跟踪系统，并讨论了添加致命激光，但没有显示这一步骤12。最近演示了一种系统，使用两个独立的激光在20厘米13的距离跟踪和击落飞行的蚊子。虽然这是一个有趣的结果，但这项研究使用了小样本的目标和激光条件，并且只在从光学系统到蚊子的非常短的距离内有效。

正如作者14、15之前所描述的那样，我们设计的全光学系统的概念被称为光子栅栏，该系统旨在识别和禁用大范围内的小飞行昆虫。简而言之，它定义了一个大约30到100µm长、1µm宽、3µm高的区域，在该区域中，机器视觉系统可以根据大小(根据计算出的昆虫在该区域内的z位置进行调整)、一天中的时间、翅膀拍打频率和/或其他因素来检测和识别小型飞行昆虫。( =。一旦系统识别了目标昆虫，激光子系统就会通过短脉冲(~ 2500ms)杀死或以其他方式使目标失效，最好是在近红外区的“视网膜安全”波长。一个单独的安全系统确保了如果人或其他动物在目标曝光区域的很短距离内，激光就不会开火。

在早先的一项研究15中，我们主要集中在确定杀死或禁用斯氏按蚊所需的最佳激光参数，由于它们的大小、在疾病传播中的作用和在实验室环境中的健壮性，这些蚊子被确定为一个很好的模式生物。这些研究使我们能够确定激光-目标相互作用的几种模式，从而我们可以对各种波长、激光光斑直径、脉冲能量和脉冲持续时间的有效性进行概括。它的主要限制是蚊子在激光剂量时被麻醉，这使得激光剂量可以非常精确地瞄准，但不能代表现实的使用案例。

在这项研究中，我们将调查范围扩大到更现实的环境中，受试者可以自由飞行，但仍在透明笼子内的有限体积内。从麻醉研究中被定义为最有希望的激光曝光方案开始，我们的目标是确定一组激光参数(波长、光斑直径、脉冲持续时间、脉冲能量)，以提供目标死亡率、系统成本和安全性的最佳组合。同时，我们试图确定准确跟踪所需的几个关键参数

在开始激光剂量实验之前，定义了一些参数来分析结果，如表1和图2所示。关键结果与我们之前的研究15和世卫组织关于杀虫剂治疗的指南17一致，是受试者在治疗后24小时是活的还是残疾的(即死亡或垂死)。为了表征受试者在激光脉冲期间的跟踪效果，跟踪误差被定义为昆虫的质心离精细跟踪相机的视场中心有多远。表1中定义的其他参数涉及“遮挡因子”，即激光束能量的多少(假设为高斯分布)与目标轮廓重叠，如图2所示。从粗略跟踪系统输出的目标xyz位置，我们还可以定义受试者在激光脉冲之前、期间和之后的速度、速度以及线加速度和角加速度。

具有代表性的斯氏针茅剪影的精细跟踪相机图像。在每一帧中，根据设定的像素强度阈值绘制胸部和腹部的近似轮廓(粗黑线)。然后计算该区域的质心(红色十字准线的交点)，并与摄像机视场中心(绿点)进行比较，以确定当前跟踪误差，并将输入提供给控制扫描镜方向的精细跟踪PID回路。绿色圆点周围的绿色圆圈表示激光的光斑大小(此处显示的所有图像的直径为2.5 mm)；遮挡系数表示此激光光斑(假设为高斯轮廓)与被摄体重叠的程度。(A)中的图像显示了单个对象在1毫秒间隔内的典型时间进程，而(B)中的图像显示了各种对象的跟踪误差的代表性描述，从1像素到5像素不等。

最初的实验是在斯氏疟原虫受试者和532 nm激光器(Verdi，相干)上进行的，使用功率(3W)、脉冲持续时间(25ms)和激光光斑直径(2.5ms)的参数，这些参数在我们之前的工作15中定义为潜在成本和死亡率性能的最佳组合。正如在补充视频1中看到的，该系统可以非常有效地利用这些参数来阻止飞蚊。从视频中值得注意的是，连同多次试验的飞行跟踪数据(未显示)，25ms的脉冲持续时间似乎足够短，以至于蚊子在脉冲期间没有明显改变它们的飞行模式，从而扰乱了跟踪算法。然而，从图3a，b中，初始系统没有足够一致的跟踪性能，使得受试者的生存几乎完全取决于精细跟踪系统将目标保持在其视场中心附近的程度。从这个对80个对象的样本的初始实验中，我们将激光脉冲期间的平均和最大跟踪误差的限制分别设置为2个像素和3个像素，其中每个像素代表~ 250xμm。图3c，d表明，在修改PID回路参数后，系统能够实现并保持这一性能，并且在这些条件下跟踪性能和死亡率之间不再存在任何关联。这些标准对本手稿中报告的所有死亡率数据进行了评估和保证(即，Kruskal-Wallis检验表明，存活或被激光脉冲致残的受试者在追踪误差方面没有显着差异)。更进一步，补充图3。S1表明，飞行行为，特别是速度和线性加速度，确实与跟踪精度相关，但是系统能够满足所提到的跟踪要求，即使在考虑到有限的飞行体积的情况下，在本研究中可以观察到的飞行行为的极端情况下(尽管这里看到的典型值基本上与其他按蚊18、19的现有数据一致)。

平均和最大跟踪误差对死亡率结果的影响。使用LD90条件下使用先前麻醉工作中的532 nm激光的初始死亡率结果显示，与(A)平均和(B)在25ms脉冲持续时间内的最大跟踪误差有很强的相关性。在设置和实现小于2像素平均值和3像素最大值的新跟踪误差目标之后(对于各种误差量的激光点和被摄体之间的重叠的描述，请参见图2b)，相同的实验不再显示与(C)平均值或(D)最大跟踪误差的任何相关性。垂死和死亡的结果被归类在(C)和(D)中，标记为“残疾”，以及随后的实验，因为它们都代表功能性死亡，在世卫组织杀虫剂试验指南中也是这样归类的。

死亡率结果如图4所示进行分析。每个数据点表示死亡率结果(即，假设可接受的控制死亡率<； 为5%，在24小时内死亡或奄奄一息的目标的百分比)为4

还检查了两个近红外(NIR)激光源-定制的1,064 nm(1μm)光纤激光器，最大输出为30W；以及商用1,570 nm(1.5μm)光纤激光器(IPG Photonics)，最大可交付输出为11 W。图5的右侧显示了除了使用可见波长外，这些激光源的剂量-反应曲线。与可见光激光相比，所有的红外实验都产生了明显较高的LD90通量水平，并且在给定图5的对数刻度的情况下，与可见光光源相比，改变1μm源的实验条件导致了LD90值的相对较大的变化。与蓝色二极管一样，小光斑(1.5 mm)具有最高的LD90通量，但与可见光激光器不同的是，与基线2.5 mm相比，较大的光斑(4 Mm)提供的LD90通量较低。对于1.5兆μm源，在2.5兆毫米光斑和25兆毫秒脉冲持续时间的情况下，该源可用的最大功率下没有足够的死亡率，因此图5中显示了一条曲线，该曲线使用稍长的脉冲持续时间来弥补所需的额外通量。从现有数据看，1%μm和1.5%μm源的LD90通量水平至少是合理可比的水平。

然后，我们进一步研究了增加脉冲宽度的效果，以确定这是否可以放松对激光源的光功率要求，因为激光成本与输出功率相关。图6a，b分别显示了532微米和1,064微米光源的结果，其中光斑直径为2.5微米，脉冲持续时间设置为25微秒、50微秒或100微秒。在所有情况下，根据脉冲持续时间调整光功率以提供恒定的脉冲能量，并因此在大约由先前实验确定的LD75水平上的通量，其被选择以确保任何数据点为100%死亡率(即饱和信号)的低可能性。如图6a和表3所示，在532纳米处，较长脉冲持续时间的死亡率显著下降，尽管与最初从25到50毫秒的下降相比，从50到100毫秒的影响较小。图6b和表3中的1μm震源也有类似的，但震级较小的影响。补充图3。S2显示，这些实验的跟踪精度在一定程度上反映了死亡率表现，从25到50毫秒有显著的下降，但从50到100毫秒没有明显的变化。

通过根据脉冲持续时间(25、50和100毫秒)成比例调整功率来实现恒定脉冲能量的实验的死亡率结果。使用(A)532µm和(B)1,064µm两种激光都使用2.5µs的光斑大小，并从来自相应25µs实验的剂量-响应曲线(具有Logistic回归拟合的虚线95%置信区间的实心曲线)设置为近似LD75剂量值。各个点上的误差条表示精确二项概率的95%置信区间。表3总结了不同脉冲持续时间下死亡率之间的统计差异。(A)中x轴上的微小偏移源于光束光斑大小作为功率函数的轻微变化。

使用相同的系统和程序，还在SWD和ACP受试者上进行了实验，作为一种粗略地探索激光与昆虫相互作用的方式，这些物种除了斯氏拟青霉外，还有其他感兴趣的物种。对于社署，完整的剂量-反应曲线是。

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