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期刊信息/Journal information
北京生物医学工程
北京市心肺血管疾病研究所
北京生物医学工程

北京市心肺血管疾病研究所

孙衍庆

双月刊

1002-3208

llbl@public3.bta.net.cn，llbl910219@126.com

010-64456508

100029

北京安定门外安贞医院

北京生物医学工程/Journal Beijing Biomedical Engineering北大核心CSTPCD
查看更多>>本刊是综合性学术期刊，主要刊登人工器官、生物材料、生物力学、生物信息与控制、生物医学测量、医药工程、生物工程、中医工程、计算机在医学中的应用、医疗器械等方面的理论研究和最新成果。适合从事生物医学工程的科研、工程人员及临床医生阅读，面向国内外公开发行。
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    外加膝关节辅助力矩对下肢关键肌群肌力的影响分析

    王凡杰梁雯琦赵文瑞樊澳...
    111-117页
    查看更多>>摘要：目的 以减小步行时的膝关节合力为目标,基于受试者在正常步行状态下的膝关节合力和膝关节力矩,计算解析减少不同程度的膝关节合力所需的辅助力矩,并研究多种步速下辅助力矩对下肢关键肌群肌力的影响规律.方法 通过三维光学动作捕捉系统及测力台采集人体在慢速步速、正常步速以及快速步速下的运动学和动力学数据.基于OpenSim生物力学计算平台计算下肢关键肌群肌力、膝关节合力及膝关节力矩,然后将膝关节合力按照减少5％、10％、15％、20％的目标进行等比缩减,在MATLAB中采用全局优化算法计算得到辅助力矩,最后分析辅助力矩对下肢关键肌群的影响规律.结果 辅助力矩随膝关节合力减少的程度而增加,并且不同步速下辅助力矩的平均相关系数为0.87,最高相关系数为0.96.施加辅助力矩后,腘绳肌、股四头肌、腓肠肌的肌力分别在支撑相初期、支撑相中期、支撑相末期和预摆期减少的平均比例最大,并且在慢速步速下上述三个肌群肌力减少的平均比例最大,其值分别为31％、26％和23％.结论 膝关节辅助力矩主要通过减弱下肢关键肌群的肌力来减少膝关节合力.本研究的结果提示不同步速下对膝关节施加特定幅度和变化趋势的辅助力矩,能够达到防止膝关节过载损伤等目的,可为主动机械外骨骼等辅助设备的驱动策略提供数据参考.

    步行膝关节合力肌力辅助力矩外骨骼

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    多重力学刺激作用下新内膜重塑模型构建和数值模拟研究

    杨煜佳张晗冰陈诗亮乔爱科...
    118-126页
    查看更多>>摘要：目的 支架植入造成血管内膜损伤引起新内膜重塑.本文旨在构建支架植入后力学刺激新内膜重塑模型,探讨支架植入后动脉应力和壁面切应力对新内膜重塑的影响及新内膜重塑过程中的血管应力分布.方法 建立支架植入模型、支架段血流模型,计算支架植入后血管壁力学刺激;通过促生长因子g描述力学刺激与细胞增殖的关系,并构建细胞增殖迁移模型,模拟细胞聚集形成新内膜过程.模拟动脉应力、壁面切应力单独作用下新内膜重塑,以探讨两种力学刺激作用效果的差异;模拟动脉应力和壁面切应力共同作用下新内膜重塑过程,得到重塑过程血管应力分布的变化.结果 在动脉应力作用下,新内膜集中在支架段,对支架段管腔影响更大;在壁面切应力作用下新内膜重塑范围更广,除支架段还包括上、下游.新内膜重塑会使血管壁应力峰值和高应力区域减小,重塑后血管壁应力峰值由0.277 MPa下降至0.098 MPa,高应力区域体积减少了64.6％.结论 新内膜重塑模型可得到支架植入后血管形貌和应力的动态变化.不同力学刺激作用下,新内膜位置与重塑速度有显著性差异,具有不同特征.新内膜可对血管壁起到一定程度的支撑作用,使血管壁的高应力区域明显减少.

    新内膜重塑支架内再狭窄数值模拟壁面切应力动脉应力生物力学

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    鳞状细胞癌代谢亚型及特征分析

    韩振波李晓琴付继鹏王猛...
    127-136,179页
    查看更多>>摘要：目的 鳞状细胞癌(squamous cell cancer,SCC)是发生于表皮或附属器细胞的一种恶性肿瘤,它的高异质性是个性化治疗的主要挑战.从分子层面对SCC的研究已经得到了很大的进展,但是对SCC的代谢亚类研究仍然需要更多的探索.为了找到SCC潜在的代谢亚类,本文提出了一个SCC代谢亚类识别及特征分析的流程.方法 基于癌症基因组图谱(The Cancer Genome Atlas,TCGA)的1316名SCC患者的代谢基因表达谱,使用共识聚类确定了两个亚类,分析了亚类的代谢特征、临床特征、免疫浸润以及药物敏感性,并构建了一个用于预测鳞状细胞癌亚类的分类模型.结果 C1亚类具有较高的代谢活性、较低的免疫浸润和良好的预后.C2亚类具有较低的代谢活性、免疫检查点的高表达和较差的预后.结论 本文基于代谢基因的表达谱确定了新的SCC分类,并为SCC的诊断及个性化治疗提供了有价值的信息.

    鳞状细胞癌代谢免疫浸润药物敏感性分类

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    基于转谷氨酰胺酶交联明胶水凝胶的心肌细胞体外培养

    郭坤铭叶静贺子亮邹佐凤...
    137-144页
    查看更多>>摘要：目的 研究微生物转谷氨酰胺酶(microbial transglutaminase,mTG)交联明胶水凝胶对新生大鼠心肌细胞活力和增殖的影响,并探究该水凝胶在心肌组织工程应用中的适用性.方法 采用微生物转谷氨酰胺酶交联明胶水凝胶作为基质材料,进行新生大鼠心肌细胞的体外培养.通过倒置光学显微镜观测心肌细胞生长状况,并选取培养一周内的心肌细胞进行细胞相容性评估:采用钙绿黄素-AM/碘化丙啶进行活/死染色,表征了在明胶水凝胶表面培养的心肌细胞的细胞活性;采用MTT法分析细胞在水凝胶表面的增殖情况.使用DAPI和心肌细胞标志蛋白cTnI、cTnT免疫荧光染色法,检测体外培养的心肌细胞在明胶水凝胶基底上的心肌源性和成熟状态.结果 在37℃下加入mTG溶液的明胶快速凝胶,接种后的心肌细胞在4h内完全粘附.明场下可清楚观测到心肌细胞的增殖和随时间逐渐同步的自发搏动行为.活/死染色和MTT测定结果显示,mTG-GA水凝胶上心肌细胞具有良好的活性,并保持了相当的增殖潜力.cTnI和cTnT荧光染色结果说明,相较于培养板上传统培养的心肌细胞,mTG-GA水凝胶上生长的心肌细胞不仅保持了良好的细胞活力,而且具有相当的心肌细胞表型和更高的特征蛋白表达.结论 mTG交联明胶水凝胶具有高细胞相容性,适合作为心肌细胞体外培养材料,用于工程化心肌组织构建和其他心肌组织工程应用.

    明胶转谷氨酰胺酶心肌细胞水凝胶细胞培养

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    银离子与壳聚糖形成水凝胶的作用机制研究

    李鹏杨秀
    145-150,193页
    查看更多>>摘要：目的 壳聚糖对于金属银离子有很强的配位能力,本文通过壳聚糖分子(chitosan,CTS)在碱性氛围(NH3)中与银离子(Ag+)相互作用形成水凝胶并研究其作用机制.方法 首先以AgNO3和CTS作为原材料,在氨气气氛中使壳聚糖-硝酸银溶液交联,制备不同银离子浓度的壳聚糖-银离子水凝胶,然后通过红外光谱、X射线光电子能谱和广角X射线衍射,研究其微观交联结构.结果 水凝胶的红外光谱上能观测到3500～3200 cm-1处的宽吸收带,代表O—H和N—H的伸缩振动,1640 cm-1和1570 cm-1处的吸收带分别代表酰胺Ⅰ带中的C=O伸缩振动和壳聚糖中氨基的弯曲振动,随着水凝胶中Ag+的含量逐步升高,1640 cm-1和1570 cm-1之间的峰强度比率降低;X-射线光电子能谱宽频扫描中能观察到对应银(Ag3d)的吸收峰,水凝胶的窄扫描N1s光谱显示出400.3 eV和398.1 eV两个峰,分别对应NH—乙酰基中的N和游离氨基上的N;广角X射线衍射图谱中CTS在2θ=13°和20°处的衍射峰分别对应分子间和分子内氢键.CTS/NH3水凝胶形成后,衍射峰增强,由于游离氨基与Ag+的相互作用,在29.6°、36.2°、39.8°、43.6°的新衍射峰对应Ag+.结论 壳聚糖-银离子溶液暴露于碱性的氨气气氛中时,酸性的—NH3+会去质子,并与Ag+相结合,形成交联的壳聚糖网络.CTS—Ag+/NH3水凝胶的形成是一个物理络合过程,由壳聚糖分子间的氢键及—NH2与Ag+之间的配位键组成.Ag+作为物理交联剂来形成与壳聚糖结合的非共价键.

    水凝胶壳聚糖金属银离子作用机制

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    一种新的术中X线与术前CT图像配准方法

    崔家礼王杰郭曦陈彧...
    151-157,186页
    查看更多>>摘要：目的 本研究旨在配准胸主动脉血管内修复术(thoracic endovascular aortic repair,TEVAR)术中X线与术前CT图像,为TEVAR支架植入提供精确安全的导航.然而,现有配准算法存在无法有效弥合投影CT图像生成的数字重建影像(digitally reconstructed radiography,DRR)与X线图像之间的域间差异和难以获得图像分割标签的问题.因此,需要提出新的方法来改善这一问题.方法 本文提出了一种新的配准框架,该框架结合了基于生成对抗网络(generative adversarial network,GAN)的域自适应网络和基于Transformer的配准网络.基于GAN的域自适应网络将X线图像的风格迁移到DRR图像上,使两者在图像风格上更接近.基于Transformer的配准网络采用CNN与跨模态变换器(cross-modality transformer,CMT)相结合的模式,直接配准X线与CT图像,无需进行图像分割.结果 本文在208对标定的TEVAR术中X线与CT图像对上对新的配准方法进行了验证.与其他域适应方法相比,本文所采用的CycleGAN网络作为风格转换模块,有效减小了DRR图像与X线图像之间的域间差异.消融实验结果进一步证实,配准网络中的全局局部感知模块(global-local perception module,GLPM)对提高配准精度具有明显作用,而空间缩减(spatial reduction,SR)则有效缩短了配准时间.通过对比现有方法和本文方法在真实患者X线与CT图像对上的配准效果,本文的方法在配准精度和成功率方面均表现出最佳性能.结论 本文提出的新的X线与CT图像配准方法有效克服了现有方法存在的域间差异以及难以获得分割标签的问题.

    X线图像CT图像配准域自适应跨模态变换器

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    基于局部区域对应点匹配的MRI图像层间插值方法

    李静媛周孟葳熊华晖姬长金...
    158-164页
    查看更多>>摘要：目的 医学影像层间插值对提高图像分辨率十分重要.基于灰度插值的传统算法在处理结构复杂,层间灰度变化大的区域时常会造成组织细节丢失或边缘模糊.本研究旨在建立一种局部区域对应点匹配插值算法,从而有效改善插值图像质量.方法 构建一种局部区域对应点匹配算法.通过将线性插值图像与同位置原始扫描图像之间的对比构建误差图像并确定出高误差区域.对非高误差区域使用线性插值.对于各高误差区分别采用对应点匹配方法处理:首先根据每个区域的局部信息确定其对应于点对匹配度误差函数最小误差的最优参数组,然后为区域内每个插值点找到两侧图像上的最佳匹配点对用于该插值点灰度计算.将此方法应用于轴、矢、冠状位方向系列扫描图像的层间插值,将插值图像与同位置原始扫描图像的均方差作为评价插值质量的标准.结果 与其他算法插值结果相比,局部区域对应点匹配算法可显著降低插值误差,矢状位图像插值结果的改善尤为突出.与整体对应点匹配算法插值结果相比,其误差平均值降低达19％,有效改善了原高误差区域的插值质量.结论 本研究建立的局部区域对应点匹配插值算法可以有效地解决以往算法在处理复杂组织边界区域插值时的不足,显著提高图像层间插值的精度和质量.

    磁共振影像医学图像层间插值对应点匹配插值局部区域方法

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    基于TransUNet的甲状腺结节超声图像精准分割方法

    陈格李翔
    165-170页
    查看更多>>摘要：目的 甲状腺结节的精准分割在医学影像处理中具有重要意义,然而,超声图像中的结节通常具有尺寸多变和边缘模糊的特点,这为其准确分割带来了挑战.为有效应对这一挑战,本文提出了一种结合卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)和Transformer的分割网络,命名为TransUNet,旨在实现对甲状腺结节超声图像的精准分割.方法 首先,使用卷积神经网络对超声图像进行编码,以生成特征图.接着,将特征图转换为序列向量,并利用Transformer的编码机制来捕捉上下文信息.此外,为保持局部细节特征的完整性,研究组还引入了跳跃连接,将其用于在解码器中对编码特征进行上采样,这对于处理边缘模糊等问题尤为重要.结果 通过在甲状腺结节图像分割任务中进行广泛的实验,验证TransUNet的有效性.具体而言,骰子系数(dice coefficient,DICE)为0.75,交并比(intersection over union,IoU)为0.60,F1分数(F1 Score)为0.72,准确率高达0.93,AUC(area under the ROC curve)为0.91.这些性能指标反映了该方法在处理尺寸多变和边缘模糊等挑战方面的出色表现.结论 本文提出的TransUNet为甲状腺结节超声图像分割任务带来了显著的性能提升.相较于传统的U-Net方法,TransUNet不仅更好地处理了尺寸多变和边缘模糊等挑战,而且在分割性能上具有更为出色的表现,为医学图像处理领域的进一步研究和临床应用提供了有力支持.

    甲状腺结节超声图像分割深度学习全局自注意力跳跃连接

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    基于符号相位转移熵的抑郁脑电信号分析

    张钱鑫王琼朱书眉乙万义...
    171-179页
    查看更多>>摘要：目的 抑郁症是现代社会的主要精神疾病之一,以连续、长期的心情低落为主要临床特征,可能严重影响人的行为能力.如何尽早对抑郁症患者进行干预治疗现已成为临床医学的重点课题.本文通过探索抑郁脑电的耦合特征,从而推断系统间信息流的方向和强度,为抑郁症患者的临床诊断提供新的方向.方法 通过符号相位转移熵对抑郁症患者和健康人的脑电数据进行非线性分析.通过对抑郁脑电和健康人脑电对称脑区脑电信号的加窗处理,计算符号相位转移熵、符号转移熵值,并对所得数据进行t检验.最后分析实验结果,并和符号转移熵进行对比性分析.结果 T7与T8导联上抑郁脑电的符号相位转移熵和健康脑电有显著差别(P<0.05).因此,相比于符号转移熵,利用符号相位转移熵法进行实验分析所需的数据量更少、转移熵值更稳定、可更有效地识别抑郁脑电的耦合特征.结论 在对左右对称脑区导联分析的情况下,符号相位转移熵比符号转移熵效果好,能够有效分析抑郁脑电的耦合特征,研究结果有助于抑郁脑电病理特征的研究.

    脑电图抑郁症符号相位转移熵符号转移熵符号化

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    氧气浓缩器多参数测量装置的研制

    马振孟志平宋连有李娜...
    180-186页
    查看更多>>摘要：目的 研发一种氧气浓缩器的气体温度、压力、流量和氧气浓度的多参数测量装置,用于监测氧气浓缩器在标准YY 9706.269—2021中电磁兼容抗扰度实验时的基本性能.方法 通过对氧气浓缩器电磁兼容抗扰度实验特点的分析,研发装置结构设计成回字型,由温度传感器、压力传感器、可调节流阀、质量流量计、顺磁氧传感器、电源模块、数据采集器和数据记录软件组成,其中测量模块要求精度高、响应快、稳定性好,数据采集器要求分辨率高、采样率高,数据记录软件基于LabVIEW开发的检测应用程序.再使用标准气体、数字多用表和质量流量计等测量仪器,对研发装置进行氧气校正和准确性验证.同时根据标准YY 9706.269—2021条款202.6.2.1.10要求,选择医用分子筛制氧机作为样品进行电磁兼容抗扰度测试,使用研发装置监测样品的基本性能.结果 研发装置的参数测量达到如下指标,温度的量程是0～100℃,压力的量程是0～200 kPa,流量的量程是0～15 L/min,氧气浓度的量程是0～100％;温度的准确度是±0.5℃,压力准确至所测值的±2％以内,流量准确至所测值的±2％以内,氧气浓度准确至所测值的±1％以内.结论 研发装置能够准确测量氧气浓缩器的气体温度、压力、流量和氧气浓度,各个参数的测量结果以Excel文件形式保存.研发装置符合标准YY 9706.269—2021对氧气浓缩器在电磁兼容抗扰度实验的相关要求.

    氧气浓缩器氧气浓度流量电磁兼容抗扰度

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