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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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    三种不同头部位置的鼻腔冲洗数值模拟研究

    杨晴魏静顾启飞张晓丹...
    331-337,360页
    查看更多>>摘要：目的 评价三种不同头部位置对鼻腔冲洗的效果.方法 本论文根据健康成人鼻腔CT扫描图像构建鼻腔模型,通过Ansys Fluent 2022R2软件和计算流体力学方法研究了临床上使用广泛的前侧位、侧卧位和仰头位三种不同头部位置鼻腔冲洗的效果,得到了冲洗液在整个鼻腔和鼻腔上部区域的实时覆盖率.结果 发现在鼻腔冲洗的过程中,三种不同头部位置的冲洗效率结果如下:冲洗时间在0～0.1 s内,三种头部位置的总体冲洗液覆盖率大体相同;在0.1～0.4 s时,侧卧位的冲洗液覆盖率最高,仰头位最低.到达半冲洗周期时,仰头位和侧卧位的冲洗周期最短,前侧位的周期略长,但覆盖率最高.当完成一个冲洗周期时,侧卧位的冲洗周期最短,前侧位的冲洗液覆盖率最高.在对鼻腔上部的冲洗过程中,侧卧位的覆盖率最高,冲洗液更容易进入窦口的位置,针对鼻窦相关疾病冲洗效果最好.根据速度流线图中结果,发现当采用侧卧位时冲洗液进入鼻腔后,流速平缓,仅有少量水流缓慢流入鼻咽部,引起呛水的风险性不高.当采用仰头位时,冲洗液进入鼻腔后流速急剧升高,有大量冲洗液以较快的流速进入鼻咽部,因此有呛水的风险.当采用前侧位时因为冲洗角度影响,冲洗液大部分从上鼻道进入后流速加快,并在狭小鼻道中始终保持一个较快的冲洗流速,能有效带走鼻腔中的粘液、过敏原等物质.结论 采用侧卧位时对鼻腔上部的覆盖率最高,更适合治疗鼻窦相关疾病,且水流流速缓慢,流入鼻咽部的水流少,舒适度高,是儿童鼻腔冲洗的首选.采用前侧位时冲洗效果好,操作简便,适合用药依从性高的成年人使用.

    鼻腔计算流体力学鼻腔冲洗头部位置数值模拟

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    基于血流动力学效应优化的体外反搏闭环反馈调控研究

    陈明岩刘有军许可李鲍...
    338-345页
    查看更多>>摘要：目的 本文旨在实现针对不同的患者个体,以较优的血流动力学效应为目标,实现个性化的体外反搏(enhanced external counterpulsation,EECP)的闭环反馈调控数值模拟.方法 通过集中参数模型模拟研究EECP反搏模式对不同的适应症的影响机制,根据PID控制系统的反馈调节原理,将其应用于体外反搏的研究中,把血液循环系统的闭环式0维集中参数模型作为被控对象,用于个性化体外反搏血流动力学仿真.结合体外反搏局部血流动力学效应评价模型为不同适应症(冠心病或脑卒中)患者设定血流动力学效应优化的个性化目标值,根据设定目标值和当前血流动力学指标之间的误差,通过设置适当的增益系数与误差进行运算来调节不同反搏模式(压力幅值或加压时长)使当前血流动力学指标达到设定目标值.结果 反搏压力对于冠状动脉血流动力学指标的增加更加明显.加压时长对于脑动脉的血流动力学效应的影响最为显著.因此对于冠心病患者设定优化目标值舒张压/收缩压(D/S),通过反馈调节反搏压力使当前D/S达到设定D/S,最终使它们之间误差e的绝对值降低至0.06(均<5％),并得到此时的压力幅值.对于脑卒中患者设定目标值脑血流量(cerebral blood flow,CBF),调节系统输入加压时长减小误差,控制系统的输出当前CBF达到设定CBF,使误差e的绝对值降低至0.06(均<5％)并得到此时的加压时长.结论 数值模拟中血流动力学指标达到优化目标值时应施加的压力幅值和加压时长可为临床体外反搏优化治疗提供理论依据.

    体外反搏血流动力学效应优化PID控制系统反馈调控数值模拟

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    基于ConvNeXt模型的胸部X线图像的疾病分类与可视化

    韩磊裴溪源温军玲
    346-351,369页
    查看更多>>摘要：目的 胸部X线是临床实践中常见的胸部疾病筛查和诊断方式.由于放射科医生长时间阅片容易视觉疲劳以及医疗资源分配不均衡的问题,导致误诊和漏诊的情况时有发生.针对这一问题,本研究运用深度学习技术,提出了一个基于ConvNeXt模型的胸部X线图像的疾病检测方法,旨在提高胸部疾病诊断准确度、减轻误诊风险并提高医生工作效率.方法 利用大规模公开胸部X线图像数据集ChestX-ray14训练ConvNeXt模型,该模型在ResNet模型的基础上,融合了视觉Transformer结构的优势,可以有效提高模型的特征提取和识别能力,同时以AUC(ROC曲线下方的面积)作为模型性能的评价指标,与已有的分类模型CheXNet、ResNet及Swin Transformer进行了对比.此外,通过引入Grad-CAM可视化方法,利用卷积神经网络特征图的梯度信息生成胸部X线图像的类激活热力图,实现对病灶区域的定位,从而提高医生的诊断效率.结果 基于ConvNeXt模型的诊断方法在识别14种胸部疾病时平均AUC值可达0.842,特别在识别积液(AUC值为0.883)、水肿(AUC值为0.902)和疝气(AUC值为0.942)等疾病时表现较为令人满意.结论 本文提出的方法在胸部X线图像的疾病检测中具有较好的性能,是一种对胸部X线图像进行胸部疾病诊断进而协助医生提高工作效率的有益尝试.

    卷积神经网络深度学习ConvNeXt模型胸部X线辅助诊断

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    不同内固定方式治疗股骨颈骨缺损骨折的静力学与模态分析

    章浩伟秦燕韩刘颖
    352-360页
    查看更多>>摘要：目的 探讨不同内固定方式治疗股骨颈骨缺损骨折的静力学特征以及固有和约束模态对内固定的影响.方法 首先基于CT图像建立伴有股骨颈内固定系统(femoral neck system,FNS)和倒三角空心钉(cannulated screw,CS)两种不同内固定装置的股骨颈骨折模型与股骨颈骨缺损骨折模型,然后模拟3倍体重载荷下,不同骨折内固定模型的应力、位移分布及峰值以及模态下的位移峰值、频率以及固有和约束模态振型.结果 两种内固定方式下,股骨颈骨缺损骨折的内固定应力峰值(337.69 MPa,618.58 MPa)显著高于股骨颈骨折模型(149.38 MPa,300.57 MPa),股骨头应力峰值(107.75 MPa,93.78 MPa)与位移峰值(5.244 mm,4.415 mm)也都高于股骨颈骨折模型[(95.73 MPa,85.64 MPa),(4.367 mm,3.478 mm)].在骨折类型相同的情况下,FNS内固定模型相比CS内固定模型具有更低的位移峰值以及更加均匀的应力分布.模态分析结果显示,振动对于内固定的稳定性有一定影响,约束模态的振型频率范围要小于固有模态.固有模态下FNS的位移峰值较CS降低了6.99％,约束模态下位移峰值降低了14.02％.结论 骨缺损会严重破坏内固定的力学环境,无论是普通骨折模型还是骨缺损骨折模型,FNS固定的静态与动态特性都要优于CS固定.临床治疗中要考虑股骨及内固定器械的固有、约束频率所产生的影响,避免因共振而造成内固定失效等问题.

    股骨颈骨折骨缺损有限元分析模态分析内固定

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    新生儿缺血缺氧性脑病ceRNA调控网络构建分析

    毕思童侯礼轩李丽华
    361-369页
    查看更多>>摘要：目的 分析并构建新生儿缺血缺氧性脑病(hypoxic-ischemic encephalopathy,HIE)竞争性内源RNA(competing endogenous RNA,ceRNA)的调控网络,筛选预测缺血缺氧性脑病诊治的潜在靶点.方法 通过TCGA和GEO数据库获取HIE的非编码RNA高通量测序数据,并进行差异基因分析.根据ceRNA理论构建出circRNA(circular RNA)-miRNA-mRNA网络,进行京都基因与基因组百科全书(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)信号通路和基因本体理论(Gene Ontology,GO)分享,探索和功能注释具有ceRNA潜在功能的circRNA.结果 对GSE121178数据集进行筛选,获得差异circRNAs165个,其中上调59个,下调106个;对GSE181127数据集进行筛选,获得差异miRNAs 63个,其中上调60个,下调3个.用miRecords、miRTarBase、TarBase数据库对获得差异miRNAs进行靶点mRNA预测,并对3个数据库预测结果取交集,共获得11个靶点mRNA(PIK3R1、BACE3、VEGFA、PPP2R2A、LATS2、WDR82、VEZT、TUBA1A、THBS1、SLC7A6、CDK6).经阈值筛选,筛选了10个共表达circRNAs、4个共表达miRNAs和11个共表达mRNAs,构建circRNA-miRNA-mRNA网络.KEGG富集分析显示:HIE涉及的20个交集蛋白在信号通路中,较为靠前的10条信号通路包括T细胞受体信号通路、Ras信号通路、Rap1信号通路、PI3K-Akt信号通路、MAPK信号通路、FoxO信号通路、ErbB信号通路、胰岛素抵抗、酪氨酸激酶抑制作用、细胞衰老和细胞周期等靶点.说明这些信号通路或与HIE的发生有关.动物实验表明:模型组大鼠神经功能缺损评分高于空白组(P<0.001).模型组miR-31-5p的mRNA表达水平明显低于空白组(P<0.05),模型组中miR-520g-3p,miR-30a-5p,miR-29a-3p表达水平明显高于空白组(P<0.05);WB显示,模型组中CDK6、THBS1和TUBA1的表达水平明显高于空白组(P<0.05),模型组中VEZT和WDR82的表达水平明显低于空白组(P<0.05).结论 构建了HIE的circRNA-miRNA-mRNA调控网络,找到了疾病的潜在治疗靶点,为HIE的诊治提供了新方向.

    新生儿缺血缺氧性脑病竞争性内源RNA差异基因分析

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    一种用于尿道瘢痕防治动物实验的超声探头设计

    刘畅王欣钰郑其斌王春辉...
    370-376页
    查看更多>>摘要：目的 尿道瘢痕是患者尿道手术后常见的并发症之一,并且难以通过手术治疗方法清除.低强度脉冲超声(low intensity pulse ultrasound,LIPUS)在抑制纤维化,抑制炎症方面有十分突出的表现,为超声防治尿道瘢痕提供了理论的可能性.尽管如此,目前并没有对超声用于尿道瘢痕的防治作用的报道,另外有关超声抑制纤维化、抑制炎症的作用机制也仍需要进一步的研究.本文针对新西兰雄兔尿道重建模型设计了一种超声探头,用于LIPUS抑制尿道瘢痕疗效和作用机制的动物实验研究.方法 根据兔阴茎的尺寸与形状设计探头结构,通过有限元仿真预测探头声场,用3D打印技术制造原型机.最后对探头声场进行测试,并且用于动物实验验证其实用性.结果 探头超声频率为2 MHz,治疗腔长度44 mm,直径8 mm.治疗腔沿长度方向上有3个紧邻的治疗区,每个治疗区的半功率长度约6 mm,治疗区内的Isata(时间平均空间平均声强)可通过前端驱动器电源电压进行调节,当电源电压为30 V时,Isata大于0.87 W/cm2.结论 本文设计的超声探头体积小、重量轻、声场均匀,可以对动物尿道实施稳定有效的超声照射,为超声治疗尿道瘢痕动物实验提供了一种有用的工具.

    低强度脉冲超声尿道瘢痕超声探头超声治疗有限元仿真

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    血管平滑肌细胞KLF4对高血压小鼠模型心脏重塑的调控作用

    刘燕郑帅高诗娟杜杰...
    377-382,397页
    查看更多>>摘要：目的 探讨血管平滑肌细胞Krüppel样因子4(Krüppel-like factor 4,KLF4)对高血压小鼠心脏重塑的调控作用.方法 采用皮下埋植缓释泵灌注血管紧张素Ⅱ(angiotensin Ⅱ,Ang Ⅱ)28 d建立小鼠高血压模型,剂量1500 ng/(kg·min).构建他莫昔芬诱导的血管平滑肌细胞Klf4基因特异敲除(Klf4-SMKO)小鼠,9～10周龄雄性Klf4-SMKO和Klf4-flox野生型小鼠各13只,分别随机分为2组,共4组:野生对照组(Klf4-flox+生理盐水灌注,6只),Klf4敲除对照组(Klf4-SMKO+生理盐水,6只),野生高血压模型组(Klf4-flox+Ang Ⅱ,7只),Klf4敲除高血压模型组(Klf4-SMKO+Ang Ⅱ,7只).在建模0、7、14、21、28 d分别测量模型组小鼠血压;28 d心脏超声检测心功能;收取小鼠心脏检测心脏质量/体质量比值;切片进行麦胚凝集素和天狼猩红染色,分别检测心肌细胞大小和心脏纤维化重塑.结果 高血压建模后Klf4-SMKO和Klf4-flox两组小鼠的血压无明显差异,心脏超声检测平滑肌细胞Klf4特异性敲除降低了高血压模型小鼠左心室质量.Klf4敲除显著降低了高血压引起的心质量/体质量比值增加,并且抑制了高血压造成的心肌细胞肥大和心脏血管周围纤维化.结论 血管平滑肌细胞KLF4缺失改善了高血压小鼠心脏病理性重塑.

    高血压心脏重塑Krüppel样因子4平滑肌细胞小鼠

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    融合多尺度注意力的脊柱侧弯Cobb角自动估计算法

    韩广萍张魁星王苹苹李翔...
    383-390页
    查看更多>>摘要：目的 青少年特发性脊柱侧弯(adolescent idiopathic scoliosis,AIS)是危害青少年健康的常见疾病之一.临床上,X线图像Cobb角测量法是评估患者脊柱侧凸严重程度的"金标准".由于X线图像中肋骨和骨盆阴影重叠以及椎骨形态差异等因素影响,人工测量在寻找关键点时步骤复杂且耗时长,快速且准确的Cobb角自动测量方法具有重要临床应用价值.现有深度学习方法中基于分割的方法易受图像质量影响;基于关键点检测方法过于关注局部特征提取导致定位不准确等问题.为此,本文提出了一种以椎骨为中心的标志点检测方法,来实现脊柱侧弯Cobb角自动估计算法.方法 构建一种基于融合多尺度和注意力机制M型椎骨检测网络(multi-scale attention M-shaped network,MSAM-Net).首先,使用多尺度金字塔拆分注意力(multi-scale pyramids squeeze attention,MPSA)模块和注意力特征融合(attentional feature fusion,AFF)模块提取椎骨特征和上下文信息,然后,根据椎体中心和角偏移量定位4个角标志点,以在脊柱侧弯评估任务中提高椎骨标志点检测的性能,进而实现近胸段、主胸段和胸腰段曲线的Cobb角估计.结果 为了评估Cobb角估计与真实侧弯角度之间的偏差程度,本研究算法基于AASCE MICCAI 2019挑战赛数据集,使用4种指标对Cobb角精度进行评估,分别是对称平均绝对百分比误差(symmetric mean absolute percentage error,SMAPE)、欧氏距离(Euclidean distance,ED)、曼哈顿距离(Manhattan distance,MD)和切比雪夫距离(Chebyshev distance,CD).测试得到SMAPE为9.39％,ED为4.18;MD为5.92;CD为5.34.与基于分割和检测的5种深度学习方法进行对比,实现更好的Cobb角测量结果.结论 本研究可以准确识别和定位X线图像中椎骨,帮助医生测量AIS患者的Cobb角,为临床AIS诊断、手术计划和脊柱健康分析提供决策支持.

    青少年特发性脊柱侧弯椎骨检测Cobb角深度学习注意力机制

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    基于自编码器的医疗器械设备异常状态预警方法

    毛媛秦琴
    391-397页
    查看更多>>摘要：目的 为了实时监测医疗器械设备异常状态,以便及时预警和应对设备异常情况,确保医疗器械的安全运行,提出基于自编码器的医疗器械设备异常状态预警方法.方法 以某医院2022年8月起因故障停用的10台心电图监护仪为研究对象,使用数据恢复设备连接到心电图监护仪的内部存储器,恢复和提取器械因故停用点的前1 min的全部特征数据,具体包括:信号质量和设备状态.利用多元状态估计技术构建医疗器械设备健康状态评估模型,通过对比各参数的贡献率,确定引发设备异常的关键参数.基于这些关键参数构建自编码器预警模型,将异常状态参数输入模型进行归一化处理,并计算参数误差平均值与基准值的偏差.当误差平均值偏离基准值超过60％时,触发预警机制.结果 经过实验,该方法可以在3 s内准确检测出198个异常样本,证实了该预警方法能够在短时间内准确检测出异常样本.同时,为进一步分析该医疗器械设备的具体故障原因,运用3种方法分别对设备各个故障原因进行识别与定位,以贡献率为衡量标准,并与实际贡献率进行对比分析,该方法贡献率与实际贡献率数值较为接近,可以全面预测引起医疗器械设备异常情况.结论 基于自编码器的医疗器械设备异常状态的预警方法具有高度的精确性和先导性,为实时监测和预警医疗器械设备异常状态提供了有效的技术手段,有助于提升医疗器械的安全性和可靠性.

    医疗器械设备多元状态估计贡献率分析自编码器异常状态预警

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    南通市三家医院2022年度多排螺旋CT质量控制评价及分析

    顾袁瑢陈滨何建锋陈丽...
    398-402页
    查看更多>>摘要：目的 了解南通市三家医院2022年度多排螺旋CT(multi-slice CT,MSCT)质量控制检测现状,分析存在的问题并提出解决方法.方法 按照相关标准对抽取的南通市三家医院2022年医用MSCT设备进行检测和评价,共涉及78台MSCT设备.检测条件为管电压120 kV,管电流140 mA,扫描时间1 s,10 mm或8 mm层厚,剂量值<50 mGy,检测项目包括外观检测、功能检测、图像质量检测.统计分析MSCT分布情况,以及诊断床定位精度、层厚偏差、均匀性、噪声、空间分辨率、低对比分辨力、高对比分辨力、CT剂量指数、水的CT值的合格率.结果 此次研究纳入78台MSCT,有60台(76.92％)全部检测指标均合格,其他MSCT均有一项或几项指标不合格.不同厂家之间合格率差异无统计学意义(P>0.05),而出厂时间、医院级别、二手MSCT与合格率相关,其中≥10年、二级医院以及二手MSCT的合格率较低(P<0.05).MSCT外观检测(电缆、电源接口、各部件结构等)、功能检测(墙上紧急关机按钮、隔室对话设备、诊断床的移动功能等)结果显示各项指标合格率均高于85％.MSCT质量控制检测结果显示,均匀性、噪声、CT剂量指数合格率偏低,分别为79.49％、78.21％、78.21％,诊断床定位精度、层厚偏差等质量控制检测合格率均高于85％.结论 医疗机构需要对医用MSCT进行质量控制检测,做好维护、保养、质量监督工作,有助于设备的稳定运行.

    多排螺旋CT质量控制辐射剂量合格率

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