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期刊信息/Journal information
中国生物医学工程学报
中国生物医学工程学报

刘德培

双月刊

0258-8021

cjbmecjbme@163.com

010-65248786

100730

北京东单三条9号

中国生物医学工程学报/Journal Chinese Journal of Biomedical EngineeringCSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>本刊是全国生物医学工程工作人才沟通学术思想、交流学术经验的园地。报道有创造性的最新科研论文和研究简讯。包括学科有：人工器官和生物医用材料，生物效应，生物信息与控制；生物力学；生物医学仪器；中医工程；临床工程等。读者对象是国内外生物医学工程学工作者、医务工作者以及其他从事自然科学研究和有关工程技术人员。
正式出版
收录年代

    发掘精神分裂症大脑连接变异的集成聚类动态功能连接分析方法

    方嵩柯杜宇慧
    257-266页
    查看更多>>摘要：近年来,基于功能磁共振成像的动态功能连接在研究精神疾病方面表现出巨大的潜力.传统的基于聚类的动态功能连接分析方法(如K-means)受到类别个数、初始值和噪声的影响可能导致不可靠的功能连接状态(FCSs).本研究提出了一种新的集成聚类动态功能连接分析方法.首先,利用多个不同的类别个数(k值)进行K-means产生多样性的簇;然后,基于Jaccard系数和随机游走挖掘不同簇之间的相似性以构造反应簇间关系的加权图;最终,对加权图进行社区检测获得可靠的元簇,并通过投票的方式将每个功能连接窗口分组到不同的元簇中,计算其质心作为功能连接状态.基于105名健康对照(HC)和70名精神分裂症(SZ)患者的fMRI数据,全方位比较所提出的方法和常用的基于K-means的方法进行动态功能网络分析的效果.相较于K-means方法,所提出方法在FCS 2上的平均类间相似性由83.2％降低至81.1％,在FCS 3上的平均类间相似性由76.8％降低至73.5％,聚类评估指标Davies Bouldin指数由6.74降低至6.44,Silhouette Coefficient指数由0.018提高至0.031.显示HC和SZ组的组间差异更集中于FCS 2,而K-means方法的组间差异分散在FCS 2、FCS 3和FCS 4.所提出方法可以自动获得FCSs数目,并具有更好的聚类质量和更可靠的功能连接状态,还发现了比K-means更有意义的组间差异,支持了该方法在探索精神疾病生物标志物方面的应用潜力.

    功能磁共振成像动态功能连接集成聚类K-means聚类精神分裂症

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    基于迁移学习和卷积神经网络多网络颈动脉图像分类检测研究

    隋小瑜韩晶曹艳坤米加...
    267-277页
    查看更多>>摘要：颈动脉超声检查是用于诊断斑块主要且方便的手段,从超声图像中准确获取关于斑块信息对于进一步临床诊断至关重要.由于超声仪器存在噪声的干扰以及人工技术操作差异,使得显示的切面图像不清晰、不标准,从而容易导致斑块的误检漏检.本研究提出一种基于迁移学习和CNN的深度学习算法多网络组合实现对颈动脉斑块更准确识别的研究.首先选取颈动脉清晰和模糊的共计2 591张纵切面超声图像通过ResNet网络进行管腔质量分类控制;进行管腔分类后,选取清晰的软斑和硬斑信息的纵切面图像共计1 114张,通过基于迁移学习的RetinaNet网络对其进行颈动脉管腔和斑块的分类检测并使用Faster R-CNN和SSD网络进行对比实验.对于管腔分类网络,测试集分类准确率达到93％;对于管腔和斑块分类检测网络,使用113张测试集图像得到管腔检测的平均精度在交并比(IOU)值为0.5时达到1,在IOU值为0.75时达到0.988,平均召回率达到0.869,均高于Faster R-CNN和SSD网络;得到硬斑和软斑检测的平均精度在IOU=0.5时分别达到0.899和0.855,平均召回率分别达到0.609和0.578.在进行颈动脉斑块分类识别前,进行颈动脉管腔图像的质量分类控制,能够有效避免图像不清晰带来的斑块误检,提高斑块检测的正确性,并对后续进行颈动脉三维重建具有重要意义.

    颈动脉超声图像管腔质量分类控制管腔检测斑块分类识别

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    基于凸阵列超声换能器的宽波束成像算法研究

    史新旺冯炼周小伟
    278-285页
    查看更多>>摘要：超声宽波束成像是一种高帧频超声成像技术,相对于线聚焦、平面波和发散波等成像方法,其通过远点聚焦能更好地平衡图像分辨率、对比度和帧频等成像性能.目前,宽波束成像的主要研究均是基于线阵超声换能器,但线阵超声换能器成像视野有限且不适用于较深的腹部器官.本研究基于凸阵列超声换能器研究宽波束成像算法,评估凸阵列下宽波束成像方法的性能.基于128阵元的凸阵列换能器,在软件仿真平台和真实实验两种环境分别实施宽波束成像,得到原始的通道数据后,采用延时叠加的方法对仿真和实验数据进行波束合成,建立宽波束超声影像;针对图像的对比度与空间分辨率,将宽波束成像结果分别与传统的聚焦成像、复合发散波成像等方法进行定量的比较分析.相对于复合发散波成像,宽波束成像具有更高的图像对比度(仿真情况下为19.6 dB,提高了67.1％;实验情况下为19.1 dB,提高了 33.1％),但其空间分辨率在仿真和实验中有不同的表现.在50～90 mm深度范围内,仿真情况下宽波束的平均分辨率为1.11 mm,相对发散波成像提升了 18.1％;而在实验情况下62 mm处的分辨率为1.48 mm,相对降低了 15.4％.综合结果表明,宽波束成像性能优于复合发散波成像.相比于聚焦扫描成像,宽波束成像具有更均匀的成像分辨率和更高的帧频.在凸阵换能器上,相比发散波成像方法和传统聚焦成像方法,超声宽波束成像方法具有更均衡的成像性能,可为临床应用特别是腹部超声提供更优的成像策略.

    医学超声成像波束合成宽波束成像腹部超声

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    视觉和本体觉差异化条件下的平衡脑电传递熵网络分析方法

    苏巧钻罗志增王哲远
    286-294页
    查看更多>>摘要：平衡是人体完成各项运动的基础,现有人体平衡能力评估方法多基于外在表现.本研究以平衡中枢神经调节这一内源性角度为切入点,研究静力平衡调节过程的感觉运动皮层整合,分析大脑皮层的激活状态,建立静力平衡脑电传递熵网络.设计了视觉输入和本体觉输入差异化条件下的实验范式,定义了平衡脑电的相位同步化准则,构建突破因果关系双节点分析模型,提出一种以平衡事件为驱动的传递熵网络分析方法.先将节点间的因果关系降级为相关关系,进而将因果关系的研究转移至功能脑区层面,以契合人体平衡协调过程脑区间信息传递的相位同步关系.在20名被试脑电数据的基础上,基于相位同步关系确定平衡事件的中枢神经调节时间段提取平衡脑电多种内源性特征,以网络聚类系数(C),最短路径(E)和最大李雅普诺夫指数(MLE)的特征组合[C,E,MLE],用支持向量机分类.与传统网络特征分类结果对比,平均分类准确率提升了 14.66％.传递熵网络分析中补充最大李雅普诺夫后能更充分表达人体平衡调节的内在规律演进过程,提高了人体平衡的分类能力.

    人体平衡评估平衡脑电相位同步传递熵

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    基于位置注意力机制的混合神经网络心电信号分类算法

    龚玉晓高淑萍
    295-305页
    查看更多>>摘要：心电信号分类是医疗保健领域的重要研究内容.心电信号数据是类不平衡数据,不同类别的心律失常依赖于心电图的长期变化特征,局部变化特征及其相对位置.针对大多数方法不能较好地解决数据类不平衡,且未考虑特定波形重要性等问题,提出一种基于位置注意力机制的混合神经网络心电信号分类(DCLB)算法.首先,利用深度卷积生成对抗网络扩充数量少的类别样本,从而解决类不平衡问题;其次,利用二维卷积神经网络和双向长短期记忆网络进行特征提取,从而获得心电信号的局部变化特征和长期变化特征;然后,在每个二维卷积神经网络后嵌入位置注意力机制,从而提高关键位置特征的重要程度;最后,利用全连接网络输出分类结果.对MIT-BIH心律失常数据集中的30 584个样本的实验结果表明,DCLB算法的平均准确率为98.79％,敏感性为94.21％,特异性为98.98％,阳性预测值为93.70％.该模型可以有效提取心电信号特征,适用于监测系统中心律失常疾病的诊断.

    心电信号类不平衡深度卷积生成对抗网络注意力机制深度学习

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    融合肌电和超声射频信号特征的骨骼肌肌力评估研究

    韩欢吕倩尹冠军张良梅...
    306-314页
    查看更多>>摘要：肌力是反映肌肉状态的重要参数,可表征人体的运动功能、肌肉健康状态以及疲劳程度.无创肌力评估技术在体育运动指导、肌肉疾病诊断、康复状态评价等诸多领域具有重要理论意义和广泛应用价值.本研究提出一种基于深度学习算法对表面肌电(sEMG)和超声射频(RF)信号进行特征融合分析的肌力评估方法,利用卷积神经网络(CNN)和池化操作提取信号的有效特征(CNNFeat),并作为支持向量机(SVM)分类器的输入进行处理和分类.该方法利用CNN-SVM网络探究CNNFeat对信号特征的识别能力,并验证sEMG与超声RF信号融合的互补性.实验采集10名健康受试者肱二头肌在不同负荷下的sEMG和超声RF信号.在多用户场景模式下的处理结果表明,CNNFeat与传统肌电信号和超声射频信号的特征相比,能够提高分类性能,具有较强的鲁棒性.肌电信号的准确率为84.23％,超声信号的准确率为89.34％,而融合信号的准确率高达96％,且融合信号的震荡较小,损耗收敛更快.

    肌力评估超声信号表面肌电信号卷积神经网络

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    知识图谱驱动的人类蛋白质组知识注释与知识探索研究

    袁一泽王志刚王哲史涪仁...
    315-326页
    查看更多>>摘要：蛋白质组知识注释能够帮助科研人员从已有知识中凝练出重要的科学假说,传统的蛋白质组知识注释知识单一且多为简单的知识检索和罗列汇总,知识的综合性和系统性不足.为此,本研究展开知识图谱驱动的人类蛋白质组知识注释与知识探索研究.综合13种生物医学本体和数据库资源,依托图数据库Neo4j构建知识图谱(BMKG)管理生物医学知识;结合先验知识和中心度等图算法,从多层面多角度设计元路径,制定知识注释方案;实现相似度计算和链接预测算法,执行node2vec图嵌入,为辅助知识探索分析做准备.本研究所得BMKG图谱融合了 13种生物医学知识资源,共9种2 508 348个节点,20种25 362 594条关系.以肾细胞癌蛋白质组知识注释为例,BMKG的知识注释方案能够从多层面多角度展开注释,实现对其关联的通路、药物和表型等知识的归纳提炼.此外,基于BMKG能够展开药物-疾病关联预测等知识探索研究,疾病知识的聚类结果与Mondo本体结构有很好的一致性.本研究建设了网站提供在线服务,网址:http://bmkg.bmicc.org,包括三大应用模块:知识检索、知识注释和知识分析.综上,本研究表明知识图谱能够为人类蛋白质组知识注释研究提供新的见解.

    知识图谱蛋白质组知识注释知识探索

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    基于多物理场复合的新型无创脑深部精准刺激方法探究

    祝凯周晓青马任刘煦...
    327-337页
    查看更多>>摘要：现有的无创电磁刺激技术,以临床应用最广的经颅磁刺激(TMS)为代表,尚无法突破聚焦性和刺激深度的技术瓶颈,实现对深部功能核团的直接精准刺激.本研究基于磁声耦合理论,结合TMS技术中的交变磁场,提出一种新的基于多物理场复合的无创脑深部精准刺激方法(MI-TMAS),以期实现对脑深部的直接精准聚焦刺激.基于磁声耦合理论和磁感应理论对MI-TMAS中的刺激物理场进行仿真研究,并搭建了 MI-TMAS系统及多物理场测试平台,对刺激物理场分布并进行实测.结合仿真和实测结果,对MI-TMAS复合刺激电场的聚焦性和电场强度进行探究.结果显示,该方法能够在脑深部靶区产生聚焦声场、磁声耦合电场、磁感应电场等3个复合刺激物理场,可以在刺激深度50 mm处形成聚焦尺寸约6.2 mm(-3 dB)的复合刺激电场,其在脑深部电场的聚焦性明显优于TMS,且刺激电场强度大于稳恒磁场下的TMAS.本研究为MI-TMAS方法应用于在体神经调控提供了理论以及技术基础.

    磁声耦合效应经颅磁刺激无创神经调控电场测试

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    基于相控阵合成孔径的颅骨轮廓快速测量算法研究

    李翰则刘睿旭周晓青殷涛...
    338-347页
    查看更多>>摘要：作为一项新兴的神经调控技术,经颅聚焦超声技术目前广泛应用于脑深部的神经调控与治疗中.颅骨的异形和声参数的极大差异性是导致聚焦超声穿透颅骨后实际焦点的偏移和焦域散焦的主要原因.本研究以合成孔径技术为基础,由相控阵发射超声信号并接收于颅骨内外轮廓反射的回波信号,同时计算得到颅骨轮廓点坐标,实现对颅骨轮廓的快速测量.建立仿真模型,并利用颅骨仿体对算法进行仿真与实验验证.仿真结果表明,颅骨模型外轮廓中心区域的最大探测误差为0.15 mm,边缘区域为0.4 mm;内轮廓中心区域最大探测误差为0.3 mm,边缘区域为0.5 mm.实验结果表明:颅骨仿体外轮廓中心区域的最大探测误差为0.4 mm,边缘区域为0.8 mm;内轮廓中心区域最大探测误差为0.6 mm,边缘区域为0.9 mm.所设计的颅骨轮廓快速测量算法能够实现在2 min内完成颅骨内外轮廓的精确测量,并控制最大测量误差在1 mm以内.与核磁共振扫描(MRI)以及电子计算机断层成像(CT)相比,降低了治疗成本和治疗时间,同时为下一步调整相控阵阵元发射延时,实现在颅内的实时精确聚焦,提供了新的方法和思路.

    经颅聚焦超声神经调控合成孔径技术相控阵实时精确聚焦

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    电子束增材制造多孔骨支架的选用与疲劳性能研究

    谢海琼甘道其刘飞谢海涛...
    348-357页
    查看更多>>摘要：增材制造多孔结构具有优良的力学仿生和促骨长入性能,支持骨科植入假体在体内的长期稳定.本研究采用三周期极小曲面(TPMS)法和电子束熔融技术(EBM)设计并制备了仿骨小梁多孔结构,通过微计算机断层扫描技术(Micro-CT)和力学疲劳实验研究它们的孔隙特性、机械力学和疲劳性能,提出了一套新颖的适用于骨科植入假体的选用方法,以满足孔隙连通、力学稳定和高周疲劳寿命的需求.Micro-CT和扫描电镜(SEM)表征发现,单元尺寸≥1.5 mm的多孔支架具有仿生的孔径(748 μm)和良好的孔隙连通性;TPMS-Gyroid支架的力学稳定性和可靠性优于TPMS-Diamond支架,所建立的Gibson-Ashby方程可为钛合金多孔支架的设计提供力学性能预测;支架在应力水平为0.2时的疲劳寿命＞106次,满足植入材料的长期安全使用要求,其弹性模量与人体松质骨的弹性模量相似(0.1～1.1 GPa).疲劳行为的研究还发现,疲劳棘轮和疲劳损伤是引发多孔支架失效的主要原因.在设计金属多孔支架结构时,可通过增大支架单元尺寸来减少裂纹萌生的缺口数量,有助于提高支架的疲劳寿命.

    电子束熔化三周期极小曲面多孔支架力学性能疲劳寿命

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