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2015年 34卷 1期 刊出日期：2015-02-20 论文        论文 1 基于混合互信息和改进粒子群优化算法的医学图像配准方法 史益新1 邱天爽1 韩军2 金声3 DOI: doi:10.3969/j.issn.0258-8021.2015.01.001 为满足医学图像辅助诊断与治疗的需要，提出一种基于混合互信息和改进粒子群优化算法的医学图像配准方法。在每次迭代时，首先使用基于Renyi熵的改进粒子群优化算法对图像进行全局搜索，再使用基于Shannon熵的Powell算法对当前得到的最优解进行局部寻优。实验图像为60幅模拟图像和10幅临床图像，对70幅图像进行单模态和多模态的医学图像配准实验，所提出算法的单模态医学图像配准结果均达到亚像素级。在多模态医学图像配准实验中，采用5种性能指标，评价配准结果的质量。同3种医学图像配准算法进行比较，结果显示新算法除计算时间外，其他4项指标均为最优，MI指数、NMI指数和CC指数的均值分别为1.338 6、1.363 1和0.837 8。主观和客观分析显示，所提出算法在精确度和收敛速度方面均优越于其他配准算法。 2015 Vol. 34 (1): 1-7 [摘要] ( 472 ) HTML (1 KB)  PDF (2540 KB)  ( 1135 ) 8 基于最大信息系数的永久性房颤差异表达基因识别 刘汉明1,2 饶妮妮1* 李益1 罗恒荣1 杨阳1 DOI: 103969/j.issn.0258-8021.2015.01.002 心房颤动是一种常见的、与年龄相关的心律失常，由其所导致的脑卒中具有高致残率和致死率。通过对高通量基因表达谱的分析，可以帮助理解心房颤动的生物学过程和功能紊乱机制，并发现相关致病基因。新型的非参数统计方法——最大信息系数，在探索双变量之间的关联方面具有独特的优点。利用该方法，发现差异与非差异基因表达值与样本表型之间的关联程度不同，构建差异表达基因识别方法。对永久性房颤基因表达谱GSE2240的分析，识别出41个差异表达基因，其中有14基因是已有工作未发现的新差异表达基因。信号通路和富集分析表明，这些差异表达基因与房颤高度相关。同时，对乳腺癌基因表达数据GSE24037的分析，进一步说明该方法在差异表达基因识别方面的有效性。最大信息系数的非参数特性与抗噪能力，使它非常适合于差异表达基因的识别。 2015 Vol. 34 (1): 8-16 [摘要] ( 433 ) HTML (1 KB)  PDF (843 KB)  ( 720 ) 17 微通道磁泳分离系统中微粒的运动特性及分离效率研究 韦卫中1 曹全梁2 冯洋2  韩小涛2* DOI: doi:103969/j.issn.0258-8021.2015.01.003 通过磁场力诱导微/纳米微粒定向移动实现分离的磁泳分离技术在生化分离及检测等领域得到了广泛关注，其在微流控系统中的应用及微尺度下的分离特性成为目前研究的热点。基于磁泳分离系统中磁性微粒的受力和运动方程，建立梯度磁场和流场共同作用下磁性微粒的二维动力学数值模型，对不同流速条件和管道结构下微管道内单/双磁性微粒的动力学特性和分离行为进行数值研究。研究表明：T型管道内不同流层的宽度可由入口流速比来调控，当流速比从1增加至6时，磁性微粒所在的流层宽度从100 μm减小为53 μm，大大降低不同微粒间的初始间距，可有效提高微粒群间的分离识别度；当不同粒子群间完全分离后，在微管道出口处引入扩张通道，可将微粒群间的分离间距从5.4 μm提高至26.8 μm。在此基础上，实现粒径2和3 μm磁性微粒的有效分离。研究结果对于提高磁泳分离效率和优化微流控系统具有理论指导意义。 2015 Vol. 34 (1): 17-23 [摘要] ( 418 ) HTML (1 KB)  PDF (4173 KB)  ( 564 ) 24 2相早期后除极对心肌电折返稳定性的影响 张虹1*赵丹1贺锐睿1 黄欣2  樊亚萍3 DOI: doi:103969/j.issn.0258-8021.2015.01.004 心肌细胞在2相复极期发生的膜电位振荡称为2相早期后除极（EAD）。单细胞实验证实了2相EAD的存在，但对其在组织中的特点以及是否影响电稳定性和室速/室颤行为尚缺乏足够的认识。本研究基于LuoRudy单细胞离子通道数学模型，通过控制Ca2+电流最大电导和K+电流门控变量得到2相EAD。在此基础上构建具有局部EAD特征，包含400×400个细胞的二维非均质组织。采用算子分裂方法求解组织模型，利用垂直场法诱导电折返，形成螺旋波，观察EAD对螺旋波动力学斑图稳定性的影响。结果表明，2相EAD 具有促使螺旋波失稳，发生断裂和破碎的作用，但是这种转化是否发生则与EAD区域面积和所在位置有关，中心处大小为20×20的EAD区域易于促使螺旋波的碎裂。多个EAD区域的存在可加剧螺旋波的失稳和破碎的程度，形成更为混沌的电压斑图。局部2相EAD引起的不应期离散性是促使螺旋波破碎的主要机制。因此，2相EAD具有促使室速向室颤转化的作用，临床上应预防2相EAD的出现，以降低由此引发的恶性心律失常。 2015 Vol. 34 (1): 24-29 [摘要] ( 348 ) HTML (1 KB)  PDF (4354 KB)  ( 622 ) 30 超声图像熵特性的肌肉疲劳进程评估 王前 曹霞 尹冠军 郭建中* DOI: doi:103969/j.issn.0258-8021.2015.01.005 肌肉疲劳是一种由运动引起的肌肉最大随意收缩力减小的现象，处理不当，可能会产生严重的运动损伤。本研究利用自行设计的肌肉组织超声图像检测系统，以超声图像熵表征肌肉超声图像纹理灰度分布的空间特征，探讨肌肉组织疲劳过程中其超声图像熵的演变规律。采集10 名受试者在不同负荷（20%MVC、30%MVC、40%MVC、50%MVC）时肱二头肌的超声图像，分别就每一负荷下图像熵随时间的变化进行直线拟合，并对其斜率进行随机区组方差分析。结果表明，不同的受试者之间其肌肉疲劳图像熵随时间变化的斜率差异显著（P=0.000 0)；同一受试者不同负荷的超声图像熵随疲劳时间变化斜率也存在显著差异（P=0.040 0）。但是，同一受试者在不同负荷时超声图像熵随时间变化的拟合斜率的差异，远小于不同受试者在同一负荷水平拟合斜率值间的差异，提示个人的肌肉特性起到主要的作用。所进行的研究为肌肉疲劳进程的量化评估提供了依据。 2015 Vol. 34 (1): 30-36 [摘要] ( 427 ) HTML (1 KB)  PDF (4499 KB)  ( 473 ) 37 3岁儿童C4-C5颈椎有限元模型开发及拉伸、弯曲验证 曹立波 魏嵬 张冠军* DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.01.006 基于CT扫描，建立具有精确骨骼几何及详细椎间盘解剖学结构的3岁儿童C4-C5颈椎段有限元模型；参考成人颈部生物材料实验数据及相关成人与对比研究结果，采用缩放方法计算得到3岁儿童颈部组织材料参数；分别在准静态、动态拉伸以及准静态弯曲-伸展、侧向弯曲及轴向旋转载荷条件下，对模型进 行验证。结果显示，准静态拉伸刚度为211.8 N/mm，动态拉伸最终失效力为759.9 N，最终失效位移为5.08 mm，均与实验值吻合良好；准静态伸展、弯曲、侧向弯曲及轴向旋转运动范围分别为9.75°、9.29°、3.79°和7.04°，均在实验基准数据允许的误差范围内，吻合良好。结论表明：该模型能较好地反映3岁儿童C4-C5颈椎段在准静态、动态拉伸以及准静态弯曲-伸展、侧向弯曲和轴向旋转载荷下的生物力学特性，具有较高的生物逼真度 2015 Vol. 34 (1): 37- [摘要] ( 329 ) HTML (1 KB)  PDF (6072 KB)  ( 523 ) 46 启发式牙颌CT影像自动分割 黄志伟 戴宁* 刘浩 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.01.007 准确快速地分割CT切片特征轮廓是医学图像三维重建的重要环节。现有的轮廓分割方法必须通过手动层层交互操作，不仅耗时而且分割精度不高。针对这种局限性，提出一种基于启发式牙颌CT影像自动分割方法。首先用拉普拉斯算子对CT图像序列进行边缘增强，其次用轮廓匹配映射技术实现轮廓启发式传递，最后基于收缩包围算法自动分割牙颌序列。以14例完整牙（每例28～32颗牙数据样本）锥束CT断层扫描图像序列进行实验，在相同条件下分别用所提出的轮廓自动提取方法和其他提取方法，对实验样本进行轮廓提取，得到单颗牙轮廓提取的平均用时和提取轮廓与真实轮廓之间的距离差平均值。实验结果显示，轮廓自动分割算法提取单颗牙轮廓的用时约为其他手工分割法提取单颗牙轮廓用时的23%，同时提取的轮廓质量和用传统方法提取的轮廓质量相当。该方法为CT数据特征区自动化分割提供一种可行且高效的方法，为进一步改进现有的CT影像分割和三维重建算法提供了新的思路。 2015 Vol. 34 (1): 46-54 [摘要] ( 470 ) HTML (1 KB)  PDF (4486 KB)  ( 633 ) 55 电沉积纳米金修饰的16通道电流型PSA免疫传感器的制备 王泽华1,2 曾冬冬2  张欢2 宓现强2* DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.01.008 近年来有关电化学免疫传感器的研究报道虽然很多，但普遍存在如预处理操作繁琐、灵敏度低、特异性差和成本昂贵等不足。本研究通过电沉积纳米金修饰16通道丝网印刷电极，以提高免疫传感器的性能。采用恒电位沉积法将氯金酸（HAuCl4）直接还原成纳米金，并修饰于16通道丝网印刷碳电极(16 SPCE)表面；以浓度为0.05 mg/mL的HAuCl4溶液和150 s电沉积时间为电沉积纳米金修饰16 SPCE的最优条件。利用静电吸附原理将前列腺抗原（PSA)抗体固定在电极表面，结合双抗夹心法制备免疫电极。通过循环伏安法和稳态时间电流曲线法表征免疫电极的性能。对30份前列腺癌患者和3份正常人血清进行PSA检测，与标准ELISA方法对照。结果表明：获得的免疫电极线性检测范围为0.2~100 ng/mL，其线性回归方程为Y=134.558X +72.705，线性相关系数为1，检测限为0.14 ng/mL。采用免疫传感器检测到的前列腺癌患者血清PSA水平与标准ELISA方法检测结果具有良好的线性相关性（R=0.944，P＜0.001）,正常人的检测值符合正常人血清中PSA的含量。所研制的免疫传感器具有灵敏度高、特异性强、成本低和反应时间短等特点，具有应用前景。 2015 Vol. 34 (1): 55-61 [摘要] ( 572 ) HTML (1 KB)  PDF (1152 KB)  ( 765 ) 62 通过抑制自噬作用增强声动力学疗法诱导的肿瘤细胞凋亡研究 冯晓兰 王攀 王筱冰* DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.01.009 探讨声动力疗法诱导S180细胞凋亡过程中自噬现象的发生及其在细胞凋亡中的作用。用频率为1.1 MHz、功率为3 W/cm2的超声，结合1 μg/mL原卟啉Ⅸ作用于S180细胞，MTT检测细胞存活率；DAPI染色检测凋亡细胞核形态变化；Rhodamine 123 染色检测线粒体膜电位；Western blotting检测自噬标记分子LC3由Ⅰ型向Ⅱ型的转化；吖啶橙（AO）活细胞染色观察自噬小体。声动力处理后，S180细胞明显受损，MTT显示存活率为59.3%并且出现了典型的凋亡形态学特征，线粒体膜电位下降至MFI=971.28，LC3-II表达明显升高；利用自噬和凋亡的抑制剂实验结果提示自噬体的形成（1 h）早于细胞凋亡的发生 (8 h)，自噬抑制剂3-MA和Ba A1增强了SDT对线粒体膜电位的破坏，DAPI染色进一步证实了自噬抑制剂有利于促进SDT诱导的S180细胞凋亡。提示自噬参与了SDT诱导的S180细胞死亡，自噬特异性药物抑制剂增强了SDT诱导的细胞凋亡。 2015 Vol. 34 (1): 62-69 [摘要] ( 566 ) HTML (1 KB)  PDF (17518 KB)  ( 174 ) 70 骨髓间充质干细胞复合蛛丝蛋白血管支架构建小直径组织工程血管的研究 赵亮1,2 徐艳丽1 何孟1 李敏1* DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.01.010 应用动态培养的方式，将骨髓间充质干细胞和蛛丝蛋白血管支架复合培养构建小直径组织工程血管，为心血管疾病修复提供新的血管移植物来源。将间充质干细胞种植到管状的血管支架内腔，应用动态培养的方法构建小直径组织工程血管，并根据扫描电子显微镜观察、HE染色、缝合强度测试、DNA含量检测、羟脯氨酸测定等指标评价组织工程血管的形成程度。复合培养7 d后，细胞在纳米纤维支架表面充分铺展，并且可以迁移到纤维内部生长，细胞与血管支架表现出较好的相容性。组织工程血管的缝合强度经测试为(0.95±0.12) N/针，是天然血管的29.6%。随着时间的持续，组织工程血管中的羟脯氨酸含量和DNA含量不断增加，羟脯氨酸含量在第14和第28 d分别达到0.16和0.2 μg/mg, 且与对照组相比在统计学上有显著性差异。成功构建了一种小直径组织工程血管，各指标较为优良，为其临床应用奠定了基础。 2015 Vol. 34 (1): 70-76 [摘要] ( 466 ) HTML (1 KB)  PDF (7629 KB)  ( 213 ) 77 劝导技术及其在自我健康管理中的应用与发展 周洁1  夏静1 顾琳燕1 陈 进2蔡国龙 2 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.01.011 慢性病防治是医疗卫生领域的一大难题，预防和保健是慢性病防治的最佳途径。越来越多的研究者致力于开发自我健康管理系统，以辅助慢性病患者进行日常的自我保健与疾病管理。作为一种旨在改变人的行为或态度的计算机辅助技术，劝导技术近十年来发展迅速并被广泛应用于各个领域。将劝导技术与健康管理系统进行整合，能促使慢性病患者自觉参与自我健康管理，形成良好的生活态度、行为和习惯，提高患者完成管理目标的执行力，从而改善自我健康管理系统的成效。文中概述了劝导技术的定义、原理和应用，并重点介绍其在慢性病自我管理中的应用及发展方向。 2015 Vol. 34 (1): 77-82 [摘要] ( 297 ) HTML (1 KB)  PDF (771 KB)  ( 2080 ) 83 人体组织电特性磁共振断层成像（MR EPT）技术进展 辛学刚1,2* DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.01.012 科学研究早已证实，人体组织的电特性参数（包括电导率和电容率）在正常组织与肿瘤组织之间差异较大，因此测量人体活体组织的电特性参数变化有可能成为肿瘤早期诊断的有效手段。磁共振成像（MRI）本质上是非电离电磁场，即强的静磁场、梯度磁场和射频电磁场与人体组织的相互作用，因此MRI影像信息中必然包含人体组织的电特性信息。MRI领域近年来新兴的研究热点之一人体组织电特性磁共振断层成像（MR EPT）技术，其就是研究如何从MRI影像信息中有效提取人体组织电特性信息。本文概述MR EPT技术的产生背景，从反映电磁场基本运动规律的麦克斯韦方程组出发，解析给出MR射频场与人体组织电特性参数之间的量化关系，深入剖析了3 T和7 T不同场强下MR EPT成像方法的国际研究进展以及潜在的技术突破口。同时，还介绍目前运用MR EPT技术开展的动物实验和前期临床人体测试等情况，展示这一新兴技术的诱人前景。 2015 Vol. 34 (1): 83-90 [摘要] ( 699 ) HTML (1 KB)  PDF (839 KB)  ( 1622 ) 91 体外肝细胞培养及在药物筛选中的应用 罗南书1* 罗南英2 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.01.013 肝脏是人体内最复杂的器官之一，负责执行多种功能，是药物毒性检测的重要靶器官。体外培养肝细胞是进行药物毒性检测的重要途径。传统的体外培养主要是让细胞在不同成分的培养基中生长，或将细胞接种于主要由体内ECM成分如胶原或基质胶组成的基底上成层生长，但易快速丧失肝特异性功能。为解决此问题，学者们研究设计了多种能更好地模拟肝脏体内微环境特征的精加工技术，以进行肝脏细胞的体外培养。在三维支架上培养肝细胞，如球状聚集体和细胞片层，可促进细胞-细胞以及细胞-基质间的相互作用和肝细胞分化，维持肝细胞特异性功能，并形成类似体内的结构。最近，脱细胞基质已被用作支持理想的细胞-基质相互作用的细胞培养支架。本文就体外二维和应用球状聚集体、细胞片层、脱细胞基质进行三维培养肝细胞的具体技术进行了综述，并简要介绍其在药物筛选中的应用。 2015 Vol. 34 (1): 91-98 [摘要] ( 375 ) HTML (1 KB)  PDF (3806 KB)  ( 615 ) 99 信号响应性基因载体及其应用研究 王晶 刘健* 许海燕* DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.01.014 获得合适的基因载体是基因治疗取得成功的关键因素之一。由于病毒载体存在安全隐患问题，人们致力于非病毒载体的研究，但其递送效果仍不理想。为了提高其基因递送效率，改善其靶向性及特异性，并调控其在体内及细胞内的动态，研发具有响应机体内外各种物理、化学及生物信号功能的非病毒载体，逐渐形成了一个重要的研究方向，受到学术界与产业界的极大关注。本文从信号的性质及来源上，将非病毒基因载体分为响应外部物理信号和响应内部化学与生物信号；从响应模式上，将其分为响应单一信号和响应多种信号。系统阐述了此类载体的结构特点、作用机理，并对其研究进展和实际应用进行了综合评述。 2015 Vol. 34 (1): 99-108 [摘要] ( 423 ) HTML (1 KB)  PDF (3210 KB)  ( 580 ) 109 基于灰度积分投影与模糊C均值聚类的肺实质分割  龚敬1 王丽嘉1 王远军1 孙希文2 聂生东 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.01.015 提出一种基于灰度积分投影与模糊C均值聚类的肺实质分割算法，用于CT图像的快速自动分割。首先，对原始肺部CT图像分别在水平和垂直方向上进行灰度积分投影；然后，选用平滑样条曲线拟合平滑原始图像的积分投影曲线，并提取拟合平滑前后曲线的极大值点，确定肺实质初始边界；最后，利用模糊C均值聚类算法对边界内区域进行分割，结合滚动小球法修复边界区域，获得肺实质区域。选取LIDC (肺部图像数据库联盟)数据库中20组图像（平均每组图像包含120幅CT图像）进行实验，平均分割精度为95.66%，平均每幅图像花费时间为0.77 s。实验结果表明，该方法可以用于CT图像肺实质分割，具有全自动、高精度、鲁棒性等特点。 2015 Vol. 34 (1): 109-113 [摘要] ( 480 ) HTML (1 KB)  PDF (2536 KB)  ( 1410 ) 114 人肺鳞癌细胞电阻抗谱测量实验研究 张倩 方云 董长征 马青* DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.01.016 在1 kHz～100 MHz范围内，采用Agilent 4294A精密阻抗分析仪，测量人肺鳞癌SKMES1细胞悬浮液的电阻抗，通过电阻抗频谱图和Nyquist图的分析，提取肺癌细胞电阻抗频谱的特征参数，并与人正常肺上皮BEAS2B细胞进行比较。结果显示：肺癌细胞与正常人肺细胞悬浮液的电阻抗谱存在着较显著的差异；肺鳞癌细胞的电阻抗实部增量最大值（ΔZmax）和电阻抗虚部峰值（Z″P）与细胞体积分数（Φ）呈线性关系；肺鳞癌细胞悬浮液阻抗谱的特征频率(fc)低于正常人肺细胞的54.72%（P<0.001），并且不受细胞体积分数的影响。这表明，细胞悬浮液阻抗谱特征频率可以用于区分肺鳞癌细胞和正常人肺细胞，可为肺鳞癌细胞的鉴定与分型提供电生理指标。 2015 Vol. 34 (1): 114-118 [摘要] ( 461 ) HTML (1 KB)  PDF (3145 KB)  ( 596 ) 119 基于人体测量的腹腔镜手术器械的人因设计 张燕群 王殊轶* 王秉操 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.01.017 本研究提出一种基于人体测量的腹腔镜手术器械手柄设计的方法。对12名志愿者进行了30项手部参数测量，并确定了8项与手柄参数化设计相关的手部参数。通过分层聚类分析将手部参数数据分为大小不同的三类，并根据分类结果将对应手部参数的志愿者分为相应的A、B和C三组进行人因评价实验。根据确定的各组器械手柄设计中的8项关键尺寸，通过对手部三维曲面重建模型的分析及优化，设计并加工完成了三款尺寸不同的腹腔镜器械手柄Ⅰ号、Ⅱ号和Ⅲ号原型。通过对比志愿者在使用设计原型与参照器械进行模拟腹腔镜训练任务过程中的指浅屈肌电的MVE%值、手腕和食指近指关节活动T%值、手部与器械手柄各接触点压力平均值F1、F2、F3，完成手柄的人因设计评价。实验数据表明，相比于参照器械，受试者在使用相对应器械设计原型时， 肌电MVE%值、手腕关节活动T%值、手部和器械手柄接触各点压力平均值均有不同程度的减小。设计原型在整体上略优于参照器械，可能更加符合中国医生的手部需求，基本达到设计的目标。 2015 Vol. 34 (1): 119-123 [摘要] ( 407 ) HTML (1 KB)  PDF (1502 KB)  ( 1120 ) 124 基于B/S的空间对比敏感度测量研究 周小强 梁振* 眭建锋 何珊 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.01.018 空间对比敏感度是一种比视锐度更全面的视觉功能评价指标，但由于其测量技术相对复杂至今无法广泛普及。目前，实现空间对比敏感度测量的技术方案有：Psychtoolbox + Matlab、VisionEgg + Python、C/C+〖KG-*3〗+等。但是这些技术方案或多或少的面临着软件授权、使用复杂、跨平台等问题。为解决这些问题，提出一种基于B/S架构的空间对比敏感度实现方法。前端使用HTML5 + JavaScript + CSS组合实现空间对比敏感度测量程序，服务器端采用轻型建站方案(如：Windows + IIS6 + 花生壳软件)。用户通过浏览器访问测量页面即可完成空间对比敏感度的测量。本研究采用的测量方法为正弦光栅随机出现在注视点左右两侧，空间频率选择0.5、1、2、4、8、16 cpd，每个空间频率的对比度调整120次，对比度以二进一的方式进行调整。三名被试参与了该实验，实验结果与其他研究组的结果一致。最后表明，提出的基于B/S架构的空间对比敏感度测量方案完全可行。该方法解决了软件授权费用、使用复杂、跨平台等问题，实现了客户端零维护、访问即测量的优点。本研究提出的技术方案将会给空间对比敏感度的普及带来很大推进作用。 2015 Vol. 34 (1): 124-128 [摘要] ( 539 ) HTML (1 KB)  PDF (1064 KB)  ( 865 )

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