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2014年 33卷 6期 刊出日期：2014-12-20 论文        论文 641 脑机接口：从神奇到现实转变 尧德中 DOI: 10.69/j.issn.0258-8021.2014.06.01 脑机接口技术（BCI）是指基于在线脑信号的脑与外环境之间的交互技术。本文介绍了BCI涉及的几个主要方面，并展望了BCI技术的未来发展 2014 Vol. 33 (6): 641-643 [摘要] ( 566 ) HTML (1 KB)  PDF (489 KB)  ( 1140 ) 644 基于运动想象的脑机接口关键技术研究 刘铁军＃ 张锐 徐鹏＃* DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2014.06.02 基于运动想象的脑机接口技术，被广泛的认为是最具有前景的一类脑机接口，但目前在该技术的发展过程中存在着一系列急需解决的问题。本文从信号获取、特征提取、模式分类、在线系统等方面，介绍了一些解决问题的方法，特别是基于笔者长期研究工作的系列解决方案。如信号获取中能够去除低频偏置的放大器设计方法；特征识别方面针对在运动想象脑机接口中广泛使用的共空间模式方法的改进算法，使其具有更强的抗噪音能力；模式识别方面所提出的基于线性判别分析的改进算法，以较大幅度提高分类准确率。最后介绍了基于上述方法而设计实现的一种基于运动想象和运动启动电位的在线脑机接口系统。 2014 Vol. 33 (6): 644-651 [摘要] ( 783 ) HTML (1 KB)  PDF (1061 KB)  ( 1516 ) 652 高生态效度的双脑神经反馈平台 刘伟杰1 段炼1 戴瑞娜1 肖翔1 李征1 黄宇霞 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2014.06.03 作者提出了脑间耦合神经反馈的新概念，推动单脑神经反馈向双脑神经反馈的跨越。文中介绍基于近红外光学脑成像技术（fNIRS）的高生态效度双脑神经反馈平台的设计和实现，包括基于单台fNIRS的本地双脑神经反馈，和基于互联网的异地远程双脑神经反馈两个平台。双脑神经反馈平台通过同时观测两位受试者的神经代谢信号，实时计算其神经活动交互性指标，并将该指标直接地、外显地反馈给两位受试者；两位受试者在反馈信号指引下，尝试运用各种调节策略，选择性地调节神经活动交互性。在基于单台fNIRS的双脑神经反馈平台的应用实例中，发现两名受试者目标脑区活动曲线比较一致，表明两者在训练过程有着较强的神经交互性。而在基于互联网的神经反馈平台的初步实验中，让两名受试者进行合作完成推小球任务，实验中发现小球在大多数时间都保持在两条虚线之间，说明两名受试者在大多数时间都保持了比较好的神经活动交互性。初步的实验结果证明了此平台的有效性。这一新技术对探索人类社会交互的神经机制和开发社交障碍的新疗法都具有重要意义。 2014 Vol. 33 (6): 652-658 [摘要] ( 497 ) HTML (1 KB)  PDF (1975 KB)  ( 786 ) 659 植入式脑机接口发展概况 曹艳1,2  郑筱祥1,2,3#* DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2014.06.04 脑机接口技术在大脑与外部设备之间建立起一条新型交流与控制通道，一方面为深入了解大脑的结构和功能提供一种新的手段，另一方面为运动缺失的患者重新恢复运动功能提供一种可能的治疗方案。植入式脑机接口，因其信号的时空分辨率高、信息量大、可实现复杂精细的运动控制等特点，受到众多研究者的关注。本文主要从神经信号记录、神经信号解析以及人工感觉反馈等方面，就植入式脑机接口的发展进行综述。 2014 Vol. 33 (6): 659-665 [摘要] ( 553 ) HTML (1 KB)  PDF (814 KB)  ( 1168 ) 666 基于马尔科夫切换过程的运动想象信号分类 吴俊1 杨雅2 俞祝良1#* 顾正晖1 李远清1# DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2014.06.05 隐马尔科夫模型（HMM）在脑机接口（BCI）领域中已经得到很好的应用，尤其是在运动想象（MI）信号的分类中。但是，很多传统的方法只是利用隐马尔科夫模型描述信号的动态特性，再根据观测数据求得模型参数，然后进行信号分类。由于脑电信号低信噪比、高维数和状态复杂的特点，在研究中先用分层Dirichlet 过程（HDP）描述MI信号，利用HDP自聚类特性，然后使用AR模型描述MI信号的时间特性，最后结合马尔科夫切换过程（MSP）描述MI信号的动态特性，以此来充分地描述MI信号。随后对实验室采集的数据和2003年BCI国际大赛的部分数据，使用HDPARHMM模型对MI信号分类，获得很好的分类效果，准确率分别是9900%、9200%和7246%。实验结果表明，所提出的方法可以取得更好的运动想象信号分类。 2014 Vol. 33 (6): 666-672 [摘要] ( 408 ) HTML (1 KB)  PDF (2214 KB)  ( 582 ) 673 基于脑电和磁共振的音乐脑机制研究 尧德中#* 吴丹 赖永秀 龚殿坤 罗程 卢竟 马维毅 杨华 徐鹏 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2014.06.06 音乐是在人类进化发展过程中产生的一种跨文化的艺术形式，有关它的脑机制研究对于了解人类自身有很重要的科学意义。本文结合我们近年来的研究工作，对基于脑电和磁共振的乐音属性认知、音乐家脑网络和脑波音乐技术研究进行了介绍，并展望了未来的主要发展方向。 2014 Vol. 33 (6): 673-676 [摘要] ( 517 ) HTML (1 KB)  PDF (780 KB)  ( 590 ) 677 基于视觉感光层功能的菌落图像多强度边缘检测研究 罗佳骏 武薇* 范影乐 高云园 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2014.06.07 借鉴视觉神经系统在轮廓感知中的独特优势，提出一种基于视觉感光层功能的图像边缘检测新方法。构建以带漏感的积累发放（LIF）神经元电生理模型为基本单元的神经元网络；根据特定时间窗口内各个神经元的脉冲发放情况，对神经元的增强(ON)或抑制(OFF)类别进行判断；通过拮抗式感受野特性以及神经元激励的反馈增强模式，实现弱边缘的凸显；为克服视觉感光层所具有的适应性并凸显弱细节的对比度，对图像进行多方向、多距离尺度的移动，并融合感光层神经元网络脉冲发放率的差异信息，最后实现图像边缘的有效检测。以具有丰富边缘特性的20幅菌落图像为样本，以边缘置信度和重构相似度作为评价指标，对多强度边缘进行检测。结果表明，所提出方法可以有效完整地检测出图像多强度边缘，且其对弱边缘检测的重构相似度均值高于08，检测准确性有显著的提高(P<005)。所提出的利用生理视觉系统特性进行边缘检测，为包含多强度边缘信息的图像处理提供崭新的思路。 2014 Vol. 33 (6): 677-686 [摘要] ( 327 ) HTML (1 KB)  PDF (2179 KB)  ( 401 ) 687 糖尿病性视网膜病变图像黄斑水肿等级自动分析方法 郑绍华* 陈健 潘林 余轮 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2014.06.08 糖尿病性黄斑水肿（DME）可以出现在糖尿病性视网膜病变（DR）的任何阶段，是导致糖尿病患者视力损伤的主要原因，因此DME自动分析是DR筛查的关键内容。依据DME国际临床分级标准，通过检测并判断硬性渗出（HEs）是否接近或涉及黄斑中心，可对眼底图像进行DME等级的自动分析。HEs检测选择基于现有的数学形态学方法的综合改进；黄斑中心定位则引入定向局部对比度滤波结合局部血管密度的新方法，可同步确定并去除视盘区域，以消除对HEs检测的影响，其中血管密度仅需提取粗血管网络。经开放的HEIMED数据集中169幅眼底图像的测试，HEs检测在图像水平上获得100%敏感性和922%特异性；黄斑中心定位正确率982%；各DME等级评价正确率均在88%以上，具有重要的临床参考和应用价值。 2014 Vol. 33 (6): 687-695 [摘要] ( 472 ) HTML (1 KB)  PDF (2389 KB)  ( 605 ) 696 基于格兰杰因果性的行走状态下脑肌电同步分析 牛小辰1 陈晓玲1 陈迎亚1 吴晓光1 杜义浩2 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2014.06.09 为了研究健康人在行走过程中大脑皮层与肌肉间的功能性关联，探究正走与倒走过程中该功能联系是否存在差异，分别对10名健康被试进行时长大于10 min的正走和倒走测试；基于格兰杰因果性算法(GC)对测试过程中同步采集到的头皮脑电(EEG)与表面肌电(EMG)信号进行分析，进一步定义不同节律下EEG和不同肌肉EMG的GC显著性面积指标，用以定量描述皮层-肌肉间的功能性耦合关系和信息流向，并分析脑电功率谱与该功能性耦合关系的联系。Wilcoxon非参数检验的结果显示，倒走过程中股直肌与胫骨前肌在EEG→EMG和EMG→EEG方向上alpha和beta节律的GC显著性面积指标较正走过程存在显著下降(P<005)；线性回归分析的结果显示，正走和倒走中的EEG功率谱峰值与EEG→EMG方向的GC峰值存在线性相关性(P<005)。实验说明，健康人步行时EEG和EMG间存在方向性耦合关系，并且脑电alpha和beta节律参与步行中的控制反馈过程，从而证明该研究方法可以刻画大脑皮层与肌肉之间的同步特征与功能联系。 2014 Vol. 33 (6): 696-706 [摘要] ( 312 ) HTML (1 KB)  PDF (3860 KB)  ( 617 ) 707 低频光诱发脑电在浅睡期的样本熵复杂度分析 周晖 陶玲* 钱志余 赵翠花 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2014.06.010 睡眠障碍患者通常表现为从浅睡期进入深睡期存在困难，分析浅睡期脑电波的变化对研究睡眠效率和睡眠质量至关重要。通过分析低频光刺激下睡眠过程中脑电波的复杂度值变化，研究人在浅睡期脑电波对光刺激的响应，进而探讨外部光刺激对睡眠过程中脑电波的影响。使用美国neuroscan型脑电图仪，采集10例志愿者的光刺激睡眠和正常睡眠的脑电数据。首先，利用时频分析，对睡眠过程中的脑电信号进行分期，获得浅睡期脑电信号；然后，使用小波包分解，获得该期脑电波的各频段分量（δ波、θ波、α波和纺锤波）;接着，采用样本熵算法，分别计算浅睡期脑电信号的复杂度以及各频段脑电波的复杂度；最后，对志愿者在光刺激（5 Hz）和正常睡眠下浅睡期脑电复杂度进行比较，研究光刺激对脑电复杂度的响应情况。结果显示：在低频光刺激下，浅睡期脑电波复杂度的均值为0514 15，明显低于正常睡眠复杂度的均值0589 23，在中央区和顶区有显著性差异（P<005）。研究表明，5 Hz光刺激可诱发浅睡期θ波的同步响应,增强脑电波的节律性，有助于更好地进入深度睡眠。 2014 Vol. 33 (6): 707-714 [摘要] ( 394 ) HTML (1 KB)  PDF (2322 KB)  ( 917 ) 715 基于神经网络的慢性病危险因素人体模型的建模方法 包家明1 王顺2 朱朝阳2* 王奕青1 徐雅诗1 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2014.06.011 本研究的目的是运用神经网络反向传播(BP)学习算法，建立一种个体化慢性病危险因素人体模型的方法，为状态控制研究提供人体模型基础。该模型以运动状况、饮食习惯(包括盐、谷类、蔬菜、水果、肉禽类、蛋类、鱼虾类、豆类、奶类、油脂、动物内脏等的摄入量)、饮酒和吸烟等为输入量，输出量包括与慢性病密切相关的收缩压、舒张压、血糖、心率、BMI等生理参数，并用残差分析检验所建模型的可靠性。通过13例志愿者的受试试验，有9例实测参数和估计参数的符合率超过80%。研究结果表明，所提出的基于神经网络的个体化慢性病危险因素预测模型的建模方法，在总体上是可行的，为个体化设计危险因素控制策略提供了依据慢 2014 Vol. 33 (6): 715-721 [摘要] ( 310 ) HTML (1 KB)  PDF (1686 KB)  ( 427 ) 722 深度可控自动压电显微切割系统 朱军辉1 王勇1 朱猛1 陈瑞华3* 汝长海1,2* DOI: 10.969/j.issn.0258-021.2014.6.12 为了从不同组织切片上获取某一特定细胞群或单一细胞进行分析研究，研制深度可控自动压电显微切割系统，以解决手工切割操作时间长、易疲劳、精度低等难题。在对超声振动切割进行理论分析的基础上，采用叠堆压电陶瓷作为振动发生装置。根据图像前后景差来检测跟踪切割针尖的实时位置信息，从而通过标定的X轴坐标的变化判断切割针和被操作物体表面的接触情况来获取深度信息。通过对不同条件下的显微切割实验进行分析，均表明该系统可实现将切割针置于被切割组织深度方向的任意位置；自动完成目标生物组织指定位置任意形状的切割，切割线细可达15 μm，理论上切割分辨率为50 nm，切割误差05 μm，可实现单细胞切割，并能自动实现目标组织切片的分离。明显提高显微切割操作的自动化程度和精度，证明该系统的优越性。 2014 Vol. 33 (6): 722-728 [摘要] ( 386 ) HTML (1 KB)  PDF (2783 KB)  ( 393 ) 729 下腰椎L4/5棘突间撑开器的生物力学研究 蔡方舟1,2 谷雪莲1* 韩寿彭2 宋成利1 陈博3 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2014.06.013 应用有限元分析方法研究在L4/5植入XSTOP类型产品时该节段的稳定性，以及对相邻节段的生物力学影响。依据一名正常志愿者中立位下螺旋CT扫描资料，利用Mimics14、Geomagic Studio2012、Hypermesh12和Abaqus6121等软件，构建L2～L5健康腰椎有限元模型和植入撑开器XSTOP的动态固定模型，并模拟前屈、后伸、侧弯和轴向旋转，验证健康腰椎有限元模型的有效性和动态固定对照模型的生物力学特性。根据两组模型在椎间活动度、椎间盘应力等生物力学指标，证明XSTOP可减少该节段7483%的后伸活动度，而相邻节段活动度基本不受影响。植入物和腰椎的最大应力出现在后伸时两者的接触面上，最大应力分别为333和1356 MPa。XSTOP可以显著降低椎间盘压力和后伸活动度，对相邻阶段无明显影响。植入物和腰椎的最大von Mises应力出现在接触面上。对XSTOP的改进提供理论支持，为下腰椎L4/5棘突间撑开器XSTOP临床手术提供生物力学依据。 2014 Vol. 33 (6): 729-736 [摘要] ( 283 ) HTML (1 KB)  PDF (4275 KB)  ( 669 ) 737 用于体外循环管材的新型醛基化海藻酸钠-地塞米松缓释涂层研究 高文卿1 李彤1* 于美丽2 胡晓旻1 段大为1 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2014.06.014 研制新型醛基化海藻酸钠-地塞米松缓释涂层，筛选最佳涂层模式和涂层条件，对涂层稳定性、抗凝性能、缓释性能等进行评价。高碘酸钠氧化海藻酸钠得醛基化海藻酸钠（OSA），酸化预处理聚氯乙烯（PVC）管材表面，聚乙烯亚胺涂抹经酸化预处理的PVC管材。聚乙烯亚胺涂层管材（PP）通过离子键直接交联地塞米松磷酸钠（DSP）制备DSP单涂层管材（PPD组），PP通过离子键交联（PPI组）、共价键交联（PPC组）两种方式制备醛基化海藻酸钠-地塞米松磷酸钠复合涂层管材，同时设置空白对照（C组）。以正交实验筛选3种涂层模式的最佳涂层条件。对3种涂层管材进行涂层物定性和定量分析，抗凝、抗血小板、抗蛋白粘附、体外释放等性能进行评价研究，从而筛选最佳涂层模式。结果显示，PPD、PPI和PPC等3种涂层模式均能固定DSP，最佳固定密度分别为(333±075)、(163±076) 、(206±068)μg/cm2；复合涂层组（PPI和PPC）血小板粘附量（109/L）分别为（1388±189）和（1913±340），均较C组（4138±320）显著减少；复合涂层组蛋白粘附量（mg/cm2）（HAS：（2986±1357）和（4667±320），HPF：（3499±352）和（4567±379）），均较PPD组（HAS：（6873±426），HPF：（7254±790））显著减少；体外释放方面PPC组明显优于PPI组。醛基化海藻酸钠-地塞米松复合涂层具备良好的血液相容性和生物相容性，通过共价交联的DSP能够达到缓释效果。 2014 Vol. 33 (6): 737-745 [摘要] ( 404 ) HTML (1 KB)  PDF (2275 KB)  ( 559 ) 746 聚左乳酸己内酯-胶原蛋白静电纺人工血管的降解研究 汪涛1 陈剑锋2 赵珺1* 吴桐2 莫秀梅2 梅家 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2014.06.015 探讨聚左旋乳酸己内酯-胶原蛋白构建的可降解人工血管材料的降解规律以及生物相容性。聚左旋乳酸己内酯-胶原蛋白混合溶液通过静电纺丝技术制成静电纺人工血管材料作为实验组(n=40)，市售聚四氟乙烯人工血管材料作为对照组(n=40)，分别植入兔背部脊柱两侧肌肉，于术后10、30、90、180 d取材，行形态学、组织学观察；并在400 倍光学显微镜视野下进行中性粒细胞、巨噬细胞和淋巴细胞的分类计数。结果镜下聚左旋乳酸己内酯胶原蛋白组材料周围组织炎症反应轻，术后90 d材料碎裂，纤维组织长入材料网孔间隙内，逐步取代材料部位，形成囊状纤维膜；术后180 d材料基本降解殆尽，植入区域组织重塑后形态接近正常组织。聚四氟乙烯组材料周围组织炎症反应轻，术后180 d仍基本保持原有结构，材料周围有薄层纤维组织膜包绕。细胞计数结果提示植入后不同时期两组材料引起的细胞反应类型和反应趋势相同；仅术后10 d时实验组中性粒细胞数量较对照组增多(2244±372 vs 1922±181 个/025 mm2, P<005)，其余两组各期各类细胞均无明显差异(P>005)。实验材料降解时间为3～6月，具有生物相容性好、降解规律适宜的良好生物学性能，有作为血管替代物的潜在可能性。 2014 Vol. 33 (6): 746-752 [摘要] ( 539 ) HTML (1 KB)  PDF (1920 KB)  ( 502 ) 753 脊髓小脑共济失调的运动想象脑电信号分析 张婷1△ 王永轩2△ 刘蓉1* DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2014.06.016 通过基于运动想象脑电信号的脑机接口系统， 研究对比了5名脊髓小脑共济失调患者和5名健康受试者，在运动想象状态与思想放松状态下的脑电信号功率谱、地形图、差值地形图等指标。研究发现，同健康受试者相比，脊髓小脑共济失调患者的事件相关去同步相关区域有所扩大，而且相关域的面积与共济失调功能分级近似呈线性关系。因此可以利用运动想象脑电信号，判断受试者是否存在脊髓小脑共济失调病症以及症状轻重程度。另外，健康受试者利用脑-机接口系统对光标运动控制的平均成功率为8425%，脊髓小脑共济失调患者为6575%。实验表明，同健康受试者相比，脊髓小脑共济失调患者的实验成功率明显降低，但仍可以使用脑机接口系统实现外部控制。 2014 Vol. 33 (6): 753-758 [摘要] ( 482 ) HTML (1 KB)  PDF (2045 KB)  ( 548 ) 758 基于腹腔镜训练的上肢行为分析研究 叶莎莎 王殊轶* 毕东东 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2014.06.017 本研究提出了一种客观评价腹腔镜训练过程的方案。利用Micron Tracker追踪被测试者右上肢肩、肘及腕部的运动轨迹，采用线性插值法，实现对轨迹的连续采集。通过对5名被测试者15组数据分析得知，在同一高度的操作平台下，纵向比较，单个被测试者3次实验中，3个方向的运动距离最大相差肩部为3 cm，肘部为25 cm，腕部为35 cm。横向比较，5个被测试者中，运动距离最大相差肩部为11 cm，肘部为95 cm，腕部为75 cm。且肘部关节角度超出人体舒适度范围最高达7668%，最低为000%。实验结果表明，针对不同的训练者需要采用不同的标准参数来进行评价。所提出方法有望为腹腔镜手术训练中动作的规范化，提供客观的数据支持及人因设计提供方法。 2014 Vol. 33 (6): 758-763 [摘要] ( 267 ) HTML (1 KB)  PDF (1909 KB)  ( 415 ) 764 组织工程角膜透明度检测方法研究与评价 陶蒙1 李文康1 李刚2 李宏1* DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2014.06.018 确定组织工程角膜透明度的测量方法，开发一套能实时测量组织工程角膜透明度的仪器。根据光学的基本原理，以虚拟软件为开发平台，采用计算机，数据采集卡，照度传感器等器件，确定并开发一种检测组织工程角膜透明度的方法与装置，通过对不同光源和被测样品进行检测，评价组织工程角膜透明度测量仪的精度。在确定组织工程角膜透明度测量方法的基础上，完成了基于虚拟仪器技术构建组织工程角膜透明度测量仪器开发，针对可见光、红色激光、有机玻璃、普法玻璃、隐形眼镜和猪角膜的测量计算，确定组织工程角膜透明度测量仪的系统误差修正值为0009 4，精度误差为06%〖DK〗~10%。本研究的组织工程角膜透明度测量方法与仪器可以对组织工程角膜进行定量的检测，比目前使用的方法更科学和方便，有望成为组织工程角膜度透明度测量的新标准；采用红色激光光源测量的角膜透明度比普通可见光测得的值有细微不同；但是对于确定的光源，该仪器不影响被测组织工程角膜透明度的优劣评比；更换不同波长光源，可以获得该种波长情况下角膜透明度的精确值。 2014 Vol. 33 (6): 764-768 [摘要] ( 436 ) HTML (1 KB)  PDF (2139 KB)  ( 512 ) 769 总目次索引 2014 Vol. 33 (6): 769- [摘要] ( 212 ) HTML (1 KB)  PDF (661 KB)  ( 348 ) 784 作者索引 2014 Vol. 33 (6): 784- [摘要] ( 166 ) HTML (1 KB)  PDF (676 KB)  ( 56 )

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