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2015年 34卷 5期 刊出日期：2015-10-20 论文        论文 513 基于体素互信息的多模式和多时相图像中股骨近端配准 朱文杰1  丁辉1   黄青1    彭江2   王广志 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.05.001 在股骨近端骨质疏松进程以及股骨头坏死状况评估方法中，图像分析是常用的工具，通过不同时相以及不同模式的多组影像可以对病人病情进行更全面的综合评估。然而，在综合评估过程中，由于病人多次在不同系统中成像，体位的差异使不同图像组之间的解剖点位置无法一一对应，因此分析之前需要将多组图像对齐，才能观察同一感兴趣区在不同模式或不同时间骨组织状况的差异。针对这个问题，设计一种多模式、多时相图像配准的解决方案，通过图像的前处理、双阈值分类并结合贝叶斯分类的股骨分割得到股骨体素，然后通过基于归一化互信息的图像配准获得各组图像中股骨之间的三维空间刚性变换矩阵，其中CT与MR图像的配准误差在4 mm以下，CT与CT图像的配准误差在2 mm以下。利用矩阵传递关系，以CT-CT多时相的配准矩阵为基础，可获取任何两组图像间的变换矩阵。在此基础上，再进行任意两组图像的融合、点对点的分析以及骨质状况和血供状况的定量评估。通过该方案，可以对多时相、多模式图像分析中相同感兴趣的区域进行对比。 2015 Vol. 34 (5): 513-521 [摘要] ( 222 ) HTML (1 KB)  PDF (7739 KB)  ( 133 ) 522 基于突触连接视通路方位敏感的图像分级边缘检测方法 王典  范影乐* 张梦楠 武薇 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.05.002 视觉通路上的多级方位敏感特性对于视觉轮廓感知起着关键作用，将为更高层次的视皮层图像理解提供重要的特征信息。从视觉方位敏感机制出发，提出一种图像边缘检测的新方法。利用神经节细胞以及外膝体神经元感受野向心分布的生理结构特性，构建具有突触连接和多方向敏感特性的视皮层下功能层，融合多方向上的神经元脉冲发放信息，将视觉激励映射为边缘敏感图像；构建具有去最优方位感受野特性的初级视皮层的功能层，对前级结构生成的脉冲序列按时间信息进行神经编码，经过感受野内侧向抑制和阈值处理，获得边缘检测结果。对层次模糊而细节丰富的菌落图像进行处理，并以边缘置信度和重构相似度以及两者的加权和作为边缘检测评价指标。结果表明，该方法在完整检测图像边缘的同时，并不引入纹理噪声，有着明显的优势，其对12幅图像的加权和指标均值为0.746 8，显著高于其他对比方法。所提出的方法可以模拟视通路中初级视皮层及视皮层下的方向敏感特性，提供一种基于视觉机制的图像处理和理解新思路。 2015 Vol. 34 (5): 522-532 [摘要] ( 271 ) HTML (1 KB)  PDF (14811 KB)  ( 120 ) 533 属性多层次结构关系在白细胞形态六分类技术中的应用 郝连旺1,2洪文学1* DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.05.003 具有混合属性的白细胞形态是有着属性多层次结构关系的复杂系统，通过层次化表达属性、变层次利用属性，可以有效实现其六分类识别技术。在分析白细胞形态特征属性多层次结构关系基础上，获取白细胞六种类型目标的决策关系和伴生关系，设计白细胞形态属性多层次结构分类器，从而建立基于属性多层次结构关系的白细胞形态六分类识别方法。对952幅医院实际白细胞图像数据集做对比实验，取得95.98%的平均分类精度，明显高于其他3种经典算法，表明该方法具有较好的分类性能，也证明复杂系统属性多层次结构关系在图像模式识别领域具有重要的理论意义和应用价值。 2015 Vol. 34 (5): 533-539 [摘要] ( 219 ) HTML (1 KB)  PDF (974 KB)  ( 417 ) 540 基于在线字典学习和脉冲耦合神经网络的脑图像融合 宗静静1,2邱天爽1#* DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.05.004 医学图像融合是医学影像和放射医学等领域的研究热点之一，广受医学界和工程界重视。提出一种基于在线字典学习(ODL)和脉冲耦合神经网络(PCNN)的脑部CT和MR图像融合新算法。首先，利用滑动窗技术将源图像分块，使用ODL算法和最小角回归算法(LARS)得到各图像块对应列向量的稀疏编码；其次，将稀疏编码作为脉冲耦合神经网络的外部输入刺激信号进行迭代处理，根据点火次数确定融合系数；最后，根据融合系数和学习字典重构融合图像。基于哈佛医学院的10组脑部CT和MR数据，将所提出算法同基于KSVD的融合算法、基于ODL的融合算法、基于NSCT的融合算法比较。实验结果显示：综合考虑主观视觉效果和客观评价指标，该算法性能整体优于其他算法，客观参数指标BSSIM、MI、Piella、SF、STD、QAB/F的均值分别为0.751 2、3.769 6、0.697 1、29.526 7、90.090 6、0.570 7，可以提供丰富的信息来辅助医生分析病变体，提高临床医疗诊断的准确性和治疗规划的科学性。 2015 Vol. 34 (5): 540-547 [摘要] ( 363 ) HTML (1 KB)  PDF (5016 KB)  ( 576 ) 548 深部脑刺激中单相脉冲与双相脉冲的作用比较 胡娜 封洲燕* 郭哲杉 王兆祥 余颖 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.05.005 深部脑刺激在帕金森和癫痫等脑部疾病治疗中的应用不断发展，它使用的电刺激波形通常为窄脉冲。但是，对于单相脉冲与双相脉冲的刺激作用之间的差别还缺乏全面的认识。为了研究不同波形脉冲对于深部脑组织的刺激作用，在麻醉大鼠海马CA1区的输入和输出轴突纤维上，分别施加不同极性的或者不同方式的（单个或连续）单相和双相脉冲，考察CA1区神经元单细胞和神经元群体在刺激作用下的响应，以定量分析不同刺激波形的作用效果。共计18次动物实验结果如下：1）CA1区输入通道的小强度单个刺激顺向诱发单元锋电位时，以兴奋性相位为前相的双相脉冲和兴奋性单相脉冲的诱发率（分别为69.2%±10.4% 和650%±10%）显著高于以非兴奋性相位为前相的双相脉冲和非兴奋性单相脉冲的诱发率（分别为28.8%±9.5%和34.2%±12.5%）（n=6）；而且，双相脉冲的作用效果取决于前相，与无后相的单相脉冲的作用效果没有显著差别。2）CA1区输出通道的大强度单个刺激逆向诱发群峰电位时，双相脉冲的作用仍然与单相脉冲接近（n=6），由其前相主导，后相的作用较小。3）在CA1区输出通道逆向的100 Hz持续高频串刺激期间，起始0.5 s时间内单相脉冲引起群峰电位的幅值下降（54.2%±21.3%）显著高于前相与其一致的双相脉冲所引起的幅值下降（39.0%±10.2%）（n=6），说明高频串刺激时单相脉冲的作用比双相脉冲要强，但是单相脉冲可能造成神经组织的损伤。因此，长时间的高频刺激治疗应采用双相脉冲。这些研究结果对于深入了解深部脑刺激的作用机制以及安全有效地推广其临床应用都具有重要意义。 2015 Vol. 34 (5): 548-557 [摘要] ( 517 ) HTML (1 KB)  PDF (1264 KB)  ( 1135 ) 558 合成孔径序列波束形成轴向运动补偿方法 孟晓辉 理华*王君琳 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.05.006 合成孔径序列波束方法是一种新颖的医学超声成像方法，采用两个阶段的波束形成，在传统的超声成像系统中实现合成孔径成像，在不需要存储和传输大量射频回波数据的情况下，提高医学超声图像的分辨率。该方法的前提是假设成像目标静止不动，而通过仿真分析发现运动会造成成像目标位置错误。针对此问题，提出一种合成孔径序列波束形成运动估计和补偿方法：首先通过在同一位置连续发射接收两次以获取用于运动估计的数据，然后采用互相关方法对第一阶段波束形成得到的低分辨率图像进行运动估计和补偿，再对其做第二次波束形成得到高分辨率图像。Field II仿真结果显示，所提出的运动补偿方法可以得到正确的目标位置。对于运动速度为0.1 m/s的点目标，运动补偿后的平均横向分辨率与静止点目标相比仅降低2.03%，对比度降低2.7 dB。对于运动速度为0.2 m/s的囊目标,运动补偿后图像的对比度分辨率较静止情况仅降低8.53%，进一步说明所提出的运动补偿方法有效。 2015 Vol. 34 (5): 558-565 [摘要] ( 626 ) HTML (1 KB)  PDF (2766 KB)  ( 542 ) 566 颅骨对磁感应断层成像信号检测影响的仿真与实验研究 柯丽*李盼盼  陈红  刘欢  杜强 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.05.007 采用仿真和实验研究颅骨对磁感应断层成像（MIT）信号检测的影响。使用Comsol软件建立3层球形仿真颅脑模型，仿真计算颅骨电导率对MIT信号检测的影响。使用螺线管线圈、后置电路及数据接收仪器搭建单通道磁感应信号测量实验系统，利用琼脂和NaCl溶液制作与真实颅脑电导率分布相近的脑出血分层模型，模型外径为158 mm；最后采用有颅骨和无颅骨两种模型，测量无病变及不同病变位置情况下MIT信号的相位变化，模型中心与检测线圈相距85 mm。实验结果显示，在无病变和病变分别位于X-Y平面上坐标为（-40,0）、（0,0）和（40,0）的位置时，有、无颅骨数据的幅值比例分别为0.57、0.59、0.42、0.61，其中，坐标点（-40,0）代表Y轴左侧距离激励线圈45 mm的位置，坐标点（40,0）代表Y轴右侧距离接收线圈45 mm的位置。当病变存在时，有、无颅骨数据的变化趋势均为：病变位于坐标点（-40,0）时最大，病变位于坐标点（40,0）时次之，病变位于坐标点（0,0）时最小。实验结果表明，颅骨对MIT信号的数据大小有衰减作用，但不影响数据的变化趋势，提示在实际应用中结合高精度检测设备，可实现颅内病变的无创、无接触图像监测。 2015 Vol. 34 (5): 566-573 [摘要] ( 318 ) HTML (1 KB)  PDF (5106 KB)  ( 554 ) 574 脑外伤血肿膨胀与颅内压增高的有限元模拟分析 曹立波1  傅啸龙1*张冠军1    李娜2 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.05.008 利用具有高度解剖学细节的GHBMC有限元头部模型，建立符合患者头部在受到创伤后出现脑血肿的占位效应，并提出一种采用气体分子动力学颗粒法模拟颅脑血肿导致颅内压变化的新思路。通过医学图像软件Mimics得到患者头部血肿几何模型与病变位置，调整已验证的GHBMC成人头部有限元模型，使其符合实际患者头部病变的几何特征，之后采用气体分子动力学颗粒法模拟脑血肿引起的颅内压变化。两组仿真中颅脑侧脑室偏移量分别为46 和56 mm，脑中线偏移量分别为43和41 mm，颅内压数值分别稳定在（2 680±20）和（2 618±18）Pa。实际患者颅脑侧脑室偏移量分别为48和49 mm，脑中线偏移量分别为37和3 9 mm，颅内压数值分别为2 800和2 666 Pa。仿真数据与实际数据基本吻合，表明采用气体分子动力学颗粒法来模拟分析血肿膨胀与颅内压增高的方法在理论上可行，为进一步临床应用提供理论依据。 2015 Vol. 34 (5): 574-580 [摘要] ( 306 ) HTML (1 KB)  PDF (11214 KB)  ( 125 ) 581 基于FPGA的高频超声成像实验平台 周峥  郑政#* DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.05.009 高频超声具有卓越的分辨能力，在临床和医学基础研究中都得到重要应用。新的图像和信号处理算法不断被提出来，用于提高其成像质量和获取新的信息。为了实验这些算法，需要一个通过编程来改变功能的实验平台，这个平台必须能进行高频超声扫描以采集图像，具备足够实验算法运行的硬件资源，而且能提供方便的调试手段。针对上述应用,提出一种基于FPGA的实验平台，用于研究10～50 MHz高频超声的图像和信号处理的实时算法。该平台具有与实验算法模块相独立的扫描控制器，可以保证在实验算法的调试过程中图像采集和显示均不受影响。系统以180 MHz的采样率采集射频信号，以大规模FPGA及其外围电路提供实验算法运行的空间，并预置可配置的带通滤波器、正交解调、降采样、基带信号幅度检测和对数压缩等处理模块。还开发一个RAM观测工具，专门用于读取处理过程中存入片外RAM的图像数据，以检验中间结果的正确性。采用10 MHz的超声探头，对志愿者眼球进行在体扫描实验，分别对平台的数据采集、带通滤波、幅度提取、对数压缩等模块进行验证。结果表明，带通滤波处理能有效滤除射频信号中的高频、低频噪声，在处理时钟选为50 MHz的条件下，对于每条探测深度为64 mm的扫描线，平台从数据采集至IQ降采样输出完毕，总时间为85.34 μs，而幅度检测和对数压缩算法在340 ns中就可以完成。该处理速度完全能够满足成像的实时性要求。 2015 Vol. 34 (5): 581-588 [摘要] ( 427 ) HTML (1 KB)  PDF (11214 KB)  ( 167 ) 589 MEMS微针阵列干电极及其在生理电信号采集中的应用 蒋小梅  张俊然*张坤  周博   陈富琴 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.05.010 生理电信号能直接反映人们的身体状况，且随着各种便携式设备、穿戴式设备的出现，生理电信号的采集得到越来越多的重视。近年来，许多研究人员致力于生理电信号采集电极的研究，因此基于MEMS技术的微针阵列干电极逐渐成熟。微针阵列干电极通过微针刺入被测者的皮肤，实现连续、长期、高效的生理电信号采集，由于其成本低、操作简单、不会使被测者感到不适、采集质量高等优点，逐渐取代传统湿电极而得到越来越广泛的应用。通过将微针阵列干电极与湿电极进行对比，突出微针阵列干电极的研究价值；结合国内外最新研究，综述微针阵列干电极的制作工艺、微针阵列干电极的改进技术、在生理电信号采集中的应用现状；讨论目前微针阵列干电极存在的不足，并对以后的发展趋势进行展望。 2015 Vol. 34 (5): 589-597 [摘要] ( 456 ) HTML (1 KB)  PDF (2716 KB)  ( 1026 ) 598 MEMS微针阵列干电极及其在生理电信号采集中的应用 白中浩*陈亚枫  白芳华  蒋彬辉 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.05.011 在儿童安全的研究中，由于受到伦理道德等方面的限制，无法开展有效的儿童结构响应实验了解其损伤机理、确定损伤容忍限度，导致现有儿童假人的开发和相应损伤容忍限度的建立都是通过缩放成人结构响应实验数据而得到的。然而，缩放方法的准确性目前仍未得到证实。同样，儿童结构响应数据的缺乏，使得儿童数学模型的验证存在很大的困难。为此，详细回顾与分析现有文献中儿童头部、颈椎、胸腹部、骨盆与四肢结构响应实验方法与数据。此外，还回顾儿童尸体台车试验及志愿者台车试验。最后，对未来急需开展的儿童各部位结构响应实验提出建议。 2015 Vol. 34 (5): 598-606 [摘要] ( 348 ) HTML (1 KB)  PDF (979 KB)  ( 682 ) 607 基于Kinect的上肢康复训练系统开发与应用 瞿畅1*代艾波1郭爱松2于陈陈1朱小龙1 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.05.012 脑卒中等心脑血管疾病导致的上肢功能障碍严重影响了患者的生活质量。为帮助患者在社区家庭环境进行上肢康复训练，开发了基于Kinect的上肢康复训练系统。系统通过人体关节点数据与场景中对象模型的绑定实现了患者运动与虚拟模型运动的同步，利用体感方式实现与训练场景的动态交互。系统设计了分别用于肩、肘关节及上肢综合能力的康复训练项目，选取8名志愿者分两组（计算机辅助组和专业治疗师组）对系统进行功能测试，并对治疗前后患者的运动表现进行评定（Fugl-Meyer上肢运动功能评估和Wolf 运动功能的测试）。经过2周的治疗后,两组患者Fugl-Meyer上肢运动功能评分及Wolf 运动功能测试评定结果均较治疗前有明显进步，且计算机辅助组患者进步幅度大于专业治疗师组。以上实验结果表明，该系统对提高患者肩、肘关节活动度及上肢综合能力具有潜在的效果，可用于上肢运动功能的康复训练。 2015 Vol. 34 (5): 607-612 [摘要] ( 345 ) HTML (1 KB)  PDF (5790 KB)  ( 702 ) 613 一种长寿命膀胱压力检测系统的设计 熊慧1*董锟1  马天义1  李斌1 范泽亚1  李刚2 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.05.013 针对现有膀胱压力检测装置由于采用电池供电造成的工作寿命短、定期更换、体积较大等问题，设计一种无线无源的长寿命膀胱压力检测系统。该系统由体外控制器部分和体内检测部分构成。体外控制器部分根据松耦合变压器的原理实现向体内检测部分的能量供给，从而实现体内检测部分压力信息的无源测量。通过实际电路测试，该系统的压力测量范围(相对于标准大气压)为0~180 cm H2O，测量精度为5 mm H2O，最高测量频率可达1 kHz，最大测量间距为10 cm，满足膀胱压力检测装置的应用需求。与传统膀胱压力检测装置相比，体内检测部分无需电池进行供电，且压力信息的传输无需导线连接，在简化电路设计的同时克服了电池供电带来的种种弊端。 2015 Vol. 34 (5): 613-617 [摘要] ( 1850 ) HTML (1 KB)  PDF (2369 KB)  ( 403 ) 618 基于细胞3D打印技术的体外肿瘤模型构建研究 石然  徐铭恩* 周青青 罗莉 李欢 郑渊悦 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.05.014 2015 Vol. 34 (5): 618-622 [摘要] ( 286 ) HTML (1 KB)  PDF (4848 KB)  ( 826 ) 623 腹主动脉瘤直型覆膜支架的生物力学分析 谷雪莲1*胡方遒1  祁勇翔1,2李中华2  宋成利1 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.05.015 应用数值模拟分析方法，研究腹主动脉瘤直型覆膜支架在径向压握、自膨胀释放及植入后平衡状态3种工况下的稳定性及各项生物力学指标。建立覆膜支架、压握工具以及目标血管的有限元模型。对圆柱状压握工具沿R轴负方向施加大小为6.50 mm的位移载荷，压握覆膜支架至外径为7.00 mm；将压握工具恢复到原始尺寸，建立血管/覆膜支架接触关系；支架完全释放后平衡状态下，对其内表面均匀施加50～150 mmHg动脉压。分析支架部分在压握与平衡状态下的最大主应变(MPS)峰值及分析后形态、释放状态下变形血管以及覆膜的等效应力峰值(VMS)。在径向压握过程中，金属支架最大压握主应变峰值为5.73%；在自膨胀释放过程中，造成血管壁应力集中的峰值为0.371 MPa，覆膜应力峰值为0.388 MPa；在植入后平衡状态下，支架平均应变为0.0859%，振荡应变为0.0486%，覆膜应力峰值为2.09 MPa，安全因子为8.23。支架部分在各工况下应变处于镍钛合金屈服强度之内，在圆角弯折处应变最为集中；覆膜部分在各工况下应力值也满足ePTFE膜材料的屈服强度。该研究结果可以为覆膜支架的结构优化设计以及覆膜材料选择提供一种分析方法， 可以提高覆膜支架的生物力学性能，并给工程设计和临床操作提供参考。 2015 Vol. 34 (5): 623-628 [摘要] ( 413 ) HTML (1 KB)  PDF (5246 KB)  ( 613 ) 629 人体胸腰椎体几何学测量及生物力学特性实验研究 黄建松*李政年 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.05.016 研究水下爆炸产生的舰船冲击载荷导致舰船人员脊柱损伤的生物力学特性。分别从10具健康成年男性尸体上截取完整的胸腰椎，然后剔除不需要的软组织，并从胸、腰椎上仔细分离出各个自由椎体，对每个椎体上下两个端面处理后进行静态和动态压缩试验研究。从胸椎T1至腰椎 L5，随着椎体在脊柱位置上的下降，椎体的横截面积和体积逐渐增加，每个椎体所承受的动态和静态压缩破坏载荷也逐渐增加。计算动态应力强度与静态应力强度的比值，胸椎平均为1.51，腰椎平均为1.46。胸腰椎体面积和体积与其所本身所能承受的载荷变化趋势与人体承载能力的规律相一致，它反映了舰船冲击载荷造成船员胸腰椎损伤的机制及其损伤特性。 2015 Vol. 34 (5): 629-633 [摘要] ( 351 ) HTML (1 KB)  PDF (846 KB)  ( 631 ) 634 低温各向同性热解炭性能和结构变化 张建辉*宋银超  夏文莉 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2015.05.017 研究低温各向同性热解炭密度、显微硬度和孔隙结构随沉积条件的变化规律。用准稳态流化床化学气相沉积（FBCVD）工艺制备低温各向同性热解炭，并采用密度计、显微硬度计、扫描电镜、透射电镜、压汞仪等分析热解炭材料的密度、显微硬度、孔隙结构。结果表明：随着沉积温度和丙烷气体浓度的升高，热解炭的密度和显微硬度逐渐降低，沉积温度和丙烷气体浓度能够显著影响热解炭的形貌和孔隙，进而影响热解炭的密度和硬度；相似密度热解炭的孔隙结构也不相同，高密度热解炭的孔隙主要是由生长特性间的孔隙组成，这些孔隙的多少对高密度热解炭的密度有较大影响，沉积条件为中低沉积温度（1 250～1 350℃）和中低浓度丙烷气体（25%～40%）得到的各向同性热解炭结构均匀，孔隙较少，密度较高，硬度较大。 2015 Vol. 34 (5): 634-639 [摘要] ( 224 ) HTML (1 KB)  PDF (3552 KB)  ( 438 )

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