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2017年 36卷 1期 刊出日期：2017-02-20 论著 综述 简讯        论著 1 基于视通路多感受野朝向性关联的轮廓检测方法 李康群, 范影乐, 甘海涛, 武 薇 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2017.01.001 基于视通路中各层次的感受野特性以及层次间感受野的关联特性,提出一种图像轮廓检测新方法。根据神经元的放射状树突接收特性,构建检测空间差异性信息的视网膜神经元网络,对轮廓信息进行前级编码;建立LGN细胞的非经典感受野调节机制,结合感受野的层次变换特性,对前级编码结果进行全局调节;提出简单细胞的多感受野朝向性关联模型,模拟初级视皮层简单细胞的方向选择特性;融合多个方向上的轮廓响应,经过非极大值抑制和阈值处理,得到轮廓检测结果。以RuG图库40幅图片为实验对象,检测结果与基准轮廓图的平均P指标为0.43,结果显示该方法能够有效凸显主体轮廓,强化轮廓与纹理边缘的区分度。利用多感受野的层次关联特性,实现图像轮廓信息的编码与检测应用,为研究高级视皮层的图像理解和视觉认知提供新的思路。 2017 Vol. 36 (1): 1-11 [摘要] ( 368 ) HTML (1 KB)  PDF (19638 KB)  ( 282 ) 12 基于Local Jet变换空间纹理特征的肺结节分类方法 代美玲, 祁 瑾, 周仲兴, 高 峰 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2017.01.002 为了在纹理特征下改善肺结节良、恶性的模式识别,提出一种基于local jet变换空间的纹理特征提取方法。首先利用二维高斯函数的前三阶偏微分函数将结节原图像变换到local jet纹理图像空间,然后利用纹理描述子在该空间提取特征参数。以灰度值的前四阶矩和基于灰度共生矩阵的特征参数作为纹理描述子,分别提取结节原图像和变换后纹理图像的特征参数,以BP神经网络作为分类器,对同一纹理描述子下的2个不同图像空间的经核主成分分析优化后的特征参数集进行结节良、恶性分类。以157个肺结节(51个良性,106个恶性)作为实验数据进行对比实验,结果显示:两种纹理描述子基于local jet变换空间提取的特征参数分别获得82.69%和86.54%的分类正确率,较原图像空间提高6%～8%,同时AUC值提高约10%。实验结果表明,基于local jet变换空间提取的纹理特征可以有效地改善肺结节良、恶性的模式识别。 2017 Vol. 36 (1): 12-19 [摘要] ( 319 ) HTML (1 KB)  PDF (3317 KB)  ( 331 ) 20 脑静息功能连接自发波动的可变性分析 王英杰, 沈 辉 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2017.01.003 静息脑功能连接的动态性被认为能够反映大尺度功能脑网络的基本性质,近年来受到越来越多的关注。过去很少有研究分析静息脑连接自发波动的空间分布特点。采用远程功能连接度结合滑动窗口方法,分析一组大样本(n=396)年轻成年人脑静息功能连接低频自发波动的可变性。首先采用36 s滑动窗,计算全脑动态连接时间序列;然后在每个窗口内,以半径为14 mm的球形邻域计算每个体素的远程连接度;最后引入低频振荡幅值(ALFF)指标,评估各体素连接度波动的大小。研究结果表明: 默认网络具有最小的波动性(ALFF=402.3±79.9),暗示该网络在稳定脑自发神经活动中起主要作用。与之对比,感觉运动网络相关连接波动呈现出最大的可变性(ALFF=551.2±74.7),可能与被试在无任务状态下不定期感知外界环境有关。首次揭示静息态认知网络与感觉运动网络在静息功能连接波动性方面存在显著差异(双样本t检验: t=-6.38, P<0.000 1),有助于进一步理解无任务状态下脑功能的动态组织方式, 并为研究神经心理疾病提供新的方法。 2017 Vol. 36 (1): 20-27 [摘要] ( 418 ) HTML (1 KB)  PDF (5692 KB)  ( 420 ) 28 基于Gabor小波和格兰杰因果的脑-肌电同步性分析 谢 平, 陈迎亚, 张园园, 邹 策, 陈晓玲, 张利泰 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2017.01.004 手部运动功能神经肌肉调节机制的研究在假肢控制、康复治疗和评价等方面具有重要意义。基于Gabor小波和格兰杰因果(WT-GC)实现皮层肌肉耦合(CMC)分析,并定义GC峰值频率和显著性面积指标,定量描述不同频段的脑-肌电耦合及信息流向特征。同步采集10名健康被试在10%和60%最大自主收缩力(MVC)下的脑电(EEG)与肌电(EMG)信号,运用脑-肌电同步性分析方法进行手部不同力量下的脑-肌电同步耦合特征分析。结果显示:与10%MVC相比,在60%MVC握力输出下,EEG→EMG和EMG→EEG方向GC峰值频率均向高频段转移;EEG→EMG方向上beta频段的GC显著性面积降低,并具有统计性差异(P<0.05)。研究结果验证,所提出方法能够有效刻画不同频段的皮层肌肉间能量耦合特征,可描述不同信息传递方向上的神经元同步振荡强度,也可揭示皮层肌肉运动系统通过调节神经元同步振荡强度、频段与流向来控制手部力量输出的神经机制,为探索手部运动控制与反馈信息解码提供了依据。 2017 Vol. 36 (1): 28-38 [摘要] ( 421 ) HTML (1 KB)  PDF (4927 KB)  ( 762 ) 39 脑电时间效应对情绪识别模型的影响及解决措施研究 刘 爽, 仝晶晶, 郭冬月, 柯余锋, 孟佳圆, 陈 龙, 许敏鹏, 綦宏志, 明 东 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2017.01.005 近年来,越来越多的研究者投入到基于脑电的情绪识别研究中。然而在实际应用中,建立高精确度的情绪识别模型仍面临巨大的挑战,其中一个难点就是如何剔除或降低脑电信号的时间效应,进而提高情绪识别模型的时间鲁棒性。拟通过增加情绪模型中训练样本的天数,降低时间效应对识别模型的影响。利用视频诱发被试的正性、中性、负性3种情绪状态,共9名被试参与实验,每名被试需在1个月内进行5次数据采集,每次采集的时间间隔分别是1天、3天、1周和2周。采集被试60导联的脑电信号,并提取6个频段的功率谱特征。在模式识别阶段,分类器的训练样本分别来自N天的样本(N=1,2,3,4),剩余(5-N)天的数据则作为测试样本,得到不同训练天数下的分类正确率。结果表明:脑电时间效应的确会影响情绪识别的正确率,当训练集与测试集中的样本来源于不同的两天时,识别率显著下降(P<0.01);随着训练集样本天数的增加,正确率提高,正确率与训练样本的天数呈正相关;当训练集中样本来源于2~4天时,相比于1天的情况,平均正确率的提高率分别为6.45%(P=0.006)、10.48%(P=0.000)、14.40%(P=0.000),即增加训练集中样本的来源天数,能显著降低时间效应对分类效果的影响。结果证实,脑电时间效应能显著降低情绪识别模型的识别正确率,增加训练样本的天数可降低时间效应对识别模型的影响,并提高情绪识别模型的时间鲁棒性,从而为情绪模型从理论研究走向应用提供技术支持与研究思路。 2017 Vol. 36 (1): 39-45 [摘要] ( 420 ) HTML (1 KB)  PDF (3069 KB)  ( 651 ) 46 基于脑电信号溯源分析的观看3D电视导致大脑疲劳研究 李 健, 陈国镇, 陈春晓 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2017.01.006 随着3D电视显示技术的普及,观看3D电视产生的大脑疲劳问题越来越受到关注。初步探讨长时间观看3D电视导致大脑疲劳的机理。采集20名受试者(男女比例1:1)分别连续观看1 h 3D或2D影片前后各5 min的脑电信号,并使用主观疲劳问卷量表评估被试观看前后的疲劳状况。利用希尔伯特变换的方法,分析脑电各通道信号之间的同步性,探讨脑电信号的空间特性,并对观看2D/3D电视前后脑电信号进行溯源分析。主观疲劳问卷量表评估发现,长时间观看3D电视大脑会出现显著疲劳症状(P<0.01)。脑电信号溯源分析发现,长时间观看2D/3D电视后大部分脑区各频段电流源密度有所减小,但统计结果无显著性差异(P>0.05)。然而,观看3D电视后,枕叶在β2频段电流源密度显著增强(P<0.01),且观看3D电视后枕叶显著增强部分与主观疲劳因子显著相关(P<0.01)。观看3D电视后与观看2D电视后相比,缘上回(BA40),枕叶(BA18,BA19)和中央后回(BA3)等与空间视觉信息处理相关区域在β1频段电流密度分布显著增强(P<0.05),处于相对较活跃状态。因此,研究结果可以推测,长时间观看2D/3D电视后大脑会出现疲劳症状,相比观看2D电视,观看3D电视会加大枕叶和缘上回等局部脑区的处理负担,这可能是长时间观看3D电视更容易产生脑疲劳的原因。 2017 Vol. 36 (1): 46-52 [摘要] ( 496 ) HTML (1 KB)  PDF (5738 KB)  ( 575 ) 53 恐惧记忆的形成对大鼠内侧前额叶皮层局部场电位的影响 张丙淑, 随 力, 黄思佳 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2017.01.007 根据大鼠恐惧记忆形成前后不同时间段局部场电位的变化特征,研究恐惧记忆的形成对内侧前额叶皮层局部场电位的影响。选取健康成年雄性SD大鼠8只,利用脑立体定位仪将微丝电极植入到大鼠的内侧前额叶皮层;手术恢复后1周,在清醒状态下,通过穿梭恐惧记忆训练诱导出大鼠的恐惧记忆。借助Cerebus神经信号记录系统,记录大鼠在清醒状态下恐惧记忆形成前和恐惧记忆形成后6 h及1、2、3、4、5、6 d的内侧前额叶皮层的局部场电位信号,并采用Neuroexplorer软件分析局部场电位信号。以功率谱密度和功率百分比参数为指标,对恐惧记忆形成前后的总功率和不同时间状态下的各频段(δ:1~3 Hz,θ:4~7 Hz,α:8~13 Hz,β:14~30 Hz,γ:31~100 Hz)功率百分比进行方差分析。实验结果显示,恐惧记忆形成后6 h,θ波和β波的功率百分比较恐惧记忆形成前具有显著性差异(P=0.017,P=0.017),θ波较恐惧记忆形成前功率百分比增加,β波较恐惧记忆形成前功率百分比降低;另外,恐惧记忆形成后第1、2 d,δ波的功率百分比较恐惧记忆形成前具有显著性差异(P=0.03,P=0.049),γ波的功率百分比较恐惧记忆形成前具有显著性差异(P=0.013,P=0.019)。研究表明,恐惧记忆的形成对内侧前额叶皮层神经信息处理的模式产生显著性的影响。 2017 Vol. 36 (1): 53-58 [摘要] ( 444 ) HTML (1 KB)  PDF (1465 KB)  ( 458 ) 59 吻合器作用下小肠组织细胞内外液变化研究 周 宇, 张 宽, 许晶晶, 任彬彬, 李博婷, 宋成利 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2017.01.008 明确胃肠组织在吻合器作用下的内部变化情况是吻合器工程参数优化的前提。改造直线型吻合器,嵌入检测电极;测量猪小肠在吻合器压榨作用下的多频生物阻抗,使用ColeY模型对测量结果拟合,模型参数G0、ΔG表征细胞外液、内液电导;改变垫片厚度,得到不同压榨强度下G0和ΔG的变化曲线。压榨过程分为两个阶段:第1个阶段,两个参数都迅速下降;第2个阶段,随着压榨强度的增加,G0始终保持减小趋势,ΔG由轻微波动变为轻微下降;当垫片厚度从0 mm增加至0.52 mm,ΔG和承受压强之间具有显著极相关性的样本数占总样本数的比例从40%上升至100%,而对于G0,这个比例始终为100%。结果表明:小肠在吻合器作用下,有部分组织被挤压出测量空间,引起参数迅速下降;而后,吻合器持续压榨组织,细胞外液持续排出,细胞内液在不同压榨强度下表现出不同趋势,可能和细胞的受压形变有关。该研究可为吻合器参数优化提供条件。 2017 Vol. 36 (1): 59-66 [摘要] ( 332 ) HTML (1 KB)  PDF (5443 KB)  ( 432 ) 67 基于3D打印细胞培养支架内部血管通道的模拟与构建 刘 翀, 徐铭恩, 王 玲, 宋江新 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2017.01.009 传统的三维支架细胞培养技术已能较好地实现细胞在培养过程中的空间排布,但是其结构仍不具有类血管网络的通道结构,尚不能完全模仿人体内部的细胞生长环境。在3D打印生物支架的基础上,借助强制结构优化方法,利用VS平台上的C++自编译软件,在三维生物支架STL模型内部构建出模拟的三维血管通路,生成新的三维生物支架STL模型,并利用3D生物打印机打印出实物。通过对打印支架的空隙和血管大小的统计分析以及与数字模型的参数对比分析得出,打印出的实物支架孔隙(孔隙间距、线宽)的平均值及打印血管(孔隙间距、线宽)的平均数据与对应数字模型的设定数据的误差均在5%以内,符合设计要求。另外,该研究可增加细胞培养支架内部液体的流通性,使支架结构进一步接近人体内环境,为模拟人体内液体循环对于细胞生长的影响提供可能。 2017 Vol. 36 (1): 67-74 [摘要] ( 441 ) HTML (1 KB)  PDF (5966 KB)  ( 781 ) 75 皮质骨试样制备及其材料参数识别方法研究 张冠军, 邓先攀, 杨 洁, 翟乃川, 邓小朋, 曹立波 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2017.01.010 有限元方法已经成为损伤生物力学研究的重要手段,准确的皮质骨材料本构参数对研究人体冲击损伤和人工骨骼等医学问题具有重要意义。基于长骨皮质骨的生理结构,提出批量制备高精度规则试样的加工方法,并开展准静态三点弯曲试验;采用基于梁理论和基于特定样本有限元模型优化反求两种方法,研究皮质骨材料的各向异性和区域差异,并通过线性回归分析建立两种识别方法所得材料参数的回归模型。制备横向和轴向试样各16个,所提出的试样制备方法能够保证试样间的尺寸偏差不超过4%,基于梁理论方法求得的新鲜牛股骨皮质骨轴向和横向试样的杨氏模量分别为(21.70±3.33) GPa和(14.47±2.10) GPa,极限应力分别为(249.21±38.83) MPa和(106.81±21.05) MPa,极限应变分别为1.95%±0.35%和1.06%±0.20%,与文献结果吻合。对利用优化方法和梁理论方法求得的杨氏模量、屈服应力和有效塑性应变进行线性回归分析,回归模型拟合精度分别为96.4%、98.7%和89.3%(P<0.05)。研究结果表明,所提出的试样制备方法能够高效地加工尺寸精度较高的规则试样,并良好地保持试样的生物力学特性。在皮质骨准静态三点弯曲试验中,基于特定样本有限元模型的材料参数反求方法能够识别更准确的材料本构参数,而基于梁理论识别参数的回归模型则能够快速准确地预测皮质骨的弹性模量、屈服应力和有效塑性应变。 2017 Vol. 36 (1): 75-82 [摘要] ( 403 ) HTML (1 KB)  PDF (5468 KB)  ( 649 ) 83 脊髓损伤的PLGA低温成形组织工程支架修复 史廷春, 周 陶, 孙芳芳, 王瑞艳, 安 晓 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2017.01.011 组织工程的迅速兴起给脊髓损伤后的神经功能恢复带来了新的希望,而三维结构组织工程支架成为用组织工程方法治疗脊髓损伤的关键因素。尝试采用PLGA低温成形支架修复脊髓损伤。采用PLGA作为生物支架材料,通过低温快速成形工艺制备脊髓支架,采用雪旺细胞进行细胞培养实验,选用30只SD大鼠分组进行支架修复脊髓损伤的动物实验,并对实验结果进行组织切片和染色表征。对支架的各项性能进行表征后,结果表明支架的平均孔隙率达到87.64%,具有良好的亲水性。支架降解速率表现出前期慢、后期加快的趋势,实验中支架在前16周表现良好的稳定性,从20周起逐步加快。各项性能能满足组织工程脊髓支架的要求。观察显示,雪旺细胞在PLGA支架上生长、增殖情况良好,支架细胞相容性良好,适合细胞黏附和生长。BBB评分显示,实验组大鼠截瘫情况从第4周起有好转迹象,受伤大鼠后肢观察到轻微活动迹象。不同切片染色观察结果表明,该组织工程支架对于脊髓损伤修复均有不同程度的促进,在阻碍胶质癜痕生成、促进神经纤维及髓鞘愈合方面取得不同程度的效果。观察表明,该方法能够在脊髓损伤修复中取得实质性的治疗效果。 2017 Vol. 36 (1): 83-91 [摘要] ( 379 ) HTML (1 KB)  PDF (24420 KB)  ( 246 )        综述 92 Freehand三维超声体数据重建的最新研究进展 范阳阳, 倪 倩, 温铁祥, 辜 嘉, 王 磊, 谢耀钦, 刘金根 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2017.01.012 Freehand三维超声成像系统因其扫描方式自由、能提供更大的成像视角和更高的图像分辨率等优点,比较符合医生习惯和手术室环境,成为近年来超声影像引导介入手术的主要研究方向。Freehand三维超声从一系列不规则的二维B超图像入手,重构器脏结构的三维体数据,并进行三维渲染显示。体数据重建是Freehand三维超声成像系统的关键技术,对提高重建图像质量有着重要的作用。对Freehand三维超声体数据的重建算法进行归纳和分类,比较分析其中的典型算法,最后对Freehand三维超声体数据重建算法的研究状况和未来的发展方向进行展望。 2017 Vol. 36 (1): 92-102 [摘要] ( 725 ) HTML (1 KB)  PDF (2824 KB)  ( 1216 ) 103 细胞外基质材料在骨组织工程中的研究进展 张 迟, 李 梅, 赵基源 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2017.01.013 由疾病、外部创伤等原因引起的大骨骼缺损的治疗需要通过骨移植手术,寻找安全易得的替代骨已经成为临床上的重要课题,近年来快速发展的组织工程骨为解决这一难题提供了一种新的途径。支架材料作为组织工程的核心要素,其表面性状、结构,机械性能和生物学性能均能调控细胞的各种生命活动和体内组织的修复再生。细胞外基质由于其天然性、低免疫排斥性和优异的生物相容性等特点,已被广泛用作再生医学的支架材料。通过回顾近些年来细胞外基质材料在骨组织工程中的应用,阐述多种细胞外基质材料的构建修饰方法及其体外、体内的生物学效应,并对其在骨再生领域的应用前景进行展望。 2017 Vol. 36 (1): 103-108 [摘要] ( 396 ) HTML (1 KB)  PDF (769 KB)  ( 460 )        简讯 109 面向心电信号去噪的正交小波构造方法 朱俊江, 张远辉 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2017.01.014 为更好地去除心电信号的肌电干扰,设计出专门用于心电信号处理的正交小波(心电小波)。首先,为满足正交性要求,对小波滤波器系数进行参数化设计;其次,用参数化的小波滤波器系数逼近QRS模板并构造出目标函数,在此基础上以消失距作为约束条件得到优化模型;最后,采用拉格朗日乘子法对模型进行求解。从光滑性、与心电信号的相似性、重构误差以及频响特性等方面,对构造出的小波性能进行评估,结果表明,相对于db和sym系列的小波,心电小波可以获得更好的综合性能。当将该算法用于MIT-BIH数据库中的心电信号去噪时,能够抑制加性噪声的干扰,使信噪比提高10.32dB。根据应用对象设计正交小波的方法,为其他专用小波设计提供新思路。 2017 Vol. 36 (1): 109-113 [摘要] ( 342 ) HTML (1 KB)  PDF (1303 KB)  ( 585 ) 114 心电信号小波去噪的改进算法研究 郑敏敏, 高小榕, 谢海鹤 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2017.01.015 对心电信号(ECG)中的基线漂移、工频干扰和肌电干扰等噪声进行去除,在波形识别、医疗诊断和治疗等领域具有重要意义。提出用sym5小波函数对心电信号进行8层小波分解。根据有用信号强度在每一层平均分配而噪声强度随分解层数增加而减少的规律,将分解得到的每一层的小波细节系数设置不同的阈值,最后用所提出的新阈值函数进行小波阈值去噪。该阈值函数既能克服硬阈值函数在阈值附近不连续的缺点,又可弥补软阈值函数与原函数之间存在固定差值的不足。以MIT-BIH心电数据库中的101号文件作为原始数据,将整个数据文件进行平均分段,每段有1 200个数据点,对每段数据进行加噪仿真分析,结果表明所提出的去噪算法得到的去噪信号信噪比比硬阈值函数和软阈值函数分别提高2.31%和8.04%,从而证明所提算法的有效性。 2017 Vol. 36 (1): 114-118 [摘要] ( 497 ) HTML (1 KB)  PDF (1026 KB)  ( 1119 ) 119 一种适用于正电子断层图像去噪研究的简易图像模拟方法 赵 杰, 唐鹤云, 陈志成, 李致贤, 任子晖 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2017.01.016 正电子断层成像作为一种先进的成像技术,广泛地应用于临床诊疗和医学研究。正电子断层成像设备昂贵,成像药物具有放射性,所以相关图像处理研究大多以电脑模拟生成的正电子断层图像作为研究对象。目前比较常见的正电子断层图像模拟方法主要是基于蒙地卡罗法,使用GATE或者SimSET来得到模拟图像。这些模拟方法较为复杂,整个模拟过程也需要花费大量的时间。为此提出一种PET图像模拟方法,通过对比模拟图像与真实图像经小波去噪处理后的结果,进而论证模拟方法的有效性。该模拟方法基于Matlab平台,以实际物理模型的数码照片作为蓝本,通过拉登变换并加入强度为5的泊松噪声,最终得到模拟PET图像。在小波去噪的处理中,选择图像的SNR、CR、FWHM等指标进行对比。对比结果表明,经过小波去噪处理后的模拟图像与真实图像在SNR与FWHM两个指标中具有相同的变化趋势,在CR指标中,图像变化率误差小于10%。实验结果证明,该模拟方法是合理有效的。 2017 Vol. 36 (1): 119-123 [摘要] ( 353 ) HTML (1 KB)  PDF (6022 KB)  ( 367 ) 124 荧光免疫试条读数仪量程调节方法研究 高跃明, 黄弘舟, 林传阳, 韦孟宇, 杜 民, 潘少恒 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2017.01.017 随着荧光免疫层析技术朝着高灵敏度、宽检测范围的方向发展,对配套荧光免疫试条读数仪的检测要求也随之提高。通过研究荧光产生机理,建立调节量程的理论模型并提出一种提高荧光免疫试条读数仪检测上限和检测灵敏度的方法。设计数控恒流源调整光源的激发光强,实现对试条荧光信号的控制,从而调节荧光免疫试条读数仪检测量程。实验表明,该方法使荧光免疫试条读数仪具备更宽的试条浓度检测范围,有效提高其检测上限与检测灵敏度。实验以C-反应蛋白(CRP)作为待测物质,结果表明荧光免疫试条读数仪检测上限较调整前提高4倍,检测灵敏度提高1倍,在20～210 μg/mL浓度范围内检测结果的线性拟合优度R2>0.99,与ESE的Quant分析仪在相同检测范围内的准确度一致性较好。 2017 Vol. 36 (1): 124-125 [摘要] ( 342 ) HTML (1 KB)  PDF (863 KB)  ( 346 )

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