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2020年 39卷 2期 刊出日期：2020-04-20 论著 综述 简讯 目录        目录 128 目录 2020 Vol. 39 (2): 128-128 [摘要] ( 165 ) HTML (1 KB)  PDF (256 KB)  ( 57 )        论著 129 基于Faster-RCNN的肺结节检测算法 宋尚玲, 杨阳, 李夏, 冯浩 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2020.02.01 针对目前的肺结节检测中存在的个体差异、同病异影、同影异病的问题,提出一种大样本条件下的基于Faster-RCNN的肺结节检测算法,对比研究目前的深度学习模型的适应性,给出一种通用的随着样本数量增加肺结节检测率持续提升的策略。首先搭建深度学习的软硬件环境,设置影像数据接口与Faster-RCNN的网络接口匹配;然后搭建Faster-RCNN的单类分类网络,并对网络结构的参数进行调整优化;最后用包含2 000例病人的肺结节数据集,通过不同的卷积神经网络模型 (包括ZF和VGG),计算CT图像在各自模型中的特征。对测试结果进行分析评估,分别统计其漏检率、检测准确率,并探讨不同训练数量和数据增广类型对最终检测准确率的影响。最终ZF模型的检测准确率为90.82%,准确率的波动方差为13.30%;VGG模型的检测准确率为87.02%,准确率的波动方差为37.10%。ZF模型的波动方差小,检测精确度高,综合考虑,ZF模型对肺结节的检测效果优于VGG模型的检出效果。所提出的肺结节检测技术具有良好的理论价值和工程应用价值。 2020 Vol. 39 (2): 129-136 [摘要] ( 552 ) HTML (1 KB)  PDF (3315 KB)  ( 506 ) 137 并行任务干扰下的ERP-BCI自适应拮抗方法研究 黄奕皓, 陈玉倩, 綦宏志 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2020.02.02 利用事件相关电位(ERP)特征解码使用者思维活动的脑-机接口(BCI)是一种经典的脑-机接口范式,但近期研究发现,人脑在使用BCI的同时如果还进行其他的思维活动,会影响ERP特征信噪比,进而降低ERP-BCI识别率。针对这一问题,建立一种采用动态停止策略自适应调整刺激重复率来保持识别性能的ERP-BCI干扰拮抗方法。采用工作记忆n-back任务,构建与ERP-BCI操作并行的思维干扰任务,使用在无干扰条件下的ERP数据,建立判别模型和动态停止算法,在不同负荷任务干扰下进行ERP-BCI的在线操作。10名被试参与ERP-BCI的在线操作实验。实验结果表明,建立干扰拮抗方法可以在干扰下获得和无干扰情况无显著差异的字符识别率(平均识别率达到95%),为建立高鲁棒性的ERP-BCI提供一定的技术基础。 2020 Vol. 39 (2): 137-144 [摘要] ( 336 ) HTML (1 KB)  PDF (2622 KB)  ( 355 ) 145 大学生焦虑人群情绪冲突反应的脑功能网络研究 季淑梅, 苏新乐, 荀兴苗, 步鑫鑫, 许全盛 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2020.02.03 利用基于图论的复杂网络分析方法,对脑网络的拓扑结构和属性进行分析, 探讨大学生焦虑人群情绪冲突反应的脑功能网络特点。选取焦虑组和正常对照组各16名志愿者,进行情绪词-面孔stroop冲突任务,同步记录 64导脑电(EEG)数据。分别对beta(14～30 Hz)和高gamma(50～80 Hz)节律的EEG数据进行同步似然分析,选择合适阈值构建脑网络拓扑结构,并计算网络的节点度和聚类系数。结果显示,在 beta 和高gamma 节律中,焦虑组额叶、颞叶及顶叶等脑区存在异常连接,额叶和顶叶的节点度均小于正常组的数值(P <0.05),而颞叶的节点度均高于正常组的数值(P <0.05)(如在beta节律,焦虑组额叶FP1、顶叶CP1和颞叶T7电极处的节点度分别是5.21±0.62、6.25±0.53、7.91±0.71,而正常组的节点度分别为10.42±1.53、7.94±0.55、3.55±0.36),表明焦虑人群额顶叶功能减弱而颞叶功能异常增强;焦虑组脑网络的聚类系数低于正常组的值(P <0.05)(焦虑组 beta 和高gamma 节律的聚类系数分别是0.523 8±0.039 2、0.586 4±0.055 8,而正常组分别为0.603 2±0.071 1、0.664 7±0.060 1),表明焦虑人群的脑网络内部集团化程度、网络的信息传输能力下降。通过研究,为探索焦虑症、抑郁症等心理、精神类疾病的神经机制提供新的视角。 2020 Vol. 39 (2): 145-151 [摘要] ( 478 ) HTML (1 KB)  PDF (6396 KB)  ( 347 ) 152 一种结合传统示波法与新型k-means算法的血压判定方法 华斌, 陈玉婷, 吕青普 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2020.02.04 提高血压测量准确度是预防高血压的重要途径。针对示波法仅由经验确定一组比例系数使血压测量不准的问题,提出一种多方法结合的血压判定方法。将前处理后的包络特征通过分类模型匹配一组最适用的比例系数,再采用示波法估计血压。分类模型离线训练,首先利用新型k-means算法对包络唯一聚类,然后各类包络分别采用梯度下降法获取一组最优比例系数,最终由多类包络的质心向量与比例系数构成分类模型。利用33例对象做对比实验,对比水银法,测量值的相关系数可达0.91,且准确度符合AAMI-SP10及ESH的一级标准要求;另以ESH为中间标准对比传统示波法,5 mmHg偏差内达标量的平均增长率为10.5%,10 mmHg偏差内达标量的平均增长率为6.8%。这说明,所提出的方法不仅准确性良好,而且较传统示波法具有一定优越性。 2020 Vol. 39 (2): 152-159 [摘要] ( 410 ) HTML (1 KB)  PDF (2760 KB)  ( 363 ) 160 虚拟现实沉浸式视觉体验引起脑疲劳的脑电信号分析 王磊, 张天恒, 郭苗苗, 徐桂芝 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2020.02.05 虚拟现实可以提供用户关于视、听、体等感官的模拟体验,使其产生沉浸感。随着虚拟现实的迅速普及,佩戴虚拟现实设备引起的脑疲劳问题受到广泛关注。选取16名健康受试者,同步采集观看相同题材传统平面及虚拟现实视频时的脑电信号。首先采用主观问卷对被试者的脑疲劳程度进行分析,使用判断疲劳标准的视屏终端综合症的主观问卷(VDT)和主观疲劳状态量表(SPFS)之后,对比分析两种观看方式引起脑电信号中α、β、θ和δ各波段相对能量以及疲劳因子R值和重心频率的变化差异。结果发现:在VDT主观问卷和SPFS主观量表中,被试观看虚拟视频后的平均分值为0.44±0.22和3.28±1.03,相比观看传统平面视频后的平均分值0.31±0.20和2.26±0.98有显著性增加(P<0.05);在脑电信号的分析中,观看虚拟现实视频后,T3电极位置的α波段相对能量显著减少(观看前后分别为0.249±0.007和0.234±0.005,P<0.05),δ波段相对能量显著性增加(观看前后分别为0.295±0.012和0.314±0.007, P<0.05),重心频率显著性降低(观看前后分别为(7.545±0.950)Hz和(3.717±0.398)Hz, P<0.05),并且这些参数的变化趋势与观看传统平面视频后的参数变化显著不同,呈现出相反的变化趋势;观看虚拟现实视频过程中,脑电信号中的α波段和β波段变化明显,左右后颞叶区和顶叶区到枕叶区中的α波相对能量随时间变化波动下降,β波相对能量随时间先增加后减少,有显著性差异(P<0.05)。相比观看传统平面视频,观看虚拟现实视频更容易从主观感受上产生脑疲劳,脑电信号中特征频段的节律活动变化可以为客观评估虚拟现实引起的脑疲劳提供理论依据。 2020 Vol. 39 (2): 160-169 [摘要] ( 580 ) HTML (1 KB)  PDF (4712 KB)  ( 571 ) 170 基于心磁信号的电流密度分析方法研究 艾海明, Primin Mykhailo, 米旺, 吴红金 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2020.02.06 电流密度向量分析是心磁图仪临床应用中的关键诊断技术,其重构与分类效果将直接影响心脏疾病筛查的准确度。研究一种电流密度分析方法,包括电流密度重构逆向算法,并提出一种电流密度自动分类新算法。将该电流密度分析方法应用于27例健康志愿者和75例心肌缺血患者的临床验证:首先,使用四通道心磁图仪SQUID传感器采集36个测量点位心磁信号源数据,采用标准Ⅱ导联心电数据同步化心磁信号源数据;其次,应用基于傅里叶变换的逆向求解算法,重构每例受试者电流密度分布,自动计算3项电流密度分类参数CDI、IPCD、ERT,并通过多元线性回归模型确定自动分类算法中健康组和心肌缺血组的线性判别函数;最后,借助基于KL熵值计算和线性判别函数的自动分类新算法,对重构后的电流密度进行自动分类。结果表明:健康组与心肌缺血组间3项分类参数CDI、IPCD、ERT显著性差异分别为2.0×10-11、2.7×10-5和3.0×10-4;CDI、IPCD、ERT诊断心肌缺血的敏感性分别为73%、81%和60%,特异性分别为100%、65%和73%;自动分类结果的敏感性、真阳性率、特异性、假阳性率和真阴性率分别为89.33%、100%、100%、0%和76.47%。实验说明,所述电流密度分析方法可靠、准确度高,可用于临床心肌缺血诊断。 2020 Vol. 39 (2): 170-179 [摘要] ( 427 ) HTML (1 KB)  PDF (7035 KB)  ( 272 ) 180 从CT数据到带纤维走向的全心脏有限元模型的建立 钱力, 王建飞, 金炼, 宋彪, 黄彦淇, 朱红蕾, 鄢盛杰, 邬小玫 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2020.02.07 心脏计算机模型是研究生理/病理心脏功能及心律失常治疗方法的有力工具,心脏有限元解剖模型是构建各种心脏模型的基础。从病人的临床影像数据建立个性化的心脏有限元模型,可为临床诊断治疗提供极大便利。研究一种由人体胸腔CT影像数据建立全心脏有限元模型的方法,具体步骤包括:基于胸腔CT影像,通过MIMICS建立心脏解剖面片模型;根据HyperMesh修复面片模型,得到心脏实体有限元模型。由于心肌纤维走向与心脏的电/机械活动密切相关,在从影像数据重建心脏解剖结构之后,又特别研究心肌纤维走向确定方法。首先,利用规则库方法(rule-based approach)确定心室肌纤维走向;之后,在使用规则库方法的基础上,利用结构张量分析(structure tensor analysis)进行平滑滤波,得到心房肌纤维走向。为验证心肌纤维走向的正确性,分析使用该方法计算得到的巴克曼束、左心房后部、左上心房后部、房间沟等几个典型部位处心肌纤维方向与X轴的夹角,分别为4.97°±4.84°(均值±标准差)、111.99°±3.72°、178.89°±3.73°、86.48°±4.01°,符合文献报道的心肌纤维走向的观测结果。所提出的方法可从心脏影像数据构建包含心肌纤维走向的心脏有限元模型,为各类心脏建模仿真研究打下基础。 2020 Vol. 39 (2): 180-189 [摘要] ( 356 ) HTML (1 KB)  PDF (7405 KB)  ( 420 ) 190 基于有限元法对足跟痛在推离期的生物力学研究 章浩伟, 陈亮, 杨俊彦, 刘颖, 郑拥军 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2020.02.08 基于有限元法对推离期下足跟痛的发病和康复机理进行研究。采集一位足跟痛患者的CT和MRI图像用于三维重建,利用Geomagic软件对得到的模型表面优化,再通过Hypermesh软件对模型进行有限元前处理,最后将得到的下肢有限元模型导入到Abaqus中分析计算,与足底压力板测试结果对比验证模型的有效性,并根据计算结果分析小腿三头肌力的变化对足踝步态推离期生物力学行为特性的影响。结果表明,小腿三头肌肌肉力从550 N增大到1 100 N的过程中,第一趾骨区的峰值压力增大了32.8%,跖骨区的峰值压力增大了14.3%;第一根足底筋膜的应力高达4.69 MPa;跟腱与跟骨连接处和跟骨结节部位的应力峰值分别为28.36和32.79 MPa。由此可见,小腿三头肌挛缩和推离期的绞盘效应会导致足底筋膜过度拉伸,引起跟骨结节处的应力水平提高,使得足部生物力学环境发生变化,从而诱发足底筋膜炎,导致足跟痛。缓解小腿三头肌挛缩、减小肌肉力、避免足底筋膜过度拉伸及降低附着点处的应力水平以恢复足部正常生物力学环境,是治疗足跟痛的主要康复机理。 2020 Vol. 39 (2): 190-196 [摘要] ( 428 ) HTML (1 KB)  PDF (4386 KB)  ( 349 ) 197 基于光学相干层析的生物3D打印人工皮肤量化分析 胡杰, 王玲, 徐铭恩, 王中昆 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2020.02.09 对人工皮肤3D特征的无损定量检测分析,是研究皮肤打印和诱导培养技术须解决的关键问题。利用谱域光学相干层析成像(SD-OCT),对生物3D打印人工皮肤进行无损成像和量化分析。基于光学相干层析成像(OCT)强度信号的自适应峰值检测算法,量化皮肤3D厚度分布和粗糙度变化,通过计算不同位置的皮肤整体厚度及其波动,定量可视化皮肤的空间分辨结构特征。OCT成像人工皮肤的结构特征与切片的苏木精伊红(H&E)染色结果一致,两者实测皮肤整体厚度差异最大为3.59 μm,可验证该方法的可行性和准确性。通过SD-OCT对人工皮肤在培养周期内的持续检测,2D人工皮肤厚度分布检测可以展示皮肤在不同培养时间的厚度增长曲线,而3D空间分辨厚度分布图和表面粗糙图谱能更直观地显示皮肤生长状态。量化统计结果表明,在气液培养过程中,人工皮肤的整体平均厚度不断增长并趋于稳定,皮肤成熟时整体平均厚度为83.91 μm;皮肤表面粗糙度随角质化程度变化先减后增。基于OCT强度信号量化分析的方法能真实有效反映生物3D打印人工皮肤的结构参数变化,可为人工皮肤制备过程中的质量评估提供一种可靠的监测手段。 2020 Vol. 39 (2): 197-205 [摘要] ( 317 ) HTML (1 KB)  PDF (4921 KB)  ( 307 ) 206 利用同轴3D打印技术构建促内皮细胞生长类血管组织工程支架 张一帆, 徐铭恩, 王玲, 张翮 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2020.02.10 体外构建血管网络对组织工程领域厚组织与器官再生至关重要。利用同轴3D打印技术,以海藻酸钠/丝素蛋白为生物墨水,可快速制备含人脐静脉内皮细胞(HUVECs)的类血管组织工程支架。首先通过材料压缩模量和可打印性测试,优化适用于同轴系统的材料浓度;然后通过光学相干层析成像技术,研究打印参数对中空纤维丝形状的影响,优化同轴打印参数;结合模拟灌流实验,对支架内部类血管结构进行表征;最后通过细胞活、死染色和Alamar Blue法,检测支架中HUVECs生长情况。结果表明,经优化的生物墨水及打印参数能顺利制备具有内部联通性完整的类血管组织工程支架;HUVECs在体外培养时存在团聚生长现象,类血管通道的存在有利于维持组织整体活性,一周存活率在97%以上,且相比对照组能够维持较高的增殖速率。研究证明,利用同轴3D打印技术能成功构建促内皮细胞生长的类血管组织工程支架,可为厚组织及器官再生提供新的可能。 2020 Vol. 39 (2): 206-214 [摘要] ( 475 ) HTML (1 KB)  PDF (13562 KB)  ( 236 )        综述 215 基于深度学习的头皮脑电信息解码研究进展 刘政, 何峰, 汤佳贝, 万柏坤, 明东 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2020.02.11 头皮脑电(EEG)拥有毫秒级时间分辨力,可实时获取大脑意念认知、思维决策的神经电生理信息。EEG已广泛用于脑成像研究,并成为21世纪神经科学与工程研究开发的重要工具之一。但受颅内组织容积导电效应的影响,使其信噪比与空间分辨率较差,信息解码严重受阻。随着本世纪深度学习(DL)的快速兴起与深入发展,研究者开始尝试将深度学习与脑科学研究相结合,探究深度学习应用于脑电数据处理的新方法,并已取得瞩目的阶段性成果,但采用现有方法进行EEG信息解码仍面临诸多急需解决的难题。结合近些年深度学习在EEG数据处理领域的研究和应用,综合论述目前主流DNN模型结构在EEG信息解码领域的研究现状及进展成果,分析归纳其潜力优势与瓶颈难题及未来趋势,以促进深度学习解码脑电信息的研究更深入有效发展。 2020 Vol. 39 (2): 215-228 [摘要] ( 583 ) HTML (1 KB)  PDF (6408 KB)  ( 1347 ) 229 超分辨显微成像中荧光单分子定位算法的研究进展 林婉妮, 金璐红, 许迎科 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2020.02.12 超分辨显微成像技术的发展,可为生物医学的研究提供前所未有的机会。基于单分子定位的超分辨显微成像技术由于其相对简单的硬件结构,在生物医学领域的应用较为广泛。单分子定位的超分辨成像巧妙利用荧光发光的特点,针对少量离散的随机发光的荧光分子进行成像,再通过拟合分析实现单分子的高精度空间定位。在这一过程中,荧光单分子的定位算法及图像处理速度显得尤其关键。对单分子定位成像算法的基本原理进行阐述,包括模型和估计器的选择以及重建结果的评估等内容。同时针对拟合方法和功能的不同,对10余种算法进行分类和比较,并选取具有代表性的算法展开讨论和分析,希望对未来开展相关研究提供一定的参考。 2020 Vol. 39 (2): 229-237 [摘要] ( 581 ) HTML (1 KB)  PDF (5651 KB)  ( 746 ) 238 基于心脏电影磁共振图像的左心肌分割新进展 王慧, 王丽嘉 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2020.02.13 左心肌分割不仅可计算左心室体积,还可计算心肌质量、追踪心肌运动、重建心脏等,可用于临床评估心脏功能,对心肌梗死、心肌肥大等心脏疾病的诊疗具有重要的意义。心脏电影磁共振图像时空分辨率高,被广泛应用于左心肌分割及功能评价。然而,左心肌外部毗邻灰度相近的组织,内部有可能与小梁肌、乳头肌等相连,给左心肌分割带来不小的难度,大量研究者一直致力于左心肌分割算法的研究。全面回顾基于心脏电影磁共振图像的左心肌分割方法,首先对传统的左心肌分割方法及其优缺点进行归纳比较,然后重点讨论包括光流法、深度学习在内的新的左心肌分割方法,最后简单介绍左心肌分割方法的常用评估标准。从目前来看,基于深度学习的左心肌分割方法精度高、速度快,将会是今后一段时间内研究者密切关注的相关方法,但深度学习中仍需解决海量数据需求和超参数确定等问题。 2020 Vol. 39 (2): 238-246 [摘要] ( 408 ) HTML (1 KB)  PDF (3304 KB)  ( 490 )        简讯 247 基于力矩感知的多指精准抓握协调控制研究 刘孟杰, 魏娜, 李可 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2020.02.14 探讨不同手指组合和多指抓取不同质心的抓握装置过程中手指力量的控制。选取30名健康受试者使用3种手指组合进行抓握:一是拇指与食指双指抓握,二是拇指、食指和中指三指抓握,三是拇指、食指、中指和无名指四指抓握。随机在抓握装置底座的中部、近端、远端、尺侧、桡侧各增加一额定砝码,产生不同方向的偏转力矩,改变抓握装置的重心位置,使用六维力-力矩传感器记录各手指的力与力矩。以握力的均值(mean)、标准差(SD)与平均功率频率(MPF)为参数,分析抓握过程中抓握力的大小变化。结果表明,仅双指抓握时抓握力的MN与SD存在显著性差异(p<0.05),而在三指抓握与四指抓握时没有发现显著性差异(P>0.05)。当额定砝码位于远端时,双指抓握的拇指与食指的抓握力的MN和SD均显著大于砝码位于其他位置时的数值(P<0.05),这表明手部运动控制对于左右方向上的扰动相比前后向上的扰动有更高的鲁棒性。另外,在所有实验中,拇指抓握力的MN显著大于其他手指的值(P<0.05),且SD与MPF显著小于其他手指的值(P<0.05)。结果表明,拇指在抓握过程中主要起稳定作用,其他手指有更强的灵活性,主要起调控作用。该研究为功能性的多指抓握过程中手指力的控制能力的量化评估提供新的思路。 2020 Vol. 39 (2): 247-251 [摘要] ( 380 ) HTML (1 KB)  PDF (1011 KB)  ( 413 ) 252 低温等离子消融致细胞及蛋白裂解机制的实验研究 胡晓静, 余厉阳, 顾运茹, 应南娇, 赵伟杰, 郝珠珠, 潘松, 杨勇 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2020.02.15 低温等离子消融过程细胞、蛋白裂解机制还没有完全被阐明,为此以标准蛋白质溶液和培养细胞为实验材料,应用SDS-PAGE电泳以及流式细胞仪,结合PI荧光染色的方法,对低温等离子手术系统消融过程中等离子产生的电学参数(电场强度、脉冲频率、脉宽等)与细胞和蛋白裂解机制进行实验研究。结果表明:低温等离子对蛋白质起到打断成小分子量片段的作用,呈现电压越高、作用时间越久,打断成的小分子量片段越多的趋势;同时等离子破坏生物组织细胞的细胞膜结构,造成细胞裂解、死亡,且电压越高、作用时间越久,死亡组织细胞比例越高,从11.0%增加至21.3%,细胞裂解越多。低温等离子手术系统刀头产生的高能等离子体撞击细胞及蛋白质,使细胞膜裂解致细胞死亡,蛋白质被打断成小分子量片段,细胞及蛋白裂解程度与电场强度、脉冲频率、脉宽等电学参数相关。 2020 Vol. 39 (2): 252-256 [摘要] ( 391 ) HTML (1 KB)  PDF (4706 KB)  ( 387 )

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