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2021年 40卷 1期 刊出日期：2021-02-20 论著 综述 简讯 目录        目录 0 目录 2021 Vol. 40 (1): 0-0 [摘要] ( 174 ) HTML (1 KB)  PDF (244 KB)  ( 313 )        论著 1 基于CNN和频率切片小波变换的T波形态分类 谢佳静, 魏守水, 江兴娥, 王春元, 崔怀杰, 刘澄玉 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.01.01 心电实时监控是心血管疾病防治的重要手段。心电图中T波的变化是心肌缺血和心脏猝死等疾病的重要表征,T波形态自动识别是心电远程监控中一个重要问题。由于实时监护用心电的强噪声背景影响,传统的T波特征提取与分类算法遭遇瓶颈。提出一种结合切片频率小波变换和卷积神经网络的T波形态识别算法,包括:自动定位R波波峰位置与T波终点位置,从而确定一个包含有T波的片段;对该片段做频率切片小波变换,将生成的时频图像输入卷积神经网络,完成T波的形态分类。频率切片小波变换将信号转换到时频域上,呈现心电信号的时频能量分布特征;卷积神经网络的隐含层通过对时频图像进行3次卷积、激活与池化,完成时频图像的3次特征提取,这些特征具有平移、缩放不变性。使用欧盟ST-T数据库中的12 830个片段,采用3折交叉验证法来训练和测试卷积神经网络模型,最终使基于心拍的分类准确率达到97.34%,F1测度达到96.97%;基于样本实验的分类准确率为84.80%,F1测度为83.30%。模型在QT数据库测试的分类准确率为87.83%,F1测度为85.38%,泛化性能良好。对比其他T波分类算法(如决策树、支持向量机等),基于心拍实验的分类准确率提高1%～5%。研究结果证明,针对6类形态T波进行分类设计的算法不仅在分类准确率上有所提升,在鲁棒性和泛化性能方面也表现良好。另外,算法模型也适用于其他多种生理信号的分析,在医学图像分析领域也有一定的指导意义。 2021 Vol. 40 (1): 1-11 [摘要] ( 637 ) HTML (1 KB)  PDF (6098 KB)  ( 695 ) 12 基于Mask R-CNN的超声图像中胎儿头围测量方法 李宗桂, 张俊华, 梅礼晔 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.01.02 胎儿头围是产前超声检查中评价胎儿生长发育最重要的生物特征之一,但手工测量耗时费力且存在操作者的误差。对此,根据超声图像中胎儿头部接近椭圆形状的特征,提出头围测量损失函数。在Mask R-CNN的分割分支后,利用ElliFit算法对分割掩膜进行椭圆拟合,用Ramanujan公式计算拟合椭圆周长作为头围测量值,将头围真实值和测量值的均方误差作为头围测量损失函数加入原损失函数,使模型训练过程与测量任务紧密相关。对190幅胎儿头部超声图像进行测试, Dice系数为96.89% ± 1.01%,测量误差为(0.33±1.54) mm,平均处理一幅超声图像的时间为0.33 s。与传统手工测量方法或原模型相比,所提出的方法在速度上提高1.13~16.87 s,在精度上提高0.21~1.68 mm。结果表明,改进的Mask R-CNN可以提高医生测量胎儿头围的效率,能够满足临床需求。 2021 Vol. 40 (1): 12-18 [摘要] ( 427 ) HTML (1 KB)  PDF (7081 KB)  ( 237 ) 19 基于多目标优化约束独立成分分析方法的fMRI数据分析研究 石玉虎, 曾卫明, 邓金, 王倪传 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.01.03 约束独立成分分析(CICA)通过加入先验信息,可极大地提高独立成分分析(ICA)的盲源信号分析性能,但还存在先验信息难以获取、先验信息约束条件阈值参数难以选择以及先验信息难以被有效利用等问题,需要进一步研究和解决。在多目标优化框架的基础上,建立一种同时融合时空先验信息的CICA模型,可有效规避CICA中阈值参数选择的问题。此外,提出一种从多被试fMRI数据中提取本真先验信息来指导fMRI组分析的自适应挖掘算法,从而为CICA获取先验信息提供一种新途径。最后,利用10例模拟数据、5例任务态和23例静息态fMRI数据,验证所提方法的有效性。结果表明:基于多目标优化的CICA(MOPCICA)获得的时空源信号总体上优于ICA、包含时间信息的CICA(CICA-tR)和包含空间信息的CICA(CICA-sR)(P<0.05)(如在模拟数据中,对应的空间AUC和时间相关系数分别0.75±0.05、0.62±0.02、0.72±0.03、0.71±0.06和0.81±0.13、0.67±0.04、0.74±0.09、0.77±0.13),而空间独立性则优于CICA-tR和CICA-sR(P<0.05)(如在任务态数据中,对应的峭度和负熵分别为69.20±23.36、17.60±13.22、36.71±13.43和0.031 2±0.007 7、0.003 7±0.002 1、0.018 4±0.004 5),从而说明它具有更好的源信号恢复性能。同时,在静息态数据中利用fMRI本真先验信息,MOPCICA获得的组成分与每个被试相应成分之间的相关系数平均高于ICA、基于牛顿迭代法的CICA(CICA-nR)和基于不动点迭代法的CICA(CICA-fR)(P<0.05)(分别为0.46±0.08、0.44±0.08、0.45±0.08和0.44±0.08),从而更能代表组中被试的共性。研究表明,所提出的方法对fMRI脑功能连通性检测具有重要意义。 2021 Vol. 40 (1): 19-32 [摘要] ( 397 ) HTML (1 KB)  PDF (20062 KB)  ( 100 ) 33 神经反馈提升注意及SSVEP脑机接口使用技能 孙劲男, 张山根, 高小榕 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.01.04 过去20年中,神经工程领域在神经信号的解码(如脑机接口等)和神经调控(如电磁刺激和神经反馈)两大分支上都取得巨大的进步,然而注意的内在机制和行为表现之间的关系依然值得深入探究。通过执行不同难度的快速序列视觉呈现任务,采集得到包含被试者不同注意程度的脑电数据(30例被试),并使用有向信息传递函数进行分析,进而整理得到注意状态的网络信息特征。随后参考这些特征,设计神经反馈训练方法,以提高注意力及稳态视觉诱发电位脑机接口的使用技能。导联间连接强度分析结果表明,在视觉任务中,前额叶、顶叶和枕叶构成联合处理网络系统。在该网络系统中,顶叶起到中心控制的作用,alpha波振荡参与了注意的调制过程。设计上调顶叶的alpha频带能量的神经反馈训练,并发现该方法可以有效调节注意相关的控制网络,从而提高注意力,增强SSVEP脑机接口的使用技能表现。以信噪比、准确率和信息传输率等指标来衡量脑机接口的使用技能,发现实验组(24人)经神经反馈训练后各项指标均有显著性提升(P<0.05)。其中,训练前后的信噪比分别为 (-15.23±5.91)dB和(-14.72±4.83)dB,训练前后的准确率分别为78.93%±0.14%和83.65%±0.14%,训练前后的信息传输率分别为103.21±28.49和 119.35±25.14。然而,未经训练的对照组(22人)则没有明显变化。注意测试的结果也进一步表明,该训练方法能通过提高顶叶的注意相关的控制能力来提高注意程度,进而提高稳态视觉诱发电位脑机接口的使用技能表现。提出一种有效的神经调节方法,也有助于解释顶叶在脑控制网络中的作用。 2021 Vol. 40 (1): 33-43 [摘要] ( 538 ) HTML (1 KB)  PDF (4600 KB)  ( 789 ) 44 恐惧和悲伤情绪认知重评过程中的脑电活动差异 魏玲, 李颖洁, 姚旭峰 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.01.05 恐惧和悲伤情绪的调节具有不同的神经基础,通过分析这两种情绪调节过程中事件相关电位的差异,探索其电生理机制。采集21名正常受试者对恐惧和悲伤情景图片进行自然注视和认知重评任务时的头皮脑电信号,选取4个感兴趣区域(左额中央区、右额中央区、左顶中央区、右顶中央区),分析刺激后500~5 000 ms时间范围内(500 ms为一个时间窗,共9个时间窗)两种情绪刺激诱发得到的事件相关电位晚成分(LPP)的幅值差异。统计分析采用重复测量方差分析方法,组内因素为时间(9个水平)、区域(4个水平)、任务条件(2个水平:自然注视和认知重评)以及情绪(2个水平:恐惧和悲伤)。结果发现,在刺激后500~1 000 ms,在右顶中央区,恐惧刺激诱发的LPP显著高于悲伤刺激诱发的LPP(P<0.05), 自然注视时为(8.815±1.153)μV vs(5.834±1.317)μV,认知重评时为(7.094±1.036)μV vs(6.643±1.158)μV。在刺激后1 500~2 500 ms各时间窗,悲伤刺激的认知重评显著增强额中央区活动(P<0.05), 其中刺激后1 500~2 000 ms的结果为(10.100±2.205)μV vs(2.515±1.676)μV;刺激后2 500~4 000 ms各时间窗,任务条件具有主效应,恐惧和悲伤刺激的调节都能显著提高左侧额中央的LPP幅值(P<0.05), 其中刺激后2 500~3 000 ms的结果恐惧为(2.957±1.767)μV vs(1.899±2.969)μV , 悲伤为(7.957±2.305)μV vs(-0.051±2.018)μV。结果表明,恐惧和悲伤刺激的调节具有不同的时间过程,且左侧额中央区域在情绪调节过程中具有重要作用。 2021 Vol. 40 (1): 44-52 [摘要] ( 397 ) HTML (1 KB)  PDF (4184 KB)  ( 530 ) 53 基于非负CP分解模型的边界规避任务中脑电特征提取方法研究 付荣荣, 于宝, 孙洁娣 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.01.06 通过建立“碗-球”模型,执行有视觉引导的边界规避任务,以提高受试者的脑电唤醒度。在与“碗-球”模型交互过程中,采集10名健康被试关于左、右手两类运动任务的脑电数据,通过对脑电的优化特征进行分类,以实现对运动意图的解码。基于边界规避任务诱发的脑电信号进行8~13 Hz带通滤波,获得特定频带的数据,通过连续小波变换获取脑电的频率分量,生成脑电张量。采用非负CP分解模型提取脑电张量的时间组分特征,再用二维主成分分析优化特征,利用支持向量机(SVM)实现特征分类, 并与采用共空间模式(CSP)和SVM的特征提取及特征分类方法进行比较。所有被试的结果显示:CP分解的通用最佳组分数为16,基于非负CP分解模型特征提取方法,利用SVM分类的准确率为95.5%±3.0%,AUC 值为0.978 2±0.012 1,分类结果优于CSP+SVM的分类准确率(93.7%±3.1%),通过t检验来检验分类结果的判别分数,分类结果具有95％的置信度(P<0.05)。基于非负CP分解模型提取特征进行运动意图分类,能够反映出边界规避任务中不同状态的差异,提高分类的性能。 2021 Vol. 40 (1): 53-59 [摘要] ( 359 ) HTML (1 KB)  PDF (1827 KB)  ( 304 ) 60 基于非线性时空动力学的意识障碍患者脑电图研究 雷灵, 杨勇, 侯娜, 刘克洪, 吴莉, 程琪琪, 董腾飞, 胡晓华 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.01.07 目前,意识障碍患者的意识恢复过程仍然不是很清楚。大多数相关研究采用组间比较方法,而意识恢复不仅是一个动态过程,而且会涉及不同脑区间的相互作用。因此,阐明意识恢复机制需要从时间和空间两个维度对大脑活动进行跟踪。利用脑电图的时空分辨率优势,跟踪41例意识障碍患者,共采集161例脑电信号。之后,比较不同意识恢复阶段患者脑电信号的非线性动力学参数,包括近似熵(ApEn)、样本熵(SampEn)和Lempel-Ziv复杂度(LZC)。在时间维度上,在患者意识恢复期间,全脑非线性动力学参数表现出非单调变化模式(LZC:0.299±0.053,0.295±0.060,0.279±0.049,0.302±0.053,0.307±0.069,0.326±0.049,0.334±0.046;P<0.05),且当患者从植物状态恢复到最小意识状态时,所有参数都出现拐点。在空间维度上,随着意识恢复,损伤区和非损伤区的非线性动力学参数也呈非单调变化模式,且不同脑区的非单调变化模式呈非同步。在脱离最小意识状态时,两区域差异呈极显著(损伤区 vs非损伤区:ApEn为0.608±0.042 vs 0.63±0.030,LZC为0.317±0.054 vs 0.351±0.039,SampEn为0.581±0.058 vs 0.615±0.043;P<0.01)。意识恢复过程在时间维度上呈非单调变化模式,在空间维度上呈非同步变化模式。这一发现有助于进一步阐明意识恢复机制,并且对临床上治疗意识障碍患者提供理论依据。 2021 Vol. 40 (1): 60-70 [摘要] ( 460 ) HTML (1 KB)  PDF (4245 KB)  ( 332 ) 71 基于SE-CapsNet的肺结节良恶性诊断研究 叶枫, 王路遥, 洪卫, 丁国军, 车镓荣 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.01.08 在过去的几年中,肺癌是癌症相关死亡的主要原因。提出一种针对低剂量计算机断层扫描(CT)影像精细化预处理条件下的SE-CapsNet分类方法,解决传统肺结节诊断方法中分类精度低、假阳性高等问题。改进胶囊神经网络分类算法:对最新Hinton的胶囊神经网络进行改进,引入新的非线性激活向量,避免全局向量压缩;采用特征重标定的方法,在特征通道层面进行模型优化。在标定的感兴趣区域,利用自动阈值法对CT影像进行预处理,并在中心结节处进行样本采样,获得预处理结果数据样本。选用内含1 010个病例的公开数据集LIDC-IDRI和某医院30个脱敏肿瘤患者病例,评估改进的SE-CapsNet算法,评价指标包括准确性、敏感性和特异性。在LIDC-IDRI数据集与医院数据集中,SE-CapsNet算法的平均准确率分别达到95.83%和94.67%,优于基于CapsNet分类算法的平均准确率。此外,在分类算法的耗时方面也具有明显优势,改进的胶囊网络能够更快地收敛,得到稳定的结果。 2021 Vol. 40 (1): 71-80 [摘要] ( 382 ) HTML (1 KB)  PDF (5813 KB)  ( 355 ) 81 7.0 T高场磁共振磁敏感倍增成像效应研究 朱裕荣, 高云钰, 韩继钧, 王佳佳, 辛学刚 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.01.09 磁敏感性可以看作是物质的一种固有属性,不同的组织由于成分与结构的差异,磁敏感性往往各不相同,有效地利用磁化率的差异可为组织结构与功能提供额外的信息。基于这种新的成像对比机制,磁敏感加权成像技术(SWI)诞生。研究发现,在一定的条件下,由于磁敏感性差异的存在,特定组织在MR成像过程中会出现“成像倍增”,这种现象被称为磁敏感倍增成像效应。作为SWI技术的研究基础,全面准确地评估磁敏感倍增成像效应对SWI技术在临床上的进一步应用有重要意义。开展磁敏感倍增成像效应的相关研究,结合计算机模拟与体外实验,以像素数量及倍增因子为评估指标,建立磁化率、回波时间及物理大小与磁敏感倍增成像效应之间的量化关系。计算机模拟实验结果显示,磁化率、回波时间与磁敏感倍增成像效应呈正相关,在实验范围内,幅值与相位得到的倍增因子最高可达37,而在半径为0.5 voxel的圆柱模型中,SWI数据得到的倍增因子最高可达51;体外实验结果显示,0.3和0.46mm为直径的圆柱模型的倍增因子最高分别为13.25以及10.75,模型半径越小,磁敏感倍增成像效应越明显。研究结果对于SWI成像技术的发展以及疾病的早期发现有重要的参考价值。 2021 Vol. 40 (1): 81-90 [摘要] ( 393 ) HTML (1 KB)  PDF (4802 KB)  ( 295 )        综述 91 类脑智能研究热点及趋势 刘洁, 吴慧 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.01.10 类脑智能是受大脑神经运行机制和认知行为机制启发,以计算建模为手段,通过软硬件协同实现的机器智能,具备信息处理机制上类脑、认知行为表现上类人、智能水平上达到或超越人的特点,近年来受到了各国关注。以“类脑智能”为主题,对Web of Science数据库中2010—2019年的相关文献进行检索,利用CiteSpace软件进行可视化分析,分析类脑智能研究的发文趋势、代表文献、研究热点及前沿,并对类脑智能领域的研究热点和研究前沿进行阐述和展望。 2021 Vol. 40 (1): 91-98 [摘要] ( 767 ) HTML (1 KB)  PDF (3639 KB)  ( 1069 ) 99 舌下微循环显微影像监测及其应用研究进展 蒋升, 李佩伦, 宁钢民 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.01.11 微循环病变是导致组织低灌注的关键环节,对微循环进行监测在重症疾病中非常重要。舌体富含微血管,其中舌下微循环呈现网状结构,一定程度上反映活体组织微循环状态,是进行临床微循环监测和活体动物微循环检测的理想和重要部位。综述舌下微循环显微影像监测的设备、指标体系、应用情况。首先,综述监测设备,包括设备组成、探头采用的光学技术种类、主机采用的图像处理算法、探头的固定形式;其次,归纳舌下微循环显微影像监测的指标体系,包括灌注质量指标、血管密度指标、灌注不均一性指标;然后,举例说明临床和实验应用情况,包括利用舌下微循环显微影像技术开展临床上疾病与微循环关联性的研究、药物与微循环关联性研究以及脏器微循环间的关联性研究。最后总结临床诊治和研究的意义,并对技术改进与发展、应用方向拓展进行展望。 2021 Vol. 40 (1): 99-106 [摘要] ( 681 ) HTML (1 KB)  PDF (4503 KB)  ( 833 ) 107 呼气分析技术及其在临床诊断中的应用研究进展 朱星卓, 赵董步甲, 郑懿烜, 宁炫, 苑昊, 吴春生 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.01.12 呼气分析技术是一种通过检测呼出气体中特征性成分的变化,从而为临床诊断提供辅助信息的检查方法。与传统方法相比,该技术具有无创伤、简捷、易实现等优点,在疾病的早期诊断与筛查过程中具有巨大潜力,但在临床医学实际应用中尚存在一些问题亟待解决。阐述呼气分析技术中呼气采集、检测方法以及在疾病诊断中的应用等三方面内容,对国内外呼吸诊断技术的发展和应用进行讨论,并对该技术目前存在的局限性和应用前景进行评述。 2021 Vol. 40 (1): 107-117 [摘要] ( 676 ) HTML (1 KB)  PDF (834 KB)  ( 1232 ) 118 脱细胞技术在组织工程血管中的应用进展 成津, 王聪, 谷涌泉 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.01.13 将天然血管经过脱细胞处理得到的脱细胞血管,被认为是一种具有广阔应用前景的组织工程血管支架材料。截至目前,细胞外基质(ECM)支架的制备方法仍缺乏统一标准。脱细胞方法的选择取决于组织来源和基质支架的用途,尤其对于脱细胞血管等需要长期承受血流冲击的基质支架材料来说,脱细胞方案的选择至关重要。细胞清除效率和细胞外基质支架的性能很大程度上取决于选用的脱细胞方法。综述应用于血管的脱细胞方法,包括物理、化学、酶和血清等方法在脱细胞血管制备中的使用,并比较不同脱细胞方法的脱细胞效率和对血管基质的组织结构、力学性能和生物活性等方面的影响,阐明合理制订脱细胞方案的重要性。 2021 Vol. 40 (1): 118-123 [摘要] ( 849 ) HTML (1 KB)  PDF (755 KB)  ( 930 )        简讯 124 激光消融生物软组织热效应的数值模拟和实验研究 刘珂舟, 欧泽世, 许科帝, 白瑞良 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.01.14 针对激光消融中的关键参数(功率、时间、流速)与消融参数(长短轴和体积)之间的关系进行研究,进行离体组织热效应定量分析,为激光消融手术设备及临床应用提供理论依据及方法指导。选取新鲜猪肝,采用激光生成器(980 nm)和水冷设备,在不同输出功率(0.5、3.0、5.0、7.0、10.0、12.0、15.0 W)和不同时间(0～200 s)下进行消融,确定最佳的消融功率范围和安全消融边界。之后重复消融过程使用功率(10.0、12.0、15.0 W)和不同的时间(1、2、3 min),根据消融组织的冷冻切片,通过k邻近算法量化图像信息,并利用Origin软件进行拟合,定量研究输出功率、时间与热损伤区域长短轴和体积之间的关系。结果表明,激光消融的核心温度提升迅速,对于消融范围的控制能力强。图像分割算法对消融结果图有良好的量化效果,可有效获取消融的长短轴数据。建立长轴、短轴和体积关于激光器功率和消融时间的数学模型,验证所建立的数学模型能通过激光器功率和消融时间有效估计有效消融体积,模型平均误差率在4%～10%,消融体积精度为0.2 cm。研究结果可以为激光消融在临床治疗和激光器性能验证上提供参考。 2021 Vol. 40 (1): 124-128 [摘要] ( 497 ) HTML (1 KB)  PDF (2586 KB)  ( 359 )

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