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2021年 40卷 3期 刊出日期：2021-06-20 论著 综述 简讯 目录        目录 0 目录 2021 Vol. 40 (3): 0-0 [摘要] ( 99 ) HTML (1 KB)  PDF (281 KB)  ( 28 )        论著 257 不同意识状态对音乐感知的差异性:基于音乐特征与脑电张量分解的研究 梅戬, 王小宇, 刘杨, 李景琦, 刘克洪, 杨勇, 丛丰裕 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.03.01 研究不同意识水平对音乐感知的差异性,探索不同意识水平与音乐感知之间的关系。被试共43名,其中7名正常意识被试、17名微意识状态(MCS)被试和19名植物状态(VS)被试。获取3种不同意识水平被试在聆听传统民乐《茉莉花》时的脑电,利用基于层次交替最小二乘法(HALS)非负张量分解,对被试在听音乐时产生的脑电提取张量成分,对这些成分做功率谱比率分析和脑地形图分析;在此基础上,对音乐包含的5种信息学特征的EEG响应进行研究,包括中心化波动值(fluctuation centroid)、波动熵(fluctuation entropy)、音阶清晰值(key clarity)、 脉冲清晰值(pulse clarity)和调值(mode)。结果表明:1)正常意识被试、MCS被试和VS被试对5种音乐特征的脑电响应在节律上存在显著差异,正常意识被试的 alpha 波占比高于MCS和VS被试,其中:fluctuation centroid,正常意识被试、MCS被试和VS被试分别为0.687±0.193、0.033±0.022、0.063±0.040(P<0.001);fluctuation entropy,正常意识被试、MCS被试和VS被试分别为0.588±0.132、0.041±0.025、0.085±0.077(P<0.001);key clarity,正常意识被试、MCS被试和VS被试分别为0.668±0.295、0.096±0.103、0.057±0.065(P<0.001);pulse clarity,正常意识被试、MCS被试和VS被试分别为0.672±0.064、0.144±0.242、0.044±0.044(P<0.001);mode,正常意识被试、MCS被试和VS被试分别为0.432±0.273、0.057±0.049、0.033±0.026(P<0.001)。除mode特征外,beta波与alpha波体现相同的统计特征(P<0.05)。2) MCS和VS被试对音乐特征的响应在节律上没有差异,均以delta波和theta波的慢波为主。3)在响应激活区域上,正常意识被试对5种音乐特征的响应主要分布于前额叶,MCS和VS被试的响应主要分布在颞叶。研究表明,不同意识水平对大脑加工音乐特征有影响,这为音乐感知与意识关系探索提供新的模型和研究范式。 2021 Vol. 40 (3): 257-265 [摘要] ( 327 ) HTML (1 KB)  PDF (1824 KB)  ( 413 ) 266 联合脑电信号与虚拟技术的大脑情绪状态的半球不对称性研究 蓝文威, 陈晨, 张金, 张家琦, 黎峰, 高军峰 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.03.02 为区分大脑的情绪状态以及研究在不同情绪状态下的大脑半球不对称性,征选20名健康视听无障碍的受试作为实验对象,联合虚拟现实(VR)技术和脑电(EEG)监测,在不同的VR影片刺激下,采集受试脑电信号,提取各频段的平均功率谱密度,并计算大脑半球不对称性的参考指数,对比在不同情绪状态下各频段与各脑区下的参考指数。结果显示,相较于中性情绪,积极情绪与消极情绪在额区的半球不对称性指数均偏小,但在alpha频段,额区出现积极(0.130±0.227)、中性(0.058±0.240)、消极(0.006±0.130)依次递减的指数趋势,表明积极情绪下左侧额区更加活跃,且积极情绪与消极情绪两组间有具显著差异(P<0.05);而在其他频段中,额区的半球不对称性指数较为平均。此结果可为不同情绪的区分提供新思路,也为脑功能疾病以及心理疾病的判断和治疗提供新方法。 2021 Vol. 40 (3): 266-271 [摘要] ( 277 ) HTML (1 KB)  PDF (6770 KB)  ( 275 ) 272 高特质焦虑个体执行控制功能及其脑网络研究 季淑梅, 步鑫鑫, 荀兴苗, 苏新乐, 许全盛 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.03.03 利用行为学及复杂网络分析方法,探讨高特质焦虑(HTA)个体执行控制功能及其脑功能网络特点。以16名HTA个体为研究对象、16名低特质焦虑(LTA)个体为对照,进行Simon空间认知冲突任务,同步记录行为数据(反应时间及正确率)及 64导脑电(EEG)信号。对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整体属性参数及节点属性参数。利用方差分析方法,对两组被试的行为数据及脑网络属性参数进行统计学分析,结果显示, HTA组被试的冲突反应时间显著长于LTA组(641.29±72.11 vs 602.10±61.47, P< 0.05)、反应正确率显著低于LTA组(90.73±2.14 vs 95.62±1.52, P< 0.05),表明其认知冲突反应的效率降低、执行控制功能下降。对beta节律脑网络的分析显示:HTA组被试其额顶叶各节点的节点度值均显著小于LTA组(P< 0.05),聚类系数(0.5341±0.0813 vs 0.6243±0.0527)及全局效率(0.0142±0.0037 vs 0.0185±0.0023)均显著小于LTA组(P< 0.05),而特征路径长度显著大于LTA组(1.8057±0.0036 vs 1.4380±0.0117, P< 0.05);高gamma节律脑网络的各属性参数结果与beta节律相似。以上结果表明HTA个体冲突监控、冲突解决等执行控制能力下降, 其机制不仅与额顶执行控制网络功能受损有关,也与脑网络的整合功能及信息传输能力减弱有关。额顶执行控制网络功能受损、执行控制能力下降可能是HTA个体稳定、固有的特征。 2021 Vol. 40 (3): 272-279 [摘要] ( 298 ) HTML (1 KB)  PDF (5978 KB)  ( 261 ) 280 基于偶极子特征优化的情绪重评同步EEG-fMRI源定位研究 张蔚, 姜忠义, 李文杰, 邹凌 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.03.04 为研究情绪重评时的大脑皮层源活动,针对情绪重评实验范式下采集的15例健康人同步EEG-fMRI数据,首先提出一种新颖的基于偶极子特征优化的融合源定位方法:根据fMRI加权最小范数估计源定位结果,采用20 ms EEG滑动时间窗,提取每个时窗内的偶极子空间融合特征,将其作为动态融合先验进行加权最小范数估计溯源;随后将该结果与fMRI加权最小范数估计源定位结果进行情绪重评机制上的对比;最后采用样本熵进行脑电源复杂度分析。实验结果表明,该方法可以在高时间和空间分辨率下,有效地追踪情绪重评任务下大脑皮层上的脑电源动态并识别出相关脑区。情绪重评过程中,随着后枕顶叶晚期正电位的出现,显著活跃脑区从左顶叶下部、右侧额中回下部、左侧脑岛转移到右侧颞上回和左外侧枕叶,最后在晚期正电位慢波阶段激活了右侧梭状回、右侧额中回下部和右侧扣带回峡部(P<0.05)。通过脑电源样本熵的计算,提取出被试在接受不同情绪刺激后1500 ms内的显著脑区(P<0.05):情绪响应的活跃脑区为左外侧枕叶(负性:0.688±0.124,中性:0.590±0.126);情绪重评的活跃脑区为右侧额中回下部(负性重评:0.814±0.114,负性:0.736±0.123);情绪重评的抑制脑区为右侧颞上回(负性:0.642±0.152,负性重评:0.546±0.090)。这些结果为情绪重评相关的皮层脑电源定位研究提供了脑区参考。 2021 Vol. 40 (3): 280-290 [摘要] ( 235 ) HTML (1 KB)  PDF (6525 KB)  ( 310 ) 291 基于改进U-Net网络的内窥镜图像烟雾净化算法 林金朝, 蒋媚秋, 庞宇, 王慧倩 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.03.05 在微创手术中,电灼、激光烧蚀等操作产生的烟雾严重影响图像质量,遮挡医生视野,增加手术风险,同时也降低计算机辅助手术算法(如分割、三维重建、跟踪等)的性能,因此需要实时去除烟雾,以保持清晰的视野。提出一种基于改进U-Net网络的烟雾净化算法:为了保留更多图像细节,在U-Net网络编码器部分加入经过拉普拉斯金字塔变换的烟雾内窥镜图像;为了提升网络性能,在U-Net网络解码器部分加入CBAM注意力机制模块。以英国汉姆林(Hamlyn)中心提供的腹腔镜图像为原始数据集(训练图像15 000张,合成烟雾测试图像1 000张,真实包含雾气的测试图像129张),采用Blender软件模拟手术过程中烟雾出现的各种情况,对腹腔镜图像加入烟雾,得到合成烟雾图像,再送入模型进行训练,并进行5折交叉验证。在合成数据集上的综合测试结果如下:结构相似性指标SSIM为0.98,峰值性噪比PSNR为31.05。这两项指标说明,经过烟雾净化的图像与原图非常相似,有助于手术中还原人体内部的真实视野。模型平均运行速度为90.91 fps,在浓雾和淡雾数据集上比物理方法和以对抗神经网络为基础的各种方法效果更好。所提出的方法可以在烟雾数据集稀缺的场景为内窥镜烟雾净化算法提供高质量的解决方案,有助于医生得到清晰、开阔的手术视野。 2021 Vol. 40 (3): 291-300 [摘要] ( 450 ) HTML (1 KB)  PDF (10645 KB)  ( 312 ) 301 基于深度神经网络的冠脉造影图像的血管狭窄自动定位及分类预测 丛超, 肖朝晖, 陈文俊, 王毅 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.03.06 提出一套基于深度神经网络与监督学习的算法,用于对冠状动脉图像中的血管狭窄特征进行自动检测和分类。主要利用冠脉造影定量分析(QCA)作为标签进行监督学习,将冠脉狭窄的严重程度分为正常(<25%狭窄分数)、狭窄(>25%狭窄)类别,并实现图像中的狭窄定位检测。利用inception模型作为基础分类器,对图像级狭窄进行初步分类;随后结合多层次池化结构,对多视角造影图像进行联合预测,以获取左动脉/右动脉/患者级狭窄预测。在分类器的基础上进一步提取特征,分别利用监督学习/非监督学习模型,实现图像中的狭窄定位。在235例临床研究共计13 744张图像上,用所述方法进行训练及交叉验证。结果表明,在图像级狭窄分类上,该算法可以达到85%的准确率和0.91的AUC分数;在多视图联合预测实验中,针对左/右/患者级的狭窄进行分类预测,分别达到0.94/0.90/0.96的灵敏度与0.87/0.88/0.86的AUC分数。在狭窄定位实验中,针对左/右动脉狭窄检测的灵敏度分别为0.70/0.68;在512像素×512像素的图像中,均方误差分别为37.6/39.3像素。实验证明,该算法可实现从图像到病人的辅助诊断预测潜力,具有较高的精确度;不仅能提供冠脉造影过程中的初步筛选能力,而且为更精确和自动化的计算机辅助诊断奠定基础。 2021 Vol. 40 (3): 301-309 [摘要] ( 373 ) HTML (1 KB)  PDF (11078 KB)  ( 292 ) 310 基于XGBoost方法的大肠杆菌-NC膜复合电极阻抗模型研究 徐莹, 陈扬孜, 刘哲, 孙乐圣, 姜扬, 郭淼 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.03.07 将机器学习方法用于分析大批量大肠杆菌菌液浓度以及临界低阈值抗生素抑菌效果评价。采用XGBoost机器学习算法,构建金电极上大肠杆菌-NC膜贴附模型,用于检测不同浓度大肠杆菌的电化学阻抗谱。在此基础上,分析不同浓度抗生素硫酸阿米卡星作用于标准浓度大肠杆菌所对应的阻抗谱变化。根据Randles等效电路,使用ZView软件拟合阻抗曲线得到所对应的7个电化学参数,通过主成分分析法,依据选取信息量前90%的原则,提取Rs、CPE-P、CPE-T、R1等4个参数作为XGBoost预测模型输入,分别以菌液浓度、抗生素浓度为预测值,建立大肠杆菌菌液浓度预测模型和抗生素浓度预测模型。两组实验预测结果均与实际结果吻合,菌液预测浓度平均均方根误差(RMSE)为2.18×10-3 lg CFU/mL,每组样本预测浓度最大上下限差值在1.49×107 CFU/mL之内;抗生素预测浓度平均均方根误差(RMSE)为7.45×10-3 μL/mL,回归精度达0.01 μL/mL,实现了大肠杆菌浓度及抗生素含量快速准确预测。因此,基于XGBoost的大肠杆菌-NC膜阻抗模型可定量分析菌液浓度以及临界低阈值抗生素抑菌效果评价,从而可对电极表面的微量蛋白质和细菌等生物膜贴附后造成的长时程阻抗变化进行定量检测评估,在食品安全领域电化快速检测中具有较大的应用价值。 2021 Vol. 40 (3): 310-320 [摘要] ( 176 ) HTML (1 KB)  PDF (7700 KB)  ( 89 ) 321 电针治疗膝骨性关节炎患者上下楼梯的三维有限元分析 许海飞, 赵改平, 杨加静, 王芗斌, 许世雄 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.03.08 针对电针治疗膝骨性关节炎患者上下楼梯运动生物力学特性改变进行有限元仿真研究,对比分析膝关节生物力学行为改变与电针治疗疗效的相关性。基于CT和MRI图像数据,结合Mimics和Geomagic医学图像处理软件,建立人体膝关节下楼梯屈曲15°和上楼梯屈曲50°时的三维有限元模型,模型包括股骨、胫骨、腓骨、内外侧半月板、股骨软骨、内外侧胫骨软骨结构等。通过临床力学实验,测取电针治疗前后膝关节所受支反力、力矩,并施加于所建立的有限元模型,对比分析治疗前后半月板及关节软骨的应力分布情况。膝骨性关节炎在电针治疗后,内外侧半月板、股骨软骨、内外侧胫骨软骨的应力均得到不同程度的恢复,与治疗前相比,下楼梯屈曲15°时最大应力值分别减小0.543、0.236、0.194、0.239和0.327 MPa,上楼梯屈曲50°时分别减少0.253、0.31、0.227、0.112和0.122 MPa,软骨的应力峰值趋向于正常值,应力分布范围也更接近于正常膝关节,且关节内侧软骨及半月板比外侧受到的负荷大,软骨应力比更接近于正常值,这与临床上内侧型膝骨性关节炎患者多于外侧型患者的现象相符合,从而证明电针治疗可影响膝关节中力的传递,使病变膝关节的应力吸收能力得到改善和提高。电针治疗膝骨性关节炎能有效改善关节软骨的压应力,使关节内力平衡得到恢复,延缓关节软骨退变,促进关节软骨的修复;电针治疗下膝关节生物力学特性的研究,可为膝关节临床治疗和评价提供理论依据。 2021 Vol. 40 (3): 321-329 [摘要] ( 254 ) HTML (1 KB)  PDF (9681 KB)  ( 79 )        综述 330 微针介导的浅表肿瘤治疗研究进展 宋高, 刘天琦, 张雪雅, 童再再, 江国华 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.03.09 作为一种新兴的给药方式,微针透皮给药具有微创无痛、安全高效、使用方便及改善患者依从性等优点。在浅表肿瘤治疗中,微针可以有效刺穿皮肤角质层,将负载的药物高效传递并富集于肿瘤部位,从而避免肝脏首过效应,防止胃肠道副作用,可极大地提高药物的利用率。在相同剂量下,相对于静脉注射给药及肿瘤内注射给药,微针透皮给药表现出更好的治疗效果。综述近年来微针结合化学疗法、光热疗法、光动力疗法、基因疗法、免疫疗法等在浅表肿瘤治疗中的研究进展,对于未来开创微创、局部精准给药、高效开展浅表肿瘤治疗具有指导意义。 2021 Vol. 40 (3): 330-343 [摘要] ( 208 ) HTML (1 KB)  PDF (8744 KB)  ( 457 ) 344 基于磁分离技术的生物传感器研究进展 李杜娟, 冯硕, 樊凯, 刘红英, 王高峰, 苏畅 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.03.10 为应对疫情、食源性疾病爆发,实现疾病的早期诊断,人们期待具有快速、灵敏、特异性好的生物传感器技术能够在生物医学检测领域发挥更大的作用。磁分离技术是一种利用磁珠表面修饰物与分离目标发生亲和反应以完成目标分离的分子生物学分离技术,能够对待测标靶实现高效分离、富集。采用磁分离技术与不同检测手段结合的生物传感器设计方法,是提高复杂背景下生物传感器灵敏度的关键。从纳米磁珠、磁分离方法、基于磁分离技术的生物传感器设计方法以及磁分离在不同检测目标中的挑战几个方面,回顾该领域的研究进展。研究实例证明,基于磁分离技术的生物传感器在生物医学检测领域具有重要作用。最后分析不同磁分离技术的特点,以及基于磁分离技术的生物传感器面临的困难和挑战,并指出医学检测用生物传感器的研究趋势和方向。 2021 Vol. 40 (3): 344-353 [摘要] ( 255 ) HTML (1 KB)  PDF (2202 KB)  ( 522 ) 354 基于扩散磁共振的脑组织微结构成像研究综述 徐永红, 丁玲 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.03.11 微结构成像是为了改善传统扩散磁共振成像的一些缺点而发展的一种新技术。微结构成像范式旨在建立组织结构特性与体素级磁共振信号相联系的模型,以此来估计并绘制微结构属性。目前该技术正在实现从实验室研究到临床应用研究的转变。首先介绍扩散磁共振成像并分析传统技术存在的主要问题,然后阐述微结构成像原理;随后,对受阻与受限制复合扩散模型、神经突起方向离散度与密度成像等微结构成像中常用的多隔室模型研究现状展开综述,包括模型组成、模型优化和临床应用等方面,重点在于深度学习算法应用于微结构成像参数拟合的研究现状。最后,对微结构成像技术发展趋势进行展望。 2021 Vol. 40 (3): 354-363 [摘要] ( 327 ) HTML (1 KB)  PDF (1766 KB)  ( 568 ) 364 深部脑刺激的逆向激活效应及其研究进展 伊国胜, 焦立峰, 王江, 魏熙乐 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.03.12 深部脑刺激(DBS)是目前治疗运动障碍疾病的一种有效手段,也是探索神经回路功能的一个常用工具。尽管DBS的临床疗效已经得到了充分证实,但因其作用机制尚不完全清楚,限制了该技术的进一步研发、优化与应用。电生理实验和建模仿真研究显示,DBS优先激活电极附近的轴突和突触前末梢,所产生的轴突放电通过引起逆向激活、顺向激活和神经递质释放,进而刺激靶细胞的胞体和树突以及靶细胞的上游和下游核团。靶向核团内部纤维的复杂分枝结构使得逆向激活成为DBS影响脑内多个解剖区域的一个重要细胞机制。特别地,逆向激活可以用来理解刺激诱发的多种微观、介观和宏观效应。首先归纳总结了DBS在细胞层次的基本作用规律,重点介绍了刺激的逆向激活效应,然后综述了近年来关于逆向激活模式的研究成果,并在此基础上讨论了逆向激活对理解DBS效应的重要意义,最后对逆向激活研究进行了展望。 2021 Vol. 40 (3): 364-374 [摘要] ( 272 ) HTML (1 KB)  PDF (1762 KB)  ( 279 )        简讯 375 基于计算机视觉的液滴图像拼接与识别算法研究 张嘉文, 董晓斌, 苗桂君, 邱宪波 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.03.13 液滴微流控技术是近来年生物医学领域新兴的生化分析手段,要提高其检测的灵敏度和特异性,对微流控芯片中的目标液滴实现高通量、高精度检测与计数具有重要的研究意义。提出一种低复杂度、低成本、高灵敏度的基于计算机视觉的荧光液滴图像与明场液滴图像拼接与识别方法,可以实现对扩增后的液滴芯片扫描拍照后的拼接,并且通过轮廓检测以及轮廓筛选,对拼接后的图像进行准确的液滴识别。实验表明,该算法对荧光和非荧光液滴的识别率均达到99.2%以上,与较高复杂度的基于分水岭分割法相比更加简单可靠,可达到与分水岭算法相同的识别正确率,具有一定优越性,能在高通量液滴检测领域得到较好的应用。 2021 Vol. 40 (3): 375-379 [摘要] ( 390 ) HTML (1 KB)  PDF (7510 KB)  ( 151 ) 380 基于隐马尔可夫模型的全外显子测序拷贝数变异检测算法研究 刘妮, 刘晗, 赵阿曼, 徐凡丁, 刘文宇, 段君博 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2021.03.14 拷贝数变异(CNV)是基因组变异的一种非平衡结构变异,与癌症等许多复杂疾病相关。目前,基于隐马尔可夫模型(HMM)的CNV检测算法已经成为基因检测研究中的一大热点,但是对于这些基于HMM的CNV检测工具并没有进行过系统的比较,导致在应用时选择困难。选取5种具有代表性的基于HMM的CNV检测工具:ExomeDepth、ExomeCopy、XHMM、ADTex和CANOES,分别使用仿真和真实的全外显子组测序数据进行检测,选择真阳性率(TPR)、假发现率(FDR)、运行时间等作为评价指标,对不同覆盖深度、CNV密度等情况下算法的性能进行评估。结果表明:随着覆盖深度的增加,5种工具的TPR上升、FDR下降;CNV密度的变化也会影响CNV检测工具的TPR。此外,ExomeDepth对于真实数据的检测精度明显高于其他算法,是无特殊需求时的首选算法。在相同条件下,ExomeCopy运行速度最快,XHMM速度最慢。根据实验结果,对不同应用场景推荐合适的CNV检测算法,可帮助研究人员根据自身项目情况选择合适的CNV检测工具,也有助于在临床上的应用。 2021 Vol. 40 (3): 380-384 [摘要] ( 322 ) HTML (1 KB)  PDF (1949 KB)  ( 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