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2022年 41卷 5期 刊出日期：2022-10-20 论著 综述 简讯 目录        目录 0 目录 2022 Vol. 41 (5): 0-0 [摘要] ( 88 ) HTML (1 KB)  PDF (251 KB)  ( 212 )        论著 513 基于多模态磁共振图像特征选择的脑胶质瘤分割 成娟, 张楚雅, 刘羽, 李畅, 朱智勤, 陈勋 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2022.05.001 脑胶质瘤分割通常需要将肿瘤区域细分为多个不同性质的子区域,往往需要使用多种不同模态的磁共振(MR)图像。近年来,基于深度学习的脑胶质瘤分割研究已成为主流。然而,大多数基于深度学习的方法只是将不同模态MR图像(或底层特征)进行通道维度堆叠后输入到分割网络中,并且在特征提取阶段忽略不同性质子区域分割时所需模态特征的差异性,导致分割性能不够精良。本研究提出一种基于多模态MR图像特征选择的两阶段分割框架进行脑胶质瘤分割。一方面,设计多模态特征选择模块并嵌入到分割网络框架中,对当前分割任务所需多模态MR图像特征进行自动提取和有效选择;另一方面,将多个不同性质的病变组织子区域分为两阶段分割任务,利用第一阶段分割任务结果提供第二阶段分割目标的定位信息。本方法和对比方法分别在BraTS2018(训练集285个患者,验证集66个患者)、BraTS2019(训练集335个患者,验证集125个患者)和BraTS2020(训练集369个患者,验证集125个患者)公开数据集上进行了实验。在BraTS2018数据集上,本方法在完整肿瘤、肿瘤核心和增强肿瘤区域的Dice相似系数分别为0.898、0.854和0.818,Hausdorff距离分别为4.072、6.179和3.763;在BraTS2019数据集上,本方法在上述3个肿瘤区域的Dice相似系数分别为0.892、0.839和0.800,Hausdorff距离分别为6.168、7.077和3.807;在BraTS2020数据集上,本方法在上述3个肿瘤区域的Dice相似系数分别为0.896、0.837和0.803,Hausdorff距离分别为6.223、7.033和4.411。对比实验结果表明,所提方法在增强肿瘤区域和肿瘤核心区域的分割性能具有明显优势,特别是增强肿瘤区域分割性能在BraTS2020数据集上最佳。基于多模态特征选择模块的两阶段分割框架,针对每阶段分割目标实现了不同模态MR图像特征的自动和充分学习,取得了理想的分割结果,为计算机辅助肿瘤诊断提供了可能的解决方案。 2022 Vol. 41 (5): 513-526 [摘要] ( 286 ) HTML (1 KB)  PDF (9389 KB)  ( 301 ) 527 基于双分支多视角深度自注意力编码器的乳腺肿瘤分类方法 柳懿垚, 杨意, 陈敏思, 汪天富, 姜伟, 雷柏英 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2022.05.002 自动乳腺全容积超声成像(ABVS)系统因其高效、无辐射等特性成为筛查乳腺癌的重要方式。针对ABVS图像进行计算机辅助乳腺肿瘤良恶性分类的研究,有利于帮助临床医生准确、快速地进行乳腺癌的诊断,甚至可辅助提高低年资医生的诊断水平。ABVS系统产生的三维乳腺图像数据量较大,造成常规的深度学习方式训练时间长、占用资源巨大。本研究设计了一种基于ABVS数据的多视角图像提取方式,替代常规的三维数据输入,在降低参数量的同时弥补二维深度学习中的空间关联性;其次,基于交叉视角图像的空间位置关系,提出一种深度自注意力编码器(Transformer)网络,用于获得图像的有效特征表达。实验是基于自有ABVS数据库的153例容积图像,良恶性分类的准确率为86.88%,F1-评分为81.70%,AUC达到0.831 6。所提出的方法有望应用于ABVS图像的乳腺肿瘤良恶性筛查。 2022 Vol. 41 (5): 527-536 [摘要] ( 225 ) HTML (1 KB)  PDF (6899 KB)  ( 242 ) 537 基于深度学习的手术机器人单目视觉患者头部姿态估计 冯朋飞, 李亮, 丁辉, 王广志 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2022.05.003 患者头部姿态估计技术是神经外科手术机器人自主化与智能化感知的关键技术之一。本研究利用基于数据驱动的深度学习方法帮助神经外科手术机器人估算患者头部姿态,为神经外科手术的智能化打下基础。首先, 建立患者头部姿态估计任务的基本数学关系;其次,给出一种高效、鲁棒的头部姿态标注方法,解决面部特征缺失情况下的2D头部图像姿态标注问题;之后,通过采集机器人视角下神经外科手术场景照片,构建共包含79个手术场景、合计4 301张照片的患者头部姿态估计数据集;最后,研究HopeNet深度神经网络在患者头部姿态估计问题上的适用性,并通过分布式标签、头部区域自适应裁剪、旋转数据增强以及新提出的旋转速率损失函数等方法提高模型性能。进行网络训练和评价,在包含10个手术场景、386张照片的同源测试集1上,基于单视角的姿态估计在偏航角、滚动角、俯仰角等3个方向平均可以达到±12.76°的预测误差;在8个手术场景、229张照片的异源测试集2上,在上述3个方向平均可以达到±13.41°的预测误差。结果表明,提出的模型能准确估计患者头部姿态,且提出的优化方法可以有效提升算法精度,并提高模型的泛化能力。 2022 Vol. 41 (5): 537-546 [摘要] ( 184 ) HTML (1 KB)  PDF (7136 KB)  ( 166 ) 547 定量脑电图用于慢性缺血性卒中患者康复状态评估 李岑博, 陈龙, 顾斌, 王仲朋, 张鑫, 明东 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2022.05.004 康复评估可帮助临床医师了解患者的康复情况,合理制定康复训练方案,提高康复治疗效率。而传统康复评估方法无法及时反应患者的康复情况,实现对患者的动态评估,从而降低了卒中患者康复治疗的效率。为此,本研究引入了定量脑电图(qEEG)这一客观康复评估方法,其具有采集方便,反馈迅速的优点,能快速反映卒中患者的康复情况,弥补传统康复评估方法的不足。共招募了28例慢性缺血性卒中患者,采集患者的脑电数据并计算功率比指数、脑对称性指数和相位同步指数,通过斯皮尔曼相关系数分析这些qEEG与改良barthel指数量表和Fugl-Meyer Motor Assessment(FMA)上肢运动部分之间的相关性。研究结果显示,改良barthel指数量表与使用全局导联的β频段IH-PSI相较于其他qEEG相关性最强,相关系数ρ=0.70,显著性P=0.000 2<0.01,具有统计学意义。FMA上肢运动部分与使用C3、C4、FC3、FC4等4个导联的β频段C3FC3C4FC4-PSI相较于其他qEEG相关性最强,相关系数ρ=0.71,显著性P=0.000 09<0.01,具有统计学意义。综上,使用全局导联的β频段IH-PSI结合改良barthel指数量表,使用局部导联的β频段C3FC3C4FC4-PSI结合FMA上肢运动部分有望实现对慢性缺血性卒中患者动态评估,进而提高卒中患者康复治疗的效率。 2022 Vol. 41 (5): 547-557 [摘要] ( 214 ) HTML (1 KB)  PDF (1296 KB)  ( 359 ) 558 基于深度学习的慢性阻塞性肺病的诊断模型研究 余辉, 赵婧, 仇兆禹, 刘冬怡, 陈振, 垢程翔, 孙敬来, 赵晓赟 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2022.05.005 慢性阻塞性肺病(COPD)是一种常见的以持续气流受限为特征的慢性呼吸道疾病,具有很高的发病率和死亡率。目前临床上对COPD的诊断方式十分复杂,不仅耗时且有创或有辐射伤害,不适用于日常筛查。本研究设计了一种基于深度学习的COPD诊断模型。首先,将RespiratoryDatabase @ TR多媒体呼吸数据库中42位COPD患者的肺音数据和来自天津大学胸科医院的24位COPD患者以及37位健康受试者的临床采集肺音数据相结合,分别运用高通滤波器和基于集合经验模态分解(EEMD)及小波熵的去噪算法进行去噪处理,然后通过归一化、交叠剪切、数据扩增完成预处理过程;然后利用二阶谱分析技术提取肺音特征;最后,将特征输入到改进的19层卷积神经网络模型中,实现健康受试者与COPD患者的二分类。实验结果表明,所提出的模型能够有效诊断COPD,其准确度、敏感度、特异性、F1分数和Kappa系数分别达到了98.93%、98.47%、99.41%、98.95%和97.86%,且由于采用了双中心数据并进行了去噪处理,模型可靠性更高,具有重要的临床意义。 2022 Vol. 41 (5): 558-566 [摘要] ( 297 ) HTML (1 KB)  PDF (2770 KB)  ( 464 )        综述 567 U-Net及其变体在医学图像分割中的应用研究综述 黄晓鸣, 何富运, 唐晓虎, 王勋, 丘森辉, 胡聪 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2022.05.006 医学图像分割可以为临床诊疗和病理学研究提供可靠的依据,并能辅助医生对病人的病情做出准确的判断。基于深度学习的分割网络的出现解决了传统自动分割方法鲁棒性不强、准确率低等问题。U-Net凭借其出色的性能在众多的分割网络中脱颖而出,研究者以U-Net为基础相继提出了多种改进变体。以U-Net网络及其变体为主线,首先详细介绍U-Net的网络结构及常用改进方法;然后根据分割对象的不同,将U-Net变体网络进一步划分为泛用型分割网络及特定型分割网络,并就其在医学图像分割中的研究进展进行论述;最后,分析了目前研究中工作尚存在的难点与问题,并对今后的发展方向进行展望。 2022 Vol. 41 (5): 567-576 [摘要] ( 563 ) HTML (1 KB)  PDF (2487 KB)  ( 1397 ) 577 面向运动意图解码的共空间模式及其扩展算法研究综述 潘林聪, 王坤, 许敏鹏, 倪广健, 明东 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2022.05.007 运动想象脑-机接口(MI-BCI)在人体运动功能康复、替代、增强等方面具有重要研究意义与应用价值。共空间模式(CSP)算法旨在增强MI诱导头皮脑电(EEG)特征的差异性,是当前使用最广泛的MI范式特征提取算法之一。但因其未考虑EEG的时、频域等信息,且对噪声和偏离值敏感,导致分类器识别性能有限、鲁棒性低。回顾CSP及其扩展算法的发展历程,从多模态信息优化、正则优化以及其他空间映射优化方法等三方面详细介绍相关扩展算法的基本原理和关键步骤,并探讨其实际面临的挑战和预测其未来发展趋势,以期促进相关BCI技术的深入研究与开发应用。 2022 Vol. 41 (5): 577-588 [摘要] ( 273 ) HTML (1 KB)  PDF (1017 KB)  ( 731 ) 589 3D打印器官芯片研究进展 罗志明, 邓国豪, 王祝兵, 张玉洁, 张杨, 王华楠 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2022.05.008 器官芯片是一种将生物体活细胞植入精准设计的微流体芯片内,可特定再现生物体组织器官功能的仿生的微生理系统,在疾病模拟、毒性检测、新药研发、精准医疗等许多方面具有独特应用前景。3D生物打印技术与器官芯片技术相结合制作3D打印器官芯片,可实现芯片制造工艺的简易化和低成本化,同时满足对复杂异质三维微环境的精细需求。综述3D打印器官芯片在打印方式、打印墨水等方面的研究进展,阐述其最新生物医学应用,总结器官芯片结构和功能单元的打印方式和打印墨水,探讨基于现有打印工艺实现器官芯片一体化制造的潜在可行性,概述3D打印器官芯片技术在心、肝、肺、肾、神经、肿瘤等组织和器官结构和功能仿生方面的最新进展,最后展望3D打印器官芯片技术领域的发展趋势和有待解决的关键问题。 2022 Vol. 41 (5): 589-601 [摘要] ( 331 ) HTML (1 KB)  PDF (6995 KB)  ( 247 ) 602 便携式全集成核酸分析系统技术综述 李楠, 徐友春, 程京 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2022.05.009 核酸检测在临床疾病诊断、公共卫生、食品安全、分子育种、法医鉴定等领域发挥着重要的作用。常规实验室核酸检测分为样品预处理、核酸提取和扩增检测等3个步骤,需要在实验室分区域分步进行,需要多步手工操作和配套的多台仪器设备,操作繁琐,整个检测流程耗时长,且易产生交叉污染。因而发展全集成自动化的核酸检测及分析系统是必然趋势。目前便携式全集成核酸分析系统更是需求紧迫,借助微流控技术,有望实现相关系统的设计需求,为满足床旁检测和现场即时核酸检测提供可能。综述便携式全集成核酸检测系统所涉及的核酸生物检测技术和全集成核酸分析核心器件技术,对比一些代表性的全集成核酸分析系统,概括出具有多学科交叉化、技术路径多样化、高度集成化和功能拓展化的技术特点。最后,面对分子诊断需求复杂、快速检测要求高、全自动操纵和低成本的挑战,概述便携式全集成核酸检测系统技术的发展方向。 2022 Vol. 41 (5): 602-613 [摘要] ( 369 ) HTML (1 KB)  PDF (2651 KB)  ( 517 ) 614 骨组织工程中调节巨噬细胞行为促进骨愈合的策略 单沁 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2022.05.010 骨组织工程将材料作为骨再生支架植入缺损局部,帮助完成骨愈合。近年来随着骨免疫学的发展,人们意识到巨噬细胞的免疫应答决定着材料植入的成败。巨噬细胞具有多样性和可塑性,可以根据环境信号极化为M1样(促炎)和M2样(抑炎)表型,在骨愈合的不同阶段发挥作用。巨噬细胞的迁移、增殖、极化等行为对材料特性敏感。对目前在骨组织工程中,通过改变材料的物理特性、表面化学特性以及生物特性,设计能主动调节巨噬细胞行为的材料,从而促进骨愈合的策略进行了概括总结,相关策略包括:增加材料的粗糙度、大孔结合纳米结构、合适的电信号或机械信号、中性或阴离子表面、增加亲水性、利用免疫调节材料或向局部输送免疫活性物质等,以期为设计具有良好免疫调节性的骨组织工程材料提供思路。 2022 Vol. 41 (5): 614-620 [摘要] ( 189 ) HTML (1 KB)  PDF (822 KB)  ( 390 )        简讯 621 下肢外骨骼助行机器人滑模PD控制研究 邢文琪, 郭旭东, 肖建如, 许炜, 魏强生, 刘健南 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2022.05.011 穿戴式下肢外骨骼助行机器人可以辅助下肢运动有障碍者进行康复训练,助其实现正常行走。首先确定系统自由度个数,并基于拉格朗日法建立动力学模型。为提高多关节协调运动的控制精度以实现拟人化步态,研究了基于滑模函数补偿的PD控制算法。通过Matlab-Simulink仿真,对比分析了PD算法和滑模PD算法,获得了两种算法下髋、膝关节角位移及角速度控制曲线,并计算不同算法的跟踪误差。结果表明,相对于常规的PD控制算法,基于滑模函数补偿的PD控制算法具有更好的精度和稳定性,且响应速度快;以12 s周期为例,在有扰动的情况下,滑模PD控制比PD控制提前约3 s达到稳定。将滑模PD控制算法用于下肢外骨骼机器人的步态控制,可提高控制精度和响应速度。 2022 Vol. 41 (5): 621-625 [摘要] ( 182 ) HTML (1 KB)  PDF (1662 KB)  ( 253 ) 626 基于混合多特征的微动脉瘤检测方法 龙胜春, 胡安特, 陈芝清 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2022.05.012 糖尿病性视网膜病变(DR)会严重损害糖尿病患者的视力健康,而微动脉瘤(MA)是DR的早期迹象,可为DR早期诊断提供有益信息,然而仅凭肉眼靠经验观察眼底图像,对大规模筛查难以胜任。因此自动识别和检测势在必行。应用自适应阈值分割法提取候选区域,设计联合定向局部对比度特征(DLC)与哈尔特征(Haar)等混合多特征向量,通过邻近算法(KNN)实现自动分类,并与其他机器学习的常用分类方法,如朴素贝叶斯(NB)、支持向量机(SVM)以及同方向进行了对比研究。所提出的方法在e-ophtha MA公开数据集上进行测试,获得的ROC曲线线下面积(AUC)、敏感性、特异性、FROC-Score分别为0.961 3、0.914 4、0.890 0和 0.386 0。与其他方法比较,本方法在FROC曲线上取得最优结果。 2022 Vol. 41 (5): 626-630 [摘要] ( 174 ) HTML (1 KB)  PDF (2913 KB)  ( 800 ) 631 高强度聚焦超声作用下的组织焦域能量分析及实验验证 陶洁, 王月兵, 佟世琪, 赵鹏, 盛勇杰 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2022.05.013 为研究发生空化前高强度聚焦超声(HIFU)作用的最佳治疗模式, 从声场和热场的仿真计算和新鲜离体牛肝实验验证出发,根据声能转化成热能的原理,分析了组织焦域温度上升造成组织损伤的变化过程;建立了与温度相关的组织损伤预测模型;计算了形成1 mm宽度的生物学焦域所吸收的能量;并在75、100、125、150 W这4种声功率下,按照350 J能量,共进行了24组新鲜离体牛肝组织的实验,验证该能量强度形成的生物学焦域尺寸。结果表明,经组织衰减后生物学焦域吸收的超声能量为350 J时,在新鲜离体牛肝组织中形成的生物学焦域宽度为(1.1±0.1)mm;当换能器物理学焦域的长短轴之比在4~10之间变动时,吸收350 J形成的生物学焦域宽度保持在(1.0±0.2) mm。在充分除气的均匀介质牛肝中,当换能器的物理学焦域长短轴比在4~10之间时,吸收350 J能量,声功率100 ~150 W是形成(1.0±0.2) mm宽度的生物学焦域的最佳治疗模式。 2022 Vol. 41 (5): 631-635 [摘要] ( 192 ) HTML (1 KB)  PDF (2022 KB)  ( 182 ) 636 可用于保乳手术瘤床标记物的生物可降解材料的筛选研究 谢欣, 张凯旋, 陈辛元, 戴建荣 DOI: 10.3969/j.issn.0258-8021.2022.05.014 筛选可用于保乳手术瘤床标记物的生物可降解材料。基于文献检索和初选现有材料,选定5种生物可降解材料:PGA、PLLA、Mg1、Mg2、PLA/β-TCP,对这5种材料进行CT及MR图像扫描,评估其成像情况,然后对符合成像要求的材料进行体外降解测试,观察外观、质量及粘度变化。图像扫描测试表明:1)两种镁合金材料(Mg1和Mg2)在CT图像上出现放射状伪影;2)两种高分子材料(PGA和PLLA)及复合材料PLA/β-TCP在CT及MR图像上均没有明显伪影,且能与周围背景明显区分;3)就成像区分度而言,由于密度提高,复合材料PLA/β-TCP在CT图像上和周围背景的对比较PLLA明显提高。体外降解测试表明:1)PGA样品外观上至第8周时完全变成粉末状,粘度变化方面至12周时基本降解为小分子,而质量则至30周时基本降解完全;2)PLA/β-TCP样品至第40周时质量损失率约为10%,且外观无明显变化;3)PLLA样品至第40周时外观无明显变化,且由于亲水性不足降解非常缓慢,在48周的研究周期内粘度变化较小,质量基本不变化;4)进一步观察降解情况,在观察至9个月后,PLLA降解依旧非常缓慢,而PLA/β-TCP已进入加速降解阶段。本研究结合图像扫描及体外降解测试,综合考虑成像区分度和降解周期,最终确定PLA/β-TCP为最佳的生物可降解材料。 2022 Vol. 41 (5): 636-640 [摘要] ( 175 ) HTML (1 KB)  PDF (1889 KB)  ( 436 )

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