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3DGE-UNet磁共振成像的脑胶质瘤全自动分割算法:对不充分全局特征提取的改进

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四川大学学报（医学版） 2024年第2期55卷 447-454页

作者：田恒屹王瑜计亚荣 Rahman MdMostafizur 北京工商大学人工智能学院北京100048

目的脑胶质瘤及其子区域的全自动分割是计算机辅助肿瘤临床诊断的基础,卷积神经网络在脑部磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)分割过程中,小卷积核只能提取局部特征而无法有效融合全局特征,缩小了对影像信息的感知范围,从而... 详细信息

目的脑胶质瘤及其子区域的全自动分割是计算机辅助肿瘤临床诊断的基础,卷积神经网络在脑部磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)分割过程中,小卷积核只能提取局部特征而无法有效融合全局特征,缩小了对影像信息的感知范围,从而导致分割精度不足的问题。本研究旨在利用膨胀卷积,针对三维(three-dimensional, 3D)-UNet不能充分提取全局特征的问题进行改进。方法 (1)算法构建:本文提出一种带有三条全局上下文特征提取通路的3D-UNet模型,即3DGE-UNet模型。使用脑部肿瘤分割挑战赛(Brain Tumor Segmentation Challenge, BraTS)2019提供的公开数据集(335例患者),设计一种全局上下文特征提取(more global contextual feature extraction, GE)模块,并将该模块引入到3DUNet网络的第一、二、三条跳跃连接处,利用该模块充分提取图像的不同尺度全局特征,并与上采样得到的特征图叠加,扩大模型感受野,实现不同尺度特征的深层融合,从而完成端到端的脑肿瘤全自动分割。(2)算法验证:图像数据来源于BraTs2019数据集(335例患者术前MRI图像,包括T1、T1ce、T2和FLAIR四种模态图像和一张医生标注的肿瘤标签图像),将数据集分别按照8∶1∶1划分为训练集、验证集和测试集。以医生标注的肿瘤标签图像为金标准,使用Dice系数(综合评价有效性)、敏感度(病灶区域的查全率)和95%Hausdorff距离(肿瘤边界的分割精度)在测试集中评估算法对完整肿瘤区域(whole tumor, WT)、核心肿瘤区域(tumor core, TC)和增强肿瘤区域(enhancing tumor, ET)三种区域的分割性能,分别使用无GE模块的3D-UNet模型和有GE模块的3DGE-UNet模型进行检测,内部验证GE模块设置的有效性。使用3DGEUNet模型、ResUNet、UNet++、nnUNet、UNETR检测上述性能指标,并比较5种算法模型的收敛性,外部验证3DGEUNet模型的有效性。结果 (1)在内部验证中,改进的3DGE-UNet模型在测试集中分割WT、TC和ET区域的Dice均值分别为91.47%、87.14%和83.35%,与传统的3D-UNet模型相比(89.79%、85.13%和80.90%),综合评价达到了最优值,对于三个区域的分割精度都有提升(P<0.05)。3DGE-UNet模型与3D-UNet模型相比,ET区(86.46%vs. 80.77%)具有更高的敏感度(P<0.05),在查全率方面表现更为优越,在面对病灶区域时,3DGE-UNet模型更倾向于正确识别并捕获更全面的阳性区域,更为有效地避免漏诊发生。3DGE-UNet模型在肿瘤WT区域边缘分割的出色性能,其95%Hausdorff距离均值优于3DUNet模型(8.17 mm vs. 13.61 mm,P<0.05),但在TC区(8.73 mm vs. 7.47 mm)和ET区(6.21 mm vs. 5.45 mm)的性能表现与3DUNet模型相似。(2)在外部验证中,其余4种算法仅TC的Dice均值(87.25%)、WT的敏感度均值(94.59%)、TC的敏感度均值(86.98%)和ET的平均95%Hausdorff距离(5.37 mm)优于3DGE-UNet模型,但差异无统计学意义。3DGE-UNet模型可以在训练阶段快速收敛,速度优于其他外部模型。结论 3DGE-UNet模型可以有效地提取和融合不同尺度的特征信息,提高脑肿瘤分割的准确性。

关键词：脑胶质瘤核磁共振成像图像处理计算机辅助人工智能

副干酪乳杆菌E T-22及其后生元组分对白念珠菌的抑制作用

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食品科学技术学报 2024年第1期42卷 94-105页

作者：赵智孙哲刘福东洪维鍊高海娜赵雯张明范金波渤海大学食品科学与工程学院辽宁锦州121013 北京工商大学食品与健康学院北京100048 内蒙古乳业技术研究院有限责任公司/内蒙古伊利实业集团股份有限公司内蒙古呼和浩特010110

为探究具有预防龋齿功效的副干酪乳杆菌E T-22(Lactobacillus paracasei E T-22)活菌及其后生元组分(热灭活菌和分泌物)对白念珠菌的抑制作用,评价副干酪乳杆菌E T-22活菌及其后生元组分的抗氧化能力及白念珠菌菌丝转化抑制率后,采用注... 详细信息

为探究具有预防龋齿功效的副干酪乳杆菌E T-22(Lactobacillus paracasei E T-22)活菌及其后生元组分(热灭活菌和分泌物)对白念珠菌的抑制作用,评价副干酪乳杆菌E T-22活菌及其后生元组分的抗氧化能力及白念珠菌菌丝转化抑制率后,采用注射免疫抑制剂和涂抹白念珠菌的方法建立ICR小鼠的口腔念珠菌病模型。造模前后,分别以饮水的方式连续给予18 d剂量为109 CFU/mL的E T-22活菌以及相对应的后生元组分,研究副干酪乳杆菌E T-22对小鼠舌部组织形态及炎症因子表达情况的影响。109 CFU/mL的副干酪乳杆菌E T-22对白念珠菌出芽抑制率最高,为37.84%;后生元组分中热灭活菌及分泌物抑制率分别为17.50%、28.00%。动物模型中,E T-22活菌及其后生元组分干预后,均显著降低了小鼠血清中IFN-γ含量;分泌物组显著降低了小鼠舌部组织中IFN-γ和TNF-α含量,活菌组只显著降低了TNF-α含量,活菌组和热灭活菌组显著提高了小鼠舌部组织中CCL20趋化因子含量及舌苔菌群的丰富度和多样性。组织病理切片显示:E T-22活菌及分泌物组明显改善了小鼠舌表皮的棘层松懈和炎症细胞浸润;热灭活菌组对舌表乳头及表皮脱落有改善效果。实验结果显示,E T-22可通过减轻小鼠舌部组织的炎症浸润与转移,调节舌苔菌群组成,抑制口腔有害菌。研究表明,E T-22通过对白念珠菌的抑制,降低口腔念珠菌病的发病风险,有望进一步开发成为具有呵护口腔健康功能的口腔益生菌食品。

关键词：副干酪乳杆菌白念珠菌后生元舌苔菌群口腔益生菌

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人工智能在废水处理领域研究的发展态势分析

安全与环境学报 2024年第5期24卷 1985-1996页

作者：王田力陈伊宁李昂孙宝平首都经济贸易大学财政税务学院北京100070 首都经济贸易大学安全工程系北京100070

为深入了解人工智能技术在废水处理领域应用研究的发展态势,对1990—2023年Web of Science数据库中990篇人工智能与废水处理交叉领域文献进行了计量分析。研究结果显示,本地引用次数(Total Local Citation Score,TCLS)排名前4的期刊分别... 详细信息

为深入了解人工智能技术在废水处理领域应用研究的发展态势,对1990—2023年Web of Science数据库中990篇人工智能与废水处理交叉领域文献进行了计量分析。研究结果显示,本地引用次数(Total Local Citation Score,TCLS)排名前4的期刊分别是Process Safety and Environmental Protection、Engineering Applications of Artificial Intelligence、Water Science and Technology和Journal of Environmental Sciences;本地引用次数(Total Local Citation Score,TLCS)排名前10的期刊中有6个期刊来自于英国,其他期刊分别来自于中国、意大利、德国和美国。中国学者在该领域的发文量、TLCS全球排名第一,全球引用次数(Total Global Citation Score,TGCS)全球排名第一,体现了中国学者对人工智能与废水处理交叉领域的关注度较高。在发文量排名前10的机构中有4所来自中国,分别是北京工业大学、中国科学院、哈尔滨工业大学和清华大学,合计的发文量占前10总数的25.1%。有4名中国学者进入了发文量前10,分别为北京工业大学的Qiao J F、Wang D、Han H G以及哈尔滨工业大学的Ren N Q。通过关键词分析发现,人工神经网络是本领域的研究热点之一,利用神经网络来预测废水处理的效果是当前的热点话题。

关键词：环境工程学废水处理人工智能

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基于质谱法的食品中蛋白质定量分析研究

质谱学报 2024年第4期45卷 552-557,I0005页

作者：任敏万英奇陈吉文北方工业大学电气与控制工程学院北京100144

通过搭建管式燃烧炉-四极杆质谱仪实验平台检测食品中蛋白质含量,称取各1 g 5种蛋白质含量不同的食品样品,在高温富氧环境下利用管式燃烧炉对食品样品进行充分爆燃,气体产物进入电子轰击(EI)离子源离子化后,直接引入四极杆质量分析器进... 详细信息

通过搭建管式燃烧炉-四极杆质谱仪实验平台检测食品中蛋白质含量,称取各1 g 5种蛋白质含量不同的食品样品,在高温富氧环境下利用管式燃烧炉对食品样品进行充分爆燃,气体产物进入电子轰击(EI)离子源离子化后,直接引入四极杆质量分析器进行检测。利用四极杆质量分析器的选择离子扫描功能,通过扫描NO2+离子峰强度来定量分析氮元素含量,并绘制标准曲线,线性相关系数(R2)为0.999 92,相对标准偏差(RSD)为2.1%~6.1%。利用氮元素含量结合氮-蛋白质转换系数6.25计算得到蛋白质含量。本研究为食品中蛋白质含量的定量分析提供了一种绿色、快速、准确、低成本的检测方法。

关键词：质谱氮元素蛋白质定量分析

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球形氧化铝粒径对酚醛树脂导热性能的影响

功能材料 2024年第1期55卷 1229-1236页

作者：徐震邱康文胡琳白柳杨欧阳玉阁北京工商大学化学与材料工程学院北京100048 黄淮学院机械与能源工程学院河南驻马店463000

环氧树脂、酚醛树脂等聚合物材料因具有良好的电绝缘性能、化学稳定性、易加工性能等,被广泛用于热管理材料领域。然而,聚合物材料的固有热导率较低,限制了其进一步的应用。将不同粒径的球形Al_(2)O_(3)添加到酚醛树脂(PF)基体中,用以... 详细信息

环氧树脂、酚醛树脂等聚合物材料因具有良好的电绝缘性能、化学稳定性、易加工性能等,被广泛用于热管理材料领域。然而,聚合物材料的固有热导率较低,限制了其进一步的应用。将不同粒径的球形Al_(2)O_(3)添加到酚醛树脂(PF)基体中,用以提升它的热传输性能。重点研究了Al_(2)O_(3)的粒径和Al_(2)O_(3)的负载量对PF复合材料导热性能和热稳定性能的影响。研究结果表明,在总填充量为75%,大小粒径的两种Al_(2)O_(3)颗粒比例为1∶1时,Al_(2)O_(3)/PF复合材料的热导率提升为1.611 W/(m·K),相对与纯PF的热导率提升了近8倍。同时,在同样的负载量下,PF复合材料达到的热导率高于只添加小颗粒或者只添加大颗粒的PF复合材料的热导率。这归因于两种粒径范围的球形Al_(2)O_(3)杂化时,粒径小的Al_(2)O_(3)颗粒填充到大粒径Al_(2)O_(3)颗粒的缝隙中,在基体中构建了更多的热传输通路。热重测试结果表明,添加Al_(2)O_(3)的PF复合材料的热稳定性提升,Al_(2)O_(3)/PF复合材料的最高分解温度从517℃提高到543℃。研究工作为制备高性能的聚合物基复合材料提供了一个新思路。

关键词：酚醛树脂氧化铝粒径杂化热导率

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用于VOCs消除的功能材料研究进展

中国材料进展 2024年第7期43卷 579-592页

作者：冯远杨振钰刘雨溪戴洪兴邓积光中国石化催化剂有限公司工程技术研究院北京101111 北京工业大学材料科学与工程学院北京100124

随着经济快速发展,人类活动产生的挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)不仅会破坏大气环境,还会严重危害人体健康。在治理VOCs废气的典型技术中,吸附法、等离子体法、催化燃烧法、光催化氧化法等均具有良好的应用前景。材料... 详细信息

随着经济快速发展,人类活动产生的挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)不仅会破坏大气环境,还会严重危害人体健康。在治理VOCs废气的典型技术中,吸附法、等离子体法、催化燃烧法、光催化氧化法等均具有良好的应用前景。材料性能是影响VOCs治理效率的关键因素,不同的技术原理使材料制备和优化方向存在差异,如吸附法需重视所选材料的孔道结构等与VOCs分子尺寸、性质的关系;等离子体法要强化催化剂与等离子体的协同作用;催化燃烧法涉及材料的氧化还原能力;光催化氧化法则是材料对光能的有效转化能力等。所以,明确各类技术中所用功能材料的改进重点,才能为相关材料的设计提供思路,大幅改善VOCs消除的效率。最后,对用于VOCs消除的材料研发提出了更高要求,包括具有良好抗中毒性能的材料、可协同消除多组分污染物的材料、取长补短的组合技术以及资源化利用技术。

关键词：挥发性有机物吸附等离子体催化燃烧光催化功能材料

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孕前和孕期高脂饲料喂养对新生大鼠肠道菌群的影响

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现代预防医学 2024年第4期51卷 697-704页

作者：胡卓杨倩魏宇辰蔡夏夏党秦豫朱砚荻张亚迪陈朝阳余焕玲首都医科大学公共卫生学院营养与食品卫生学系

目的探讨孕前和孕期高脂饲料喂养对新生大鼠肠道菌群的影响。方法 12只3周龄无特定病原体(Specific Pathogen Free, SPF)级雌性Sprague-dawley(SD)大鼠，适应性喂养一周后，按体重随机分为对照组与高脂组，孕前分别用基础饲料与高脂饲... 详细信息

目的探讨孕前和孕期高脂饲料喂养对新生大鼠肠道菌群的影响。方法 12只3周龄无特定病原体(Specific Pathogen Free, SPF)级雌性Sprague-dawley(SD)大鼠，适应性喂养一周后，按体重随机分为对照组与高脂组，孕前分别用基础饲料与高脂饲料喂养至12周龄，与同周龄SPF级雄性SD大鼠合笼，次日观察到阴道栓或阴道涂片中发现精子后，判定受孕。孕鼠单笼饲养，孕期的饲料与孕前相同。收集出生后第0.5天(postnatal day 0.5,PD 0.5)仔鼠，称量体重，采集肠道组织并称量质量，计算肠道系数；进行回肠和结肠组织病理和相关基因检测；提取肠道内容物的细菌总DNA,通过16S rRNA测序分析肠道菌群。采用t检验或Mann-Whitney U检验分析数据。结果与对照组相比，高脂组PD 0.5仔鼠体重、肠道质量、肠道系数无显著改变(t=-0.682,P=0.499;t=0.269,P=0.790;t=0.674,P=0.506);肠道病理形态无改变；结肠闭合蛋白-1(Claudin-1)、溶菌酶(Lysozyme)、再生胰岛衍生蛋白3伽马(regenerating islet derived protein 3 gamma, Reg3γ)和α-防御素5(Alpha-defensin 5)的基因表达水平显著增加(t=-3.136,P=0.011;t=-3.303,P=0.019;t=-3.093,P=0.011;t=-3.575,P=0.005);肠道菌群的α多样性和β多样性无显著改变(t=-1.407,P=0.190;t=-1.410,P=0.189;t=-2.017,P=0.071;U=6.000,P=0.055;F=1.030,P=0.141);肠道瘤胃球菌属、考拉杆菌属、Lachnospiracea＿incertae＿sedis、韦荣氏球菌属、黄杆菌属和Bacteroides＿sp.＿SLC1-38的丰度显著增加(U=3.500,P=0.013;U=7.000,P=0.050;U=6.000,P=0.022;U=6.000,P=0.022;U=7.000,P=0.050;U=3.000,P=0.007);线性判别分析效应量(Linear discriminant analysis Effect Size, LEfSe)分析表明高脂组中对差异影响贡献较大的物种有埃希氏菌属/志贺氏菌属、瘤胃球菌属、考拉杆菌属、Lachnospiracea＿incertae＿sedis和Bacteroides＿SP.＿SLC1-38。结论孕前和孕期高脂饲料喂养导致PD 0.5仔鼠肠道代谢相关菌和致病菌的丰度增加。

关键词：高脂饮食子代肠道菌群 16S rRNA

基于多模态特征重组和尺度交叉注意力机制的全自动脑肿瘤分割算法

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中国激光 2024年

作者：田恒屹王瑜肖洪兵北京工商大学计算机与人工智能学院

脑肿瘤对人体危害极大，且在医学影像中体积占比小，边界模糊，可能以任何形状出现在脑区任意位置，因此给脑肿瘤分割任务带来极大挑战。本文综合脑肿瘤形态学和解剖学特点，提出一种基于多模态特征重组和尺度交叉注意力机制的全自动脑... 详细信息

脑肿瘤对人体危害极大，且在医学影像中体积占比小，边界模糊，可能以任何形状出现在脑区任意位置，因此给脑肿瘤分割任务带来极大挑战。本文综合脑肿瘤形态学和解剖学特点，提出一种基于多模态特征重组和尺度交叉注意力机制的全自动脑肿瘤分割U型网络模型(UNet with Mmultimodal Recombination Module and Scale Cross Attention, MR-SC-UNet)。MR-SC-UNet采用多任务分割框架，针对完整肿瘤(Whole Tumor, WT)、核心肿瘤(Tumor Core,TC)、增强肿瘤(Enhancing Tumor, ET)等不同子区域分割任务，设计多模态特征重组模块，使用学习到的不同权重，有效融合不同模态的信息输入，获得更具针对性的病灶特征，这与不同模态MRI影像突显不同脑肿瘤病灶子区域特征的思想一致。同时，MR-SC-UNet以UNet为基准网络，在深层跳跃连接中添加尺度交叉注意力模块，可以获取多种尺度的全局信息建模。利用公开脑肿瘤数据集进行的相关实验结果表明，MR-SC-UNet架构在WT、TC和ET的Dice均值分别可达91.13%、87.46%、87.98%，证明设计的网络可以有效利用多模态肿瘤数据信息，提取和融合不同尺度的肿瘤特征，提高脑肿瘤分割的准确性。

关键词：机器视觉多模态特征重组尺度交叉注意力机制脑肿瘤分割

基于多物理场耦合的光伏/热一体化路面（PIPVT）能效仿真评估

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北京工业大学学报 2024年

作者：王超崔奥周波超北京工业大学城市建设学部

光伏（photovoltaic，PV）路面是实现路域能源再生与缓解能源危机的有效手段。然而，传统光伏路面无法有效利用丰富的太阳能资源，大部分太阳能以热能的形式消散，导致光伏电池工作温度高、发电效率低。为了提高光伏路面综合能效并为电... 详细信息

光伏（photovoltaic，PV）路面是实现路域能源再生与缓解能源危机的有效手段。然而，传统光伏路面无法有效利用丰富的太阳能资源，大部分太阳能以热能的形式消散，导致光伏电池工作温度高、发电效率低。为了提高光伏路面综合能效并为电池散热，引入光伏/热一体化技术（photovoltaic/thermal，PV/T），形成了由钢化玻璃面板、光伏电池、蛇形铜管和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（acrylonitrile-butadiene-styrene，ABS）塑料底座组成的光伏/热一体化路面（pavement integrated PV/thermal，PIPVT）。本研究采用COMSOL Multiphysics 进行仿真，将光模块、电模块和固态模块中的热传导和热对流同步耦合，构建PIPVT多物理场仿真模块并展开研究。以2022北京市的气象数据为基础，选取每个月的15日代表该月气候情况进行发电性能与集热性能预测。结果表明，光照强度与光伏模块发电效率呈正相关，但过高的光照强度引起的高温会使其对模块发电效率的促进效果降低，冬季的发电效率和热回收效率均较低。通过模拟与实验的结果对比，误差不超过5%，证明模型的建立是合理的。此外，以北京工业大学为例，预测其校园路面全部采用PIPVT覆盖，一年可获得电量约170万kW·h，满足校本部超三个月的办公用电量，同时，可将约3.4万t 20 ℃水加热至超过30 ℃，具有一定的现实意义。

关键词：道路工程光伏/热一体化路面多物理场仿真集热性能发电性能一次能源节约效率