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基于深度学习的肝小叶自动分割及定量分析

基于深度学习的肝小叶自动分割及定量分析

作者：曾凡新华中科技大学

学位级别：硕士

肝小叶是肝脏的基本结构和功能单位,以中央静脉为中轴,肝血窦、肝板、窦周间隙及胆小管共同组成肝小叶的复杂结构。对于肝脏解剖结构的认识已有上百年,但肝脏中错综复杂的脉管系统和肝小叶之间的空间关系仍有待研究,实现肝小叶的分割对... 详细信息

肝小叶是肝脏的基本结构和功能单位,以中央静脉为中轴,肝血窦、肝板、窦周间隙及胆小管共同组成肝小叶的复杂结构。对于肝脏解剖结构的认识已有上百年,但肝脏中错综复杂的脉管系统和肝小叶之间的空间关系仍有待研究,实现肝小叶的分割对于解析肝小叶的形态结构以及研究其在肝脏中的空间分布有着重要意义。由于肝小叶数据采集的困难性和标注的复杂性,缺乏大量准确标注的数据。肝小叶的边界模糊、形态不规则以及成像数据的质量不够精细,共同造成了肝小叶分割的困难。对于这种全新的、复杂难分的数据,传统的图像分割方法效果并不理想。本研究拟借助卷积神经网络对肝小叶进行自动分割,以提高图像分析的效率,减轻生物学研究者或医生的工作量。本文以课题组共聚焦成像获取的小鼠肝脏图像数据为研究对象,在已建立的肝小叶手工分割方法的基础上,结合肝小叶结构的先验知识,建立肝小叶数据的预处理方法,并设计了一种结合多尺度特征预测融合和注意力机制的分割模型。多尺度模块将跳跃连接多个中间层生成的特征聚合起来进行预测,利用不同尺度上的全局信息。注意力机制消除了跳跃连接中的无关性和噪声响应带来的歧义,增加了模型对前景像素的敏感度。该模型在肝小叶数据集上的MIo U为0.7161,平均Dice系数为0.8254。与几个主流的分割网络相比,它在引入参数较少的情况获得了更好的分割性能。将二维肝小叶数据三维重建和渲染,分别对自动分割和手动分割的肝小叶定量分析。统计结果表明,自动分割的191个肝小叶平均体积为0.0788±0.0042 mm,平均面积为1.18±0.05 mm。手动分割的150个肝小叶平均体积为0.0674±0.0036 mm,平均面积为1.09±0.04 mm。通过球形度、扁椭圆度和长椭圆度三个量化参数来描述肝小叶的形态,球形度集中在0.6～0.8,扁椭圆度远大于长椭圆度,肝小叶的形态偏向于不规则的扁状多边棱柱体,类似卵石状。与手工分割的量化结果对比,两种方法计算的肝小叶体积(P=0.2230)和面积(P=0.6037)无显著性差异。而自动分割的肝小叶形态更不规则,这可能与肝小叶边缘的分割不够精细存在粘连有关。总体而言,自动分割方法在提高肝小叶分割效率的同时,较好地保证了数据分析的准确性。

关键词：肝小叶卷积神经网络生物医学图像分割多尺度注意力机制定量分析

基于3D干细胞靶向制剂定向诱导肝小叶的重建

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基于3D干细胞靶向制剂定向诱导肝小叶的重建

作者：胡建川四川大学

学位级别：硕士

肝脏是人体的重要器官之一,它具有新陈代谢、胆汁分泌、糖原和白蛋白合成以及生物转化的功能。终末期肝病(end stage liver disease,ESLD)主要指由于多种原因导致肝功能异常而引起的一种病理状态。近年来,终末期肝病的发病率逐渐提高,... 详细信息

肝脏是人体的重要器官之一,它具有新陈代谢、胆汁分泌、糖原和白蛋白合成以及生物转化的功能。终末期肝病(end stage liver disease,ESLD)主要指由于多种原因导致肝功能异常而引起的一种病理状态。近年来,终末期肝病的发病率逐渐提高,而治疗终末期肝病的主要有效手段之一是肝脏移植,但极少的供体来源限制了其临床应用,造成了供不应求的局面。干细胞(stem cell,SC)是一类具有自我更新和多向分化潜能的细胞,因此近年来干细胞已越来越多地用于类器官的研究中。类器官是指体外培养的干细胞,可以通过自身聚集的方式以形成结构和功能与原始器官相似的三维组织结构。目前类器官已经开始应用于遗传病研究、药物毒性检测等领域。如果能把具备肝功能的类器官应用于临床,则将有很大希望解决肝脏移植供体短缺的问题。在所有的干细胞中,胚胎干细胞(embryonic stem cells,ESCs)具有最高的多能性,但是将ESC应用于临床存在着严重的伦理性和免疫排斥问题,其应用前景不佳。2006年山中伸弥首次报道,将Oct3/4、Sox2、Klf4和c-Myc通过逆转录病毒载体导入小鼠成纤维细胞中并成功制备出了诱导性多能干细胞(induced pluripotent stem cells,i PSCs)。由于i PSCs技术不受伦理、宗教、免疫排斥和细胞来源等问题的制约,所以一经问世,就引起了学术界的巨大轰动,并被誉为生命科学界新的里程碑。此后,科学家们开始利用人源细胞来诱导多能干细胞,将Oct3/4、Sox2、Klf4和c-Myc四种转录因子导入人成纤维细胞内,获得了人类诱导性多能干细胞(human induced pluripotent stem cells,hi PSCs)。hiPSCs在形态学、增殖能力、表面抗原、基因表达、细胞多能性特定基因的表观遗传状态以及端粒酶活性等方面与人类胚胎干细胞(human embryonic stem cells,h ESCs)极为相似,而且hi PSCs在一定程度上避免了h ESCs临床应用的伦理问题和免疫排斥问题,这使得hi PSCs具有更广泛的临床应用潜力。hi PSCs的发现为生成来自患者自身未分化细胞的器官提供了可能性,并有可能解决组织相容性这一问题。伴随hi PSCs技术的逐渐成熟,利用hi PSCs的多能性以及安全性,将其向类器官诱导分化的研究也越来越多。在未来几年中,hi PSCs诱导分化技术可能会成为类器官研究的主流方法。2013年,美国西奈山医学院与日本横滨市立大学的科学家使用hi PSCs构建了微小的“肝芽”,将该“肝芽”移植到小鼠体内,能成功发育成一个具有正常肝功能的微型人类肝脏。这是第一篇证明由hi PSCs产生功能性人体器官的报道,为研究再生医学提供了一种新方法。时隔5年,2018年日本横滨市立大学使用hi PSCs成功培养了构成“肝芽”的三种类型的细胞,并最终成功获得“肝芽”。通过改进培养方法,“肝芽”的培养效率提高了100倍,并且获得的“肝芽”的数量和质量也得到了提高。数十年间,尽管有许多报道描述了hi PSCs向肝功能性细胞的分化,然而,先前报道的分化方案存在着程序复杂、分化效率低、重复性低或者未达到临床应用标准等诸多问题。为解决上述问题,本课题提出利用三维细胞微环境可以增强体外自组装形成类器官的观点。利用物理动力重编程技术将人体细胞诱导成hi PSCs,在体外将hi PSCs定向诱导分化形成肝小叶,最终获得肝脏类器官。本课题以三种不同体细胞作为研究对象,首先将人体细胞接种于培养皿中进行2D培养;其次运用不含饲养层细胞,不添加血清、外源性因子和化学诱导物的物理动力学体系对人正常体细胞进行3D立体诱导培养以获得hi PSCs,并对hi PSCs的形态、标记物和多能性等进行鉴定分析;最后采用不含饲养层细胞、不添加细胞因子的独特物理动力学体系对hi PSCs进行诱导分化培养,获得肝小叶组织,并对其进行鉴定。本课题的主要研究结果如下:1、运用物理动力学体系对人体细胞进行3D立体诱导培养,92天后,体细胞均可形成拟胚体(embryonic bodies,EB)。该拟胚体为悬浮球状体,边缘清晰。2、使用免疫荧光及流式细胞仪检测拟胚体多能性标志物的表达情况,结果表明拟胚体表达多能性标记Nanog、Oct4、Sox2、SSEA3、SSEA4;将拟胚体注射到免疫缺陷小鼠体内形成畸胎瘤,苏木素-伊红染色后,可观察到内胚层、中胚层和外胚层三个胚层的组织细胞;核型分析结果显示拟胚体的染色体正常。3、采用独特物理动力学体系对拟胚体进行诱导分化培养,拟胚体的细胞球体形态逐渐崩解,直至消失,紧接着出现不规则的细胞团状体,随着培养时间的增加,细胞团状体逐渐变大,最后趋于一定大小。4、对收获的细胞团状体进行冰冻

关键词：人类诱导多能干细胞重编程肝小叶

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关注肝小叶功能分区的研究

肝脏 2018年第5期23卷 378-379页

作者：杨永峰南京市第二医院江苏210003

肝脏由大约100万个六边形的肝小叶组成,血液由位于周围的汇管区流向中心的中央静脉。组成肝小叶的肝细胞板在营养、氧含量、激素和Wnt形成素（释放位置信号的化学物质）等方面存在梯度,从而形成不同的代谢功能区,肝组织的解毒、营养物... 详细信息

肝脏由大约100万个六边形的肝小叶组成,血液由位于周围的汇管区流向中心的中央静脉。组成肝小叶的肝细胞板在营养、氧含量、激素和Wnt形成素（释放位置信号的化学物质）等方面存在梯度,从而形成不同的代谢功能区,肝组织的解毒、营养物质吸收、脂肪合成等不同功能在相应的代谢功能区完成。

关键词：肝小叶功能分区营养物质吸收中央静脉肝细胞板化学物质脂肪合成功能区

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猪肝组织肝小叶平均间距的估计方法

动物科学与动物医学 2001年第5期18卷 11-13页

作者：侯秀敏他得安青海省草原总站青海西宁810008 同济大学声学研究所上海200092

本文利用 AR倒谱法对猪肝组织的回波信号进行了分析 ,对猪肝组织中肝小叶的平均间距进行了估计 ,结果表明 :AR倒谱能有效的反映猪肝组织的微观结构特征 ,说明 AR倒谱是软组织中散射信号分析与软组织散射子平均间距估计的一种有效方法。

关键词： AR倒谱猪肝组织平均间距肝小叶

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猪肝组织肝小叶平均间距的一种估计方法

青海大学学报（自然科学版） 2001年第6期19卷 14-16页

作者：乔海娟江苏省泰州师范专科学校江苏泰州225300

利用AR倒谱法对猪肝组织的回波信号进行了分析 ,对猪肝组织中肝小叶的平均间距进行了估计 ,结果表明 :AR倒谱能有效的反映猪肝组织的微观结构特征 ,说明AR倒谱是软组织中散射信号分析与软组织散射子平均间距估计的一种有效方法。

关键词： AR倒谱猪肝组织平均间距肝小叶估计方法回波信号超声波诊断软组织散射信号临床诊断

缺血再灌注损伤致Hsp ala蛋白在肝小叶中央静脉区早期表达的动态观察

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中华实验外科杂志 2012年第6期29卷 1156-1156页

作者：张劭张静南华大学附属第一医院外科湖南衡阳421001

研究结果显示在大鼠肝脏缺血再灌注损伤（IRI）过程中，早期有885个基因上调，包括细胞周期相关基因和热休克家族基因等。实验检测到Hsp ala较灌注前上调10．9倍，发挥保护作用。本研究旨在检测Hsp ala、细胞周期蛋白D1（CCND1）的表达... 详细信息

研究结果显示在大鼠肝脏缺血再灌注损伤（IRI）过程中，早期有885个基因上调，包括细胞周期相关基因和热休克家族基因等。实验检测到Hsp ala较灌注前上调10．9倍，发挥保护作用。本研究旨在检测Hsp ala、细胞周期蛋白D1（CCND1）的表达，探讨IR对细胞周期的影响。

关键词：肝脏缺血再灌注损伤 Hsp 细胞周期相关基因中央静脉 la蛋白早期动态观肝小叶

原位肝小叶血窦微循环网络全域血流动力学实验模型构建

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医用生物力学 2021年第S1期36卷 180-180页

作者：周瑾吕守芹龙勉中国科学院力学研究所北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049

目的肝小叶血窦微循环网络结构及血流动力学是肝脏发挥生物学功能的关键。相对于局域肝小叶或单个肝血窦而言,肝小叶血窦微循环网络的全域结构与血流动力学分布特征还远不清楚。肝血窦直径较小(7~15μm),小叶内血窦微循环系统结构复杂,... 详细信息

目的肝小叶血窦微循环网络结构及血流动力学是肝脏发挥生物学功能的关键。相对于局域肝小叶或单个肝血窦而言,肝小叶血窦微循环网络的全域结构与血流动力学分布特征还远不清楚。肝血窦直径较小(7~15μm),小叶内血窦微循环系统结构复杂,故3D打印技术也很难获取可用于解析肝小叶血窦微循环网络全域血流动力学的实体模型。

关键词：血流动力学肝血窦微循环系统肝小叶微循环网络全域实体模型生物学功能

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尸解发现肝小叶发育不全1例

临床与实验病理学杂志 1992年第S1期 65-65页

作者：周莉王延复于东海章敏哈尔滨市儿童医院病理室哈尔滨医科大学病理学教研室黑龙江 150000

临床资料女婴,2月龄,入院时意识不清。主诉半月来食欲差,近5d呕吐,4～5次/d,大便色白,皮肤浅黄染。足月顺产,父母健康。查体:巩膜皮肤明显黄染,体温不升,脉搏140次/min,呼吸16次/min,血压为零。肝肋

关键词：肝小叶发育不全汇管区门管区

星状细胞与肝小叶结构及其在生物人工肝中的应用

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肝脏 2000年第3期5卷 164-164页

作者：王宇明第一军医大学西南医院全军传染病专科中心