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石墨烯柔性生物传感技术与可穿戴式精准医疗健康监护应用

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中国激光 2024年第9期51卷 215-226页

作者：杨晗王铈弘钟豪黄乐阳赵建鑫吕文琦毛则尹邓安妮石艺璇黄琴王一璐黄国亮清华大学生物医学工程学院北京100084

可穿戴柔性电子技术是医疗健康监测,尤其是心血管疾病监测的重要发展方向之一。脉搏波是评估心血管健康的重要信息来源,但它属于非平稳弱信号,对检测端的灵敏度与稳定性具有较高要求。为解决可穿戴健康监测的柔性传感关键技术问题,设计... 详细信息

可穿戴柔性电子技术是医疗健康监测,尤其是心血管疾病监测的重要发展方向之一。脉搏波是评估心血管健康的重要信息来源,但它属于非平稳弱信号,对检测端的灵敏度与稳定性具有较高要求。为解决可穿戴健康监测的柔性传感关键技术问题,设计并开发了具有多级分支微结构的石墨烯柔性压力传感器,显著提高了对脉搏波的传感性能,并构建了可穿戴柔性传感脉搏波健康监测系统,建立了基于单点桡动脉脉搏波和Transformer架构的类感知无袖带血压监测算法,对人体收缩压和舒张压的预测误差分别为(0.7±10.5)mmHg和(0.5±6.1)mmHg。本工作可以为心血管健康动态监测系统与应用研究、可穿戴式精准医疗健康监护提供重要技术支持。

关键词：石墨烯柔性压力传感器脉搏波可穿戴设备无袖带血压测量

注射式微流控芯片全集成核酸分析系统与精准医疗应用

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中国激光 2024年第9期51卷 190-199页

作者：黄琴黄乐阳靳翔宇毛则尹邓安妮吕文琦钟豪王铈弘石艺璇陈家辉黄世光黄国亮清华大学医学院生物医学工程系北京100084

核酸检测方法可快速鉴定特异基因指标,但其广泛应用受限于多种仪器设备串行使用以及对操作人员的高专业技术要求。本团队开发了一套注射式微流控芯片全集成核酸分析系统,该系统主要包含两大模块,分别是可以为不同类型临床样本提供多种... 详细信息

核酸检测方法可快速鉴定特异基因指标,但其广泛应用受限于多种仪器设备串行使用以及对操作人员的高专业技术要求。本团队开发了一套注射式微流控芯片全集成核酸分析系统,该系统主要包含两大模块,分别是可以为不同类型临床样本提供多种核酸提取方法的全自动注射式核酸提取模块,以及基于微流控芯片的微纳体系多指标联合并行检测等温扩增核酸检测模块。这两大模块既可以单独发挥各自的功能,也可以组合成全集成注射式微流控芯片核酸分析系统,形成全集成自动化、微纳反应体系、快速、多指标联合并行检测的核酸检测分析平台。采用本团队开发的注射式微流控芯片全集成核酸分析系统,分别对热带念珠菌标准株培养菌液和64例外阴阴道念珠菌感染疾病的临床拭子样本进行检测。结果显示:本系统对菌液的最低检测限为3.95×102 CFU/mL,而且样品制备更方便快捷,仅需1次加样操作,核酸提取时间为10 min;64例临床样本检测效果与金标准培养法相比,卡方检验为1,Kappa值为0.950,说明两种方法无显著差异,且一致性很高。本团队开发的注射式微流控芯片全集成核酸分析系统,可以为临床多指标微纳体系核酸快速检测提供一个可靠的平台,为临床医疗应用提供精准快检技术与便捷分析仪器支撑。

关键词：医用光学注射式微流控芯片全集成核酸分析系统精准医疗应用

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光学显微成像助力肿瘤精准医疗

中国激光 2024年第9期51卷 42-60页

作者：杨彬岳蜀华王璞北京航空航天大学生物与医学工程学院北京市生物医学工程高精尖创新中心北京100083

精准医疗是当下肿瘤诊疗的核心问题,即针对不同的病人定制治疗方案,以获得更好的治疗效果和预后。因肿瘤生物机制及诊疗方案的复杂性,现行基于基因测序和传统表型功能检测的肿瘤精准医疗临床实践,难以有效制定可覆盖大部分病患和药物选... 详细信息

精准医疗是当下肿瘤诊疗的核心问题,即针对不同的病人定制治疗方案,以获得更好的治疗效果和预后。因肿瘤生物机制及诊疗方案的复杂性,现行基于基因测序和传统表型功能检测的肿瘤精准医疗临床实践,难以有效制定可覆盖大部分病患和药物选择的治疗方案。光学显微成像技术能够对肿瘤组织和细胞中的基因组、蛋白组和代谢组信息进行定量分析和空间定位,识别特定病患肿瘤分子特征和生化反应异常,从而建立起肿瘤基因组和表型组的认知桥梁。本文介绍了不同光学显微成像技术在肿瘤精准医疗领域的相关研究和应用,包括多重免疫荧光(mIF)、荧光原位杂交(FISH)和相干拉曼散射(CRS)等光学显微成像技术。这些技术可以从肿瘤微环境、分子特征和代谢组学等角度进行深入洞察,在肿瘤精准医疗领域发挥着重要作用.

关键词：肿瘤精准医疗二代测序表型功能检测光学显微成像相干拉曼散射中红外光热成像

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光敏剂的转化与创新

中国激光 2024年第9期51卷 114-130页

作者：刘开宁李睿刘仁发戴志飞北京大学未来技术学院生物医学工程系北京100871 南开大学生命科学学院天津300071

以光敏剂为基础的光动力疗法已被确定为许多肿瘤、皮肤性疾病、血管性疾病等适应证的安全治疗方式。在近些年的研究中,卟啉类光敏剂、二氢卟吩类光敏剂等均投入临床使用,酞菁类光敏剂、稠环醌类光敏剂等均已开展临床研究。但是,光动力... 详细信息

以光敏剂为基础的光动力疗法已被确定为许多肿瘤、皮肤性疾病、血管性疾病等适应证的安全治疗方式。在近些年的研究中,卟啉类光敏剂、二氢卟吩类光敏剂等均投入临床使用,酞菁类光敏剂、稠环醌类光敏剂等均已开展临床研究。但是,光动力疗法在临床转化中还面临着诸多问题,如有限的穿透深度、较低的溶解度、暗毒性、对氧气浓度的高度依赖等,新型的安全高效的光敏剂亟待被进一步开发,以实现高度特异性微创治疗。目前,新型光敏剂的研发主要聚焦于靶向修饰和智能纳米药物递送体系以及可激活/响应型光敏剂、耐乏氧肿瘤微环境的Ⅰ型光敏剂、适应深层实体瘤治疗的光敏剂等。此外,超声激发的声动力治疗也为光敏剂的临床应用开辟了新思路。随着新型光敏剂的开发与转化,将会有更多的光敏剂药物被应用于临床实践,为癌症和其他疾病患者带来福音。

关键词：医用光学光敏剂光动力疗法临床应用

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非规律运动伪迹干扰鲁棒的人脸视频心率检测

中国图象图形学报 2024年第7期29卷 2024-2034页

作者：成娟殷辰楚宋仁成付静刘羽合肥工业大学生物医学工程系合肥230009 合肥工业大学测量理论与精密仪器安徽省重点实验室合肥230009

目的基于远程光电容积脉搏波描记法(remote photoplethysmograph,rPPG)的非接触人脸视频心率检测广泛应用于移动健康监护领域,由于其携带的生理参数信息幅值微弱,容易受到运动伪迹干扰。据此,提出了一种结合非负矩阵分解(nonnegative m... 详细信息

目的基于远程光电容积脉搏波描记法(remote photoplethysmograph,rPPG)的非接触人脸视频心率检测广泛应用于移动健康监护领域,由于其携带的生理参数信息幅值微弱,容易受到运动伪迹干扰。据此,提出了一种结合非负矩阵分解(nonnegative matrix factorization,NMF)和独立向量分析(independent vector analysis,IVA)的非规律运动伪迹去除的视频心率检测方法,记为NMF-IVA。方法首先,将面部感兴趣区域(region of interest,RoI)分为多个子区域(sub RoIs,SRoIs),利用平均光照强度、光照强度变化、信噪比这3个指标筛选出3个最优质的SRoIs,并获取每个SRoI的绿色通道时间序列。其次,将3个绿色通道时间序列去趋势、带通滤波后送入NMF-IVA进行盲源分离。然后,对分离后的源信号进行功率谱密度分析,并且将峰值信噪比最高且主频落在心率感兴趣范围内的源信号确定为血容量脉冲(blood volume pulse,BVP)信号。最后,将BVP信号的主频确定为所测量心率的主频,从而计算出心率值。结果实验在2个公开数据集UBFC-RPPG和UBFC-PHYS,及1个真实场景自采数据集上与最相关的7种典型的rPPG方法进行比较,在UBFC-RPPG数据集上,相比于性能第2的单通道滤波(single channel filtering,SCF)方法,均方根误差提升了1.39 bpm(beat per minute)、平均绝对误差提升了1.25 bpm、皮尔逊相关系数提升了0.02;在UBFC-PHYS数据集上的T2情况下,其性能提升最为显著,相比于性能第2的独立向量分析(IVA)方法,均方根误差提升了16.42 bpm、平均绝对误差提升了9.91 bpm、皮尔逊相关系数提升了0.64;在自采数据集上,除了低于深度学习方法性能之外,所提NMF-IVA方法在传统方法中取得了最好的结果。结论所提NMF-IVA方法对规律信号提取具有敏感性,即便是在头部存在剧烈非规律运动情况下,相比于传统方法亦能取得最优结果,该结果能够媲美基于深度学习的方法。

关键词：远程光电容积脉搏波描记法(rPPG) 非接触式心率检测盲源分离(BSS) 非负矩阵分解(NMF) 独立向量分析(IVA)

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数字PCR在EB病毒核酸检测中的临床价值

中华检验医学杂志 2024年第6期47卷 649-657页

作者：黄金印陈芊如何晓静欧子豪蔡贞司徒博郭永郑磊南方医科大学南方医院检验医学科广州510515 清华大学生物医学工程学院生物医学工程北京100084

目的评估EB病毒(EBV)多拷贝和单拷贝基因的数字PCR(dPCR)核酸检测方法在EBV核酸定量检测中的性能,并探讨其在临床应用中的适用性。方法对多拷贝BamHI-W基因及单拷贝EBNA1基因dPCR体系的灵敏度、特异性、精密度、检测下限(LoD)和线性进... 详细信息

目的评估EB病毒(EBV)多拷贝和单拷贝基因的数字PCR(dPCR)核酸检测方法在EBV核酸定量检测中的性能,并探讨其在临床应用中的适用性。方法对多拷贝BamHI-W基因及单拷贝EBNA1基因dPCR体系的灵敏度、特异性、精密度、检测下限(LoD)和线性进行性能验证比对,采用最小二乘线性回归分析评估其线性。同时,收集2022年1—7月就诊于南方医科大学南方医院疑似EBV感染相关疾病患者的血浆样本182例,使用dPCR和实时荧光定量PCR(qPCR)同步检测EBV DNA载量,采用最小二乘线性回归分析评估其定量相关性。结果多拷贝和单拷贝基因的dPCR体系均有良好的线性相关(R2分别为0.992、0.997,P均系LoD为188 IU/ml,EBNA1基因dPCR体系LoD为358 IU/ml;BamHI-W基因dPCR体系和EBNA1基因dPCR体系中高浓度样本(1000000 IU/ml)对数变异系数(CV)值分别为0.34%和0.21%,中低浓度样本(5000 IU/ml)对数CV值分别为0.98%和0.64%;7种常见临床感染病原体和EB病毒阳性样本对照检测中,dPCR检测体系中只有EBV阳性样本产生阳性信号,与其他病原体无交叉反应。在182份样本检测中,BamHI-W基因dPCR阳性率为47.80%(87/182),EBNA1基因dPCR阳性率为35.16%(64/182),qPCR阳性率为43.41%(79/182)。定量相关性分析中,BamHI-W基因dPCR体系和EBNA1基因dPCR体系与qPCR检测浓度值线性拟合R2值分别为0.837和0.763(P均系和单拷贝EBNA1基因dPCR体系检测的载量监测变化曲线趋势具有较高的一致性。结论基于dPCR技术的检测多拷贝BamHI-W基因和单拷贝EBNA1基因的EBV检测方法均具有较高的灵敏度和特异性,精密度和定量准确性均适用于临床样本检测。多拷贝BamHI-W基因dPCR方法在提高检测灵敏度方面具有较大的优势,可作为目前EBV DNA载量检测方法的补充,特别是在低浓度样本中;同一患者的EBV DNA检出和动态监测使用多拷贝基因效果更好,不同患者比较EBV载量需要用单拷贝基因或以同一标准品标化后比较。

关键词：爱泼斯坦巴尔病毒感染数字聚合酶链反应多拷贝基因单拷贝基因核酸检测

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荧光偏振成像技术及其生物学应用

激光与光电子学进展 2024年第18期 1-15页

作者：杨子仪李世晗刘芷如钟素艺李美琪席鹏北京大学生物医学工程系北京大学力学与科学工程系北京大学生命科学学院

荧光偏振成像通过测量样品中荧光分子的偏振状态，得到样品的取向结构特征，在生物学领域有着广泛的应用。偏振成像常与其他荧光显微技术结合，用来解析细胞结构的排列方向、生物大分子的实时动态取向和组织的有序性等信息，以研究细胞... 详细信息

荧光偏振成像通过测量样品中荧光分子的偏振状态，得到样品的取向结构特征，在生物学领域有着广泛的应用。偏振成像常与其他荧光显微技术结合，用来解析细胞结构的排列方向、生物大分子的实时动态取向和组织的有序性等信息，以研究细胞的生理过程、药物对细胞的作用及异常结构的检测。本文阐述了荧光偏振成像在生物学等领域的应用，对利用偏振信息获取不同样品取向结构的研究方法进行分析比较，并对其未来发展趋势进行展望。

关键词：荧光偏振成像分子取向解析生物显微成像

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基于半监督神经网络的弹性模量分布重建

生物医学工程学杂志 2024年第2期41卷 262-271页

作者：张潇彭博王锐魏星月罗建文西南石油大学计算机与软件学院成都610500 清华大学医学院生物医学工程系北京100084

在超声弹性成像中,准确重建组织弹性模量分布是一项重要挑战。现有的基于深度学习的全监督重建方法在训练中只使用了添加噪声的计算机仿真位移数据,不能完全模拟在体超声数据的复杂性和多样性。因此,本研究在训练中引入对在体超声射频... 详细信息

在超声弹性成像中,准确重建组织弹性模量分布是一项重要挑战。现有的基于深度学习的全监督重建方法在训练中只使用了添加噪声的计算机仿真位移数据,不能完全模拟在体超声数据的复杂性和多样性。因此,本研究在训练中引入对在体超声射频信号追踪得到的位移数据(即真实位移数据),对模型进行半监督训练,旨在提高网络的预测准确度。实验结果显示,在仿体实验中,加入了真实位移数据的半监督模型的平均绝对误差和平均相对误差均在3%左右,而全监督模型的相应数据在5%左右。在处理真实位移数据时,半监督模型预测错误区域明显少于全监督模型。本文研究结果证实了所提方法的有效性和实用性,为在体超声数据在弹性模量分布重建的深度学习方法中的使用提供了新思路。

关键词：半监督反问题深度学习弹性模量分布重建

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基于无源域适应的脑电情绪识别

中国生物医学工程学报 2024年第2期43卷 129-142页

作者：赵红宇李畅刘羽成娟宋仁成陈勋合肥工业大学仪器科学与光电工程学院合肥230009 合肥工业大学生物医学工程系合肥230009 中国科学技术大学电子工程与信息科学系合肥230026

现有脑电情绪识别中的域适应方法利用源域数据及其特征分布来训练模型,不可避免地需要频繁访问源域,可能会导致源域受试者的隐私信息泄露。针对该问题,本研究提出一种基于高斯混合模型、核范数最大化和Tsallis熵的无源域适应(GNTSFDA)... 详细信息

现有脑电情绪识别中的域适应方法利用源域数据及其特征分布来训练模型,不可避免地需要频繁访问源域,可能会导致源域受试者的隐私信息泄露。针对该问题,本研究提出一种基于高斯混合模型、核范数最大化和Tsallis熵的无源域适应(GNTSFDA)脑电情绪识别方法。首先,基于源域数据和本研究所提出的CNN和Transformer特征混合(CTFM)网络,利用交叉熵损失训练得到源域模型;然后,通过高斯混合模型聚类生成目标域数据的伪标签以构建分类损失;最后,基于伪标签和分类损失在目标域数据上对源域模型再训练以更新其参数,从而得到目标域模型,训练过程中还利用核范数最大化损失来提升模型预测的类判别性和多样性,同时利用Tsallis熵损失来减少模型预测的不确定性。GNTSFDA方法采用留一被试交叉验证的实验范式分别在SEED(源域14个受试者,目标域1个受试者)、SEED-IV(源域14个受试者,目标域1个受试者)和DEAP(源域31个受试者,目标域1个受试者)公开数据集上进行了实验。结果显示,在3个数据集上,目标域模型情绪识别的准确率分别为80.20%、61.20%和58.89%,相较于源域模型分别提升8.98%、7.72%和6.54%。GNTSFDA方法仅需要访问源域模型参数,而不是源域,从而有效地保护了源域受试者的隐私信息,在脑电情绪识别的实际应用中具有重要意义。

关键词：脑电信号情绪识别无源域适应隐私保护