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辅助经颅磁治疗的MRI颅脑三维重建及可视化定位系统

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辅助经颅磁治疗的MRI颅脑三维重建及可视化定位系统

作者：胡帅北京石油化工学院

学位级别：硕士

经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation,TMS)是一种广泛应用的神经调控技术,其是利用刺激项圈变化的电场产生磁场,使大脑皮层产生感应电流,改变神经电位信号,诱导产生动作电位,从而调控神经活动。该技术具有无创和可控制性高等... 详细信息

经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation,TMS)是一种广泛应用的神经调控技术,其是利用刺激项圈变化的电场产生磁场,使大脑皮层产生感应电流,改变神经电位信号,诱导产生动作电位,从而调控神经活动。该技术具有无创和可控制性高等优点。然而治疗过程中病人头部的随机移动,会造成治疗效果降低。目前在TMS治疗中需要佩戴辅助定位器和人工配准来定位跟随治疗靶点,但操作繁琐复杂。同时给病人带来不适感,导致头部进一步移动,进而造成治疗效果降低,所以需要头部靶点自动定位来跟随治疗,增强治疗效果。另外,为了方便医生了解病人情况,快速确定靶点,需要构建磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)影像三维重建模型,医生可通过人机交互系统快速拾取靶点。所以迫切需要研发基于MRI影像的定位系统。针对自动定位需求,本文提出了辅助经颅磁治疗的MRI颅脑三维重建及可视化定位系统。建立基于MRI的颅脑三维重建模型,并开发出人机交互系统,为医护人员通过交互界面拾取治疗靶点提供支撑,通过面部特征点的识别、配准实现头部靶点动态定位。这能减轻医务人员操作负担,同时能跟随病人头部靶点,提升治疗效果。本系统内容如下:1)针对当前TMS治疗过程的不足,对辅助经颅磁治疗的MRI颅脑三维重建及可视化定位系统的要求进行剖析。针对当前功能进行分析,重新梳理了系统功能要求、数据要求与工作流程,从而构建了定位系统总体方案,阐述了系统硬件组成和软件模块功能。2)MRI影像脑组织和头皮的分割是三维重建的基础,在3D UNet模型基础上添加了三维注意力机制、密集跳跃连接和标准层模块,对网络分割效果进行了改善,获得了训练模型,从而实现了MRI影像的自动分割。利用Marching Cube重建算法对MRI影像分割后的结果进行重建,对重建效果进行了测试,重建精度为均方差0.15mm。3)开发了颅脑可视化人机交互系统,并使用Qt和VTK建立了人机交互界面。系统主要包括两大模块,分别是图形图像展示和人机交互模块。图形图像展示模块主要包括MRI影像数据读取、三维重建模型读取和MRI图像展示、MRI三维重建模型中人脸特征点及其人脸点云提取。人机交互模块具有翻层、靶点拾取和头皮治疗靶点输出功能,该系统能够实现一键式治疗。4)针对没有辅助定位器时的治疗靶点的实时定位问题,提出了基于深度相机图像信息的头部靶点动态定位方法。先通过相机坐标系下的人脸特征点的提取,跟MRI三维重建模型的人脸特征点匹配;通过欧式距离算法和颜色过滤算法获得相机人脸点云而计算出MRI影像坐标和相机获取图像坐标的变换矩阵。对系统进行初始化标定,获得相机坐标跟机械臂坐标转换关系,确定治疗靶点在机械臂坐标下空间的位姿。MRI三维重建模型人脸点云和通过深度相机获取的人脸点云配准均方差为1.94mm。5)设计并且搭建辅助经颅磁治疗的MRI颅脑三维重建及可视化定位系统,对治疗靶点定位和随动功能进行了验证。标定相机外参,确定了头部治疗靶点在机械臂坐标系下的位姿数据。基于辅助经颅磁治疗的MRI颅脑三维重建及可视化定位系统,开展了头部治疗靶点动态定位实验,实验结果表明,最大位置误差为4.74mm,小于系统设计要求的10mm误差值,能够满足不同患者治疗要求。

关键词：经颅磁刺激治疗三维重建三维点云人机交互人脸特征点识别

硫基、铁基及硫-铁基自养反硝化技术研究进展

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工业水处理 2024年第6期44卷 22-33页

作者：王婧王宁韩严和李再兴马雪姣王楠楠姜文斌北京石油化工学院环境工程系北京102617

自养反硝化技术具有无需外加碳源、污泥产量低以及成本低等优势,是双碳背景下具有前景的低C/N废水的深度脱氮处理技术之一,而无机电子供体的选择是该技术能否广泛实际应用的关键。根据反硝化原理,硫基自养反硝化易产酸并会产生硫酸盐,... 详细信息

自养反硝化技术具有无需外加碳源、污泥产量低以及成本低等优势,是双碳背景下具有前景的低C/N废水的深度脱氮处理技术之一,而无机电子供体的选择是该技术能否广泛实际应用的关键。根据反硝化原理,硫基自养反硝化易产酸并会产生硫酸盐,铁基反硝化耗酸且会有亚硝酸盐积累,而硫-铁基耦合自养反硝化可以结合两者的特点,维持反应pH稳定,减少二次污染。基于以上分析了硫基、铁基以及硫-铁基作为电子供体的自养反硝化基本作用原理及特性,并阐述了基于各电子供体进行反硝化时的优势菌属,以期为硫基、铁基及硫-铁基耦合自养反硝化技术在提高脱氮效率并减少二次污染方面的研究提供参考。

关键词：硫铁基电子供体自养反硝化脱氮

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持久发光纳米材料合成及生物医学应用研究进展

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精细化工 2024年

作者：朱晓彤曹俊阳张荣月贾红霞王愈聪乔娟北京石油化工学院新材料与化工学院河北大学化学与材料科学学院

持久性发光纳米材料（PLNPs）是一种在停止外部激发后仍具有持续发光光学特性的纳米材料，在没有恒定外部光源刺激的条件下仍能发光，已广泛应用于信息识别、外部照明、生物医学等领域。首先，总结了PLNPs的控制合成方法，如固相法、液... 详细信息

持久性发光纳米材料（PLNPs）是一种在停止外部激发后仍具有持续发光光学特性的纳米材料，在没有恒定外部光源刺激的条件下仍能发光，已广泛应用于信息识别、外部照明、生物医学等领域。首先，总结了PLNPs的控制合成方法，如固相法、液相法（水热法、溶胶-凝胶法和模板法）；然后，系统阐述了PLNPs在生物传感技术、生物成像技术医学领域中的应用，重点介绍了检测原理及应用进展；接着，综述了PLNPs在食品安全检测、指纹检测、防伪领域中的应用进展及作用机制；最后，提出了PLNPs实际应用中需要重点研究和突破的方向，应制备具有更优越长余晖性能的PLNPs及提高PLNPs的生物相容性，使PLNPs具有电子计算机断层扫描成像、放疗等功能。

关键词：持久发光纳米材料合成荧光共振能量传递生物成像生物传感

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射流强化非填料式溶气设备的工作性能

化工进展 2024年第6期43卷 2977-2985页

作者：杨磻槟丁国栋陈家庆冯子夏郑佳媛北京石油化工学院机械工程学院环境工程系北京102617 深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室北京102617

溶气设备是溶气释放式微细气泡发生系统的重要组成部分,基于自主设计研发的射流强化非填料式溶气设备,对其在不同操作参数下的工作性能开展了实验研究。采用WTW手持式溶解氧测定仪实施全程在线带压测量,同时以空气在水中溶解氧浓度的变... 详细信息

溶气设备是溶气释放式微细气泡发生系统的重要组成部分,基于自主设计研发的射流强化非填料式溶气设备,对其在不同操作参数下的工作性能开展了实验研究。采用WTW手持式溶解氧测定仪实施全程在线带压测量,同时以空气在水中溶解氧浓度的变化率直接表征溶气性能。结果表明,新型溶气设备在低能耗下仍具有较高的溶气性能;溶气性能随气液比的增加而增加,溶气效率随着溶气压力的增加而降低,随着进水流量的增加呈现出先增加后减小的趋势,氧转移传质系数随溶气压力和进水流量的增加而增加,最佳进水流量区间为0.7~0.9m^(3)/h。由于新型溶气设备在使用普通球阀减压释气成泡时,仍能产生高质量的微细气泡,占地面积远小于传统设备且不易堵塞,因此在实际工程应用中更具优势。

关键词：溶气设备射流强化溶气性能溶解氧浓度气液两相流多相反应

基于虚拟现实的立管横焊机器人辅助焊接工艺设计与实现

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机床与液压 2024年第13期52卷 110-115,236页

作者：罗雨高萌萌许耀波任飞燕于俊杰田文鹏刘铂洋北京石油化工学院能源工程先进连接技术研究中心北京102627

焊接工艺参数的选择对焊接质量有重要影响。针对立管J型铺设窄坡口横焊熔池下淌特性,提出基于横焊焊道厚度及热输入恒定策略的焊接工艺参数匹配算法。基于Unity3D开发平台和工艺参数匹配算法,通过C#开发了立管横焊CAPP模块,扩展了虚拟... 详细信息

焊接工艺参数的选择对焊接质量有重要影响。针对立管J型铺设窄坡口横焊熔池下淌特性,提出基于横焊焊道厚度及热输入恒定策略的焊接工艺参数匹配算法。基于Unity3D开发平台和工艺参数匹配算法,通过C#开发了立管横焊CAPP模块,扩展了虚拟现实人机交互系统的功能模块;开展立管横焊计算机辅助焊接工艺实验,焊后焊缝成形良好,无焊接缺陷。实验结果表明:CAPP模块可有效获取匹配的焊接工艺参数,能缩短焊接工艺开发周期,降低工艺开发成本,有效提升系统的智能化水平。

关键词： CAPP 虚拟现实人机交互系统焊道规划算法立管横焊机器人

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金属有机框架基磷酸盐系正极材料研究进展

电池 2024年

作者：何志宏宋焕巧罗明生北京石油化工学院新材料与化工学院燃料清洁化及高效催化减排技术北京市重点实验室

磷酸盐系锂离子电池正极材料因电导性差和Li+扩散系数低等原因，发展受到限制。金属有机骨架（MOF）具有比表面积大、活性位点丰富等优点。作为一种很有用途的前驱体，通过MOF来提升磷酸盐系正极材料电化学性能有很高的可行性。从用MOF... 详细信息

磷酸盐系锂离子电池正极材料因电导性差和Li+扩散系数低等原因，发展受到限制。金属有机骨架（MOF）具有比表面积大、活性位点丰富等优点。作为一种很有用途的前驱体，通过MOF来提升磷酸盐系正极材料电化学性能有很高的可行性。从用MOF或MOF衍生物通过制备、掺杂、表面改性等3种不同方法改性正极材料的角度，综述近年来MOF基磷酸盐系锂电正极材料的研究进展，并对MOF应用于锂离子电池正极材料的发展方向进行展望。

关键词：锂离子电池正极材料金属有机框架(MOF) 磷酸铁锂导电性

微气泡型管式气液接触器的气液两相流动特性研究

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石油化工高等学校学报 2024年第3期37卷 25-33页

作者：杨寒月孔令真陈家庆孙欢宋家恺孔标丁国栋北京石油化工学院环境工程系北京102617 深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室北京102617

与常用气液鼓泡塔相比,管式气液接触器通过在管道空间内产生的均匀气泡状高分散体系强化气液传质过程,具有含气率高、能耗低和维护简单等优点。自主设计研制了带文丘里射流气泡发生器的微气泡型管式气液接触器;利用计算流体动力学(CFD)... 详细信息

与常用气液鼓泡塔相比,管式气液接触器通过在管道空间内产生的均匀气泡状高分散体系强化气液传质过程,具有含气率高、能耗低和维护简单等优点。自主设计研制了带文丘里射流气泡发生器的微气泡型管式气液接触器;利用计算流体动力学(CFD)数值模拟和室内实验相结合的方法,对其所涉及的成泡机理、气泡粒径分布特性等进行了系统研究。结果表明,采用体积分数法(VOF)模型耦合RNG k-ε湍流模型可模拟分析微气泡型管式气液接触器内成泡机理和气泡形态;在文丘里射流气泡发生器的扩张段内可将大气泡剪切破碎成微气泡,且微气泡均匀稳定;气泡粒径随液体流量的增大而减小,在液体流量为14.0 L/min、气体流量为最大自然吸气量、柱体长度为800 mm时气泡粒径最小(76.5μm);气泡粒径随气体流量的增大而增大,在气体流量为1.5 L/min、液体流量为8.0 L/min、柱体长度为800 mm时气泡粒径最小(86.7μm);气泡粒径随柱体长度的增大呈现先降低后基本不变的趋势,当柱体长度大于800 mm时,其对气泡粒径的影响较小。

关键词：气液接触器射流气泡发生器微气泡 CFD数值模拟气泡粒径

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针刺巨量转移平台用高推力聚磁式直线电机

光学精密工程 2024年第9期32卷 1347-1359页

作者：刘强马宁王伟韩邦成牛萍娟北京石油化工学院精密电磁装备与先进测量技术研究所北京102617 天津工业大学电子与信息工程学院天津300387 北京航空航天大学惯性技术重点实验室北京100191

针对针刺式巨量转移平台用无铁芯直线电机推力小,边缘效应明显导致转移速度慢的问题,提出一种高推力聚磁式直线电机,利用外层V字形结构抑制漏磁效应,通过双层Halbach结构提高气隙磁密,并采用有限元法对3种方案气隙磁密和漏磁磁通进行比... 详细信息

针对针刺式巨量转移平台用无铁芯直线电机推力小,边缘效应明显导致转移速度慢的问题,提出一种高推力聚磁式直线电机,利用外层V字形结构抑制漏磁效应,通过双层Halbach结构提高气隙磁密,并采用有限元法对3种方案气隙磁密和漏磁磁通进行比较分析。V形双层Halbach方案的气隙磁密和漏磁磁通分别为0.6 T和0.05 T,与单层梯形方案相比气隙磁密提高了17.6%,与双层Halbach方案相比漏磁磁通降低了71.4%。利用等效磁化电流法对电机磁场进行区域分割,采用分割补偿法建立矩形边界条件,建立了直线电机磁路数学模型,得到了影响电机推力线性度的关键结构参数,并基于有限元法对形状及结构参数进行优化。结果表明,优化后气隙的最大磁密和最小磁密分别0.67 T和0.47 T,x向和y向磁密变化率分别为25%和29.8%,推力仿真计算结果为278 N,推力波动率为2.1%,空载加速度为10 m/s^(2),理论芯片转移速度可达50颗/秒。根据优化结果研制了一台直线电机用于巨量转移平台,测试结果与优化结果一致,本研究对提高巨量转移平台转移效率具有重要意义。

关键词：直线电机针刺式巨量转移聚磁有限元法空间应用

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改进的云模型在化工园区脆弱性评估中的应用

安全与环境学报 2024年第5期24卷 1672-1680页

作者：张继信郎晓松尤秋菊石明昊张世豪荆艺琳商泽译北京石油化工学院安全工程学院北京102617 北京市科学技术研究院城市系统工程研究所北京100195

为了评估化工园区的脆弱性,精准防范园区事故风险,提出了基于COWA G1和云重心理论的化工园区脆弱性评价模型。首先,运用鱼骨图对影响化工园区脆弱性的因素进行分析,在此基础上构建化工园区脆弱性评价指标体系;其次,为降低传统赋权方法... 详细信息

为了评估化工园区的脆弱性,精准防范园区事故风险,提出了基于COWA G1和云重心理论的化工园区脆弱性评价模型。首先,运用鱼骨图对影响化工园区脆弱性的因素进行分析,在此基础上构建化工园区脆弱性评价指标体系;其次,为降低传统赋权方法的主观性,通过连续的有序加权平均(Continuous Ordered Weighted Averaging,COWA)算子和G1法组合确定指标主客观权重;然后,引入云重心理论计算加权相似度,从数据角度科学判别化工园区脆弱性评价等级;最后,以某化工园区为例,验证了该方法的可靠性和有效性。结果表明,化工园区脆弱性等级处于“一般脆弱”水平,表明化工园区韧性良好。该评价模型可利用编程完成模型仿真,简单实用,提高了综合评价的效率和可操作性。研究内容可以为化工园区的日常安全管理及应急处置提供理论支持和决策依据。

关键词：安全工程化工园区脆弱性云重心理论加权相似度