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视神经损伤与再生的研究进展

中国科学：生命科学 2023年第4期53卷 417-430页

作者：刘晓郝飞段红梅郝鹏高钰丹赵文杨朝阳李晓光首都医科大学神经生物学系基础医学院北京100069 北京航空航天大学医学科学与工程学院生物材料与神经再生北京市重点实验室北京100191 北京航空航天大学生物材料与神经再生北京国际科技合作基地北京大数据精准医疗高端创新中心北京100191

人类拥有良好的视觉系统.视网膜神经节细胞(retinal ganglion cells,RGCs)连接眼球与大脑,损伤之后不能再生,最终可导致失明.视神经再生的困难部分归因于胶质瘢痕和髓磷脂中的抑制性分子以及RGCs轴突内在的再生能力不足.此外,视神经损... 详细信息

人类拥有良好的视觉系统.视网膜神经节细胞(retinal ganglion cells,RGCs)连接眼球与大脑,损伤之后不能再生,最终可导致失明.视神经再生的困难部分归因于胶质瘢痕和髓磷脂中的抑制性分子以及RGCs轴突内在的再生能力不足.此外,视神经损伤之后RGCs会凋亡,使得再生更为困难.本文综述了视觉系统再生失败的原因,以及目前在修复方面所取得的一些成果,其中有些发现将来有望应用于临床,使受损伤的视神经达到有意义的再生.

关键词：视神经损伤视网膜神经节细胞轴突再生

CG-DRR:数字重建放射影像循环一致性生成对抗算法

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中国图象图形学报 2023年第4期28卷 1212-1222页

作者：张孟希魏然刘博徐寿平白相志周付根北京航空航天大学北京100191 国家癌症中心/国家肿瘤医学临床医学研究中心/中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院北京100021 国家癌症中心/国家肿瘤临床医学研究中心/河北中国医学科学院肿瘤医院廊坊065001 北京航空航天大学生物医学工程高精尖创新中心北京100083

目的当前数字重建放射影像(digitally reconstructed radiograph,DRR)生成算法难以同时保证影像生成效率和质量。为此,提出一种基于循环一致性生成对抗网络(generative adversarial network,GAN)的新型DRR生成算法(cycle-GAN-DRR,CG-DRR),在保证生成效率的同时,兼顾生成影像与真实X射线影像的灰度和结构一致性。方法CG-DRR算法包含数据预处理、网络训练和网络应用3个阶段。数据预处理阶段准备后续网络训练需要的图像数据;网络训练阶段使用预处理后的数据训练循环一致性生成对抗网络;在应用阶段,训练后网络输入光线跟踪法生成的DRR图像实现DRR图像灰度校正。结果使用4个常用图像相似性指标和2个梯度相似性指标分别评估原始DRR图像与灰度校正后的DRR图像的灰度和几何结构一致性。与传统光线跟踪法相比,盆腔和胸腔数据平均峰值信噪比分别提高18.22 dB和8.82 dB,平均绝对误差分别减少0.18和0.07,归一化均方根误差分别减少0.23和0.10,结构相似度指数分别提高23.5%和13.5%,与当前最新RealDRR算法结果指标相差无几。与RealDRR算法结果相比,CG-DRR算法在DRR图像灰度校正前后人体组织结构保持更好的一致性,盆腔和胸腔数据图像特征相似性指数分别提高0.02和0.03,梯度相似性偏差分别减少0.18和0.03。CG-DRR算法生成一幅DRR图像平均耗时0.31 s。结论本文创新性地将循环一致性生成对抗机制应用于DRR生成,所提算法可以很好地应对实际临床中DRR图像与X光影像存在结构偏差的问题,可在保证生成效率的前提下兼顾灰度相似性及结构一致性,相比于现有算法更具优势。

关键词：数字重建放射影像(DRR) 灰度校正深度学习循环一致性对抗网络梯度惩罚

基于肺的静态压强—容积曲线估计肺复张特性的研究

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生物医学工程学杂志 2021年第2期38卷 326-332页

作者：刘天亚乔惠婷许丽嫱李德玉樊瑜波北京航空航天大学生物与医学工程学院生物力学与力生物学教育部重点实验室生物医学工程高精尖创新中心北京100083 北京航空航天大学医学科学与工程学院北京100083

机械通气是急性呼吸窘迫综合征患者在生命支持期间重要的呼吸支持技术。机械通气的临床效果与患者的肺复张特性密切相关。确定患者肺复张特性对选择恰当的通气策略并设置相关参数具有重要意义。目前,尚缺少可便捷估计肺复张特性的床旁... 详细信息

机械通气是急性呼吸窘迫综合征患者在生命支持期间重要的呼吸支持技术。机械通气的临床效果与患者的肺复张特性密切相关。确定患者肺复张特性对选择恰当的通气策略并设置相关参数具有重要意义。目前,尚缺少可便捷估计肺复张特性的床旁方法。本文提出了一种基于肺的静态压强—容积曲线估计肺复张特性的方法,并采用公开的动物实验数据对该方法进行了验证。结果显示,应用该方法得到的肺复张结果与文献数据高度相似,提示该方法可用于估计肺复张特性。考虑到一些先进的呼吸机具备自动测量静态压强—容积曲线的功能,可认为本文方法具备床旁应用潜力,能够辅助医生依据患者的肺复张特性选择与之匹配的通气策略,为个性化设置呼吸机参数提供参考。

关键词：急性呼吸窘迫综合征机械通气压强—容积曲线肺复张

基于眼动、位姿及场景视频的人体运动方向预测方法

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北京航空航天大学学报 2021年第9期47卷 1857-1865页

作者：张卿王兴坚苗忆南王少萍 Alexander IGAVRILOV 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100083 北京航空航天大学大数据精准医疗高精尖创新中心北京100083 莫斯科国立鲍曼技术大学自动控制系统系莫斯科105005

外骨骼机器人作为新提出的改善、提高人类生活能力的智能设备,同样需要高效智能的人机交互系统,而人机交互的第一步,则是精准预测人的行为意图。从外骨骼机器人的顶层控制角度出发,介绍了人体运动意图识别和外骨骼机器人智能交互能力的... 详细信息

外骨骼机器人作为新提出的改善、提高人类生活能力的智能设备,同样需要高效智能的人机交互系统,而人机交互的第一步,则是精准预测人的行为意图。从外骨骼机器人的顶层控制角度出发,介绍了人体运动意图识别和外骨骼机器人智能交互能力的研究现状,并对人体运动方向识别进行了研究。提出了一种结合眼动信息、位姿信息及场景视频信息的多信息融合的人体运动意图识别网络架构,并进行了采集设备的穿戴实验。利用实验数据,对提出的网络方法进行了实验验证。结果表明:所提出的人体运动方向的识别系统,可以预测出人体运动过程中的运动方向。

关键词：眼睛追踪预测方法运动方向人体行为人机交互

基于眼动、位姿及场景的人体运动方向预测方法

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北京航空航天大学学报 2021年

作者：张卿王兴坚苗忆南王少萍 AlexanderI.Gavrilov 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京航空航天大学大数据精准医疗高精尖创新中心 BaumanMoscowStateTechnicalUniversity，DepartmentofAutomaticControlSystems

人机交互是构建各种智能系统的第一步。随着机器在人类生活中的参与度越来越高，对于人机交互的需求也越来越高。外骨骼机器人作为新提出的改善、提高人类生活能力的智能设备，同样需要高效智能的人机交互系统，而人机交互的第一步，则... 详细信息

人机交互是构建各种智能系统的第一步。随着机器在人类生活中的参与度越来越高，对于人机交互的需求也越来越高。外骨骼机器人作为新提出的改善、提高人类生活能力的智能设备，同样需要高效智能的人机交互系统，而人机交互的第一步，则是精准预测人的行为意图。从外骨骼机器人的顶层控制角度出发，报告了人体运动意图识别和外骨骼机器人智能交互能力的研究现状，并对人体运动方向识别进行了研究。提出了一种结合眼动信息、位置姿态信息、以及场景视频信息的多信息融合的人体运动意图识别网络架构，并进行了采集设备的穿戴实验。利用实验数据，对提出的网络算法进行了实验验证。结果表明，所提出的人体运动方向的识别系统，可以预测出人体运动过程中的运动方向。

关键词：眼睛追踪预测算法运动方向人体行为人机交互

近红外荧光靶向探针用于前列腺神经血管束术中成像

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北京大学学报:医学版 2023年第5期55卷 843-850页

作者：张展奕张帆颜野曹财广李长剑邓绍晖孙悦皓黄天亮管允鹤李楠陆敏胡振华张树栋北京大学第三医院泌尿外科北京100191 中国科学院自动化研究所北京市分子影像重点实验室中国科学院分子影像重点实验室北京100190 北京航空航天大学医工交叉创新研究院北京大数据精准医疗高精尖创新中心北京100191 北京大学第三医院临床流行病学研究中心北京100191 北京大学第三医院病理科北京100191

目的:研究近红外荧光靶向探针ICG-NP41在大鼠体内实验中对前列腺周围神经血管束(neurovascular bundles,NVB)的成像效果。方法:构建近红外荧光靶向探针ICG-NP41,建立Sprague-Dawley大鼠(250~400 g)NVB体内成像的动物模型,利用本团队自... 详细信息

目的:研究近红外荧光靶向探针ICG-NP41在大鼠体内实验中对前列腺周围神经血管束(neurovascular bundles,NVB)的成像效果。方法:构建近红外荧光靶向探针ICG-NP41,建立Sprague-Dawley大鼠(250~400 g)NVB体内成像的动物模型,利用本团队自主研发的近红外二区小动物活体成像系统进行大鼠体内试验,采用ImageJ及Origin对采集的图像进行处理,利用GraphPad Prism对荧光信号数据进行统计分析,定量计算探针用于NVB成像的信背比(signal to background ratio,SBR),探索有效的给药剂量及成像时间,并对成像结构进行石蜡病理切片及HE染色。结果:除对照组大鼠(n=2)外,两组尾静脉注射ICG-NP41的大鼠(n=2)均在给药后2 h、4 h后于NIR-Ⅱ荧光模式下拍摄到右侧NVB中的海绵体神经。给药后2 h和4 h,2 mg/kg组大鼠的海绵体神经在荧光模式下的平均SBR分别为1.651±0.142和1.619±0.110,均高于白光模式(1.111±0.036),但差异无统计学意义(P>0.05);4 mg/kg组大鼠的海绵体神经在荧光模式下的平均SBR分别为1.168±0.066和1.219±0.118,均高于白光模式(1.081±0.040),但差异无统计学意义(P>0.05)。给药后2 h和4 h,2 mg/kg和4 mg/kg组大鼠的海绵体神经在荧光模式下的平均SBR均高于对照组(SBR=1),2 mg/kg组的平均SBR均高于4 mg/kg组,差异均无统计学意义(P>0.05)。通过半高宽法测量神经的平均直径约为(178±15)μm。石蜡切片HE染色可见右侧盆腔大神经节。结论:近红外荧光靶向探针ICG-NP41能够用于大鼠前列腺周围NVB的术中实时成像,为根治性前列腺切除术中实时定位NVB提供了一种可供转化的有效手段。

关键词：分子影像吲哚菁绿前列腺切除术勃起功能障碍 Sprague-Dawley大鼠

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基于改进机器学习算法的步态识别与预测研究

生物医学工程学杂志 2022年第1期39卷 103-111页

作者：高经纬马超苏鸿王少红徐小力姚杰北京信息科技大学现代测控技术教育部重点实验室北京100192 北京航空航天大学生物医学工程学院北京100191

针对人体下肢不同步态过程的个体差异和行走过程中步幅随机变化等问题,本文提出一种利用运动姿态信号进行步态识别与预测的方法。研究采用基于免疫粒子群算法(IPSO)优化门控循环单元(GRU)网络算法,建立以人体姿态变化数据为输入,以下一... 详细信息

针对人体下肢不同步态过程的个体差异和行走过程中步幅随机变化等问题,本文提出一种利用运动姿态信号进行步态识别与预测的方法。研究采用基于免疫粒子群算法(IPSO)优化门控循环单元(GRU)网络算法,建立以人体姿态变化数据为输入,以下一阶段姿态变化数据及准确率为输出的网络模型,以期实现对人体姿态变化的预测。本文首先明确概述IPSO优化GRU算法的过程,采集多名受试者分别执行平地行走、蹲起、坐姿腿屈伸等动作的人体姿态变化数据,通过对比分析IPSO优化的循环神经网络(RNN)、长短期记忆网络(LSTM)、GRU网络识别与预测情况,以验证所建模型的有效性。试验结果显示,优化后的算法可较好预测人体姿态变化,其中平地行走和蹲起动作的均方根误差(RMSE)可精确到10^(-3),坐姿腿屈伸的RMSE可精确到10^(-2);各种动作的R^(2)值均可达0.966以上。以上研究结果表明,优化后的算法可应用于实现康复治疗中人体步态运动评价和步态趋势预测、假肢和下肢康复设备设计等研究,对今后提高患者肢体功能、活动水平和生活独立能力的研究提供参考。

关键词：神经网络免疫粒子群算法门控循环单元网络步态预测

3D打印个性化钛网应用于引导骨再生术的精度研究

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口腔医学研究 2023年第10期39卷 880-885页

作者：程熠陈岗赵鹏宇赵楠王超陈丹黄海涛大连医科大学附属第一医院 116000 北京航空航天大学生物与医学工程学院医学科学与工程学院北京100083

目的:研究3D打印个性化钛网(3D printing individualized titanium mesh)在牙槽骨引导骨再生手术过程中的植入精度。方法:将9例因严重牙槽骨缺损而使用3D打印个性化钛网作为支架材料进行引导骨再生术(guided bone regeneration,GBR)患... 详细信息

目的:研究3D打印个性化钛网(3D printing individualized titanium mesh)在牙槽骨引导骨再生手术过程中的植入精度。方法:将9例因严重牙槽骨缺损而使用3D打印个性化钛网作为支架材料进行引导骨再生术(guided bone regeneration,GBR)患者的术后即刻和术后6~9个月的CBCT数据进行三维重建,将实际钛网与术前设计钛网模型进行数字化拟合,比较钛网整体偏差及形变角度。结果:GBR术后即刻钛网与术前设计钛网之间平均偏差为(0.76±0.23)mm;术后6~9个月钛网与术前设计钛网之间平均偏差为(0.71±0.19)mm;术后6~9个月钛网与术后即刻钛网之间平均偏差为(0.35±0.11)mm。最大偏差值出现在术后即刻钛网与术前设计钛网之间,为3.50 mm。钛网形变角度结果显示,与术前设计相比,GBR术后即刻钛网的形变角度最大为21.49°,最小为0°,平均为(9.92±8.72)°。钛网形变角度与平均偏差相关性分析结果显示,钛网形变角度越大,其与设计钛网产生的偏差越大。结论:3D打印个性化钛网应用于牙槽骨引导骨再生术,钛网实际位置及形态较术前设计存在偏差,需要进一步研究提高3D打印个性化钛网在GBR中的植入精度。

关键词： 3D打印个性化钛网引导骨再生精度数字化

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基于小波散射神经网络的血管硬化识别初探

生物医学工程学杂志 2023年第2期40卷 244-248页

作者：任淑琪陈增胜邓小燕樊瑜波孙安强北京航空航天大学生物与医学工程学院生物力学与力生物学教育部重点实验室北京100083

血管硬化是心血管疾病的独立预测因子,柯氏音的特征与血管顺应性密切相关。本研究的目的是探究基于柯氏音信号的特征进行血管硬化检测的可行性。分别采集正常血管和硬化血管的柯氏音信号,并进行预处理,利用小波散射网络对柯氏音信号进... 详细信息

血管硬化是心血管疾病的独立预测因子,柯氏音的特征与血管顺应性密切相关。本研究的目的是探究基于柯氏音信号的特征进行血管硬化检测的可行性。分别采集正常血管和硬化血管的柯氏音信号,并进行预处理,利用小波散射网络对柯氏音信号进行散射特征提取,搭建长短期记忆网络(LSTM)作为分类模型,对散射特征进行分类,评估LSTM分类模型的性能。本研究共有97例柯氏音信号数据,其中血管硬化组为50例,血管正常组为47例,按照8∶2的比例划分为训练集和测试集。最终分类模型的准确率为86.4%,敏感度为92.3%,特异性为77.8%。研究结果表明,柯氏音信号的特征受到血管顺应性的影响,利用柯氏音信号的特征进行血管硬化的检测是可行的,本研究为无创血管硬化检测提供了一种新的思路。

关键词：柯氏音血管硬化心血管疾病小波散射长短期记忆网络神经网络