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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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一种高效可操作的经颅电刺激电极优化方法

生物医学工程学杂志 2024年第4期 724-731+741页

作者：谢旭王敏敏张韶岷浙江大学生物医学工程与仪器科学学院浙江大学求是高等研究院浙江大学生物医学工程教育部重点实验室

经颅电刺激是一种极具潜力的无创神经调控技术。基于个体经颅电刺激电场仿真模型的电极优化方法可依据个体头部组织结构差异给出个性化电刺激参数，显著提升经颅电刺激的干预靶向性。然而，目前所提出的电极优化方法存在计算耗时较长（... 详细信息

经颅电刺激是一种极具潜力的无创神经调控技术。基于个体经颅电刺激电场仿真模型的电极优化方法可依据个体头部组织结构差异给出个性化电刺激参数，显著提升经颅电刺激的干预靶向性。然而，目前所提出的电极优化方法存在计算耗时较长（通常大于1 d）、未考虑刺激器输出通道数受限等局限，进一步阻碍了电极优化方法在临床中的应用。因此，本文提出了一种高效可操作的电极优化方法，可以结合目标脑区强度和聚焦性两个目标进行优化并约束所使用的电极数量，且计算快速。与目前常用的电极优化方法相比，本文所提方法可以在保证优化效果的基础上，极大地节省计算时间（耗时减小85.9%），并且可依据刺激器实际输出通道数设置优化的电极使用个数，将电流分散到多个电极，提升经颅电刺激的使用耐受性。本文提出的电极优化方法具有高效率和易操作的特点，可为个体精准经颅电刺激的实施提供一定的数据支撑和参考。

关键词：经颅电刺激电极优化高效计算有限元

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基于光遗传学技术的脑机接口研究进展

中国生物医学工程学报 2024年第2期43卷 204-213页

作者：孟兆阳蒲江波李向宁华中科技大学武汉光电国家研究中心生物医学光子学教育部重点实验室武汉430074 中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所天津300192 海南大学生物医学工程学院海南省生物医学工程重点实验室海南三亚572025

脑机接口作为一种大脑和外部设备之间的双向通信系统,在增强脑功能、人机交互和神经康复方面得到了广泛应用。基于光遗传学技术的脑机接口,弥补了电极刺激在生物兼容性、刺激精度与细胞类型特异性上的缺陷,成为神经工程领域的研究热点... 详细信息

脑机接口作为一种大脑和外部设备之间的双向通信系统,在增强脑功能、人机交互和神经康复方面得到了广泛应用。基于光遗传学技术的脑机接口,弥补了电极刺激在生物兼容性、刺激精度与细胞类型特异性上的缺陷,成为神经工程领域的研究热点。综述了光遗传学脑机接口在动物实验中的应用,以及在闭环调控脑区活动、反馈虚拟感觉和脑-脑交互等方面取得的研究进展;介绍了集成化和微型化新型光遗传学接口的研究前沿;总结了光遗传学脑机接口面临的挑战,以及探讨在多模态脑活动监测和脑-机智能等方向的发展前景。

关键词：神经工程脑机接口光遗传学闭环反馈

基于机器学习的重症患者脓毒症实时风险预测模型

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中国生物医学工程学报 2024年第1期43卷 1-9页

作者：李润发杨美程李建清刘澄玉东南大学仪器科学与工程学院数字医学工程全国重点实验室南京210096 南京医科大学生物医学工程与信息学院南京211166

脓毒症是人体对感染反应失调导致的器官功能障碍综合症,具有较高的发病率和死亡率。传统的评分系统存在特异性低的问题。本研究基于LightGBM机器学习框架,提出了一种对脓毒症进行早期预测和风险评估的模型,以便对具有脓毒症潜在风险的... 详细信息

脓毒症是人体对感染反应失调导致的器官功能障碍综合症,具有较高的发病率和死亡率。传统的评分系统存在特异性低的问题。本研究基于LightGBM机器学习框架,提出了一种对脓毒症进行早期预测和风险评估的模型,以便对具有脓毒症潜在风险的患者进行及时干预。为了实现该模型,提出基于LASSO特征选择和滑动窗口路径重积分的时间序列特征构建方法,以及基于动态时间规整算法的时间序列聚类采样方法。选择MIMIC-Ⅲ数据库29239位病人和PhysioNet/CinC 2019挑战赛数据集40336位病人的临床信息来训练和验证模型。所提出的模型在MIMIC-Ⅲ和PhysioNet/CinC 2019独立测试集上的灵敏度、特异性、操作特征曲线下面积(AUC)分别为0.7377、0.7304、0.8147和0.8026、0.7891、0.8730。与目前最先进的EASP方法相比,AUC分别提高了3.62%和2.83%。本研究模型可以实时预测脓毒症发生的风险,揭示影响脓毒症发生的重要因素,为脓毒症风险人群的及时干预提供依据。

关键词：脓毒症预测机器学习特征构建时间序列采样

基于石墨烯折射率传感技术检测膀胱癌标志物miRNA-21

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分析试验室 2024年

作者：许文瑞高晓光李金王颖倩张校亮李晓春太原理工大学生物医学工程学院生物医学精准检测与仪器研究所

本研究基于石墨烯折射率传感技术，并结合金纳米颗粒(AuNPs)的局域表面等离子体共振效应，构建了膀胱癌标志物miRNA-21的检测方法，其折射率分辨率达到4.56×10-9。在石墨烯表面固定探针链，并合成与探针链互补配对的核酸序列功能化的Au... 详细信息

本研究基于石墨烯折射率传感技术，并结合金纳米颗粒(AuNPs)的局域表面等离子体共振效应，构建了膀胱癌标志物miRNA-21的检测方法，其折射率分辨率达到4.56×10-9。在石墨烯表面固定探针链，并合成与探针链互补配对的核酸序列功能化的AuNPs。AuNPs的局域表面等离子体共振效应会扰动石墨烯表面的倏逝场，引起石墨烯表面折射率的明显变化，从而实现信号放大。通过检测DNA-AuNPs和目标物竞争性结合探针链时产生的信号变化，实现对miRNA-21的高灵敏度检测。在无需扩增的情况下，该传感技术对于膀胱癌标志物miRNA-21的检出限和线性范围分别为0.41 pmol/L和0.50～10 pmol/L。此外，该传感技术还表现出了优异的特异性，能够成功识别单碱基错配。利用该传感技术对尿液样本进行加标回收测定，加标回收率为107.1%～117.5%。该传感技术能够实时监测核酸动态反应过程，可为膀胱癌标志物miRNA-21的定量检测提供参考。

关键词： miRNA 膀胱癌石墨烯折射率传感表面等离子体共振

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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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面向睡眠研究的生理信号开源数据集综述

中国生物医学工程学报 2024年第3期43卷 358-368页

作者：陆敬怡颜昌于广义李建清刘澄玉东南大学仪器科学与工程学院数字医学工程全国重点实验室南京210096 南京医科大学生物医学工程与信息学院南京211166

临床多导睡眠数据的采集和标注耗时长且成本高,被测人群、采集设备和标注专家等因素的不同,使得采集的数据存在差异,增加了睡眠相关研究的难度和复杂度。与众多其他临床开源数据资源相同,面向睡眠研究的生理信号开源数据集的建立为全球... 详细信息

临床多导睡眠数据的采集和标注耗时长且成本高,被测人群、采集设备和标注专家等因素的不同,使得采集的数据存在差异,增加了睡眠相关研究的难度和复杂度。与众多其他临床开源数据资源相同,面向睡眠研究的生理信号开源数据集的建立为全球相关研究者提供了丰富的数据资源和统一的对比平台,促进了睡眠医学领域研究的深入发展。为此,综述了在睡眠领域中常见的18个开源数据集的概况、特点及应用,这些数据集包括脑电图(EEG)、心电图(ECG)、眼电图(EOG)和肌电图(EMG)等生理信号以及涵盖睡眠障碍、心血管疾病和肥胖症等多个临床领域;总结了现有睡眠开源数据集在数据质量、数据标准、数据安全、样本代表性和外部有效性等方面存在的局限,提出了针对性的建议与展望。

关键词：多模态生理信号睡眠开源数据集生理测量

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多聚焦显微图像融合算法

激光与光电子学进展 2024年第6期61卷 322-330页

作者：付宏语巩岩汪路涵张艳微郎松张志郑汉青中国科学技术大学生物医学工程学院(苏州)生命科学与医学部江苏苏州215163 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所医用光学技术研究室江苏苏州215163

在显微成像过程中,受系统景深限制,沿光轴方向不同层面之间聚焦位置存在显著差异,同时不同层面的显微图像存在部分聚焦区域重叠,现有多聚焦融合算法往往无法并行提取和融合多幅显微图像中最清晰的聚焦部分。提出一种多聚焦显微图像融合... 详细信息

在显微成像过程中,受系统景深限制,沿光轴方向不同层面之间聚焦位置存在显著差异,同时不同层面的显微图像存在部分聚焦区域重叠,现有多聚焦融合算法往往无法并行提取和融合多幅显微图像中最清晰的聚焦部分。提出一种多聚焦显微图像融合算法,首先构造了一种类高斯四邻域梯度算子并结合快速引导滤波,实现高频聚焦信息的提取;同时针对大视场显微图像序列中存在聚焦信息重叠、像素数量大的情况,引入了一种小区域聚焦度量方法,提高了对聚焦清晰区域高频信息提取的能力,实现了多图最佳聚焦点的融合。拍摄3组包括4 mm和2 mm对角线视场的多聚焦显微图像序列进行测试,相较5种常用多聚焦图像融合算法,所提算法的峰值信噪比平均提高了2.4772,结构相似性指数达0.9400以上,对聚焦清晰区域有更好的融合效果,融合图像细节丰富且清晰度高,能够满足大视场多聚焦显微图像融合的准确性要求。

关键词：图像处理多聚焦显微图像引导滤波聚焦信息检测多图融合

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采用光子计数测量的高灵敏度锥束XLCT

中国激光 2024年第3期51卷 13-19页

作者：韩景灏贾梦宇周仲兴高峰天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室天津300072

X射线激发发光断层成像(XLCT)是一种新兴的混合成像技术,该技术可同时获得目标体结构信息和功能信息。然而,窄束XLCT重建图像虽然具有高空间分辨率,但X射线利用率较低,数据采集时间过长;锥束XLCT系统提高了X射线利用率,缩短了数据采集时... 详细信息

X射线激发发光断层成像(XLCT)是一种新兴的混合成像技术,该技术可同时获得目标体结构信息和功能信息。然而,窄束XLCT重建图像虽然具有高空间分辨率,但X射线利用率较低,数据采集时间过长;锥束XLCT系统提高了X射线利用率,缩短了数据采集时间,但有限的探测角度导致图像重建质量相对较低。为解决上述问题,提高X射线利用率,高效实现多角度高灵敏数据采集,提出了一种基于光子计数测量的锥束XLCT系统,并通过仿体实验对其性能进行了验证。仿体实验结果表明,6个角度锥束照射模式下重建图像的相似度系数(DICE)可达50%,系统保真度(SF)和重建浓度误差(RCE)达到0.7以上,可实现3 mg·mL^(-1)以上的荧光物质质量浓度差距的重建。

关键词：医用光学 X射线激发发光断层成像系统研制光子计数仿体实验