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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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基于权重复用的训练加速算法

实验技术与管理 2024年第5期41卷 15-22页

作者：应仰威章洛铭齐炜郑楷周泓浙江大学生物医学工程与仪器科学学院浙江杭州310027

深度学习已广泛应用在科研教学、工业生产等各领域,但因其数据量庞大和模型结构复杂,在模型训练阶段要依赖大量的计算资源。为了能在实验教学环节提升资源利用效率,让学生更加熟练地掌握数据搜集和模型参数调整优化的能力,提出了一种基... 详细信息

深度学习已广泛应用在科研教学、工业生产等各领域,但因其数据量庞大和模型结构复杂,在模型训练阶段要依赖大量的计算资源。为了能在实验教学环节提升资源利用效率,让学生更加熟练地掌握数据搜集和模型参数调整优化的能力,提出了一种基于权重复用的训练加速方法,分别对VGG和ResNet网络结构的深度和宽度进行伸缩拓展,允许模型复用结构相似但不需要完全一致的网络权重。实验结果表明,在CIFAR10数据集上测试,采用权重复用方法进行初始化的训练更快收敛,而且在训练结束时与随机化训练的准确率相近,实现拓展后的网络加速训练,是一种更加灵活的知识迁移方法,有助于培养学生对复杂模型的理解与优化能力。

关键词：卷积神经网络知识迁移训练加速权重复用

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基于夏克-哈特曼波前检测的无透镜屈光测量系统

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中国激光 2024年第3期51卷 225-233页

作者：耿康杰张贺童丁上上张洋刘敏付威威中国科学技术大学生物医学工程学院(苏州)生命科学与医学部安徽合肥230000 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏苏州215163

为了解决现有电脑验光仪和视力筛查仪体积庞大、价格昂贵的问题,设计并搭建了一套基于哈特曼波前检测原理的小型无透镜屈光测量系统。首先,对测量原理进行了详细介绍;接着,利用Zemax软件对图像采集光路进行模拟,并分析了实际测量屈光度... 详细信息

为了解决现有电脑验光仪和视力筛查仪体积庞大、价格昂贵的问题,设计并搭建了一套基于哈特曼波前检测原理的小型无透镜屈光测量系统。首先,对测量原理进行了详细介绍;接着,利用Zemax软件对图像采集光路进行模拟,并分析了实际测量屈光度与仪器-人眼距离的函数关系;最后,成功搭建了试验样机,并通过对中国计量科学研究院模拟眼进行屈光测量来验证函数关系的正确性及测量结果的准确性。实验结果表明该系统能有效地对-10~+10 D范围内的模拟眼进行屈光测量,测量结果显示:球镜度重复测量误差最高不超过0.20 D,变异系数不超过3%;柱镜度重复测量误差最高不超过0.25 D,变异系数不超过9%。此外,该系统结构简单且成本低廉。在满足测量结果准确性、稳定性要求的前提下,该系统更适用于需要仪器小型化的场合,具有广阔的应用前景。

关键词：测量屈光测量夏克-哈特曼波前传感器波前重构近视小型化

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基于光声谱分析的大鼠慢性前列腺炎评价

声学学报 2024年第3期49卷 424-430页

作者：王憧朱云开董琪李博艺封婷李颖陈亚青他得安复旦大学信息科学与工程学院生物医学工程系上海200438 上海交通大学医学院附属新华医院上海200092 复旦大学工程与应用技术研究院生物医学工程技术研究所上海200433

探究了使用光声谱参数评价慢性前列腺炎的可行性。通过对大鼠注射弗氏完全佐剂构建大鼠慢性前列腺炎症模型,使用光声显微仪器扫描前列腺组织切片获取原始光声信号。计算信号的功率谱参数(斜率、截距、平均谱功率和频谱质心偏移量),对获... 详细信息

探究了使用光声谱参数评价慢性前列腺炎的可行性。通过对大鼠注射弗氏完全佐剂构建大鼠慢性前列腺炎症模型,使用光声显微仪器扫描前列腺组织切片获取原始光声信号。计算信号的功率谱参数(斜率、截距、平均谱功率和频谱质心偏移量),对获得的谱参数进行了分析统计和参数成像,并讨论了不同频带的选择对评价结果的影响。实验结果表明,炎症组织与正常组织谱参数的统计结果和成像结果均存在显著性差异,使用频谱质心偏移量(SCS)成像可以区分炎症组织和正常组织,且在带宽固定的情况下,斜率参数和平均谱功率参数分别在高频谱段和低频谱段成像结果清晰,不同频带对截距参数成像的影响较小。

关键词：光声显微光声谱分析前列腺炎组织表征

用于生物样品处理的高强度聚焦超声装置开发研究

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生物医学工程学杂志 2024年第1期41卷 152-159页

作者：雷祝兵庞欣佩李力梅茜董文飞中国科学技术大学生物医学工程学院(苏州) 江苏苏州215163 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏苏州215163

针对传统超声设备存在的交叉污染、样本破碎不均匀等问题,本文研制了一种小型化、低成本的高强度聚焦超声装置。该装置通过凹球面自聚焦型压电陶瓷片产生超声波,在聚焦区域形成空化效应,实现样本裂解。首先,本文通过物理仿真证明装置的... 详细信息

针对传统超声设备存在的交叉污染、样本破碎不均匀等问题,本文研制了一种小型化、低成本的高强度聚焦超声装置。该装置通过凹球面自聚焦型压电陶瓷片产生超声波,在聚焦区域形成空化效应,实现样本裂解。首先,本文通过物理仿真证明装置的可行性,然后制作功率可调的驱动电路,实现0~22.4 W声功率输出,最后进行石蜡包埋样本脱蜡实验验证装置的有效性。实验结果表明,高强度聚焦超声装置的脱蜡效率和安全性明显优于传统化学方法,与商用超声仪器具有可比性。综上,本文研发的高强度聚焦超声装置有望应用于自动化核酸提取和纯化设备中,在样本前处理领域具有广阔的应用前景。

关键词：样本裂解高强度聚焦超声石蜡包埋样本

基于深度学习的乳腺癌术后脂质体多柔比星与表柔比星个性化治疗推荐研究

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复旦学报（医学版） 2024年第4期51卷 443-454页

作者：宋徐春周济春吕旭东浙江大学生物医学工程与仪器科学学院杭州310027 浙江大学医学院附属邵逸夫医院肿瘤外科杭州310016

目的比较机器学习(machine learning,ML)与因果领域个体化干预效果(individualized treatment effect,ITE)评估深度学习这两类方法在真实临床数据集上的个性化推荐性能差异,构建乳腺癌术后聚乙二醇脂质体多柔比星(pegylated liposomal d... 详细信息

目的比较机器学习(machine learning,ML)与因果领域个体化干预效果(individualized treatment effect,ITE)评估深度学习这两类方法在真实临床数据集上的个性化推荐性能差异,构建乳腺癌术后聚乙二醇脂质体多柔比星(pegylated liposomal doxorubicin,PLD)与表柔比星(epirubicin,EPI)的个体化药物治疗推荐模型,通过评估药物疗效来指导临床治疗方案。方法回顾性收集浙江大学医学院附属邵逸夫医院收治的904名乳腺癌患者临床资料,其中387例采用PLD治疗,517例采用EPI治疗,通过倾向性评分匹配法比较两组患者5年无病生存期(disease free survival,DFS)结局;应用CFR_WASS等6种ITE模型预测患者在两种药物治疗下5年DFS概率,使用随机森林等6种机器学习模型作为基准进行性能分析比较;根据受试者工作特征曲线下的面积(area under the receiver operating characteristic curve,AUROC)评估预测性能,通过计算实际使用治疗与模型推荐治疗一致组和对照组的5年DFS率差异评估治疗推荐有效性。结果153对匹配病例中,PLD组和EPI组5年DFS结局比较差异无统计学意义,16对病例PLD组临床结局优于EPI组,12对病例EPI组临床结局优于PLD组,验证两种药物存在个体治疗收益差异。CFR_WASS模型获得了最优预测性能(AUROC为0.7368);多数ML组与对照组的5年DFS率无明显差异,ITE组5年DFS率均低于对照组,差异有统计学意义(P<0.01),其中CFR_WASS组5年DFS率较对照组低2.13%。结论相比于ML模型,ITE评估深度学习模型能更准确地估计两种药物的个体化治疗效果,给出有效的个体化治疗推荐,具有一定临床应用价值。

关键词：乳腺癌表柔比星(EPI) 脂质体多柔比星(PLD) 个性化治疗深度学习

扩散MRI评价轻中度孤立性侧脑室扩张胎儿脑白质纤维结构改变的价值

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中华放射学杂志 2024年第8期58卷 843-849页

作者：张超陈瑞可孙聪蔡先云陈欣吴丹王光彬山东大学山东省立医院影像科济南250021 浙江大学生物医学工程与仪器科学学院生物医学工程系杭州310027 北京医院影像科北京100730 山东第一医科大学附属省立医院影像科济南250021

目的应用扩散MRI(dMRI)的扩散张量成像(DTI)模型和基于fixel分析(FBA)的方法探讨轻中度孤立性侧脑室扩张(IVM)胎儿脑白质纤维结构的变化情况。方法该研究为病例对照研究,前瞻性纳入2022年8月至2023年8月在山东第一医科大学附属省立医院... 详细信息

目的应用扩散MRI(dMRI)的扩散张量成像(DTI)模型和基于fixel分析(FBA)的方法探讨轻中度孤立性侧脑室扩张(IVM)胎儿脑白质纤维结构的变化情况。方法该研究为病例对照研究,前瞻性纳入2022年8月至2023年8月在山东第一医科大学附属省立医院就诊的轻中度IVM胎儿20例,胎龄为24~36(29.9±3.6)周,为IVM组。对照组纳入22例正常胎儿,来自中国胎儿脑dMRI图谱数据,胎龄为24~36(30.2±3.7)周。所有胎儿均采集dMRI数据,采用DTI模型获得胼胝体膝部、胼胝体压部、小脑中脚,双侧的皮质脊髓束、下纵束、下额枕束、丘脑前辐射7种主要纤维束的各向异性分数(FA)、平均扩散率、轴向扩散率和径向扩散率。采用FBA方法获得全脑纤维密度(FD)、纤维横截面积(FC)和纤维密度与横截面积(FDC)。IVM组与对照组间各纤维束DTI参数的比较采用独立样本t检验或Mann-WhitneyU检验。2组间FBA参数的比较使用协方差分析,使用MRtrix3软件包显示有差异的脑区。结果IVM组与对照组胎儿下纵束的FA值分别为0.142±0.012和0.133±0.015,差异有统计学意义(t=2.21,P=0.033),其余纤维束DTI参数差异均无统计学意义(P>0.05)。全脑FBA结果显示,与对照组比较,IVM组胎儿FD和FC改变的区域主要分布在胼胝体压部、穹隆、矢状层,其中FD降低而FC升高,FDC在皮质脊髓束降低。结论轻中度IVM胎儿存在脑白质纤维微观结构的改变,以位于侧脑室体部、三角区及颞角周围的白质纤维束为主。

关键词：胎儿磁共振成像脑室扩张扩散张量成像脑白质

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基于DNA支持的脂质膜工程化研究进展

化学与生物工程 2024年第4期41卷 1-8,17页

作者：季玮浙江大学生物医学工程与仪器科学学院浙江杭州310063 浙江大学滨江研究院浙江杭州310063

脂质膜表面的工程化修饰是指通过在脂质膜表面引入附加的活性位点来调控脂质囊泡的理化性质,进而赋予其更广泛生物化学功能的过程。简单介绍了DNA与脂质膜的相互作用,重点阐述了基于DNA或DNA纳米结构支持的脂质膜工程化研究进展,包括脂... 详细信息

脂质膜表面的工程化修饰是指通过在脂质膜表面引入附加的活性位点来调控脂质囊泡的理化性质,进而赋予其更广泛生物化学功能的过程。简单介绍了DNA与脂质膜的相互作用,重点阐述了基于DNA或DNA纳米结构支持的脂质膜工程化研究进展,包括脂质膜结构的构建、合成、自组装行为等,指出了该领域所面临的挑战,并对未来的应用前景进行了展望。

关键词：脂质体 DNA 膜工程

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基于深度学习的铁轨图像识别技术

铁道科学与工程学报 2024年

作者：徐心慈师秀霞耿晨歌陈祥献浙江大学生物医学工程与仪器科学学院浙江众合科技股份有限公司

为保证城轨交通中地铁的运营安全，避免铁轨轨道内障碍物的存在造成安全事故，有必要进行地铁铁轨识别。考虑到铁轨有细长连续的物理特性，同时受深度学习中的车道线检测任务启发，改进车道线检测网络CLRNet算法，提出针对铁轨图像识别... 详细信息

为保证城轨交通中地铁的运营安全，避免铁轨轨道内障碍物的存在造成安全事故，有必要进行地铁铁轨识别。考虑到铁轨有细长连续的物理特性，同时受深度学习中的车道线检测任务启发，改进车道线检测网络CLRNet算法，提出针对铁轨图像识别的CLRNet-L算法。为解决铁轨轨道细长且难以被准确识别定位的问题，CLRNet-L使用特征金字塔网络进行高级特征与低级特征的提取与融合，通过自上而下的思想，首先用高层特征粗略地定位轨道，再利用与高层特征融合后的浅层特征进一步细化轨道从而实现铁轨识别。针对铁轨轨道线细长连续且因其颜色较深难以与周围环境区分的问题，在原CLRNet中引入注意力机制和多尺度聚合器，提出大核注意力模块捕获更多的上下文信息，加强对铁轨轨道的特征表示。由于在轨道交通领域中缺少针对铁轨识别任务的公开铁轨轨道数据集，使用在杭州五号线和六号线中采集的地铁运行时轨道照片制作轨道场景的数据集，数据集中包含直道、弯道和道岔场景的铁轨图像，该数据集用于进行铁轨识别实验，来验证算法的有效性。实验结果证明：CLRNet-L在自制数据集中达到了88.96%的MIoU和最快11.54 ms的检测速度，与其他算法相比有更高的精度和检测速度。研究结果能为地铁安全保障技术尤其是障碍物检测提供技术基础，保障地铁运营安全。

关键词：铁轨识别图像处理轨道交通深度学习计算机视觉