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超声定位显微成像对肿瘤演进及磁热疗效的评估

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声学学报 2024年第3期49卷 417-423页

作者：冯宇康王罗军郑罕孔新丽杨思琦陈海鑫陈冕陈昕陈思平林浩铭深圳大学医学部生物医学工程学院深圳518060 医学超声关键技术国家地方联合工程实验室深圳518060 广东省生物医学信息检测与超声成像重点实验室深圳518060

肿瘤的演进和消融伴随着微血管网络的变化,因此使用超声定位显微成像技术评估肿瘤区域微血管及其在磁热疗作用下的变化。通过构建小鼠肿瘤动物模型,搭建实验平台进行超声动物实验,实现肿瘤内部细微血管成像。通过向肿瘤部位注射磁纳米粒... 详细信息

肿瘤的演进和消融伴随着微血管网络的变化,因此使用超声定位显微成像技术评估肿瘤区域微血管及其在磁热疗作用下的变化。通过构建小鼠肿瘤动物模型,搭建实验平台进行超声动物实验,实现肿瘤内部细微血管成像。通过向肿瘤部位注射磁纳米粒子,在外部磁场的作用下产生热效应,实现对肿瘤的磁热治疗。实验结果表明,超声定位显微镜成像能观察到肿瘤生长演进过程中微血管网络的变化,且其变化情况与免疫组化结果具有一致性。此外,磁热治疗后肿瘤内部血管明显减少,与病理切片结果相符,验证了磁热治疗的可行性。

关键词：超声定位显微成像微血管图像肿瘤演进磁热治疗

改进的局部最值分段多项式拟合算法精确校正拉曼光谱基线

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光谱学与光谱分析 2024年第4期44卷 1073-1080页

作者：田超凡李剑君翁国军朱键赵军武西安交通大学生命科学与技术学院教育部生物医学信息工程重点实验室陕西西安710049

基线校正作为拉曼光谱预处理极为关键的步骤之一,对进一步拉曼光谱数据分析和实现拉曼成像等有重要意义。目前,最常用的基线校正算法基于多项式拟合,由于其采用手动或半手动的形式,因此依赖人工经验,对用户的专业性要求较高,处理过程繁... 详细信息

基线校正作为拉曼光谱预处理极为关键的步骤之一,对进一步拉曼光谱数据分析和实现拉曼成像等有重要意义。目前,最常用的基线校正算法基于多项式拟合,由于其采用手动或半手动的形式,因此依赖人工经验,对用户的专业性要求较高,处理过程繁琐,处理结果差异较大。同时,在使用过程中,多项式阶数及移动分段窗口难以选择确定,因此处理的结果常出现欠拟合或过拟合现象。针对传统多项式拟合算法的此类局限性,改进了局部最值分段多项式拟合(NPPF)算法用于精确校正拉曼光谱基线。首先采用了改进的基于分段的局部最值算法,选取光谱中最宽峰底部轮廓的近似横向宽度作为背景点窗口宽度,依次选取窗口内的最小两个值作为需要拟合的背景基线点,避免直接比较或者人工选取导致的背景点选取困难,实现更准确地选取每个背景轮廓基线点。然后通过每个窗口三次拟合迭代覆盖的方式,得到三个拟合曲线函数,选取窗口内每个点对应三个曲线函数值,分别计算与前一拟合值的差值绝对值,取绝对值最小的曲线函数值作为此点拟合曲线值,从而较好地避免了传统分段多项式拟合(PPF)算法中的欠拟合和过拟合现象,同时也确定了拟合过程中的阶数和分段窗口。模拟了两种不同背景类型的拉曼光谱,将NPPF与PPF算法分别对两种模拟光谱进行处理比较,发现NPPF处理结果均方根误差(RMSE)小,证实NPPF较于PPF的优越性。最后,对实际样品(烯啶虫胺、罗丹明6G)的拉曼光谱进行了NPPF和PPF对比处理,发现NPPF的拟合基线较为准确,证实该算法NPPF在拉曼光谱基线校正预处理中具有广泛的实际应用价值和前景。

关键词：拉曼光谱多项式拟合基线校正局部最值

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基于多通道雷达数据融合的人体心率精准测量

生物医学工程学杂志 2024年第3期41卷 461-468页

作者：郭洪瑞曹汇敏杨克奇张朱珊莹中南民族大学生物医学工程学院武汉430074 认知科学国家民委重点实验室武汉430074 医学信息分析及肿瘤诊疗湖北省重点实验室武汉430074

为实现人体心率的非接触式测量并提高其测量的精准度,本文提出一种基于多通道雷达数据融合的人体心率测量方法。雷达数据首先依次对每个通道数据进行人体位置识别、相位提取与解缠绕、相位差分、功率谱熵优化的带通滤波以及快速独立成... 详细信息

为实现人体心率的非接触式测量并提高其测量的精准度,本文提出一种基于多通道雷达数据融合的人体心率测量方法。雷达数据首先依次对每个通道数据进行人体位置识别、相位提取与解缠绕、相位差分、功率谱熵优化的带通滤波以及快速独立成分分析提取。再将四通道数据叠加融合后,使用霜冰优化的变分模态分解分离出心跳信号。最后引入线性调频Z变换进行心率估计。经过40组数据验证,本文方法的平均均方根误差为2.35次/分,平均错误率为2.39%,皮尔逊相关系数为0.97,置信区间为[–4.78,4.78]次/分,一致性误差为–0.04次/分。实验结果显示,本文提出的测量方法在准确性、相关性、一致性方面表现出色,能够实现人体心率的精准测量。

关键词：雷达信号处理多通道数据融合非接触心率测量

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基于超声导管的心输出量测量方法

声学学报 2024年第3期49卷 403-409页

作者：李俊健彭珏陈思平唐浒赵继伟孔凡凯刘晓医学超声关键技术国家地方联合工程实验室深圳518060 广东省医学信息检测与超声成像重点实验室深圳518060 深圳大学医学部生物医学工程学院深圳518060

提出了一种基于超声导管的心输出量测量方法,该超声导管具有两种不同中心频率的单振元换能器。使用超声导管、流量泵、体模等组成血流循环回路,实现了血流速度的检测与肺动脉图像管腔区域的分割,进而完成了心输出量测量。测量结果与蠕... 详细信息

提出了一种基于超声导管的心输出量测量方法,该超声导管具有两种不同中心频率的单振元换能器。使用超声导管、流量泵、体模等组成血流循环回路,实现了血流速度的检测与肺动脉图像管腔区域的分割,进而完成了心输出量测量。测量结果与蠕动泵预设流量值的平均相对误差小于2%,表明超声导管用于心输出量测量是可行的。

关键词：超声导管多普勒超声心输出量血流动力学

用于经食道超声心动图的1.5维超声探头设计

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声学学报 2024年第3期49卷 410-416页

作者：刘晓唐浒孔凡凯赵继伟陈思平彭珏医学超声关键技术国家地方联合工程实验室深圳518060 广东省医学信息检测与超声成像重点实验室深圳518060 深圳大学医学部生物医学工程学院深圳518060

设计了一种用于经食道超声心动图的1.5维超声探头,与传统1维超声探头相比,该探头可在仰角方向上实现变孔径、变焦点,从而提高切片厚度在远场、近场的一致性。采用传统PZT-5H压电陶瓷作为压电材料制备了一个包含320阵元的1.5维经食道超... 详细信息

设计了一种用于经食道超声心动图的1.5维超声探头,与传统1维超声探头相比,该探头可在仰角方向上实现变孔径、变焦点,从而提高切片厚度在远场、近场的一致性。采用传统PZT-5H压电陶瓷作为压电材料制备了一个包含320阵元的1.5维经食道超声探头,随后测试探头的电学性能、声学性能和声场分布情况。该探头的中心频率为5.6 MHz,-6 dB带宽为76%。在5~70 mm的探测范围内, 1维超声探头切片厚度为7~9 mm, 1.5维超声探头切片厚度为1.3~2.8 mm,在5~30 mm探测范围内切片厚度差值不超过0.2 mm,线靶成像显示的信息也更全面、分辨率更高。因此, 1.5维超声探头具有更广的聚焦深度、更好的远近场分布一致性以及更高的空间分辨率。

关键词：经食道超声探头 1.5维相控阵空间分辨率超声心动图

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基于声光成像的浑浊介质吸收系数测量

光学学报 2024年第4期44卷 237-246页

作者：刘遥覃诗译张畅刘丽娜朱莉莉福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室福建省光子技术重点实验室福建福州350007

理论分析了浑浊介质的声光作用机制。采用COMSOL Multiphysics软件对组织中的声光作用过程进行了仿真,讨论了组织吸收系数与声光信号相对强度的关系。仿真结果表明,声光信号与入射光强呈线性递增关系,声光信号相对强度与介质吸收系数呈... 详细信息

理论分析了浑浊介质的声光作用机制。采用COMSOL Multiphysics软件对组织中的声光作用过程进行了仿真,讨论了组织吸收系数与声光信号相对强度的关系。仿真结果表明,声光信号与入射光强呈线性递增关系,声光信号相对强度与介质吸收系数呈指数下降关系,实验结果与仿真结果相吻合。利用声光成像实验测量厚度为10 mm的浑浊介质的吸收系数,真实值与测量值最大绝对误差为0.082 cm^(-1),最大相对误差为9.3%。

关键词：生物光学声光成像声光作用机制吸收系数测量

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吲哚氰绿和羽扇豆醇复合脂质体用于结肠癌细胞光-免疫协同灭活研究

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中国激光 2024年第3期51卷 127-137页

作者：秦奋张涵张澜姚翠萍王斯佳张镇西西安交通大学生命科学与技术学院生物医学光子学与传感研究所生物医学信息工程教育部重点实验室陕西西安710049

结肠癌已成为我国主要癌症发病种类之一,传统的治疗方法难以抑制其转移和复发。免疫疗法虽然可以通过机体免疫系统清除肿瘤组织,但肿瘤组织中的免疫抑制微环境,往往会导致效果不及预期。光学疗法,包括光热疗法(PTT)和光动力疗法(PDT),... 详细信息

结肠癌已成为我国主要癌症发病种类之一,传统的治疗方法难以抑制其转移和复发。免疫疗法虽然可以通过机体免疫系统清除肿瘤组织,但肿瘤组织中的免疫抑制微环境,往往会导致效果不及预期。光学疗法,包括光热疗法(PTT)和光动力疗法(PDT),不仅可以直接诱导肿瘤细胞凋亡和坏死,还能改善肿瘤组织中的免疫抑制环境,从而促进免疫细胞在肿瘤组织中的浸润和活性,提高免疫治疗效果。笔者创新性地利用吲哚氰绿(ICG)介导的光学疗法和天然免疫活性分子羽扇豆醇(Lupeol)对自然杀伤(NK)细胞免疫活性的提升作用实现光-免疫协同激活作用和抗肿瘤效果,通过纳米脂质体将ICG和羽扇豆醇整合得到Lip-Lupeol&ICG,并将其用于结肠癌细胞灭活研究。结果显示:Lip-Lupeol&ICG在通过两次间隔激光照射后可实现PTT和PDT的两次治疗作用,可将结肠癌细胞活性抑制至43.4%;与此同时,包裹的羽扇豆醇释放后可与光学疗法协同激活NK细胞活性,将结肠癌细胞活性进一步抑制至16.7%,为临床结肠癌治疗提供了一种新思路。

关键词：医用光学吲哚氰绿羽扇豆醇光动力疗法光热力疗法 NK细胞免疫疗法

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阿尔茨海默症诊断与病理区域检测的反事实推理模型

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中国图象图形学报 2024年第4期29卷 1100-1116页

作者：葛威刘汝璇郑菲刘海华唐奇伶中南民族大学生物医学工程学院武汉430074 医学信息分析及肿瘤诊疗重点实验室武汉430074

目的随着全球人口老年化趋势日益加剧,阿尔茨海默症(Alzheimer’s disease,AD)的及时诊断与病理区域的可视化及其准确定位具有重要的临床意义。目前的研究中,基于块级和区域级的检测,由于采用非线性交互很难解释影响模型决策的病理区域... 详细信息

目的随着全球人口老年化趋势日益加剧,阿尔茨海默症(Alzheimer’s disease,AD)的及时诊断与病理区域的可视化及其准确定位具有重要的临床意义。目前的研究中,基于块级和区域级的检测,由于采用非线性交互很难解释影响模型决策的病理区域。针对此问题,提出了一种AD病理区域定位及诊断的联合学习框架。方法利用反事实推理的思想,基于前景背景注意力掩码构建注意力引导的循环生成对抗网络(attention-guided cycle generative adversarial network,ACGAN)可视化AD患者的病理区域,并使用生成的病理区域知识指导增强诊断模型。具体来说,通过在ACGAN模型的生成器中设计注意力掩码来引导生成方案,使模型更好地聚焦于疾病的病理区域,有效地捕捉突出的全局特征。并通过ACGAN模型中病理区域生成器实现结构磁共振图像(structural magnetic resonance imaging,sMRI)在源域和目标域之间的转换清晰地划分出细微的病理区域。利用生成的病理区域知识作为指导,并结合三维坐标注意力与全局局部注意力,获取三维图像之间的依赖关系及三维空间的位置信息,优化诊断模型。结果为了验证方法的有效性,在公开的ADNI(Alzheimer’s disease neuroimaging initiative)数据集上对模型进行评估,与传统的卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)模型及几种较为先进的AD分类诊断模型相比,本文使用病理区域知识指导增强诊断模型显示出优越的诊断性能,相比于性能较好的方法,ACC(accuracy)、F1-score、AUC(area under curve)分别提高了3.60%、5.02%、1.94%。并对生成的病理区域图像进行定性及定量评估,本文方法得到的病理区域图像归一化互相关分数和峰值信噪比均优于对比方法。结论与现有方法相比,本文模型可以学习sMRI图像在源域和目标域之间的转换,能够准确地捕获全局特征及病理区域。并将学习到的病理区域知识用于AD诊断模型的改进,使分类诊断模型取得了卓越性能。

关键词：阿尔茨海默症(AD) 病理区域生成对抗网络(GAN) 注意力机制可视化

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泡沫金属电磁感应传热机理研究

工程热物理学报 2024年第3期45卷 811-818页

作者：王雪锋徐峰冯上升生物医学信息工程教育部重点实验室西安交通大学生命学院西安710049 西安交通大学仿生工程与生物力学中心西安710049

研究了电磁感应加热下泡沫金属填充液体的磁–热能量转换及瞬态升/降温传热过程,搭建了泡沫金属填充液体在感应加热与液体冷却下的联合控温实验系统,采用“频域–瞬态”和“松耦合”方法求解电磁–传热耦合数值模型,揭示了泡沫金属填充... 详细信息

研究了电磁感应加热下泡沫金属填充液体的磁–热能量转换及瞬态升/降温传热过程,搭建了泡沫金属填充液体在感应加热与液体冷却下的联合控温实验系统,采用“频域–瞬态”和“松耦合”方法求解电磁–传热耦合数值模型,揭示了泡沫金属填充液体的电磁场与热源分布规律、温度响应特性、温度均匀性以及泡沫金属结构和材质等参数的影响规律。结果表明,泡沫金属填充液体的电磁感应传热特性与泡沫金属的结构和材质密切相关。

关键词：泡沫金属电磁-传热耦合频域-瞬态方法电磁加热