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石墨烯柔性生物传感技术与可穿戴式精准医疗健康监护应用

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中国激光 2024年第9期51卷 215-226页

作者：杨晗王铈弘钟豪黄乐阳赵建鑫吕文琦毛则尹邓安妮石艺璇黄琴王一璐黄国亮清华大学生物医学工程学院北京100084

可穿戴柔性电子技术是医疗健康监测,尤其是心血管疾病监测的重要发展方向之一。脉搏波是评估心血管健康的重要信息来源,但它属于非平稳弱信号,对检测端的灵敏度与稳定性具有较高要求。为解决可穿戴健康监测的柔性传感关键技术问题,设计... 详细信息

可穿戴柔性电子技术是医疗健康监测,尤其是心血管疾病监测的重要发展方向之一。脉搏波是评估心血管健康的重要信息来源,但它属于非平稳弱信号,对检测端的灵敏度与稳定性具有较高要求。为解决可穿戴健康监测的柔性传感关键技术问题,设计并开发了具有多级分支微结构的石墨烯柔性压力传感器,显著提高了对脉搏波的传感性能,并构建了可穿戴柔性传感脉搏波健康监测系统,建立了基于单点桡动脉脉搏波和Transformer架构的类感知无袖带血压监测算法,对人体收缩压和舒张压的预测误差分别为(0.7±10.5)mmHg和(0.5±6.1)mmHg。本工作可以为心血管健康动态监测系统与应用研究、可穿戴式精准医疗健康监护提供重要技术支持。

关键词：石墨烯柔性压力传感器脉搏波可穿戴设备无袖带血压测量

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哈特曼-夏克波前传感器高精度球面波标定方法研究

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中国光学（中英文） 2024年第3期17卷 521-527页

作者：包明帝史国华邢利娜何益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

为解决哈特曼-夏克波前传感器传统标定方法存在的测量精度低、稳定性不足等问题,提出了一种基于球面波的哈特曼-夏克波前传感器高精度绝对标定方法。通过理论推导获取了球面波的高精度标定方法,结合搭建的球面波标定实验装置,对子孔径数... 详细信息

为解决哈特曼-夏克波前传感器传统标定方法存在的测量精度低、稳定性不足等问题,提出了一种基于球面波的哈特曼-夏克波前传感器高精度绝对标定方法。通过理论推导获取了球面波的高精度标定方法,结合搭建的球面波标定实验装置,对子孔径数为128×128的哈特曼-夏克波前传感器完成高精度标定。该方法计算得到了哈特曼-夏克波前传感器结构参数f,w以及L_(0)的精确值。对标定后的哈特曼-夏克波前传感器的测量精度进行测试,实验结果表明,经本文方法标定后的哈特曼-夏克波前传感器的波前复原精度达到了PV=1.376×10^(-2)λ,RMS=4×10^(-3)λ(λ=625 nm),重复性精度为PV=3.2×10^(-3)λ,RMS=9.76×10^(-4)λ(λ=625 nm)。该方法可以为大口径的SHWFS完成高精度标定,提升测量精度。

关键词：哈特曼-夏克波前传感器绝对标定球面波前

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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

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

低强度脉冲超声缓解早发性卵巢功能不全大鼠卵巢炎症的研究

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中国超声医学杂志 2024年第4期40卷 469-473页

作者：邓娟肖鑫方伍柳李君粉贺思程周艺情王嫣重庆医科大学超声医学工程国家重点实验室生物医学工程学院

目的探究低强度脉冲超声(LIPUS)治疗早发性卵巢功能不全(POI)大鼠对其卵巢组织炎症的影响。方法将45只SD大鼠随机分为对照组(n=15)、模型组(n=15)以及LIPUS组(n=15)。LIPUS辐照大鼠卵巢15 d后，采用RNA测序筛选治疗前后的差异基因并... 详细信息

目的探究低强度脉冲超声(LIPUS)治疗早发性卵巢功能不全(POI)大鼠对其卵巢组织炎症的影响。方法将45只SD大鼠随机分为对照组(n=15)、模型组(n=15)以及LIPUS组(n=15)。LIPUS辐照大鼠卵巢15 d后，采用RNA测序筛选治疗前后的差异基因并富集出相关信号通路；蛋白质免疫印迹检测(Western blot)与实时荧光定量聚合酶链反应(qPCR)检测各组大鼠卵巢组织中相关炎症因子的表达水平。结果 LIPUS治疗前后差异基因显著富集到了IL-17、NK-κB以及Chemokine信号通路之上；与对照组相比，模型组IL-1β、NF-κB、TNF-α、IL-6、IL-17、S00A8、S00A9、CXCL1、CXCL3等与炎症相关因子蛋白及mRNA表达水平均显著增高(P<0.05),而LIPUS组相较于模型组均显著降低(P<0.05)。结论 LIPUS能抑制卵巢组织中炎症因子的表达，调控趋化因子、IL-17与NK-κB信号通路，从而修复卵巢组织结构与功能。

关键词：低强度脉冲超声早发性卵巢功能不全炎症

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

单物镜光片三维荧光成像技术研究进展(特邀)

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激光与光电子学进展 2024年第6期61卷 233-246页

作者：张一凡李辉杨光中国科学技术大学生物医学工程学院江苏苏州215163 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏省医用光学重点实验室江苏苏州215163

光片显微镜由于具有强大的光学层切能力、较快的成像速度和较低的光损伤,成为三维成像的重要工具。光片显微镜通常利用两个垂直放置的物镜分别进行照明和成像,这带来了对样品的空间限制并禁用了高数值孔径的成像物镜。以倾斜平面照明和... 详细信息

光片显微镜由于具有强大的光学层切能力、较快的成像速度和较低的光损伤,成为三维成像的重要工具。光片显微镜通常利用两个垂直放置的物镜分别进行照明和成像,这带来了对样品的空间限制并禁用了高数值孔径的成像物镜。以倾斜平面照明和微镜微器件反射技术为代表的单物镜光片显微技术突破上述限制,展示出在高分辨率和体积高速成像方面的优势,并且可与超分辨显微术等多种技术结合,在近年来取得了巨大发展。介绍单物镜光片显微成像技术的原理、关键性能的提升和其在生物医学的应用。

关键词：生物光学成像光片显微镜三维成像荧光显微镜

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基于凸阵列超声换能器的宽波束成像算法研究

中国生物医学工程学报 2024年第3期43卷 278-285页

作者：史新旺冯炼周小伟重庆医科大学生物医学工程学院超声医学工程国家重点实验室重庆400016

超声宽波束成像是一种高帧频超声成像技术,相对于线聚焦、平面波和发散波等成像方法,其通过远点聚焦能更好地平衡图像分辨率、对比度和帧频等成像性能。目前,宽波束成像的主要研究均是基于线阵超声换能器,但线阵超声换能器成像视野有限... 详细信息

超声宽波束成像是一种高帧频超声成像技术,相对于线聚焦、平面波和发散波等成像方法,其通过远点聚焦能更好地平衡图像分辨率、对比度和帧频等成像性能。目前,宽波束成像的主要研究均是基于线阵超声换能器,但线阵超声换能器成像视野有限且不适用于较深的腹部器官。本研究基于凸阵列超声换能器研究宽波束成像算法,评估凸阵列下宽波束成像方法的性能。基于128阵元的凸阵列换能器,在软件仿真平台和真实实验两种环境分别实施宽波束成像,得到原始的通道数据后,采用延时叠加的方法对仿真和实验数据进行波束合成,建立宽波束超声影像;针对图像的对比度与空间分辨率,将宽波束成像结果分别与传统的聚焦成像、复合发散波成像等方法进行定量的比较分析。相对于复合发散波成像,宽波束成像具有更高的图像对比度(仿真情况下为19.6 dB,提高了67.1%;实验情况下为19.1 dB,提高了33.1%),但其空间分辨率在仿真和实验中有不同的表现。在50~90 mm深度范围内,仿真情况下宽波束的平均分辨率为1.11 mm,相对发散波成像提升了18.1%;而在实验情况下62 mm处的分辨率为1.48 mm,相对降低了15.4%。综合结果表明,宽波束成像性能优于复合发散波成像。相比于聚焦扫描成像,宽波束成像具有更均匀的成像分辨率和更高的帧频。在凸阵换能器上,相比发散波成像方法和传统聚焦成像方法,超声宽波束成像方法具有更均衡的成像性能,可为临床应用特别是腹部超声提供更优的成像策略。

关键词：医学超声成像波束合成宽波束成像腹部超声