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采用小波变换和双向长短期记忆网络的脑电睡眠分期模型

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西安交通大学学报 2022年第9期56卷 104-111页

作者：王天宇陈晗王刚吴宁西安交通大学电子与信息学部西安710049 西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室西安710049 西安交通大学生命科学与技术学院西安710049

针对睡眠生理信号采集难度大、睡眠分期精度低的问题,提出一种采用小波变换和双向长短期记忆网络的脑电睡眠分期模型。首先使用连续小波变换提取睡眠脑电的时频图;然后使用卷积神经网络从脑电信号的时频图中提取睡眠相关的脑电特征,作... 详细信息

针对睡眠生理信号采集难度大、睡眠分期精度低的问题,提出一种采用小波变换和双向长短期记忆网络的脑电睡眠分期模型。首先使用连续小波变换提取睡眠脑电的时频图;然后使用卷积神经网络从脑电信号的时频图中提取睡眠相关的脑电特征,作为单个睡眠片段的分期依据,再使用双向长短期记忆网络进一步提取睡眠片段之间的状态转换规则;最后利用深度学习方法建立特征、规则与睡眠阶段的映射,使用数据扩充和两步训练法训练模型,削弱数据不均衡的影响,完成连续片段的睡眠分期。采用SHHS公开数据库的5793名被试者的睡眠脑电数据对该模型进行验证,实验结果表明,睡眠分期准确率达到85.82%,整体F1达到78.39,Kappa系数达到0.799,和现有方法相比性能明显提升。

关键词：睡眠分期脑电信号连续小波变换卷积神经网络双向长短期记忆网络

Ca_(v1.2)离子通道马尔科夫随机过程模型的建立与应用

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西安交通大学学报 2018年第2期52卷 140-147页

作者：宋璟波张镇西西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室西安710049

针对Ca_(v1.2)离子通道在功能细胞的Ca^(2+)代谢循环中起着关键作用,并且在细胞交互环境下受到多种因素的调控从而表现出的复杂门控行为,基于现有的Ca_(v1.2)结构信息,提出了改进的连续时间7态马尔科夫随机过程模型。首先抽象出7个通道... 详细信息

针对Ca_(v1.2)离子通道在功能细胞的Ca^(2+)代谢循环中起着关键作用,并且在细胞交互环境下受到多种因素的调控从而表现出的复杂门控行为,基于现有的Ca_(v1.2)结构信息,提出了改进的连续时间7态马尔科夫随机过程模型。首先抽象出7个通道状态来表征Ca_(v1.2)离子通道的有限构象变化,包括电压相关失活(VDI)和Ca^(2+)相关失活(CDI);其次应用相关实验数据求解7个状态间迁移速率函数的参数,即在贝叶斯框架下利用JAGS软件包,实现蒙特卡洛马尔可夫链(MCMC)算法对参数的后验分布进行Gibbs抽样。最后,将通道随机模型分别应用于描述小空间中Ca^(2+)瞬态行为的随机偏微分方程和Ca_(v1.2)离子通道G406R/G432N突变引发的电生理变化。计算结果表明:改进的Ca_(v1.2)马尔科夫模型不仅在宏观水平上与广泛的电生理实验结果有较好的吻合,而且在心肌细胞微结构以及通道基因的病理研究领域中具有较好的预测性。

关键词：马尔科夫模型电压相关失活 Ca2+相关失活 G406R/G432N突变

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双面微电极阵列芯片力电特性的有限元仿真

西安交通大学学报 2017年第1期51卷 141-146页

作者：龚茹雪赵宗亚黄洪恩王珏西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室西安710049

为了指导脑深部电刺激动物实验中电极植入手术操作和电极植入后刺激参数的选择,针对自主研发的双面硅基微电极阵列,利用有限元建模和仿真方法,对其植入过程中电极与脑组织作用的力学特性和植入后电流刺激下的电学特性进行了探究。仿真基... 详细信息

为了指导脑深部电刺激动物实验中电极植入手术操作和电极植入后刺激参数的选择,针对自主研发的双面硅基微电极阵列,利用有限元建模和仿真方法,对其植入过程中电极与脑组织作用的力学特性和植入后电流刺激下的电学特性进行了探究。仿真基于Comsol Multiphysics有限元建模软件,首先依据微悬梁臂结构对电极进行建模,并将脑组织简化为各向同性的圆柱体以便于问题的分析和求解;然后,依据电极和脑组织的材料特性、仿真要求、模型尺寸进行相应的参数设置和网格划分;最后通过求解器得到仿真结果。力学仿真表明:当电极尖端载荷达到0.14N时微电极达到强度极限,电极植入过程中推力达到0.06N且硬脑膜位移形变为0.8mm时被穿破。电学仿真表明:双面双极刺激下电流强度增大,刺激范围在三维空间方向上同比增大;比较不同的刺激模式,单面刺激的流线弯曲和收敛程度较双面刺激大,导致刺激范围减小,影响了大于改变此电极刺激触点与参考触点的距离。通过动物实验证实了所得结果的有效性和可靠性。

关键词：微电极阵列芯片有限元仿真力学特性电学特性

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考虑细胞外基质刚度的神经轴突力学模型

科学通报 2023年第21期68卷 2748-2755页

作者：刘妍徐钊程波徐峰西安交通大学生命科学与技术学院生物医学信息工程教育部重点实验室西安710049 西安交通大学仿生工程与生物力学研究所(BEBC) 西安710049

细胞外基质在神经系统发育和再生过程中起到关键作用,其力学特性的非正常变化与神经系统疾病的发生发展密切相关.神经元利用其轴突末端生长锥感知细胞外基质力学特性,进而产生定向迁移行为.本文通过建立细胞黏附依赖的神经轴突力学模型... 详细信息

细胞外基质在神经系统发育和再生过程中起到关键作用,其力学特性的非正常变化与神经系统疾病的发生发展密切相关.神经元利用其轴突末端生长锥感知细胞外基质力学特性,进而产生定向迁移行为.本文通过建立细胞黏附依赖的神经轴突力学模型,探究了细胞外基质刚度影响神经元定向迁移行为的分子机制.通过描述细胞黏附分子结合-解离过程、肌动蛋白激活-收缩及轴突生长等动力学过程,刻画了神经轴突、生长锥及细胞外基质之间的力学相互作用过程.理论结果揭示了不同种类神经元力敏感行为差异性产生的分子机制,阐明了基质刚度对神经轴突生长的影响规律.综上,本文通过建立神经轴突力学模型,对神经元感知细胞外基质刚度的生理行为进行了定量化描述,从力学角度描述了“轴突-生长锥-细胞外基质”相互作用过程,为神经再生和修复提供了潜在理论依据.

关键词：细胞外基质生长锥细胞黏附力学模型神经元

采用源空间套索分析和卷积神经网络方法的高频脑电动作模式识别方法

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西安交通大学学报 2024年第1期58卷 187-196页

作者：陶怡徐维维朱家林袁子文王茂德王刚西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室西安710049 西安交通大学第一附属医院康复医学科西安710061 西安交通大学第一附属医院神经外科西安710061

针对目前同侧手部运动意图识别率低的问题,提出了一种基于源空间套索分析和卷积神经网络(source-Lasso-CNN,SLC)的高频脑电动作模式识别方法。该方法运用空间源定位分析与握拳、展拳、二指对捏、三指对捏4种动作相关的脑电信号,使用组La... 详细信息

针对目前同侧手部运动意图识别率低的问题,提出了一种基于源空间套索分析和卷积神经网络(source-Lasso-CNN,SLC)的高频脑电动作模式识别方法。该方法运用空间源定位分析与握拳、展拳、二指对捏、三指对捏4种动作相关的脑电信号,使用组Lasso进行感兴趣区域(ROI)选择,再输入到卷积神经网络进行单手多类动作模式识别。采集13名被试者在4种手部动作模式下的脑电和肌电信号并进行预处理,采用基于核磁共振图像的边界元模型建立头模型、使用最小范数估计解决脑电源成像逆问题,将传感器空间的脑电信号映射至源空间。将源空间脑电序列按照布罗德曼分区进行划分,提取每个脑区的3个时域特征并基于特征采用组Lasso方法进行ROI选择,将挑选出的ROI及其对应源空间序列输入卷积神经网络中进行四分类。实验结果表明:采用source-Lasso-CNN的方法在高频(γ频带)脑电的识别准确率可达(82.23±12.71)%,优于在δ(1~3 Hz)、θ(4~7 Hz)、α(8~13 Hz)、β(14~30 Hz)以及全频带(1~100 Hz)上的结果。与其他先进方法相比,其准确率也有显著性的提升,显示了该方法在同侧手部运动意图识别中的有效性。

关键词：源空间 Lasso 卷积神经网络高频脑电手部运动意图识别

基质刚度和生长因子协同驱动上皮-间质转化的力-化耦合机制

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应用数学和力学 2024年

作者：朱鸿源王与帅林敏西安交通大学生命科学与技术学院生物信息工程教育部重点实验室西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室仿生工程与生物力学研究所(BEBC)

上皮-间质转化（EMT）是胚胎发育、伤口愈合、癌症发展等生理病理过程中的关键步骤，使细胞从紧密黏附在一起的上皮状态转变为分散排布的间质状态。该文提出了一个基质刚度和生长因子协同驱动EMT的核心调控回路模型，发现在EMT过程中，... 详细信息

上皮-间质转化（EMT）是胚胎发育、伤口愈合、癌症发展等生理病理过程中的关键步骤，使细胞从紧密黏附在一起的上皮状态转变为分散排布的间质状态。该文提出了一个基质刚度和生长因子协同驱动EMT的核心调控回路模型，发现在EMT过程中，基质刚度和生长因子通过协同调控EMT激活转录因子来改变细胞间力学黏附分子E/N-钙黏素的表达，从而影响EMT的进程与可逆性。该模型揭示了力学和化学因素的协同作用对EMT过程中细胞间力学黏附的影响机制，为癌症等疾病的发生、发展机制和防治策略奠定了理论基础。

关键词：力学模型力-化耦合上皮-间质转化细胞间力学黏附

一种提取近红外光谱信号中诱发血液动力学反应的方法

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同方期刊数据库

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西安交通大学学报 2016年第7期50卷 152-158页

作者：蔡云丽高琳王逸飞闫相国西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室西安710049

为了更好地提取与大脑功能活化有关的诱发血液动力学反应(EHR),综合比较了不同经验模态分解算法的优缺点,提出了一种提取近红外光谱信号中EHR的方法——ICEEMDAN-RLS。利用5种经验模态分解算法对近端通道信号进行分解,根据分解结果对远... 详细信息

为了更好地提取与大脑功能活化有关的诱发血液动力学反应(EHR),综合比较了不同经验模态分解算法的优缺点,提出了一种提取近红外光谱信号中EHR的方法——ICEEMDAN-RLS。利用5种经验模态分解算法对近端通道信号进行分解,根据分解结果对远端通道信号进行自适应滤波,借助皮尔森相关系数和相对均方误差评估不同经验模态分解算法的EHR提取性能,在此基础上分析经验模态分解和传统块平均方法的块平均次数与EHR信号质量之间的关系。结果表明,基于5种经验模态分解算法的自适应滤波方法都能有效提取远端通道信号中包含的EHR,ICEEMDAN-RLS具有更大的皮尔森相关系数和更小的相对均方误差,仅需要进行10次块平均便可获得稳定的EHR信号,比传统方法的块平均次数减少了75%,且具有较高的EHR信号质量,可以更有效地提取淹没在全局干扰中的EHR。该结果可为大脑功能活化的研究提供参考。

关键词：近红外光谱技术诱发血液动力学反应经验模态分解块平均

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纳米金标记细胞的荧光寿命成像及其三维重建

西安交通大学学报 2016年第4期50卷 153-158页

作者：姚翠萍周湘连王晶王波黄康张镇西西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室西安710049

为了研究在基于纳米金的肿瘤光动力学疗法以及肿瘤热疗中纳米金在细胞中的分布及代谢,利用多光子荧光显微镜技术对在热疗中纳米金结合的肿瘤细胞进行了多次扫描成像,并采用一种基于区域的活动轮廓模型图像分割算法,对与纳米金结合的细... 详细信息

为了研究在基于纳米金的肿瘤光动力学疗法以及肿瘤热疗中纳米金在细胞中的分布及代谢,利用多光子荧光显微镜技术对在热疗中纳米金结合的肿瘤细胞进行了多次扫描成像,并采用一种基于区域的活动轮廓模型图像分割算法,对与纳米金结合的细胞的多光子荧光显微图像进行处理,在一幅具有多个细胞的图像中分割出单个细胞的轮廓。根据细胞断层切片图像的轮廓采用移动立方体算法,对细胞进行三维重建,绘制出细胞表面的三维模型,再利用纳米金的荧光寿命和光强来标定纳米金在细胞具体位置的分布。结果表明,在一定时间内,纳米金会进入细胞并在不同的区域内呈现一定的分布。这与抗原抗体结合会导致抗体的内化,从而使纳米金进入细胞内的事实相符。这种技术将会为更加直观、全面地研究纳米金与细胞的相互作用以及纳米金在细胞内具体位置(比如某个细胞器内的分布)提供一种可行的方法。

关键词：荧光寿命成像金纳米微粒三维重建

Hi-C技术在三维基因组学和疾病致病机理研究中的应用

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遗传 2023年第4期45卷 279-294页

作者：王舜泽江丰朱东丽杨铁林郭燕西安交通大学生命科学与技术学院生物医学信息工程教育部重点实验室生物医学信息与基因组学中心西安710049

三维基因组学在基因组序列、基因结构及其调控元件的基础上对细胞核内的染色质的三维空间结构进行研究。染色体的空间交互作用是基因表达调控的重要因素,随着高通量染色体构象捕获(high-throughput chromosome conformation capture,Hi... 详细信息

三维基因组学在基因组序列、基因结构及其调控元件的基础上对细胞核内的染色质的三维空间结构进行研究。染色体的空间交互作用是基因表达调控的重要因素,随着高通量染色体构象捕获(high-throughput chromosome conformation capture,Hi-C)技术及其衍生技术的出现和快速发展,借助Hi-C技术获取高通量三维基因组学数据,对基因表达调控等生物过程进行研究,已成为揭示细胞深层机制、阐明疾病致病机理的重要手段。本文在介绍三维基因组的发展历程和研究技术的基础上,重点总结了近年来Hi-C技术在多种疾病研究、特别是致病机理阐释方面的应用和成果,为深入理解三维基因组学在构建全局基因调控图谱、挖掘疾病致病机理方面的应用提供参考和借鉴。

关键词： Hi-C 三维基因组学染色质结构基因表达调控