荧光显微图像亚细胞斑点检测方法研究进展

高通量荧光显微图像数据定量分析,是研究活细胞动态过程的有力工具。亚细胞观察对象在图像中常以衍射极限点斑的形式出现。成像条件的限制往往导致荧光显微图像均一度差、信噪比较低,给人工分析带来了挑战。设计自动化的亚细胞斑点检测方法,是高通量荧光显微图像数据处理的必要前提。本文就近年来斑点检测的关键技术进行了较详尽的综述,包括降噪滤波、信号增强和信号阈值化。在总结现有斑点检测方法优缺点的基础上,讨论算法设计的瓶颈和共性难点,并对相关研究做了展望。

碲化镉量子点对血管平滑肌细胞的损伤作用

目的观察碲化镉量子点(CdTe QD)在体外对大鼠血管平滑肌细胞(VSMC)的损伤作用。方法CdTe QD(0.01~100 mg·L^(-1))与原代培养的大鼠胸/腹主动脉平滑肌细胞共孵育24 h,MTT法检测CdTe QD对细胞存活的抑制;钙黄绿素乙酰甲酯(calcein-AM)荧光染色观察CdTe QD对VSMC细胞活性的影响;DCFH-DA和JC-1染色、流式细胞术检测CdTe QD作用后细胞内活性氧(ROS)含量和线粒体膜电位的变化;流式细胞术检测细胞凋亡;Western蛋白印迹法检测BCL-2和BAX蛋白表达变化。结果 MTT结果显示,CdTe QD 0.01~100 mg·L^(-1)作用VSMC细胞24 h,细胞存活率降低(P<0.01),24 h IC_(50)值为25.60 mg·L^(-1)。Calcein-AM荧光检测发现,CdTe QD 0.1~25 mg·L^(-1)作用后,VSMC细胞活性下降。DCFH-DA染色结果显示,CdTe QD 0.1~25 mg·L^(-1)使细胞内ROS逐渐增加(P<0.05,P<0.01);JC-1染色结果表明,VSMC线粒体膜电位呈浓度依赖性降低(r=0.903,P<0.01)。Western蛋白印迹结果表明,CdTe QD诱导抗凋亡蛋白BCL-2表达显著降低(P<0.01),促凋亡蛋白BAX表达显著上升(P<0.01);流式细胞术FITC-AnnexinⅤ染色结果显示,CdTe QD 0.1~25 mg·L^(-1)作用24 h能显著促进VSMC细胞凋亡(P<0.05,P<0.01)。结论CdTe QD可诱导VSMC细胞凋亡,其机制可能与胞内ROS含量上升和线粒体介导的凋亡通路激活相关。

一种心率检测仪的低功耗与抗静电设计

目的研究并开发一种无创且连续的心率检测仪产品,以用于心血管病患者的日常监护。方法利用铺设在座椅上的压电薄膜传感器来提取人体腿部血管的搏动信号,从而推算心率值。采用STM32F411作为核心运算和控制单元实现低功耗程序设计,运用瞬态保护器件与嵌入式软件监控单元来全方位抑制静电放电所造成的干扰。结果在3种工作模式下,设备具有出色的能耗表现,且静电抗扰度满足YY 0505-2012标准的要求。结论该检测仪使用便捷,功耗超低,安全稳定,为家用心脏监护提供了一个实际可靠的解决方案。

基于讨论机制的头脑风暴优化算法

为了克服头脑风暴优化(BSO)算法易陷入局部最优导致早熟收敛的问题,提出新型的基于讨论机制的头脑风暴优化(DMBSO)算法.该算法运用组内讨论和组间讨论这一新机制取代BSO算法中的个体更新过程,分别控制算法的全局搜索和局部搜索能力.通过线性递减和线性递增方式调整组间讨论和组内讨论次数,使算法搜索初期加强全局搜索能力,搜索后期加强局部细致搜索能力,有效地防止早熟问题.对6个经典测试函数(BFs)的10维、20维、30维问题分别进行测试来评估DMBSO的效果.结果表明,DMBSO算法与BSO算法和经典的粒子群(PSO)算法相比,可以有效地避免陷入局部最优,稳定地找到更好的最优值,而且随着问题维度的增加,DMBSO表现出更强的鲁棒性.

基于改进头脑风暴优化算法的隐马尔可夫模型运动识别

目的克服隐马尔可夫模型(hidden Markov model,HMM)训练过程中易陷入局部最优问题,提高基于HMM的人体运动识别准确率。方法提出一种基于带差分步长的头脑风暴优化(brain storm optimization with differential step,BSO-DS)算法来改进HMM训练过程的方法,进而利用该方法对实际人体运动视频进行运动识别,并将结果与经典的基于Baum-Welch(BW)算法的HMM识别结果进行比较分析。结果本文所提方法在解决HMM训练问题时,可以得到更大的log-likelihood值,所得到的HMM可以更好地表达训练数据,其运动识别准确率达到92.2%,较BW算法有较大提升。结论 BSO-DS算法可以有效搜索全局最优,更好地解决HMM的训练问题,同时提升了运动识别准确率,为人体运动分析提供了新思路。

便携式医疗电子仪器设计中的MCU选型分析

围绕便携式医疗电子设备低功耗与高集成度的设计特点,对比了当前半导体厂商的主流低功耗MCU系列。分析结果表明,以低成本、高能效的ARM Cortex-M系列为内核的32 bit MCU,在功耗水平、运算性能和集成外设等方面,综合优势明显。

基于STM32L的便携式动态血压监测仪优化设计

基于ARM Cortex-M3内核的32 bit超低功耗微控制器STM32L151RBT6,研制出由两节5号电池供电的便携式动态血压监测仪:提出运用超级电容技术解决电源稳定性问题,并设计新型安全逻辑电路来防止袖带过压。实验结果表明,该解决方案准确稳定且安全系数高,具有很强的临床应用价值。

基于EFM32的高精度动态心电记录仪的低功耗设计

电池供电的动态心电记录仪是临床诊断和分析突发性与慢性心血管疾病的重要仪器,随着记录时间、体积重量与测量精度要求不断提高,然而系统必须兼具低功耗和高运算性能的特点。针对该矛盾,采用单片24位集成模拟前端ADS1298作为高精度信号采集电路,以32位Cortex-M3内核的新型低功耗微控制器EFM32G880F128为主控芯片,着重研究主频与功耗的关系,并提出软硬件优化措施。实验结果表明:该解决方案能很好地满足记录仪低功耗、微型化和高精度的设计要求。

碲化镉量子点抑制人脐静脉内皮细胞存活并损伤线粒体

目的观察碲化镉量子点(Cd Te QD)对人脐静脉内皮细胞(HUVEC)线粒体自噬的诱导作用,探讨Cd Te QD对血管内皮细胞的毒理特性。方法原代培养的HUVEC采用免疫荧光法鉴定后与Cd Te QD(0.1~100 mg·L^(-1))共孵育24 h,MTT法检测细胞存活;Mitotracker标记、激光共聚焦显微术观察线粒体断裂情况;JC-1染色、流式细胞术检测Cd Te QD对HUVEC线粒体膜电位的影响;Western蛋白印迹法检测线粒体自噬相关蛋白微管相关蛋白1轻链3Ⅰ/Ⅱ(LC3Ⅰ/Ⅱ)、膜突蛋白样BCL2作用蛋白1(Beclin1)、同源性磷酸酶张力蛋白诱导的激酶1(PINK1)和动力相关蛋白1(DRP1)水平的变化。结果经鉴定,原代培养的HUVEC>95%为血管内皮细胞。MTT结果显示,Cd Te QD作用于HUVEC 24 h后,细胞存活率显著下降(P<0.05,P<0.01)。激光共聚焦显微术检测发现,Cd Te QD导致HUVEC胞内线粒体大量断裂。流式细胞术检测染色结果表明,Cd Te QD 0.1,1和10 mg·L^(-1)使HUVEC的线粒体膜电位下降,膜电位较高的HUVEC比例分别由正常对照组的(91.8±0.6)%下降至(90.2±1.1)%,(84.4±0.9)%和(78.1±1.3)%(P<0.05,P<0.01)。Western蛋白印迹结果显示,Cd Te QD 10 mg·L^(-1)诱导自噬相关蛋白Beclin1,LC3Ⅱ/LC3Ⅰ比值PINK1和DRP1的水平升高(P<0.05,P<0.01),Cd Te QD 1 mg·L^(-1)还造成线粒体自噬相关蛋白PINK1和DRP1表达显著上升(P<0.05,P<0.01)。结论 Cd Te QD可诱导HUVEC线粒体损伤并激活线粒体自噬。

基于活动轮廓模型的图像分割算法综述

活动轮廓模型是一种重要的图像分割技术,它利用底层信息,并结合高层先验知识,实现对复杂目标轮廓的自动分割。自Kass等提出该思想以来的20多年中,活动轮廓模型在理论研究和应用方面均取得长足发展。首先,介绍活动轮廓模型的发展历程,重点阐述并分析典型的参数活动轮廓模型和几何活动轮廓模型,进而扼要介绍混合活动轮廓模型和快速求解算法;随后,从理论基础、分割效果、算法效率以及应用等方面,比较两类模型之间的区别与联系;最后,对活动轮廓模型未来的发展趋势进行展望。

基于C-V模型和MRF的脑部MRI分割

为准确分割脑部磁共振图像(MRI)的灰质、白质和背景,提出一种基于C-V模型和马尔可夫随机场的全自动分割方法。采用C-V模型与形态学相结合的方法对脑MRI进行预处理,去除多余脑组织,获得待分割图像。引入灰度场局部熵的思想对惩罚因子进行估计,利用马尔可夫随机场模型建模实现脑灰白质的分割,并运用形态学方法获得最终分割结果。对96幅IBSR图像和46幅临床图像进行实验,结果表明,该方法能够实现脑部MRI灰白质的全自动分割,且具有较好的分割精度和较快的处理速度。

脉搏波形态学研究及其在子痫前期的应用

子痫前期是妊娠20周后出现的特有疾病,会导致血液系统、消化系统、神经系统等的异常改变,严重危害孕产妇和围生儿的健康.针对实际临床中存在的子痫前期检测方法复杂、不便于日常监护的问题,提出了基于光电容积脉搏波提取相关特征参数的方法.根据脉搏波下降支的形态特征及生理意义,提取出了新的特征参数——光电容积斜率指数(PSI),通过逐段分析下降支斜率来体现外周血管阻力、血管壁弹性等生理信息的细节变化.基于临床采集的50例孕妇(23名为子痫前期患者,27名为正常孕妇)的光电容积脉搏波数据,对PSI指数区分子痫前期患者与正常孕妇的有效性进行了验证.结果表明,真阳性20例,假阳性1例,真阴性26例,假阴性3例,灵敏性和特异性分别达到87.0%和96.3%,准确性达到92.0%.PSI指数为子痫前期的无创诊断研究提供了理论依据和新的研究方法,对于实现子痫前期的早期筛查、保障孕妇和胎儿的健康有着重要意义.

动态血压监测系统设计

动态血压的测量对心血管疾病的诊断和治疗具有重要的临床意义。动态血压监测系统可以实时记录患者的血压值,准确、实效帮助医生诊断高血压。设计的动态血压监测系统以MSP430F5529为微控制器(MCU),通过即时时钟(RTC)DS1388定时控制DRV8830启动泵阀,实现定时监测血压。该系统实现了定时测量、原始数据存储、LCD实时显示等的功能。系统可通过MCU内置的USB接口上传原始数据到PC,对测试数据进行分析、判断。本文设计的动态血压监测系统体积小、功耗低,可长时间定时监测血压,对高血压和临近高血压,以及心血管疾病的预防、诊断有重要作用。

基于非下采样剪切波变换的PET/SPECT和MR图像融合

目的针对PET/SPECT伪彩色图像空间分辨率低而MR灰度图像空间分辨率高的融合问题,探究一种新方法来提升PET/SPECT和MR图像的融合质量。方法对待融合图像进行非下采样剪切波变换(nonsubsampled shearlet transform,NSST),得到各自的低频子带和高频子带,然后采用绝对值取大规则去融合高频子带,采用本文提出的基于Haar小波的能量(Haar wavelet based energy,HWE)规则去融合低频子带,最后对融合后的高、低频分量进行逆NSST从而获得融合图像。采用40组脑PET/SPECT和MR图像对本文所提出方法进行测试,并与其他典型的融合方法进行比较。结果本文方法与基于DTCWT,NSCT,NSCT-SR和NSST的融合方法进行测试,结果表明,本文方法在4个指标上最优,1个指标上次优。结论本文方法在PET/SPECT和MR图像的融合中具有优越性,可提升此类医学影像在辅助临床诊断和放疗手术计划中的精准性。

基于局部特征与轮廓控制的磁共振扩散张量插值方法

目的在保持生物体扩散张量物理性质和控制张量行列式轮廓基础上进一步提高张量插值的质量。方法提出一种基于局部特征与轮廓控制扩散张量图像轮廓控制插值方法,也即基于邻近多个张量值的对数-欧氏距离,对基于黎曼测地线上非匀速运动的轮廓控制插值方法的空间距离进行修正。结果脑部磁共振扩散张量图像的插值重建实验结果表明,本文方法和其他常用插值方法相比,3种在不同的误差度量下误差较其他方法均有显著性改善(P<0.01),任取样本的各项异性分数值误差也有一定的减小。结论在脑磁共振扩散张量图像插值中,本文方法能保持生物体扩散张量物理性质并控制行列式轮廓,减少扩散张量插值的误差,改善插值效果。

基于声图像的海底地形边界提取算法

针对海底地形边界难以自动提取的问题,提出一种基于声图像的自动提取算法.利用连通域标记找到满足面积准则的连通区域,以此区域上的单个点作为动态规划寻优的起点,在寻优过程中引入包括灰度、梯度、位置、韦伯分辨率等信息的能量函数的概念,在相邻纵列动态寻优的范围内以能量函数最小为准则实现边界的自动提取.对36例实际数据进行测试,边界提取准确率达到了92.6%,与金标准的吻合度为93.3%,与金标准的平均欧式距离为0.23个像素.结果表明:该方法能够在保留水体深度方向信息的基础上,更好地融合空间域信息,准确地提取海底地形边界,且鲁棒性好.

溶解氧长期原位监测系统在矿业中的应用

针对矿业生产溶解氧原位监测中,采用的氰化法导致矿浆腐蚀性强、干扰杂质多、无法进行长期原位监测等难题,设计了一种高精度、高抗干扰性、快速响应的原位溶解氧测量系统。系统具有防腐防磨的机械保护结构,基于荧光猝灭原理为基本方法,设计了精密光电检测交流放大和数字检相电路,通过多阶积分平均滤波完成相位偏差的测量方案。通过实地对比实验表明:系统检测精度高,响应时间快(检测时间小于等于30 s),抗干扰能力强,在恶劣环境中仍然可以长期稳定工作,可以实现矿业现场溶解氧的原位在线监测。

杭州市中心城区大气PM2.5暴露致大鼠肺部损伤作用研究

目的:探讨杭州市中心城区大气细颗粒物(PM2.5)对大鼠肺部的损伤及其对内质网应激通路的激活作用。方法:在杭州中心城区采用大容积空气颗粒物采样器将PM2.5颗粒采集于石英纤维滤膜上,将收集的PM2.5洗脱于超纯水中,再经真空冰冻干燥处理。将24只雄性SD大鼠随机分为3组:空白对照组,PM2.5低剂量组(5mg/kg BW)和高剂量组(25 mg/kg BW)。采用气管滴注法进行染毒,每周1次,连续染毒4周。末次染毒24 h后麻醉动物,取左肺行HE染色,观察肺组织病理学改变。以化学比色法检测右肺肺泡灌洗液(BALF)中总抗氧化能力(T-AOC)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性和乳酸脱氢酶(LDH)活性,ELISA法测定BALF中肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白介素-1β(IL-1β)和白介素-6 (interleukin-6,IL-6)水平。Western blot法检测肺组织中内质网应激标志物葡萄糖调节蛋白78 (GRP78)表达、磷酸化蛋白激酶受体样内质网激酶(PERK),磷酸化真核细胞翻译起始因子2α(e IF2α),C/EBP同源蛋白(CHOP),肌醇依赖酶1α(IRE1α),X盒结合蛋白1 (XBP1)蛋白的水平。结果:与空白对照组相比,低剂量和高剂量PM2.5染毒均能导致大鼠肺部出现明显的肺泡壁增厚、肺泡腔缩小、间质增生和炎细胞浸润,且随着染毒剂量增加组织损伤加重。PM2.5染毒组大鼠BALF中T-AOC含量和SOD活性呈剂量依赖性下降(P<0.05);而BALF中的LDH活性则呈剂量依赖性上升(P<0.05)。PM2.5染毒导致大鼠肺部促炎因子TNF-α、IL-1β和IL-6的释放呈剂量依赖性增加(P <0. 05)。高剂量PM2. 5染毒组大鼠肺组织中GRP78、磷酸化PERK (p-PERK)、磷酸化e IF2α(p-eIF2α)、CHOP、IRE1α和剪切型X盒结合蛋白1(XBP1-S)表达显著升高,而未剪切型XBP1 (XBP1-U)表达明显下降。结论:杭州市中心城区PM2.5染毒可引起大鼠肺部的炎性损伤,上述损伤可能与肺部氧化应激和内质网应激通路的激活相关。

基于多种生理信号的情绪识别研究

情绪是由某种特定的对象或情景所引发的一系列反应,会影响人的生理状态,因此可通过生理信号进行识别。提出一种融合脉搏波、皮肤电反应、呼吸、皮肤温度等多种信号的特征,结合SVM-RFE-CBR(基于支持向量机可减少相关性偏差的递归特征消除)特征排序算法进行特征选择,利用支持向量机进行分类的情绪识别模型,并通过DEAP数据集验证该模型在愉悦度、唤醒度、优势度上的二分类效果,分别获得了73.5%、81.3%、76.1%的准确率。结果表明,利用多种生理信号融合可有效地进行情绪识别。

基于卷积稀疏表示的鲁棒性PET和CT图像融合方法

目的针对PET图像空间分辨率低而CT灰度图像空间分辨率高的融合问题,探究新方法来提升配准不佳情形下PET和CT图像的融合质量。方法首先对待融合图像进行卷积稀疏表示,得到相应的基础层和细节层;然后利用非下采样剪切波变换对基础层进行分解,得到高频子带和低频子带;其次采用局部互相关性取大规则去融合细节层和高频子带,采用区域能量取大规则去融合低频子带;最后对融合后的高、低频子带进行逆非下采样剪切波变换(NSST),并对基础层和细节层进行逆卷积稀疏表示(CSR),从而获得融合图像。结果采用80组配准不佳的PET和CT图像对本文方法进行测试,并与其他典型的融合方法进行比较,测试结果表明本文方法在主、客观评价上皆优于其他方法,表现出很好的鲁棒性。结论本文方法在PET和CT图像融合中具有明显优势,可提升该类医学影像在临床诊断和放疗手术计划中的精准性。