基于OBE理念的生物医学工程专业本科人才培养体系建设与探索

一流本科教育是一流大学的底色,围绕本科教育的人才培养体系则是提升本科教育质量的关键点。上海交通大学生物医学工程专业基于成果导向教育理念,以学生为中心,构建了面向社会发展需求的高质量人才培养体系。该文从教学管理体制、人才培养顶层设计、课程体系、学生支持体系及持续改进机制建设等方面,详细介绍了上海交通大学生物医学工程专业基于成果导向的本科教育改革经验。这将对其他院校生物医学工程专业或类似工科专业实施工程教育认证起到借鉴作用,为促进高等教育面向社会需求、培养高质量工程人才提供有益的参考。

生物医学成像的若干发展动向

本文综述了近年来生物医学成像的发展动向。文章指出随着基因组学、分子与细胞生物学的发展,小动物成像的研究方兴未艾,微型CT、微型PET、微型MRI,前景诱人。图象引导的介入治疗仍是研究热点,着重于研究术中组织变形后的图象配准与实时治疗监护。所有的成像技术都朝提高灵敏度、空间分辨力与时间分辨力的方向努力。细胞成像、分子成像已引起注意。多种模式结合在一起的成像装置更引起人们极大的兴趣。磁共振成像朝快速获取数据的方向努力以便做成实时高分辨力MRI。磁共振弹性图和扩散张量成像的应用研究十分活跃。CT研究有新局面:锥束螺旋CT、倒置CT等即将走出实验室,4DCT已见初样。

跨多机构多医院的生物医学影像研究平台(e-Science)的设计

目的近来,愈来愈多的影像信息研究人员和工程师渴望构建影像信息的基础设施或新的框架以利于医学研究人员、临床医生、生物医学工程师在一个安全有效透明的环境中进行多学科合作研究。该文介绍了在上海建立的用于生物医学影像信息研究与应用的e-Science平台的梗概与初步设计,平台的设计理念、设计策略及初步结果,并讨论在建立该平台过程中遇到的若干挑战性问题和解决的对策。

生物医学放射成像与IT的互动发展

根据X-射线成像的若干例子就生物医学成像与IT的互动发展作了阐述。指出平板检测器的问世,使X-射线成像技术有了革命性的飞跃。许多老的模式得到复兴,新的模式不断涌现。锥束螺旋CT、多源CT已经或即将成为产品。另一方面医院数据量急剧增大,对IT提出了新的挑战。这种互动在PACS中得到完美体现。

面向生物医学影像研究的信息共享交换平台设计

介绍了面向生物医学影像e-Science平台共享交换架构研究,给出了详细的设计方案。采用基于IHE XDS的影像文档共享交换系统,能够为e-Science平台用户提供一个简单易用的影像文档共享平台。该研究项目将向多学科生物医学影像研究者提供一个影像信息和文档共享交换协同平台,是一个结合了信息学、生物医学的跨学科e-Science创新工程。

第4届上海国际康复医学与工程大会

由上海交通大学康复工程研究所与国家康复辅具研究中心联合举办的第4届上海国际康复医学与工程大会于2015年5月30～31日在上海成功举办。来自国内外康复医学与康复工程领域的70多名知名专家和500多位同行参加了此次会议。

数字医学工程的现状与展望

人类社会已进入信息时代，以计算机科学为主导的信息技术已渗透到各个领域，使每一个领域朝着科学化、数学化的方向发展和变化。同样，随着计算机科学和信息技术的发展，对于一个复杂的生命系统及其疾病的了解已经从定性的判断过渡到精确的量化；不再是仅凭经验和感觉，而是用数字化和可视化的方法，找出患者复杂生命系统中质的差异、变化及生命现象的变化规律，这就是医学的数字化过程。

面向阿尔茨海默病的多模态多尺度脑生物力学

目的阿尔茨海默病(AD)是最常见的神经退行性疾病,随着社会老龄化程度的加深,给社会和个人造成沉重负担。当前针对AD的诊断和评估主要采用对脑脊液中Aβ蛋白开展穿刺化验,或用注射核素采用PET成像方法对葡萄糖代谢或特异蛋白开展检测,尚缺乏无创简便的早期诊断和随访方法。研究表明,脑组织生物力学特性变化与退行性疾病密切相关。在不同尺度下采用生物力学理论和方法对AD的进展开展相关机制和表征开展研究,有助于AD早期诊断和治疗。方法在组织层面,采用磁共振弹性成像(MRE)技术对早期认知障(MCI)碍患者的脑生物力学特性开展在体测量,分析组织黏弹力学特性及其全脑分布的网络特征对MCI的诊断效能。在微观细胞层面,对Aβ蛋白影响下,采用原子力显微镜(AFM)对神经元细胞的力学特性变化开展测量,并基于显微成像的细胞骨架特征开展细胞力学建模,并针对Aβ蛋白诱导的力学变化开展机制分析。结果脑组织剪切模量在老年组显著下降,且MCI患者的脑组织弹性模量对比健康老年人也具有显著下降特征。全脑弹性模量的分布呈现小世界属性,对比健康对照其图网络结构在MCI患者中具有显著变化。神经元细胞在Aβ蛋白诱导下也呈现出软化特征,其细胞骨架结构也呈现空间分布的差异。神经元细胞的力学模型分析表明Aβ蛋白诱导的骨架变化是其总体力学特性变化的重要原因。结论生物力学特性在宏观和微观尺度下可以作为AD的生物标记,并揭示其发生机制。

重度关节盘前移位对颞下颌关节与咬合的生物力学影响

目的探究重度关节盘前移位(ADD)对颞下颌关节生物力学响应和咬合力传递模式的影响。方法构建了精细的咀嚼系统有限元模型并分析了重度ADD对咀嚼系统力学响应的影响。针对双侧与单侧重度ADD进行了不同肌肉力强度下的正中咬合(ICC)与偏侧咬合(UMC)模拟。结果重度ADD会引起下颌升支前缘高应力区扩张,应力峰值升高;升支后缘高应力区收缩,应力峰值降低。双侧与单侧ADD组患病关节盘上的接触应力条带均移至后带边缘处,接触面积严重收缩;髁突上对应的接触位置前移,且条带后方出现异常分布的点状高应力集中,应力峰值远高于正常水平。双侧ADD组UMC工况下过渡阶段(将髁突前斜面初次出现点状应力集中时视作过渡阶段)出现时咬合侧与平衡侧的肌肉力强度均为40%肌肉力,高于ICC(30%肌肉力),咬合侧(46.2 MPa)的点状应力集中显著高于平衡侧(10.3 MPa)。单侧ADD在各工况下引发模式转变所需要的肌肉力强度均显著升高,咬合与ADD同侧情况下过渡阶段出现(60%肌肉力)早于咬合与ADD异侧的情况(70%肌肉力)。结论重度ADD在高强度咬合下会引起关节盘受挤压向前滑出,导致髁突异常高应力,且这一现象在患侧进行偏侧咬合时更容易发生。因此,重度ADD患者应当避免患病侧进行高强度咬合,防止TMJ退行性病变的发生。

联合人工前外侧和前叉韧带重建相比单独前叉韧带重建更好地恢复膝关节稳定性:生物力学分析

目的探讨膝关节人工前叉韧带(ACLR)联合前外侧韧带(ALLR)重建的生物力学。方法基于机械臂测试系统完成了8个新鲜离体膝关节在4种状态下生物力学测试:(1)前叉韧带(ACL)完整,(2)前外侧结构(ALS)/ACL损伤,(3)ACLR,(4)ALLR/ACLR。每种膝关节状态分别在3种载荷工况下进行测试:(1)89 N胫骨前载荷测试前移(ATT),(2)5 N·m内旋(IR)胫骨扭矩测试胫骨IR,(3)5 N·m内旋扭矩和7 N·m外翻扭矩组合模拟pivot-shift试验测试ATT和IR。结果在89 N胫骨前负荷试验中,离体ACLR膝关节屈曲60°时的ATT显著高于完整ACLR膝关节(P<0.05)。在5 N·m IR扭矩测试中,离体ACLR膝关节屈曲45°时的胫骨IR显著高于完整ACLR膝关节(P<0.05)。在模拟pivot-shift试验中,离体ACLR膝关节屈曲30°和45°时的ATT和胫骨IR显著高于完整ACLR膝关节(P<0.05)。在3种载荷下,ALLR/ACLR联合膝关节与ACL完整膝关节相比,所有测试膝关节屈曲角的ATT和胫骨IR均无显著差异(P>0.05)。结论本研究首次比较了人工ALLR/ACLR联合离体膝关节与单独人工ACLR的离体膝关节的生物力学,研究结果表明,人工ALLR/ACLR联合手术后,膝关节稳定性得以恢复,而单独人工ACLR显示膝关节ATT和IR增加。

单轴周期性压缩对细胞骨架与细胞膜生物力学特性的作用

目的细胞感应局部力环境后自身结构发生改变,特别是细胞骨架的排布发生重定向。本研究旨在分析细胞受到单轴周期性压缩后,细胞骨架排布的改变以及对细胞膜拉伸应变的影响。从而明确细胞增强响应周期性力刺激的生物力学机制。方法 通过定制的细胞周期性力学刺激装置对细胞进行静态与周期性的压缩应力刺激;然后对静态压缩(幅值:75~175 Pa;时间:10~60 min)以及单轴周期性压缩刺激(幅值100 Pa;频率:0.25~10 Hz;时间:60 min)后的细胞进行肌动蛋白细胞骨架染色,量化分析细胞肌动蛋白丝在不同周期性压力刺激下的取向变化;最后进行单细胞黏弹性有限元建模,计算细胞骨架的取向对细胞膜的拉伸应变的量化关系。结果 随着静态压缩应力作用时间的增加,细胞肌动蛋白应力纤维与细胞长轴夹角增大(9°增大到34°),且细胞膜表面最大主应变的平均值与峰值分别增大1.8%与17%,表明细胞在静态压缩下细胞损伤风险增加;而最佳频率为0.25 Hz的周期性压力下的细胞肌动蛋白应力纤维与细胞长轴夹角减小至12.5°,细胞膜表面最大主应变的平均值与峰值也分别减小4.1%与25%。结论 静态压缩应力会导致细胞肌动蛋白骨架的取向偏离细胞长轴,周期性压缩应力会改善细胞骨架的取向,并降低细胞膜的平均拉伸应变,保护细胞免受机械损伤。

医学图像三维可视化

本文详细综述了在医学图像三维可视化领域应用广泛的各种体绘制技术 ,进一步展示了在可视化领域结合因特网技术的最新发展方向。在比较各种体绘制技术的基础上 ,提出了适合在高档PC上开发用于计算机辅助手术导航系统的三维可视化方法。

人工髋关节无菌性松动失效的生物力学分析与诊断推理

目的研究人工髋关节置换术后无菌性松动失效的力学机理以及引发松动的具体原因,提出对临床中发生无菌性松动事件进行失效诊断的具体方法。方法从骨水泥层强度、界面微动、应力遮挡、磨损与骨溶解等生物力学角度对无菌性松动的成因进行研究,分析无菌性松动失效与产品、临床和患者等因素的关系,并研究翻修术前检测松动的方法。结果提出无菌性松动失效原因推理路线图,成功利用荧光透视分析(fluoroscopic analysis,FSA)技术在翻修术前对无菌性松动进行了在体测定。结论无菌性松动失效分析推理路线图可以帮助展开失效事件的原因挖掘,应用FSA方法可以对松动进行在体测定与确认,辅助医生开展人工髋关节置换术后无菌性松动失效的诊治。

医学图像的快速最优化边缘检测

在医学图像的目标识别和三维显示过程中，边缘检测是十分重要的一环，检测的准确性将直接影响到后续的治疗．虽然现在已有许多边缘提取算法，但这些方法用于医学图像分割时很少能同时满足速度快、最优化以及所检测边缘连接甚至封闭等要求．本文提出一种基于动态规划（ＤｇｎａｍｉｃＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ，简记为ＤＰ）的边缘检测的快速算法，在算法中采用局域窗技术加快搜索速度，由分段搜索自适应地实现快速最优化巨连续的目标边缘检测．算法在模型图像及医学图像中实施，取得了满意的效果．

基于动态规划的最优化医学超声图像边缘提取

动态规划 (DP)是一种解决多阶段决策过程最优化的方法 .图像边缘提取时为了使系统输出具有最小的不确定性 ,考虑最优化判据是必要的 .动态规划算法用于图像的边缘检测主要是获得一个图像的最低能量代价阵的过程 ,而图像的边缘对应于最低代价阵中的终止点和起始点之间能量梯度降低最快的路径 ,由此可以由最低代价阵勾勒出需要的边缘 .对于质量较差的图像 ,可以先用梯度算子和一种 LUM滤波器相结合进行预滤波 .实验表明 ,基于该算法用于超声图像的边缘检测可获得全局最优的稳定的边缘线 。

医学图象中模糊边界的提取

本文提出了一种基于模糊数字拓扑的方法来实现医学图象中模糊对象的提取。该方法根据所给定的物体和边缘特征信息将原始医学图象转换到模糊连通空间 ,获得模糊边界。对复杂形状的对象还提出了模糊边界逐步改进和优化的算法。最终可以跟踪出满足实际需要的连通、平滑及优化的物体轮廓线。

基于互信息方法的医学图像检索

提出了一种适用于医学图像检索的新方法 ,即最大互信息方法 .使用该方法对超声图像库进行检索实验 ,验证了基于最大互信息方法具有良好的检索性能 :该方法既能满足位置不变性、旋转不变性和比例不变性 ,又能避免进行图像分割 ,从而避免了因图像分割引起的复杂计算 ,该方法还具有检索速度不受数据库中图像数目影响等优点 。

一种面向医学图像非刚性配准的多维特征度量方法

医学图像的非刚性配准对于临床的精确诊疗具有重要意义.待配准图像对中目标的大形变和灰度分布呈各向异性给非刚性配准带来困难.本文针对这个问题,提出基于多维特征的联合Renyiα-entropy度量结合全局和局部特征的非刚性配准算法.首先,采用最小距离树构造联合Renyiα-entropy,建立多维特征度量新方法.然后,演绎出新度量准则相对于形变模型参数的梯度解析表达式,采用随机梯度下降法进行参数寻优.最终,将图像的Canny特征和梯度方向特征融入新度量中,实现全局和局部特征相结合的非刚性配准.通过在36对宫颈磁共振(Magnetic resonance,MR)图像上的实验,该方法的配准精度相比较于传统互信息法和互相关系数法有明显提高.这也表明,这种度量新方法能克服因图像局部灰度分布不一致造成的影响,一定程度地减少误匹配,为临床的精确诊疗提供科学依据.

康复工程的研究进展与前瞻

介绍康复工程领域中的一些应用和理论研究进展