基于核磁共振和化学计量学鉴别啤酒类别

目的对精酿啤酒和工业啤酒进行判别并筛选两者的差异代谢物。方法利用Bruker AvanceⅢHD400 MHz核磁共振波谱仪得到23个精酿啤酒和21个工业啤酒样品的核磁共振氢谱。对氢谱数据的分段积分建立主成分分析、正交偏最小二乘法判别模型进行数据处理和评估。利用代谢组学方法筛选差异代谢物并进行验证。结果构建的无监督的主成分分析和有监督的正交偏最小二乘法判别分析可视化结果清晰地展现了组内相似性和组间差异。比较脂肪族区域、碳水化合物区域和芳香族区域的单独预测效果,脂肪族区域对分类起关键作用(R^(2)Y=0.931P<0.001,Q^(2)=0.858P<0.001)。同时利用代谢组学方法筛选并验证了没食子酸、L-色氨酸、2’-脱氧鸟苷和L-酪氨酸为主要差异代谢物。结论精酿啤酒和工业啤酒间存在差异,能够通过核磁共振和化学计量学进行鉴别,且脂肪族区是区分两者的重要区域。主要差异代谢物为没食子酸、L-色氨酸、2’-脱氧鸟苷和L-酪氨酸。

适配心肌软组织力学性能的仿生纤维电极调控心肌细胞同步收缩

目的将柔性电极集成到心肌组织工程中实现监测和调控组织工程心肌的电生理功能,对于构建功能性仿生组织用于修复心肌梗死具有重要意义。但较硬的电极与心肌软组织的力学性能适配仍是亟待解决的难题。优化设计电极网络的结构可以提高其力学可伸缩性,为个性化适配心肌软组织的非线性力学特征提供了一种简单可控的策略。方法本研究仿生心肌细胞外基质中的波浪形胶原纤维和心室中肌纤维呈螺旋排列方式,利用熔融直写技术(Melt Electrowriting)打印非线性微纳米纤维的优势,构建了一种正弦结构的镀金纤维电极网络,用于调控心肌细胞同步收缩和促进心肌组织修复。结果镀金纤维网络具有可调控的纤维直径和各向异性比率,能够实现个性化适配特定心脏大小和形状的力学性能。接种在镀金纤维上的心肌细胞定向生长形成肌节组织,并在仿生电刺激下表现出频率介导的同步收缩,实现了细胞之间的电信号传导和有效力电耦合。心肌细胞产生的收缩力能驱动纤维补片平面收缩。小鼠皮下植入验证了补片的良好生物相容性。结论正弦结构的镀金纤维补片具有适配心肌软组织的非线性力学性能,并能够调控心肌细胞同步收缩,有希望促进补片移植后与宿主心肌的力/电功能整合并提高修复心肌梗死的治疗效果。

基于边界条件编码的BiLSTM的冠脉流场压力实时预测方法研究

目的基于深度学习的冠脉流场预测是冠脉血流动力学研究的热点。然而,目前的研究无法解决不同冠脉解剖结构和边界条件的流场压力快速预测,且依赖于大量的计算资源,临床应用能力有限。本研究基于数据驱动的方法构建冠脉流场深度学习预测模型,实现冠脉流场压力的快速求解。方法使用包含2446支血管分支的265例临床数据进行个性化的稳态冠脉血流动力学模拟。将200例三维血流动力学模拟数据作为训练集,构建边界条件编码的双向长短期记忆递归网络(BEBi LSTM)模型。网络输入边界条件以及冠脉几何结构,实时迭代预测冠脉中心线节点处压力。将剩余的65例数据作为测试集,用于验证模型预测结果的准确性。结果对比BE-Bi LSTM模型预测结果与0D~3D几何多尺度模型模拟的结果,压力预测数值误差在4.53%。以血流储备分数(FFR=0.8)作为心肌缺血诊断阈值,相比于临床实测结果,BE-Bi LSTM预测结果的准确性、敏感性、特异性、阳性预测值、阴性预测值和ROC曲线下面积(AUC)分别为0.89、0.97、0.87、0.90、0.91和0.92,且预测完整冠脉的平均时间在5s以内。结论提出的方法可应用于不同冠脉解剖结构和边界条件的流场压力实时预测,预测结果具有较高的准确性,且无需耗费大量的计算资源,具有显著的临床应用价值。

挥发性有机物检测应用于肺癌筛查的研究进展

肺癌是全世界发病率和死亡率最高的恶性肿瘤之一。呼出气中可挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)作为一类新型肺癌诊断的标识物,是一种无创、便捷的肺癌筛查理想介质。基于VOCs的检测方法已成为无创检测的新手段。本文针对肺癌患者呼出气体中VOCs的主要检测分析方法进行了综述,包括表面增强拉曼(surface enhancement of raman scattering,SERS)检测、电化学检测、质谱检测等方法,并介绍了这些不同检测方法在肺癌诊疗方面的各自特点及应用前景。科学研究发现新标志物的方法应以高精密质谱为主,而床旁检测的应用场景需要以更便携的光谱或小型化质谱为主。

基于单细胞RNA测序数据对胰腺癌肿瘤微环境中缺氧肿瘤亚群的探究

胰腺癌作为恶性程度极高的肿瘤之一,多数患者确诊时已处于不可切除或转移性阶段。随着单细胞RNA测序(single-cell RNA-sequencing, scRNA-seq)技术的发展,我们能够以更高分辨率深入探索肿瘤微环境(tumor microenvironment, TME)的内部异质性,从而揭示胰腺癌进展中预后不良的关键机制。先前研究指出,缺氧是实体瘤TME的固有特性,能激活血管生成与转移相关的信号通路,但缺氧TME的异质性仍需进一步阐释。通过基因集富集分析、拟时序分析和细胞间通讯分析等手段,对胰腺癌scRNA-seq数据进行分析,识别出具有不同生物学功能的肿瘤亚群,特别是与缺氧密切相关的亚群。该缺氧肿瘤亚群与不良预后紧密相关,据此构建的风险评分模型可有效预测胰腺癌患者总生存期。本研究加深了对胰腺癌TME的了解,为胰腺癌预后的预测提供了一定参考。

支架,放还是不放?这是个生物力学问题

血管支架用于扩张血管狭窄病变部位,以达到血流通畅的目的。但什么样的狭窄血管需要放支架?这是个生物力学问题。本文从血管狭窄的功能学评价指标来分析血管狭窄、心肌缺血和支架治疗之间的逻辑关系,用农田灌溉这样形象的比喻来阐明冠脉支架介入术的生物力学机理,启发读者思考临床医学背后的基础工程科学原理。

现代医学信号处理课程实践教学探索

将一种工程实践导向的教学方法应用于现代医学信号处理课程,旨在培养具有工程素养的应用型人才。该教学方法通过结合课程特点,构建了交互式、实时和动态的人工智能仿真平台,帮助学生深入学习和理解肺癌智能诊断中的关键技术,包括图像分割、目标检测和图像分类等。同时,结合北京工业大学研究生工程实训基地和课程思政,探究培养具备工程素养的应用型人才的新途径。实践证明,该教学模式能够有效提高学生的创新能力和综合素质,为其今后从事科研和开发工作打下坚实基础。在未来的教学实践中可以进一步优化教学方法,改善教学效果。

色谱技术在玉米真菌毒素检测中的应用研究进展

玉米是我国三大主粮之一,其在生长、加工和储运过程中均有可能被真菌毒素污染。真菌毒素是世界范围内研究最为广泛的生物毒素,农作物受到真菌毒素污染会导致其产量和质量下降。色谱技术在真菌毒素微量检测方面应用广泛,研究玉米中真菌毒素的污染情况、检测方法、限量标准和风险评估对于保障玉米质量安全具有重要意义。本文系统阐述了玉米中常见真菌毒素的污染状况及毒性,介绍了色谱技术在玉米真菌毒素检测领域的研究进展,并对未来玉米真菌毒素检测技术的发展趋势进行展望,以期为该领域后续研究提供参考。

基于流体粒子浓度和Physics-informed Point-Net的冠脉流场速度快速预测方法研究

目的传统计算流体动力学(CFD)方法求解流场效率低下。流场的快速求解方法是近年来的热点和前沿问题,尤其对于不同边界条件的流场快速求解,目前尚没有很好的解决方案。依据浓度扩散定理,流体速度与粒子浓度具有密切相关性,依据流场粒子的浓度有望准确反衍求解流场速度。方法本研究临床收集了205例冠心病患者的冠状动脉CTA图像,重建其3D血管几何模型;分别在流场中设置血液和造影剂两种流体材料,模拟造影剂在血液中的流动,提供粒子浓度信息;为不同模型施加11种不同的入口流速和生理压力边界条件,共进行了2255例CFD仿真,作为深度学习模型训练和测试样本;设计了双路径的Physics-informed Point-Net(PIPN)卷积神经网络。网络的双路径分别输入冠脉模型3D点云和流场内造影剂粒子浓度3D点云,并在网络中编码浓度扩散定理,利用造影剂浓度和流体速度的关系加速驱动神经网络计算收敛,实现不同边界条件下流场速度的精准预测。结果结果显示,造影剂浓度和流体速度呈现非常好的相关性(r=0.94,P<0.001)。相比于CFD计算结果,利用PIPN对255例测试集的流场速度预测结果误差小于5%,并且计算时间小于10 s/例。结论本研究提出的PIPN模型可实现不同边界条件的流场速度快速求解,对于CFD走向临床和实际工程应用具有重要的技术价值。

焦亡相关炎症因子与痛风性关节炎疾病活动度的相关性研究

目的分析焦亡相关炎症因子在痛风性关节炎(gouty arthritis,GA)患者不同病程中的表达水平,探讨细胞焦亡是否参与GA的病理生理过程。方法收集2022年6月至2023年6月就诊于中日友好医院风湿免疫科50例急性痛风性关节炎(acute gouty arthritis,AGA)患者(AGA组)和50例健康体检者(健康对照组)的外周静脉血样本,分别检测两组患者血清生化指标、血常规指标及焦亡相关炎症因子如C反应蛋白(C-reactive protein,CRP)、白介素(interleukin,IL)-1β、IL-18的表达水平;蛋白免疫印迹法检测尿酸钠结晶刺激的THP-1细胞中焦亡相关蛋白水平变化。采用SPSS统计学软件对受试者的尿酸水平、疾病活动度等指标进行统计分析。结果与健康对照组相比,AGA组患者外周血血清尿酸(uric acid,UA)、白细胞、CRP、IL-1β、IL-18、IL-6、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、Ca^(2+)水平显著升高,Mg^(2+)水平显著降低,差异具有统计学意义(P<0.05);AGA组急性发作期UA、白细胞、CRP、IL-1β、IL-18、IL-6、TNF-α、Ca^(2+)和数字分级评分法(numerical rating scale,NRS)评分显著高于缓解期,Mg^(2+)水平显著降低(P<0.05);NRS评分与血清IL-1β、IL-8、IL-18水平呈正相关(P<0.05)。尿酸钠结晶刺激的THP-1细胞中焦亡相关功能蛋白表达水平显著高于无特殊处理的THP-1细胞。结论GA患者焦亡相关炎症因子水平高于健康对照者,且GA急性期焦亡相关炎症因子水平高于GA缓解期,提示细胞焦亡可能参与了GA的免疫炎性反应。

保留瓣膜两种主动脉根部置换术的生物力学数值模拟

目的阐释运用直筒型人工血管行保留主动脉瓣膜的主动脉根部改良重塑术和佛罗里达袖套术对新生主动脉根部生物力学的影响。方法采用CTA影像重建5例主动脉根部有限元模型,包括2例主动脉根部改良重塑术(A1、A2),2例佛罗里达袖套术(B1、B2)和1例无主动脉根部病变的对照组(C)。通过数值模拟获得血流和压力分布结果,评估主动脉根部的血流动力学差异。结果两种术式的患者和对照组收缩峰值的最大流速之间没有显著差异,但主动脉根部改良重塑术后的流速较为平缓,与对照组模型相近,而其主动脉内平均压力和壁面切应力趋于稳定。佛罗里达袖套术中,存在高速血流冲击血管壁,沿主动脉壁出现不同程度的壁面切应力和压力集中现象。结论保留瓣膜的主动脉根部手术后,新生主动脉根部的血流模式依赖于术后窦部几何形状的变化。观察到两种术式的血流状态均表现良好,但主动脉根部改良重塑术血流模式较佛罗里达袖套术更稳定。

分叉血管边支斑块及继生斑块发生发展趋势的动态模拟

目的考虑血管重构和低密度脂蛋白(low-density lipoproteins,LDL)沉积,探讨分叉血管边支斑块的生长发展趋势,以及因斑块存在而可能引发继生斑块的生长位置。方法建立分叉血管理想化模型,用计算流体力学方法获取边支斑块生长前后壁面切应力分布。在低切应力区域截取7个截面:截面1~3为斑块生成前边支的低切应力区域;截面4、5为斑块上、下游边缘;截面6、7为斑块下游低切应力区域。模拟截面内血管重构和LDL沉积,讨论斑块的生长和发展趋势。结果截面1~3中,截面2产生了明显的负性重构和最高浓度LDL沉积(102.266 mmol/L),说明此处是动脉粥样硬化斑块的起始位置。当斑块产生后,相比于截面4,截面5产生了更明显的血管重构,并造成管腔的狭窄和最高的沉积浓度(110.17 mmol/L),说明斑块有向下游偏心生长的趋势。相比于截面6,截面7(血液流动分离再附着点)产生了更明显的负性重构和最高的沉积浓度(93.851 mmol/L),说明血液流动分离再附着点附近有生成新斑块的可能。结论边支低切应力处产生明显血管重构导致管腔狭窄,并引发LDL的高浓度沉积,形成动脉粥样硬化斑块。其中,分叉血管的外侧壁为动脉粥样硬化斑块生长的起始位置。在斑块生长后斑块有向下游发展的趋势,在流动分离再附着点有形成继生斑块可能。

脑血流分数评估脑动脉功能性狭窄严重程度的血流动力学研究

目的颅内动脉粥样硬化性狭窄是导致缺血性脑卒中的主要原因之一。然而,目前临床上卒中风险评估主要依赖于脑动脉的狭窄率。这种评估方式忽略了脑动脉的代偿能力以及斑块的特征等因素。因此,本研究旨在通过计算血流动力学的方法,研究脑血流分数(既狭窄远端压力与脑供血动脉压力的比值)与脑组织梗塞之间的关系,为功能性评估脑组织缺血提供一种无创计算方法。方法基于血管生成算法与Desikan-Killian脑分区构建了48例个性化的全脑几何多尺度血流动力学模型。通过该模型,计算出脑血流分数(cerebral fractional flow,CFF)与相对脑血流量(relative cerebral blood flow,r CBF),并以r CBF≤0.48为阈值来评估模型的脑组织梗塞情况。根据统计学方法对CFF,狭窄率与r CBF进行了一致性和相关性分析,并通过ROC曲线对CFF进行了诊断性能的评估。结果结果表明狭窄率与r CBF的相关性显著高于CFF与r CBF的相关性(r=0.72 vs r=0.99)。CFF的诊断阈值为0.59,其准确率为100%,曲线下面积AUC为0.99。结论综上所述,本研究提出的CFF在评估缺血性脑卒中表现出良好的诊断性能,为临床中的卒中风险评估和诊断策略提供参考。

非狭窄的对称型二叶式主动脉瓣在修复手术中结构设计的建议:一项数值研究

目的二叶式主动脉瓣(BAV)返流修复术中改进瓣叶(AV)结构设计可以最大限度地减少各种瓣膜并发症,降低再手术风险。本研究针对非狭窄的对称型BAV修复术探究AV解剖特征对瓣膜力学性能和关闭不全(AI)的影响,提出修复建议。方法基于生理解剖构建参数化对称型BAV模型,分别改变AV连合高度H(7.1、7.6、8.1、8.6、9.1 mm)和游离缘凹型高度D(H*10%、20%、30%),共构建5组20种BAV有限元模型进行数值模拟,比较不同结构尺寸BAV对术后游离缘的位移变化、应力分布和瓣膜闭合的影响。结果对于D=0 mm的传统结构,随着H的增加,游离缘位移量变化不大;AV最大应力逐渐降低(1.697~1.615 MPa),当H增加到9.1 mm时应力有回升趋势(1.635 MPa);持续增加H会造成AV冗余,关闭时过度贴合。对于5组H模型,随着D的增大,游离缘位移量逐渐减小;当H<8.1 mm时,增加D会增加AV最大应力,不能改善修复效果,H增加20%会造成AI;当H=8.6 mm时凹型结构可降低最大应力,D增加30%会造成AI;当H=9.1 mm时凹型更有利于AV对合,D增加10%、20%、30%,最大应力分别降低了3.1%、4.9%、11.7%。结论A患者H较小时,凹型结构容易造成AI,不建议采用;H较大时,建议采用凹型结构而不是降低H,瓣膜闭合和力学表现更具优势,但过度增加D也会导致AI。

可降解医用Zn-3Al-1Mg合金的体外腐蚀行为和力学性能

采用热挤压方法制备了管状Zn-3Al-1Mg合金,利用扫描电子显微镜(SEM)及拉伸、压缩测试等方法研究了铸态和挤压态管状Zn-3Al-1Mg合金的微观组织与力学性能同时,利用浸泡试验、电化学测试、X射线光电子能谱分析(XPS)研究了挤压态管状Zn-3Al-1Mg合金在模拟体液(SBF)溶液中的腐蚀行为结果表明:铸态及挤压态合金均由η-Zn,α-Al及Mg2Zn11三相组成,挤压态合金的微观组织明显细化,且力学性能明显优于铸态合金的力学性能挤压态合金在模拟体液中的腐蚀速率为015~028 mm/a腐蚀形貌分析结果揭示了不同物相间的微电偶腐蚀机制,腐蚀产物包括Zn/Al/Mg的氧化物、氢氧化物,以及Ca,P和Zn/Al/Mg相结合产生的磷酸盐、碳酸盐结合电化学测试结果,对挤压态合金的腐蚀过程和腐蚀机理进行了分析.

自组装[Pd_(6)(L)_(4)]^(8+)型大环配合物用于荧光传感HSO_(3)^(-)

在本研究中,通过金属定向的分级自组装反应,以芳基吡唑-吡啶配体与双金属钯组装子在水溶液中合成了平行四边形的大环超分子金属环[Pd_(6)(bpy)_(6)(L^(1))_(4)](PF_(6))_(8)(1a)和[Pd_(6)(bpy)_(6)(L^(2))_(4)](PF_(6))_(8)(2a),其中HL^(1)=1-(1H-pyrazole-4-yl)-4-(4-pyridyl)benzene,HL^(2)=9-(1H-pyrazole-4-yl)-10-(4-pyridyl)anthracene,bpy=2,2′-联吡啶。通过单晶X射线衍射证实了超分子钯平行四边形的结构。值得注意的是,这2个平行四边形金属环可以用作开启型荧光传感器,通过拆卸机制检测HSO_(3)^(-)。此外,基于配合物1a的传感器显示出对HSO_(3)^(-)的选择性检测,不受其他阴离子的干扰。检测限低至0.131μmol·L^(-1)。此外,配合物1a还通过荧光变化实现了在试纸模式下对HSO_(3)^(-)的半定量可视化检测。

基于真实解剖模型的肺肿瘤微波消融研究

目的:基于真实解剖模型研究肺肿瘤的微波消融(microwave ablation,MWA)结果,以更有效地规划微波天线的穿刺方向,实现个性化术前仿真。方法:首先,基于真实患者的肺部CT数据构建由肺组织、肿瘤和血管系统等组成的个性化MWA仿真模型。其次,通过对电磁场和生物传热场2个物理场进行耦合求解来仿真MWA效果,得到消融热凝固区的大小和肺组织的温度分布。最后,从电导率和血液灌注2个维度定量评估血管网络对消融结果的影响,并分析大血管与天线处于不同距离(大血管与天线尖端相距5和10 mm)和穿刺方向下(大血管相对于天线尖端平行和相交)的消融结果。结果:血管网络的存在使热凝固区体积减小0.5%~3.7%,且血液灌注使得消融温度大幅下降、热凝固区体积大幅减小。随着大血管与天线之间的距离增加,大血管所带来的降温效果逐渐减小。在相同的治疗参数下,大血管与天线处于平行方向形成的热凝固区明显大于相交方向形成的热凝固区。结论:基于真实CT数据的个性化MWA仿真分析可获得更接近实际情况的温度分布和损伤估算,从而为MWA精准治疗肺肿瘤以及协助医生确定微波天线的穿刺方向提供重要的参考和指导。

实现生物单分子成像的液相扫描电镜新技术

细胞膜蛋白的定位和分布在疾病发生发展中起着重要的作用,而原位表征纳米级膜蛋白需要单分子水平技术。为实现生物样品的原位液态环境高分辨成像,发展了一套基于扫描电镜液体环境的单分子成像技术。该技术采用扫描透射成像装置和商业化液体芯片装置组合,利用该技术观察了三阴性乳腺癌细胞膜蛋白表皮生长因子受体的精确定位、分布和聚合态。结果表明,采用高真空环境大约10~(-4) Pa、加速电压30 kV、束流约10~(-10) A实验参数,液体环境扫描透射成像模式,图像分辨率达到2~3 nm。标定膜蛋白的量子点ZnS@CdSe和Au纳米颗粒,具有相对于生物和液体更高的原子序数,因此在成像中形成了更好的衬度和信噪比。该技术为解决细胞生物学领域的高分辨单分子成像提供了一种先进的原位研究方法和直观观测平台。

静脉-静脉ECMO上腔灌注管与下腔引流管间距对右心房内血流动力学影响的数值研究

目的阐明静脉-静脉ECMO(veno-venous extracorporeal membrane oxygenation,VV-ECMO)上腔灌注管与下腔引流管间距对右心房内血流动力学环境的影响规律。方法基于一名呼吸衰竭患者的心脏MRI影像数据建立右心房三维模型,以Medtronic 23Fr型插管为基础建立上腔灌注管模型和下腔引流管模型;分别建立上腔灌注管与下腔引流管间距与上下腔静脉距离之比为38%、88%、126%三种情况的流固耦合模型。采用瞬态计算流体力学方法研究右心房内血流动力学状态。采用血流速度云图、再循环率(recirculation fraction,RF)、右心房内低流速区域体积和相对停滞时间(relative residence time,RRT)等参数来评价不同上腔灌注管与下腔引流管间距下右心房内的血流动力学变化。结果随着上下腔静脉插管距离的增加,右心房内低流速区域总体积先降低后增加(468 mm 3 vs.327.47 mm 3 vs.357.7 mm 3);相对停滞时间最大值先降低后增加(103.54 Pa-1 vs.70.60 Pa-1 vs.95.15 Pa-1);再循环率不断降低(23.295%vs.20.918%vs.10.88%)。结论低流速区域体积和RRT的改善与插管间距的增大并不是线性的,当插管间距增加到一定距离时,继续增加插管间距,低流速区域体积和相对停滞时间指标反而会变差。再循环率则随着插管间距的增大而不断改善。

长波长发射碳点合成、调控及应用研究进展

近年来,随着碳点在合成路线、反应机理、光学性质等方面的发展,大量的工作聚焦于红光或近红外光等长波长发射的碳点。长波长是指发射范围在600~1800 nm的红色或近红外光谱区,相比短波长碳点,其具有深组织穿透、较小自荧光、长荧光寿命以及光损伤小等特点,能够进一步应用在生物医学治疗、光电子以及光学器件制备等领域。因此,深入探究长波长发射碳点的设计和合成对于其发展和广泛应用具有重要意义。本文综述了近年来长波长发射碳点的研究进展,从碳源选择和光学性质调控两个方面介绍了长波长发射碳点的设计与制备。选择氨基较多的脂肪族化合物和具有共轭结构的芳香化合物,以及通过调控有效共轭长度、表面修饰和杂原子掺杂等方法来调控其光学性质。最后,阐述了长波长碳点在生物医学、LED光学器件和加密防伪等一些领域的最新研究和未来的挑战。