模拟高原环境下实验动物富氧系统的构建及应用

目的针对高原弥散富氧研究需求,构建一套动物实验弥散富氧系统,为弥散富氧防护机制研究提供硬件支撑。方法通过检测单元膜在不同压力比条件下的富氧浓度及富氧流量的变化来研究富氧膜元特性;基于该特性组装富氧设备,并在低压低氧舱内测试设备性能;将富氧设备与独立通气笼(IVC)组合构建弥散富氧系统。为验证其有效性,将8周龄雄性SD大鼠随机分为正常(NC)组、低压低氧(HH)组和低压富氧(HO)组。采用低压低氧舱构建等效海拔为5000 m的HH模型,低压低氧舱和本弥散富氧系统共同构建HO模型,而NC组大鼠不作任何干预。NC、HH和HO组造模周期均为7 d。造模完成后,通过苏木精伊红(HE)染色观察大鼠海马结构的变化。结果本研究构建的弥散富氧系统可以在海拔5000 m以下构建≥25%富氧浓度的弥散富氧环境。HE染色结果表明,HH组大鼠海马CA1区锥体神经元变性数目相比NC组明显增多,而HO有效减少了HH导致的锥体神经元变性数目。结论本研究基于膜法空分技术,通过调节压力比装配富氧设备,实现IVC内弥散富氧环境构建,并验证了其防护效果,为下一步进行弥散富氧防护机制研究提供了硬件平台支撑。

飞行员经颅交流电刺激睡眠调节干预方法研究

目的针对飞行员经常需要打破昼夜节律出紧急任务的现状,研究一种经颅神经电刺激睡眠干预方法来缩短入睡时间、提高睡眠质量,以达到短时间内提高作战效能、提升飞行安全性的目的。方法提出了一种基于低频正弦交流电经颅刺激的睡眠干预方法,按照设计要求招募20名被试,每名被试参与3组睡眠干预实验,分别为对照组、伪刺激组和刺激组,其中刺激组使用经颅神经电刺激仪根据刺激方案对受试者进行电刺激干预,伪刺激组仅模拟刺激仪开关时的电流,其余时间不刺激,实验全程进行脑电、眼电、肌电信号的同步监测,记录相关数据。对采集到的脑电信号进行delta/theta功率谱密度比值分析,结合眼电、肌电信号确定受试者的入睡时间。结果对照组、伪刺激组和刺激组入睡时间分别为(17.29±7.72)、(11.41±4.71)、(5.21±3.36)min,刺激组入睡时间与对照组结果比较,差异具有统计学意义(P<0.05),伪刺激组入睡时间与对照组结果比较,差异无统计学意义(P>0.05)。结论在入睡时间上刺激组<伪刺激组<对照组,证明该经颅神经交流电刺激方法可有效缩短被试入睡时间。

高原抗缺氧技术及装备:基于人-机-环境系统的研究策略

人-机-环境系统工程是一门人体科学和工程技术相互渗透的交叉学科,通过揭示人、机、环境之间相互作用的规律,确保人-机-环境系统的总体性能最优。高原抗缺氧是在高原环境下,以制供氧装备等为平台,实现人的健康防护和效能提升,属于典型的人-机-环境系统工程。本文对高原抗缺氧技术及装备研究中的人-机关系、人-环关系和人-机-环境系统进行了分析和论述,阐明了人的生理特性对高原单兵制供氧装备研发的推进,阐述了人-环协同对高原弥散供氧技术研究的推进,阐释了人-机-环境协同对高原弥散富氧营帐研制的推进。最后,本文提出了目前高原人-机-环境系统亟待解决的问题,为高原抗缺氧技术及装备研究提供了借鉴与参考。

“体温-血压-血氧”一体化计量标准装置的研制

目的针对飞行员飞行前“三查”医疗设备长期处于漏检或不检的问题,以伴随计量保障思想为指导,设计研发一种便携、集成、高效的“体温-血压-血氧”一体化计量标准装置。方法标准装置总体采用一体化、便携化和模块化设计思路,设计标准黑体、脉动血压模拟发生器和光电模拟指等核心部件,分别实现体温、血压/心率、血氧/心率三大指标的快速、便捷、准确的计量检测。结果标准装置技术指标符合《JJF 1107-2003测量人体温度的红外温度计校准规范》《JJG 692-2010无创自动测量血压计检定规程》和《JJG 1163-2019多参数监护仪检定规程》等国家计量规程要求,可实现红外体温计、电子血压计和指夹式血氧仪设备的全流程、便携化计量检测操作。结论本装置可实现伴随式计量保障,提升飞行前“三查”医疗设备的准确性和可靠性,从而有效保障飞行安全。

基于双重差分和边界抑制的对称EIT检测脑卒中算法研究

目的探索一种基于双重差分和边界伪影抑制的新型双频对称电阻抗断层成像(EIT)算法,用于消除人头阻抗分布不完全对称的影响,显著提升对称差分EIT(SDEIT)算法的实际成像效果。方法在SDEIT算法的基础上,提出双频再差分的方式消除正常人头组织不对称引起的成像伪影,并进一步提出边界区域抑制成像方法,实现边界区域伪影抑制,从而全面提高SDEIT的成像准确性。结果仿真实验结果表明,在真实颅脑组织阻抗分布下,新算法对于不同位置、不同体积和不同类型的脑卒中病灶均能有效检出,且成像效果明显优于传统的SDEIT算法。结论本文提出的新型SDEIT算法有效解决了真实颅脑阻抗不完全对称分布导致的传统SDEIT算法成像不准确的问题,为EIT应用于实际脑卒中快速检测奠定了良好的算法基础。

体外细胞周期拉伸力加载系统的研制及工作性能测试

目的由于拉伸应力是一种重要的机械应力刺激形式,为了研究拉伸应力对骨组织形成和骨细胞功能的影响,构建了一套体外细胞周期拉伸力加载系统。方法首先,自主设计并构建加载系统,通过真空吸附柔性硅胶膜的方式,系统能够产生可控大小和频率的机械牵张应力;其次,分析不同减压阀设定值下膜应变值与梯度拉伸应力间的关系,并对膜应变的线性进行测试;最后,分析硅胶膜上感兴趣区内同一加载应力下不同方向以及不同循环加载次数后的膜应变值,并对膜应变的各向同性和膜的顺应性进行测试。结果自主设计构建的机械牵张应力加载装置能够在硅胶膜上感兴趣区内施加线性、各向同性且可重复的拉伸应变。结论通过对加载系统的性能测试,证明了使用本装置施加双轴牵张应力刺激的可行性和可靠性,为日后研究拉伸应力对其他各种细胞的生物学效应提供了良好的硬件基础。

不确定度引起的瞳孔直径变化规律及其模型的研究

目的探究大脑内部对于不确定度的表征。方法首先,构建表征不确定度的实验范式——“卡牌预测任务”,并用信息熵来度量任务中由不确定度带来的信息量;其次,记录该任务下的真实瞳孔数据并分析;最后,基于隐马尔可夫模型对该认知任务进行建模,通过贝叶斯推断和变分消息传递算法计算出预测误差,并得到模拟蓝斑放电率。结果本研究证实了不确定度越高,瞳孔直径扩张越大,模型中预测误差值越大,此时的蓝斑活动表现为短暂的、簇发状的、相位放电模式。预测误差和蓝斑放电概率随信息熵的变化而变化。结论大脑对于不确定度的表征是通过蓝斑去甲肾上腺素系统跟踪到不确定性造成的预测误差来实现的,同时大脑对不确定度的表征反映了大脑内部对信息量的处理。

基于X射线激发诊疗一体化纳米探针的制备及表征

目的合成一种可被X射线激发的诊疗一体化纳米探针,并对其光学成像性能及肿瘤治疗功能进行评价。方法基于前期研发的NaLuF_(4):20%Gd^(3+)为基质材料共掺杂Tb^(3+)和Eu^(3+),验证其X射线激发发光属性;通过配体交换的方式,使其具备良好的水中分散性,并验证不同表面修饰基团的细胞毒性;通过共价耦合的方式在纳米颗粒表面耦联光敏剂,并验证其发光光谱的改变及单态氧产生率;通过HepG2细胞模型,验证纳米探针的治疗功能;最终,通过模体成像,验证其光学成像能力。结果9%Tb^(3+)和15%Eu^(3+)共掺杂的纳米颗粒可被X射线激发出可见光和近红外光;2氨基乙基膦酸及聚乙烯亚胺修饰的纳米颗粒具备良好的水中分散性,且在浓度为0.1 g/L时细胞存活率均高于85%,聚丙烯酸修饰后的纳米颗粒发光最弱,发光衰减达30%左右,相较于2氨基乙基膦酸和聚乙烯亚胺修饰的纳米颗粒具有统计学差异(P<0.05);该纳米颗粒耦合光敏剂后,荧光共振能量转移效率可高达75%,保证其高效产生单态氧,在X射线辐射剂量为2.7 Gy时,两种纳米耦合体系均可将HepG2细胞存活率降至50%以下,且无统计学差异(P>0.05),其在近红外的发光可用于模体成像。结论该种X射线激发诊疗一体化纳米探针可用于肿瘤的治疗及光学成像,为后续X射线激发光动力学的在体治疗及疗效监测提供支撑。

表面肌电监测在引体向上教学训练中的应用研究

目的针对军队男性文职人员体能考核引体向上科目及格率较低、训练效果不理想的问题,基于人因工程学表面肌电监测方法对受试者引体向上运动进行分析,探究表面肌电信号辅助引体向上教学训练是否可行。方法随机选取5名男性社会招聘文职人员,通过监测其引体向上运动过程中肱桡肌、肱二头肌、三角肌后束、斜方肌和背阔肌电信号,选用肌肉激活强度、贡献率和激活时序3个参数分析受试者技术动作特性。结果肌电监测数据显示,受试者肌肉激活强度、贡献率和肌肉激活时序等与标准引体向上存在差异。受试者主发力肌群为肱桡肌和肱二头肌,斜方肌与背阔肌激活不足,导致三角肌后束与肱二头肌代偿发力,作为辅助肌群的三角肌后束贡献率高于背阔肌。结论表面肌电监测可将视觉无法观察到的内在肌肉动作以肌电信号形式呈现,辅助教员及时分析受试者的技术动作特性,为后续进行针对性训练指导提供参考。

基于搏动法电阻抗断层成像技术监测家猪体姿变化对肺血流灌注影响的研究

目的基于电阻抗断层成像(EIT)技术探索无创监测不同体姿对局部肺血流灌注占比的影响。方法选取6只麻醉家猪为对象,采取仰卧和俯卧两种体姿进行EIT监测;对搏动法得到的EIT图像中肺区域重构值进行定量分析,通过四分层法求取腹内、腹外、背内和背外4个区域的肺血流灌注占比,最后通过高渗盐水造影技术作为标准进行对照验证。结果搏动法监测不同体姿在腹内侧的肺灌注占比有显著性差异(P<0.001),在腹外侧没有显著性差异;但在背内侧(P<0.017)和背外侧(P<0.008)均有显著性差异。最后将搏动法与高渗盐水法监测不同体姿变化对肺血流灌注影响的结果进行了一致性检验,其Kappa=0.684且P<0.001,表示两种方法得到的结果具有一致性。结论监测结果表明,体姿变化影响了肺血流灌注分布占比情况,这为临床上开展EIT无创监测局部肺灌注研究奠定了基础。

脑部海马区域MRI图像自动分割

目的实现脑部MRI图像中海马体区域的自动精准分割。方法本研究提出了一种基于深度学习的海马体自动分割框架AF-VNet,通过在网络输出层添加注意力机制模块,提升海马体分割精度。此外,引入Focal Loss损失函数和增加通道数,避免训练样本不均衡。结果采用AF-VNet分割左右海马得到的分割Dice系数为0.8787±0.0281,相对于基准VNet提升了2.37%。结论该方法提高了海马体分割的准确性,具有一定的临床应用价值,可为神经退行性疾病的诊断和治疗提供辅助工具。