生物医学工程实践教学体系的建设

介绍西安交通大学生物医学工程人才培养实践教学体系的改革与实践,实践教学体系的整体构思与框架,实践教学体系的内容和实现手段,以及实践教学的环境建设、虚拟实验室建设、网络化管理环境建设、学生实践与创新能力的培养和生产实习、社会实践活动方面的改革和建设等。

类皮肤生物力学信息采集-调控技术

目的皮肤是人体与外界交互的重要媒介,始终处于力、热等环境刺激的作用之中。因此,探究皮肤对外界刺激的感知机理、并开发相应技术对外界刺激进行有效采集与调控,对于了解疾病成因、探索诊疗方法具有重要意义。方法本研究基于前期创立的生物组织力-热-电(疼痛)耦合行为理论,系统阐释了热、力等外源性物理刺激通过电生理传导引起人体痛觉感知的作用机制,并提出了力学刺激信息采集与调控的技术需求。在此基础上,建立了类皮肤柔性器件的力学结构设计理论与技术体系与基于水凝胶材料的柔性器件制备技术与应用体系。结果提出了通过结构变形降低材料变形的思路,设计开发了内嵌三维螺旋、空间刚度异质、仿生叠覆鳞片等多种可承受大变形的力学结构,将这些结构应用于柔性器件的制备中,可显著提升器件在大变形工况下的结构与功能稳定性;建立了基于水凝胶材料的柔性器件制备技术与应用体系,开发了一系列功能化水凝胶材料与器件,搭建了在体力学信息采集与调控平台,并探索了其在健康监测、疾病诊疗、创面修复等方面的应用前景。结论本研究基于力学设计原理,开发柔性生物力学信息采集-调控器件,对于人体健康监测、创面减张修复等实际临床应用具有借鉴意义。

2007中国生物医学工程联合学术年会会议简报

2007中国生物医学工程联合学术年会（CBME＇07）于2007年4月20-24日在陕西省西安市召开,会议由中国电子学会生物医学电子学分会、中国生物医学工程学会生物医学测量分会、中国生物医学工程学会生物信息与控制分会、中国生物医学工程学会生物医学传感器技术分会主办,西安交通大学承办.

稀土上转换发光纳米材料的制备及生物医学应用研究进展

荧光探针技术已经被广泛应用于生物成像、生物标记、生物检测、免疫分析等生物医学领域。传统荧光标记材料,如有机荧光染料、荧光蛋白和半导体量子点,目前面临诸多应用局限,如发光强度不稳定、检测灵敏度低、生物毒性高、自荧光强等。有鉴于此,人们开发了La系金属离子掺杂的稀土上转换发光纳米材料作为新型生物标记材料,该材料受近红外光激发后发出近红外或可见光范围内的高能量光子。这种带有特殊光学性质及良好生物相容性的荧光标记材料克服了传统荧光标记材料的缺点,从而成为材料科学与生物医学交叉领域的研究热点。综述了稀土纳米材料上转换功能的特殊物理机制及其制备和表面修饰方法的研究进展。在此基础上介绍了稀土上转换纳米材料在生物成像、检测、载药、即时诊断器件开发等生物医学工程中的应用。

利用组件技术增强网络课件交互功能的探索——生物信息学算法示教的实现

介绍了多媒体网络课件中的交互式技术,提出利用网络组件,通过Web浏览器运行Linux平台生物信息软件,并实现网络课件中交互功能的方案。基于这一方案,开发了生物信息学网络课件的部分内容,构建了Blast、Emboss等常见生物信息学算法和软件的运行环境,实现了网络环境下生物信息学算法教学的实践环节。

生命科学基地学生综合能力培养的实践与探索

对“国家生命科学与技术人才培养基地”首届班学生的特点进行了分析，进行了综合素质培养和学习能力培养的教育方式探索，对学生的学习成绩进行了统计分析，发现综合素质培养；学习能力培养和学习成绩提高之间存在着互动促进作用关系。

人工智能在检验医学医疗决策系统中的应用

基于人工智能的医疗决策系统能够显著加快医疗决策过程并提升其准确性,然而,该系统在个性化医疗和医疗数据采集方面仍面临挑战。文章从基于人工智能的检验组学和多维度数据采集两方面入手,探讨了解决这些问题的可能途径,并总结了利用检验组学和多维度数据采集推动智能医疗决策系统发展的成果,以及存在的瓶颈问题。此外,文章还分析了人工智能在医学教育中的应用前景及其对提升整体医疗决策水平的潜在作用。

基于信息积累技术的大脑运动意识任务分类

提出了将信息积累技术结合Fisher判别式分析的方法,实现大脑想象左右手运动意识任务的连续分类,获得了满意的结果.利用Morlet小波滤波方法提取优化的运动相关脑电特征,对两组实验数据4个受试者的运动相关脑电模式进行分类,平均最大分类正确率达到87.95%.通过最大分类正确率、最大互信息等评价指标的比较,验证了信息积累技术对改善大脑运动意识任务分类性能的有效性,从而为脑机接口系统应用中大脑运动意识任务分类提供了新的思路.

心肌膜电位的光学标测技术及实验研究

基于电压敏感染料膜电位光学标测的原理,建立了一套光标测系统,主要包括LED激发光源、以及由滤光片、CCD、A/D采集卡及计算机构成的荧光信号采集、处理部分.目前,整套系统已可自动完成图像采集、实时显示,以及部分后处理等工作,已获得兔心室组织细胞膜动作电位.另外,在建立系统的同时,研究了光学标测实验方法,对离体兔心脏急性缺血的主要电生理特征进行了标测实验,并结合仿真研究的结论说明了缺血后有效不应期时空异质性的存在以及组织中电兴奋传导速度的减慢是缺血导致折返性心律失常的主要机制.

重编程微生物底盘用于PHA材料的定制化低成本生物合成

合成生物学为新材料合成提供了无限可能,将为材料学带来变革性影响。环境友好型材料聚羟基脂肪酸酯(PHA)作为合成生物学与材料学深度融合的产物,是微生物胞内合成一类线性高分子聚酯,被认为可部分替代传统化学塑料。PHA含有至少150种单体,其组成、结构及性能的多样性带来了广泛的应用前景,形成了PHA家族或组学。PHA在学术界和产业界已深入研究了30多年,其中个别PHA材料已实现了商业化生产。利用合成生物学和代谢工程重新编程高性能微生物底盘细胞,并控制不同前体底物比例,可实现具有不同结构和性能的PHA材料的定制化合成。下一代工业生物技术是基于嗜盐微生物的节能节水的连续无灭菌开放式工业发酵工艺,能大幅度降低生产成本,更推动了PHA材料的低成本规模化生产。本文就PHA家族的组成以及工程化微生物底盘利用下一代工业生物技术高效低成本地合成多样化的PHA材料方面的进展做一简要综述,将重点介绍PHA家族的单体组成、材料性能和包含塑料、医用、能源、智能材料等领域的PHA应用价值链,以及重编程的假单胞菌和嗜盐单胞菌在PHA定制化低成本合成中的一些工程化技术和成果、产业化应用情况,并针对如何进一步降低生产成本及提高材料性能进行探讨。本文对基于合成生物学的生物材料定制化合成研究有重要参考价值。

个性化力学辅助创面修复技术

目的创面的有效修复面临全球挑战。力学加载可通过诱导细胞增殖、影响炎症反应、胶原沉积和血管生成促进创面修复,相关的创面修复技术近年来快速发展,但实际应用中,考虑创面具特征的个性化创面力学调控仍未实现。方法本研究提出一种通过人工智能实现力学调控敷料优化设计的个性化创面修复方案。具体通过图像分割算法提取创面特征(如尺寸、部位),并由神经网络计算可使该创面产生最大程度收缩的敷料参数(模量、尺寸),以实现定制设计;按照优化的时间序列周期性更换敷料,并针对创面实时特征进行敷料再设计。通过慢性创面与大动物模型验证所开发技术的修复效果。结果实验测试与数值模拟结果表明,敷料设计参数会影响创面的收缩效果,而这一影响规律又因创面特征的不同而存在差异,验证了本研究通过优化敷料设计参数实现个性化创面修复这一思路的可行性。通过材料性能表征与在体测试,确定敷料更换的优化时间序列,即每3天更换1次,其中加热5 min、放置1天、空置2天。糖尿病小鼠创面模型与猪创面模型验证了该技术显著提升创面收缩、促进血管化与胶原重塑的效果。结论个性化创面力学修复技术的出色效果在大动物模型中得以验证,展现出较大的临床转化潜力。

乳腺癌细胞重塑细胞外基质形成高效迁移隧道网络的力学生物学机制研究

目的复发转移是乳腺癌首要死因,挖掘转移新机制及治疗策略具有重大临床意义。细胞外基质(ECM)是肿瘤转移的首要屏障,乳腺癌细胞能重塑ECM形成隧道以开辟阻力最小的转移路径。然而,现有研究仅关注单细胞水平隧道的局部结构,多细胞系统细胞间交流协作下的隧道全貌亟待揭开。方法本研究将焦点升级至相互协作的多细胞系统,通过临床样本及动态追踪的3D培养体系,揭示多细胞系统下的隧道全貌。基于单细胞精密力学平台、单细胞转录组测序、数理模型等技术手段,深入破解隧道全貌形成的力学生物学机制。结果本研究首次发现乳腺癌细胞能重塑ECM构筑出高效迁移隧道网络。机制研究表明乳腺癌细胞能够通过细胞收缩力来源的ECM重塑形成由平行排列胶原纤维束构成的“机械桥”,其通过介导细胞-细胞远程机械信号交流引导相桥接隧道沿“机械桥”交互汇合形成隧道网络。其中,位于隧道尖端的“领导细胞”以integrin-Rho A/YAP信号通路激活及MMP14高表达为特征,是隧道网络形成的主导者。结论本研究首次揭开了乳腺癌三维多细胞体系中的隧道全貌,融合了癌症转移、力学生物学、生物材料等跨学科领域的热点,从ECM重塑角度开拓了乳腺癌细胞高效迁移研究的新视野,为乳腺癌转移发掘新型潜在治疗策略。

软组织再生力医学

创伤、疾病和衰老造成的软组织、器官缺损或衰退对人类健康带来极大负担,软组织再生技术为解决上述问题带来了希望。近年来,随着生物力学、力学生物学与再生医学多学科交叉研究日益深入,力学逐渐成为调控软组织再生的关键因素之一。尽管如此,目前临床对于软组织的力学特性缺乏深入认识,也未完全掌握其在软组织疾病诊疗及软组织缺损修复中的潜在价值。本文通过总结国内外相关研究进展,提出“软组织再生力医学”这一概念。随后,从软组织多尺度生物力学、软组织再生力学生物学、软组织再生力医学技术及软组织再生力医学应用4个方面,系统描述力学因素对软组织发育和再生的影响机制。最后,对力医学应用于临床软组织疾病诊疗及软组织缺损修复的潜能进行展望,为软组织再生力医学的发展提供新方向。

基于样本熵的注意力相关脑电特征信息提取与分类

提出一种用样本熵作为特征进行注意力相关脑电信号的分析与分类处理、并采用支持向量机（SVM）算法实现分类器的方法.7位年龄在20-30岁之间的男性受试者接受了执行3种不同注意任务状态下的测试．数据分析结果显示：样本熵分类法对注意任务相关脑电信号分类的正确率可达85．5％，优于传统频段能量法获得的分类精度（77．9％）．这个结果暗示了样本熵能有效地识别出自发脑电中注意力相关信息，因而它可在脑电生物信息反馈治疗系统设计中获得广泛的应用．

大脑皮层-肌肉交互作用与注意力关系的实验研究

为探索注意力因素对大脑皮层与肌肉交互作用的影响,5名健康受试者被要求完成两种任务。在任务1时,受试者通过右手食指、拇指对捏维持2N的恒定力;在任务2时,为了分散受试者右手运动控制的注意力,除需完成任务1中右手动作外,还要通过左手食指外展保持一个大小随机的恒定力。实验过程中同步采集受试者脑电和肌电信号,并将皮层-肌肉耦合,即将脑电与肌电信号的频域相干作为表征大脑皮层与肌肉交互作用强弱的指标。结果显示,任务2与任务1相比,所有受试者其右手肌电信号与左侧大脑脑电信号的皮层-肌肉耦合强度显著降低。此结果表明,注意力可影响大脑皮层与肌肉的交互作用,且注意力越集中,大脑皮层与肌肉交互作用越强。这一结论对于是否将注意力因素引入到神经损伤患者的运动功能康复中具有一定指导作用。

基于AD8302的生物阻抗频谱测量仪的研制

对正弦信号幅值和相位的准确检测是生物阻抗频谱测量中的关键和难点。AD8302是AD公司首款可同时测量两输入信号之间幅度比和相位差的单片集成芯片。本文针对目前生物阻抗频谱测量中的难点,设计了一种基于AD8302的便携式生物阻抗频谱测量仪。文中详细介绍了AD8302的特点和具体的电路设计方法。实测结果表明:在20kHz^1MHz的频率范围内,阻抗幅值的相对误差小于0.36%,相位的绝对误差小于0.26°,实现了生物阻抗频谱的准确测量。

提取方法对柿多糖提取率及生物活性的影响

分别以水、草酸(质量分数为1.8%)、氢氧化钠(0.2 mol/L)作浸提剂,用热水、微波(中火,6 min)、超声波(600 W,15 min)和反复冻融法提取柿子粗多糖,对不同提取方法获得的多糖进行纯化、测多糖得率、观察细胞形态变化,进行抗氧化、抗菌性比较。结果表明:不同提取剂和提取方法对于植物细胞的形态都有不同程度的破坏,反复冻融细胞破碎最彻底,微波提取所得多糖含量最高。不同提取剂和提取方法获得的柿多糖在抗氧化和抗菌方面表现出较大差异,说明提取的过程与其生物学效能密切相关。

生物医用钛表面热还原银微纳米颗粒研究

目的尝试改进生物医用钛的常用碱热处理表面改性方法,使钛不仅具有生物活性,而且具有抗菌性能。方法将纯钛片磨光和清洗,在60 2.5 mol/L Na O℃H溶液中进行碱液处理后,分别在0.2、1、5、20mmol/L硝酸银溶液中浸渍,然后把未浸渍和浸渍的试样在600℃热处理1 h,采用X射线衍射、扫描电镜和X射线光电子能谱分析膜层的成分和结构,评价试样的抗菌性能和生物活性。结果在浓度≥1 mmol/L硝酸银溶液中浸渍制备的试样,检测到单质银的X射线衍射峰。扫描电镜观察表明,随着硝酸银浓度的升高,银颗粒从约100 nm增加到1.5μm以上;钛酸钠凝胶层和银颗粒具有较好的附着性。X射线光电子能谱分析检测到金属银和少量银化合物。抗菌实验和模拟体液实验表明,随着硝酸银浓度的升高,试样的抗菌活性升高,但生物活性下降。结论碱液-硝酸银溶液浸渍-热处理方法改善了钛的生物活性和抗菌性能,这为钛基硬组织植入体的表面改性提供了一种简便方法。

基于信息熵窗的小波低频子带弱目标图像的增强

采用信息熵窗小波低频子带分析的方法,目的是对缺乏足够能量的低照度和低对比度图像进行增强.选择适合的正交小波函数,可使图像的低频子带大幅度提升,对高频子带适度抑制,在信息熵窗系数的调配下实现了图像的增强处理.在小波重构后,获得了具有清晰边缘和良好对比度的图像.实验表明,采用信息熵窗的小波分析方法来增强弱目标图像能够产生良好的效果,对比度增强效率比传统增强方法提高80%以上.