一种融合KPCA、FastICA及SVD的腹壁源胎儿心电 信号提取算法研究

目的:为实现从母体腹壁混合信号中提取高信噪比和波形清晰的胎儿心电信号,提出一种融合核主成分分析(kernel principal component analysis,KPCA)、快速独立成分分析(fast independent component analysis,FastICA)及奇异值分解(singular value decomposition,SVD)的胎儿心电信号提取算法。方法:首先,采用KPCA对母体心电信号进行降维,再利用改进的基于负熵的FastICA处理降维后的数据,得到独立成分。随后,引入样本熵进行信号通道选择,挑选出包含最多母体信息的信号通道。在选中的母体通道上进行SVD,得到母体心电信号的近似估计,再用腹壁源信号减去该信号得到胎儿心电的初步估计。最后,采用改进的基于负熵的FastICA成功分离出纯净的胎儿心电信号。在腹部和直接胎儿心电图数据库(Abdominal and Direct Fetal Electrocardiogram Database,ADFECGDB)和PhysioNet 2013挑战赛数据库中对提出的算法进行验证。结果:提出的算法在主观视觉效果和客观评价指标上都表现出优越的性能。在ADFECGDB数据库中,胎儿QRS复合波检测的敏感度、阳性预测值和F1值分别为99.74%、98.85%和99.30%;在PhysioNet 2013挑战赛数据库中,胎儿QRS复合波检测的敏感度、阳性预测值和F1值分别为99.10%、97.87%和98.48%。结论:融合KPCA、FastICA及SVD的胎儿心电信号提取算法在提取胎儿心电信号的同时有效处理了附加噪声,为胎儿疾病的早期诊断提供了有力支持。

生物医学信号处理在线课程混合式教学探索

主要介绍了生物医学信号处理在线课程的混合式教学方法,利用腾讯会议进行在线课程的理论教学和实验教学,同时学生利用在智慧树平台建立的网络课程进行课后自主学习。采用这种混合式教学模式,培养学生的自主学习能力和实践能力,有效提高了课程教学质量。

基于神经网络的超声背散射零差K成像脂肪肝评价方法研究

目的 :针对传统超声背散射零差K模型参数估计方法存在复杂度较高的问题,提出一种基于神经网络的超声背散射零差K模型参数估计方法,并在此基础上提出一种基于神经网络的超声背散射零差K成像脂肪肝评价方法。方法:首先,利用蒙特卡罗仿真得到模拟的超声背散射包络信号样本,然后提取特征参数并输入到训练好的神经网络模型中,即可得到零差K模型参数的估计结果。其次,利用滑动窗口法估计窗口内局部背散射包络信号的零差K模型参数值,对零差K模型参数估计值矩阵进行扫描变换、颜色映射和感兴趣区域设置,将感兴趣区域内的参数图像叠加显示到B超图像中,实现超声背散射零差K成像。最后,通过计算机仿真实验验证基于神经网络的超声背散射零差K模型参数估计方法的估算精度,通过临床实验验证基于神经网络的超声背散射零差K成像评价脂肪肝的性能。结果:计算机仿真实验结果表明,基于神经网络的超声背散射零差K模型参数估计方法估计零差K模型lg α参数、k参数的相对均方根误差分别为0.505和0.408,相比传统估计方法整体上提高了估算精度。临床实验结果表明,基于神经网络的超声背散射零差K模型参数αNN、kNN诊断脂肪肝≥S1、≥S2、≥S3的AUC值分别为0.77、0.84、0.87和0.77、0.84、0.84,相比基于传统超声背散射零差K成像提高了脂肪肝评估性能。结论:提出的基于神经网络的超声背散射零差K成像脂肪肝评价方法能够较好地评估脂肪肝,可为定量超声评价脂肪肝提供一种新手段。

超声背散射信息熵成像评价脂肪肝的新方法

提出超声背散射Tsallis信息熵成像评价脂肪肝的新方法。利用滑动窗口法,估算窗口内局部背散射包络信号的Tsallis信息熵参数值,对信息熵参数值矩阵进行扫描变换、颜色映射及感兴趣区域设置,叠加到超声B模式图像,实现Tsallis信息熵成像。分析72名肝脏捐献者和204名患者的超声背散射信号,参考标准分别为磁共振波谱测得的肝脏脂肪分数(Hepatic Fat Fraction,HFF)和肝活检组织学检查测得的脂肪肝程度。对于72名肝脏捐献者,Tsallis信息熵与lg(HFF)的相关系数r=0.67(P<0.0001)。对于204名患者,受试者工作特征曲线下面积分别为0.82、0.88、0.89(≥轻度、≥中度、≥重度),而超声背散射零差K成像分别为0.76、0.82、0.82。超声背散射Tsallis信息熵成像可以直观定征并定量评价脂肪肝的严重程度,其诊断性能优于超声背散射零差K成像,可作为一种超声评价脂肪肝的新方法。

一个研究认知衰退神经机制的概念模型框架

目的:旨在阐明有关研究认知衰退神经机制的相关概念模型之间的概念关系,并提出一种统一化的模型框架,用于解释与年龄或疾病相关的大脑结构、功能与认知之间的差异性变化。方法:讨论了先前用于研究认知衰退神经机制的概念模型框架的不同方面,并指出其局限。将储备、维护、弹性与抵抗力模型结合在一起,以便于从储备构建、储备维护以及成功认知老化这三个方面构建一个概念模型框架。结果:储备模型是研究储备构建的重要手段。在老龄期,个体在某一时刻的储备容量约等于最高储备容量减去维护与储备下降时间的乘积。而弹性模型与抵抗力模型则是概念模型框架在研究成功认知老化方面的延伸。结论:新的概念模型框架有效区分了储备、维护、弹性与抵抗力模型的差异,整体共同作用构成一个完整的模型框架,用来探讨认知衰退过程中的神经机制。

基于注意力机制的卷积时序神经网络检测阵发性房颤模型

目的为从动态心电图中准确、有效、快速地检测阵发性房颤(Paroxysmal Atrial Fibrillation,PAF),降低患者的发病率和死亡率,设计一种基于注意力机制的卷积时序神经网络检测阵发性房颤的混合模型。方法该算法首先通过卷积神经网络提取心电信号特征,然后由注意力机制帮助网络聚焦于重点信息部分,最后输入双向门控循环单元用于上下文信息的联系,从而准确检测PAF。结果该模型使用Physionet 2021数据库作为预训练,在CPSC2021数据库上进行迁移学习,其灵敏度、特异性、准确度分别为96.86%、98.56%、98.54%。结论相较于其他算法,该算法能够有效检测PAF,具有潜在的临床应用价值。

超声背散射信号多分支残差网络评估脂肪肝

目的基于超声背散射信号的深度学习技术是超声组织定征中的一种新兴趋势,提出一种基于背散射信号卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)的深度学习模型多分支残差网络(Multi-Branch Residual Network,MBRNet),并分析其对脂肪肝的评估效能。方法MBR-Net由3个分支组成,各分支使用不同卷积块,以增强局部特征获取能力,结合带有跳跃连接的残差机制,引导网络有效地捕获特征。实验采用204例临床脂肪肝(S0无脂肪肝80例、S1轻度脂肪肝70例、S2中度脂肪肝36例、S3重度脂肪肝18例)背散射信号。采用背散射信号重构B超图像,手工选定肝实质区域,对其中的每条射频信号,使用长度为768个采样点的门在其上滑动,步长为20个采样点,得到n条门控信号。然后从n条门控信号中随机选取256条。结果共获得261120条信号样本(S0:102400;S1:89600;S2:46080;S3:23040)。MBR-Net与Nguyen网络、Han网络在脂肪肝评估中的性能比较,MBR-Net诊断脂肪肝程度≥S1、≥S2、≥S3均具有更高的准确度、灵敏度和特异性,且MBR-Net的AUC也最高;MBR-Net(三分支网络)的脂肪肝分类效果优于双分支网络和四分支网络。结论相较于传统的单分支、无残差机制的CNN方法,本研究提出的MBR-Net整体上提高了分类精度,在评估肝脏脂肪变性程度的分类任务中取得了良好的性能,MBR-Net可作为超声背散射信号深度学习评估脂肪肝的新方法。

肝肿瘤热消融穿刺电磁导航系统研究

目的为提高传统肝肿瘤消融治疗手术成功率,降低辐射暴露时间,基于电磁定位装置设计一套肝肿瘤热消融穿刺电磁导航系统。方法根据电磁导航坐标系与三维影像坐标系对应标记点的坐标信息,使用奇异值分解完成肝肿瘤热消融穿刺电磁导航系统的空间配准。利用电磁定位仪等硬件辅助设备,设计肝肿瘤热消融穿刺电磁导航系统,实现肝肿瘤经皮穿刺路径规划以及实时交互式进针。对空间点集的配准和穿刺电磁导航系统的精度进行实验测试。结果依据每次实验中获取体膜的6个标记点在三维影像坐标系与经转换求得三维影像坐标系下的坐标计算得到均方根误差,实验中最大均方根误差不超过1.5 mm,平均目标位置均方根误差为1.262 mm。获取穿刺消融针的空间位置,肝肿瘤热消融穿刺电磁导航系统最大目标位置误差不超过5.00 mm,平均目标位置误差为3.10 mm。结论基于奇异值分解配准算法的肝肿瘤热消融穿刺电磁导航系统实现了CT数据的读取和可视化、穿刺路径规划以及基于电磁定位实时反馈消融针的空间位姿,能够有效辅助医生进行手术操作。

基于多模态神经影像的脑年龄估值差的综合研究

目的:基于多模态神经影像探究脑年龄估值差(brain age gap estimation,BrainAGE)与非影像衍生标记物(noni-maging derived phenotypes,Non-IDPs)的关系。方法:以英国生物银行27 842例受试者的6种影像模态[T_(1)WI、弥散加权成像(diffusion-weighted imaging,DWI)、磁敏感加权成像(susceptibility-weighted imaging,SWI)、T_(2)WI、静息态功能成像(resting-state fMRI,rsfMRI)和任务态功能成像(task fMRI,tfMRI)]共7种特征集(FSL、Freesurfer、DWI、SWI、T_(2)WI、tfMRI、rsfMRI)为基础,采用相关向量回归模型对大脑年龄进行预测,并采用平均绝对误差(mean absolute error,MAE)评估模型的性能;将经偏差校正后的BrainAGE与223个Non-IDPs进行回归分析,以探究BrainAGE与Non-IDPs的关系。结果:相关向量回归模型预测脑年龄的MAE为2.767年。通过多元线性回归分析发现服用治疗药物的数量、全谷物摄入量、糖尿病诊断、收缩压、心室率以及吸烟状况6个Non-IDPs与BrainAGE之间存在显著相关。结论:BrainAGE是一项综合性脑健康评估指标,需要考虑多种健康信息和生活方式来进行综合分析。

超声背散射统计参数成像评价儿童脂肪肝的新方法

目的超声零差K分布是最具物理意义的背散射包络统计模型,探讨超声零差K成像评价儿童脂肪肝的可行性。方法改进基于神经网络的零差K分布参数估算方法,采用特征值的理论值训练估算模型,将并行计算引入背散射统计参数成像。利用中心频率3.5 MHz的探头采集儿童的背散射信号,将改进后的背散射统计参数成像应用于儿童脂肪肝的评价,分析Nakagami成像m参数、零差K成像k参数和log10(α)参数诊断儿童脂肪肝的性能,包括3种二分类(G0 vs.G1~G3、G0~G1vs.G2~G3、G0~G2vs.G3)。结果共得到393例儿童脂肪肝超声背散射信号,其中正常G0共165例,轻度G1共33例,中度G2共78例,重度G3共117例。并行计算法的超声Nakagami成像和超声零差K成像的平均运行时间均比滑动窗口法明显缩短,并行计算法的运算速度约是滑动窗口法的3倍。log10(α)参数在3种二分类中,均获得了最高的曲线下面积、特异性和准确度。结论本研究设计基于并行计算的超声背散射统计参数成像方法,可提高成像速度,超声背散射统计参数成像能用于儿童脂肪肝的定量评价,特别是早期检测,研究结果可为儿童脂肪肝的定量超声评价提供新思路和新方法。

基于人工神经网络的零差K参数成像监测微波热消融凝固区研究

目的:研究基于人工神经网络(artificial neural network,ANN)的零差K参数成像监测微波热消融凝固区的可行性。方法:在消融功率和持续时间分别为60 W 3 min、70 W 2 min、80 W 1 min的条件下,各采集16例经过微波热消融的离体猪肝的超声背散射信号,分别利用ANN估计器和XU估计器在滑动窗口内估算背散射信号零差K分布模型的α、k参数,之后与多项式拟合技术相结合监测微波热消融产生的凝固区,并比较基于2种估计器获得的零差K参数成像监测微波热消融凝固区的效果。结果:在不同消融功率、持续时间条件下,α参数成像对微波热消融凝固区的监测性能优于k参数成像;2种估计器均在80 W 1 min时获得了最好的监测效果;基于ANN估计器和XU估计器获得的基于α参数的多项式拟合成像的AUC值、Dice系数、Jaccard系数差异均无统计学意义(P均>0.05)。结论:基于ANN的零差K参数成像可用于监测微波热消融凝固区。

图像引导肝肿瘤热消融治疗介入导航系统的研究现状

阐述了图像引导肝肿瘤热消融治疗介入导航系统的工作原理,综述了光学导航系统、电磁导航系统、超声导航系统和基于增强现实的导航系统4种介入导航系统的研究现状,分析了目前介入导航系统存在的问题,指出了设计基于临床多约束条件的热消融针穿刺路径自动规划新方法、实现实时跟踪定位并确保导航精度、建立介入导航系统的完整评价体系和应用规范、进一步解决人体呼吸运动等因素对精准定位的干扰等是未来介入导航系统的发展趋势。

生理多参数远程实时监护系统的设计

设计了一种基于Internet的生理多参数远程实时监护系统。系统分为客户端和服务器,客户端硬件由PC和生理监护仪组成,可以进行多种生理参数的检测,服务器是一台较高性能的计算机,提供数据管理、索引等服务。系统运行采用C/S(客户端/服务器)和P2P(点对点)混合模式,利用C/S模式实现生理数据的上传、检索和下载,利用P2P模式实现多生理参数的远程实时监护和医患视频聊天。实验结果表明,利用P2P模式能极大地提高网络传输速度,可实现多生理参数的远程实时监护。

生物医学信号处理网络在线课程设计与教学研究

目的:建设生物医学信号处理网络在线课程,探索在线课程学习和课堂教学相结合的混合式教学模式,提高课程教学效果。方法:根据课程大纲委托专业在线课程制作公司录制教学视频,在中国大学MOOC网上线开课。授课过程分为线上学习和课堂学习两部分。课堂教学之前学生在线进行预习,课堂上教师有针对性地讲解重难点问题,课后学生在线进行复习,完成在线测试,并可在线与教师进行讨论。结果:教学实践表明,该混合式教学模式可有效提高学生的自主学习能力和学习效果,且学生对老师的各项评教指标明显提升。结论:生物医学信号处理网络在线课程结合课堂教学的教学模式可做到优势互补,有效提高该课程的教学效果。

基于脉搏波的新型血流参数检测仪的研制

为了解决现有的脉搏血流参数检测仪需要事先测量血压值、操作不方便的缺陷,开发了一种基于PC机的新型脉搏血流参数检测仪,可更方便地实现心血管参数的无损检测.本系统集成了一个由RS232串口控制的无创血压测量模块,可实现血压的自动测量.脉搏波信号通过桡动脉脉搏压力传感器获得,经过信号放大、滤波和A／D转换进入计算机.系统软件通过病人身高、体重、血压值等参数根据双弹性腔模型计算出波形系数、心率等血流参数.对比实验和可重复性实验证明本系统具有良好的准确性和较高的可重复性.可以被开发为临床应用的产品,更适合家庭使用.

具有远程回放功能的动态心电分析系统

为便于医生对心脏病患者的动态心电图的回放与分析,设计了一套具有远程心电回放功能的动态心电分析系统.该系统不仅具有常规动态心电分析系统的功能,而且可利用电话网实现心电信号的远程传输与接收回放.该系统由患者携带的心电记录器、医院方使用的远程心电接收器和用于心电分析的微型计算机组成.给出了系统的工作原理,介绍了心电远程回放及分析软件的设计,该系统在常规动态心电分析系统的基础上实现了心电信号的远程接收与回放分析.

乳腺微钙化超声检测方法综述

乳腺微钙化是早期乳腺癌的重要影像学特征之一,是实现乳腺癌早期诊断的关键.超声成像具有无辐射、实时性好、费用低等优势,被广泛应用于乳腺疾病的检测,但受空间分辨率和散斑噪声等因素影响,传统B超很难检出乳腺微钙化.在总结乳腺微钙化特性和传统超声成像局限性的基础上,综述了近年来国内外乳腺微钙化超声检测方法的研究进展,主要包括高频超声检测、B超图像后处理、超声弹性成像、时间反转多信号分类法、高频空间信息、二阶超声场成像、光声成像等,介绍了各检测方法的相关原理,同时对各种方法的特点和局限性进行了详细论述与分析.最后,对乳腺微钙化超声检测方法进行总结,并对近期发展趋势进行了展望.本文综述的检测方法均在一定程度上提高了传统B超成像检测微钙化的性能,但相对于乳腺X线摄影仍存在差距.乳腺微钙化超声检测技术的未来发展趋势包括检测技术的融合、检测方法的比较与评价、病变类型的诊断分类.

癌热疗中超声无创测温方法研究的国内外现状(英文)

近年来热疗成为一种重要的肿瘤治疗手段。为了杀死癌细胞而又不损伤正常组织,对组织温度进行准确测控非常重要,它直接影响到癌热疗的效果。利用超声可以实现热疗中组织温度的无创检测,本文介绍了癌热疗中目前所采用的几种超声无创测温方法:利用声速的温度相关性测温、利用声衰减特性的温度相关性测温、利用超声非线性参数的温度相关性测温、利用超声回波频移的温度相关性测温、利用超声回波时移的温度相关性测温等。对各种方法的原理及存在的问题进行了分析,概述了超声无创测温当前国内外研究现状。

一种心电和心室晚电位综合采集电路的设计

介绍了一种心室晚电位和常规１２ 导联心电信号综合采集电路。电路采用定时中断采样，具有程控调节放大倍数，全隔离浮地，低噪声，高共模抑制比，能够长时间连续采集数据等特点。

心电监护与血压测量微机系统的研制

介绍一种实现单通道心电信号监护与血压测量的微机系统,给出了系统的硬件组成和软件设计。实验结果表明,该系统抗干扰能力强,性能稳定可靠,功能易于扩展,可广泛应用于实验教学和临床。