皮肤肿瘤早期筛查的快速无创电阻抗检测方法

目的随着环境问题和臭氧层空洞化的加剧,皮肤肿瘤的患病率也大幅增加,但是皮肤肿瘤前期隐蔽性高、症状不明显,导致大部分病例都是在中晚期发现的。因此,本文基于生物阻抗谱(bioimpedance spectroscopy,BIS)技术,提出一种皮肤肿瘤早期筛查的快速无创电阻抗检测方法。方法首先,建立四层皮肤模型,采用数值分析方法研究角质层对BIS测量的阻碍作用。其次,使用去除角质层的皮肤模型研究混有不同半径和浸润深度的皮肤肿瘤组织电学特性。最后,使用凝胶处理后的猪皮组织实验验证肿瘤浸润深度(h)的影响。结果角质层仿真结果表明,去除角质层的皮肤对激励信号的响应更明显。皮肤肿瘤模型仿真表明,当肿瘤半径(R_(tumor))及h>1.5 mm时能够区分肿瘤组织与正常组织。同时根据实验结果中正常组织与肿瘤组织虚部弛豫阻抗(Z_(imag-relax))定义了组织病变度(ε_(worse),为肿瘤组织虚部阻抗相对于正常组织虚部阻抗变化的百分比),并绘制了肿瘤组织浸润深度(Depth)与Z_(imag-relax)的拟合曲线。当ε_(worse)=0.4920时,BIS即可识别微浸润肿瘤组织,且拟合曲线修正决定系数为0.9468,拟合效果良好。结论基于BIS技术的方法具有实时、便捷、无创的优点,有望应用于皮肤肿瘤的检测。

电阻抗成像技术在肺功能检测的研究进展

电阻抗成像技术(EIT)通过对电极施加安全的交流激励电流信号,测量其余电极对的电压信号,借助重构图像算法,利用采集到的电压数据重构肺部阻抗分布情况。EIT技术具有实时、无创、便携的特点,能够动态监测肺部功能,有利于辅助肺疾病的诊断和治疗。概括了肺功能EIT技术的发展历程与原理,并对EIT硬件系统、图像重建算法和临床应用的研究进展进行了总结和分析;对肺功能EIT技术发展方向和趋势进行探讨与展望。

面向多通道冗余系统的FPGA硬件脉冲同步方法研究

提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的硬件脉冲同步方法以保证冗余系统数据交互、任务调度的可靠性。以三通道冗余系统为例,每个通道都接收3个通道的脉冲信号输入,对3个通道的脉冲信号进行排序,确定主控通道的脉冲同步信号;捕获主控脉冲的信号边沿,计算与另外两个通道的同步偏差;设置不同粒度的调整区间,偏差大进行多周期调整,偏差小则进行单周期调整;建立基于FPGA的硬件脉冲同步仿真平台并进行测试分析。仿真结果表明:脉冲同步精度可达到20 ns,同步建立时间不超过470 ms,满足了多通道冗余系统的同步需求。

胃容积及胃食道液体状态变化的电学特性研究

目的三维电阻抗成像(3D-EIT)结合二维电阻抗成像(2D-EIT)研究胃容积及胃食道液体状态变化的电学特性响应,旨在探究EIT技术应用于胃食道反流病监测的可能性。方法8名受试者被要求在实验前4 h禁食,保证实验开始时胃部处于排空状态,实验开始后受试者被要求分两次喝下400 ml经口补水液,在摄入200 ml状态下和摄入400 ml状态下分别应用3D-EIT检测腹腔3D空间的电导率分布。为了定量说明不同状态下电学特性的变化,使用配对样本t检验分析3D-EIT重建3D图像的空间平均电导率(σˉ)。采用数值仿真工具,建立两种尺寸胃容积模型验证,实验结果中胃容积变化是引起受试者腹腔3D空间内电导率变化的原因,并研究胃腔被不同比例补水液填充状态下电学特性的变化趋势,应用2D-EIT数值仿真进行电导率分布图像重建。结果8名受试者腹腔3D-EIT实验中空间平均电导率σˉ的配对样本t检验结果表明,空间平均电导率从C200 ml状态下的σˉ200 ml=0.226增加到C400 ml状态下的σˉ400 ml=0.387(n=8,P<0.05)。因此,受试者腹腔胃部区域空间平均电导率随胃容积增加而显著增加。2D-EIT数值仿真结果表明,随着胃腔填充补水液比例的增加测量电压差(ΔV)逐渐减少,ΔV对胃腔填充补水液体积敏感。与小型胃容积模型相比,大型胃容积模型在胃腔填充补水液比例相同情况下平均电压差(-V)更小,-V对胃容积模型的尺寸敏感。在小型胃容积例中,σˉ随着胃腔填充补水液比例增加而增加,从填充25%的σˉA=-0.29增加到填充100%的σˉD=-0.41;在大胃容积例中,σˉ随着胃腔填充补水液比例增加而增加,从填充25%的σˉE=-1.85增加到填充100%的σˉH=-2.12。结论3D-EIT电阻抗成像技术能够通过图像直观的反映不同尺寸胃容积的电学特性差异,2D-EIT根据在不同胃容积尺寸模型中ΔV、-V和σˉ显示出相同的趋势得出结论,3D-EIT结合2D-EIT技术令人满意的监测了胃食道在不同胃容积中的液体状态变化。

粉煤灰蒸压砖成型机液压系统设计与仿真研究

根据粉煤灰蒸压砖的工艺需求,蒸压砖成型机压制部分采用上下缸同时加压的方法;在重点分析下缸结构特点的基础上,给出双泵双回路的液压控制系统。基于AMESim软件,建立液压系统仿真模型,对下缸动态特性进行分析。结果表明:该系统能够更好地满足实际需求,为实际液压系统的设计和参数优化提供依据。

快锻液压机主缸油路仿真与神经网络故障预测

针对快锻液压机主缸油路故障预测,建立了主缸油路AMESim模型,在AMESim环境下仿真,获得了主缸油路故障特征;建立故障预测BP神经网络,并利用仿真样本训练、测试了BP神经网络模型。计算结果表明:所建立的BP神经网络预测模型具有较好的故障预测能力,可用于快锻液压机主缸油路故障预测。

体外循环血栓非侵入在线电阻抗成像方法

目的 在体外循环系统中,血栓的在线检测和可视化具有重要意义。本文提出了基于电阻抗成像(EIT)的体外循环血栓非侵入在线检测方法。方法 首先通过联合仿真研究了传感器尺寸对成像效果的影响。其次,根据仿真结果设计了直径为20 mm的16铜质电极EIT传感器,搭建了循环流动实验平台,并设计了静态和循环流动实验。使用尺寸为3~6 mm的猪血块代替血栓,将血块置于新鲜猪血样本中,采用Tikhonov正则化算法进行成像。将3 mm和5 mm的血块分别置于循环系统中,重建血块在传感器截面的大小和位置图像,并与高速相机拍摄结果进行对比。结果 仿真结果显示当目标物与传感器面积比(AR)不小于0.01时,传感器直径为20 mm和30 mm对应的图像相关系数(IC)均大于0.06,成像效果较好。静态成像结果显示,相对尺寸覆盖率误差(RCR)小于等于0.1。循环流动实验显示,血块经过传感器时,检测到归一化后的相对电导率变化值分别为80和200,结果显示该方法能够检测到循环系统中的血块。结论 该方法具有实时性和非侵入的优点,有望应用于体外血栓的检测。

大型游动滑车的几点结构改进问题研究

大型游动滑车是石油矿山机械中重要的部件之一,大体积、大质量等固有特点决定了其不方便快速检修与维护。通过对游动滑车滑轮轴与侧护罩的结构设计改进以求实现大型游动滑车的便捷检修与润滑保养,并研究相关部分定性分析设计的可行性。最后,力学分析与有限元分析结果以及工作过程分析结果说明了改进后的游动滑车既实现了优化功能,也能保证原有功能,对指导游动滑车的进一步优化设计具有一定意义。

人类小腿肌肉对运动训练生理响应的电学特性研究

目的运动训练已被证明能够改善许多慢性肌肉功能疾病,被用于治疗衰老型肌萎缩。本文采用电阻抗成像(electrical impedance tomography,EIT)研究人类小腿肌肉对运动训练生理响应的电学特性,旨在使用EIT方法可视化运动训练对人类小腿响应肌肉隔室内肌肉纤维体积增加的效果。方法实验对象被要求在连续5个实验日进行左、右腿单侧提踵训练,应用EIT检测每日运动训练前和运动训练后小腿肌肉的电导率分布。为了定量分析运动训练对响应肌肉隔室的作用,使用配对样本t检验分析EIT重建图像的空间平均电导率<σ>。结果运动训练后,由小腿腓肠肌组成的M_(1)肌肉隔室空间平均电导率<σ>_(M1)显著增加。此外,连续5个实验日的EIT测量结果显示,运动训练前的空间平均电导率<σ^(pre)>_(M1)呈上升趋势。所有实验对象在实验日1早晨进行实验前的腿部瘦体重与<σ>_(M1)呈线性关系,即<σ>_(M1)随腿部瘦体重增加而增加;运动训练前和训练后腿部M_(1)肌肉隔室空间平均电导率及空间平均电导率差比的增长趋势与细胞外液体积差比率相同。结论由于电导率对细胞外水分量变化敏感,而细胞外液体积变化与肌浆肥大相关。在连续5 d的EIT测量中,空间平均电导率<σ^(pre)>_(M1)呈上升趋势,这意味着肌肉纤维体积的增加,发生肌浆肥大现象。因此,EIT能够有效地评估运动训练增加人类小腿肌肉纤维体积的效果。

神经肌肉电刺激下小腿肌肉的电学特性研究

目的采用电阻抗成像(electrical impedance tomography,EIT)方法研究神经肌肉电刺激(neuromuscular electrical stimulation,NMES)下小腿肌肉的电学特性,旨在将EIT作为一种长期监测方法,从而可视化NMES训练对人类小腿肌肉的训练效果。方法16名实验对象被随机分配到对照组(control group,CG,n=8)和最佳电压强度的NMES训练组(optimal voltage intensity training group,OG,n=8)。对照组保持正常生活方式并不进行NMES和其他的肌肉训练;NMES训练组中使用商业NMES设备对实验对象右小腿进行23 min的NMES训练,每周3次,为期5周。应用EIT测量在每周一训练开始前的电导率分布。并且采用生物电阻抗分析(bioelectrical impedance analysis,BIA)方法测量右腿细胞外含水量与身体总含水量的比率(ECW/TBW)β_(rl),及身体总含水量(TBW)τ。为了量化NMES在肌肉训练过程中的作用,使用配对样本t检验分析EIT重建图像的空间平均电导率<σ>和BIA测量的β_(rl)、τ。结果对照组实验对象,右小腿肌肉电学特性及右腿细胞外液体积及身体总含水量与第1周无明显变化。然而,NMES训练组实验对象,右小腿肌肉M1肌肉隔室空间平均电导率<σ>_(M1)及右腿细胞外液体积βrl与第1周相比有相同的增长趋势。结论连续5周的EIT测量结果显示,NMES训练引起被刺激肌肉隔室空间平均电导率<σ>_(M1)的增加,且第2周<σw^(2)>_(M1)增加最为明显,之后第3、4、5周相较于上一周均有增加但幅度明显小于第2周,这意味着肌肉纤维体积在第2周已发生明显增加,发生肌浆肥大现象,之后受试者逐渐适应NMES训练,肌肉生理响应变慢但仍在持续增长。因此,EIT能够作为一种长期监测方法有效评估NMES训练增加人类小腿肌肉纤维体积的效果。

6-DOF并联机器人输入奇异性的解析研究

为解决6-DOF并联机器人输入关节的奇异边界约束问题,开展奇异性研究。根据平面平台型6-DOF并联机器人的结构特点,采用自然坐标方法分别表示其位置和姿态,得到运动学正解的6个方程,结合3个约束方程,经过变量代换后,推导得到输入关节的6×6雅可比矩阵,并获得输入奇异轨迹的解析表达式,分析并联机器人6条支腿之间的相互约束奇异性,找到支腿的边界约束,解决输入关节的奇异边界约束问题。输入奇异性的研究为基于正向运动学无奇异工作空间的三维完全可视化描述奠定坚实基础,也对轨迹规划、控制系统的设计具有重要意义。

基于生物阻抗谱的生物细胞活性免标记检测方法

目的 基于生物阻抗谱(bioelectrical impedance spectroscopy,BIS)技术,提出一种免标记的生物细胞活性实时检测方法。该方法依据不同浓度、生理、病理状态下细胞组织的电学特性差异来判断细胞是否具有活性,以协助医师在临床手术中快速精准定位患者烫伤组织并实现有效切除。方法 使用具有活性的斑马鱼胚胎干细胞来模拟人体烫伤组织,采用生物阻抗谱技术来鉴别细胞组织的生理状态。结果 在不同状态下,细胞的阻抗幅值变化有显著的差异,可以从中发现同等浓度下活性细胞的阻抗幅值比死亡细胞平均高出17.25%,活性细胞发生弛豫频率的时间也比死亡细胞早25%。结论 实验数据表明,生物阻抗谱法能有效区分胚胎干细胞的两类生理状态;从聚类区域中可以看出,BIS检测法具有明显的细胞活性及浓度区分能力,理论上能够快速地协助医师完成对患者烫伤组织检测。

基于电阻抗成像技术的细胞检测传感器开发

现有的电阻抗成像(EIT)方法多用于大尺度目标物的检测,对小尺度的目标物检测精度低。针对这一问题,本文开发了一种由印刷电路板(PCB)制作、低成本、小尺度的EIT传感器,可用于细胞检测领域。首先,设计了一种用于细胞检测的传感器,并通过有限元仿真对比了不同成像算法(Landweber算法和Tikhonov算法)和不同电极数量对成像效果的影响。结果显示:Tikhonov算法的图像重构效果明显优于Landweber算法,且随着电极数量的增加,图像相关系数逐渐增大,且在Tikhonov算法下,八电极的图像相关系数超过了0.8;最后,对八电极传感器进行了实验验证,对观背青鳉鱼鱼卵发育过程进行了监测,验证了EIT系统对细胞监测的可行性。

多电极阵列微流控芯片内细胞介电泳运动分析

研究了多电极阵列微流控芯片内不同细胞在介电泳力下的运动特征,对外部形态相同而内部组蛋白不同的两种细胞进行了分离。多电极阵列微流控芯片在流道的5个正方形横截面嵌入电极阵列,每个横截面的一组对边嵌入8根电极,此结构扩大了微流道的尺寸,可以实现细胞在介电泳力的作用下高流量分离。为了研究微流控芯片内细胞运动特征,首先通过电场数值分析,对一个横截面内多电极电场分布进行了计算,得到了最佳电极组合方式,使得电场分布均匀,且介电泳力最大。之后,通过实验分析了在不同频率、多电极复杂电场下,外部形态相同而内部组蛋白不同的人肺部成纤维细胞MRC-5的运动特点。通过对介电泳力的波谱进行分析,得到了野生型(WT)和组蛋白-GFP型(GFP-HT)两种细胞的分离频率为f=30 kHz。最后,在两个入口处通入不同比例的蔗糖(Sucrose)溶液与两种细胞混合液,计算了细胞的分离率。当两个入口的流量比为12∶1时,两种细胞的分离率可以达到93.5%。本研究提出的多电极阵列微流控芯片分离细胞的方法为细胞的高流量快速分离奠定了基础。

一种基于U2-Net模型的电阻抗成像方法

电阻抗成像(EIT)是一种实现场域内电导率分布情况图像重建的成像技术。传统的电阻抗成像算法成像精度较低,为解决此问题,提出一种基于U2-Net深度学习模型的新型电阻抗图像重建方法。首先,以U2-Net模型为基础,创新地提出了拼接层(CAT)的概念用于数据扩展,使得U2-Net的输入层结构简单,运算速度快;其次,使用仿真数据集对该网络进行训练,使用验证集选择最优的模型参数,结果表明,提出的算法测量精度高、鲁棒性好,在仿真数据集的表现优于其他算法。最后,提出一种新的EIT成像质量评价指标:中心和面积误差(CAE)用于验证算法在实验中的表现,实验结果表明,所提算法的CAE为4.975,对于目标物的中心和面积预测更为准确,成像效果优于其他对比算法。

基于生物阻抗谱的细胞电学特性研究

生物阻抗谱是一种非侵入式、免标记、能够定量分析的检测技术,将其应用于生物细胞及组织的生理、病理分析中具有很大优势.本文采用数值仿真的方法研究了单细胞电学特性与其结构之间的关系,并通过实验进行了验证.根据细胞的生理特征,依据细胞的双壳模型与单壳模型理论分别建立了不同种类细胞的电学模型,研究了细胞种类、细胞膜、细胞核对细胞电学特性的影响.数值分析结果表明:1、细胞结构尺寸的变化引起细胞电学特性的改变,因此,依据细胞电学特性能够准确实现细胞分类;2、柯尔-柯尔(Cole-Cole)图上高频与低频的两个半圆弧分别是由细胞质或细胞外液的离子极化、细胞膜与细胞外液之间的界面极化引起的;3、细胞核大小对测量阻抗的影响主要在低频段,是由细胞核与细胞内液的界面极化引起的,当存在细胞膜且当细胞核的核质比小于0.25时可忽略其影响.为验证仿真结果,对20%不同活性的酵母菌进行了实验.实验结果表明,运用本文建立的细胞电学模型,可以准确检测细胞的不同活性.该方法对实现细胞的精准电阻抗检测提供了理论依据,具有重要的应用价值.

基于生物阻抗谱的舌体肿瘤组织识别方法

基于生物阻抗谱技术,提出一种非侵入式、快速、便捷的舌体肿瘤组织识别方法.根据舌体组织不同病理及生理状态下电学特性的差异性来判断其是否病变,以帮助主刀医师在临床舌体肿瘤手术切除中既能完整的切除肿瘤又能尽可能多的保留患者舌功能.本文在小鼠上建立了人舌鳞癌细胞(HSC3)原位舌癌移植瘤模型,用生物阻抗谱的方法对其正常组织区域、混有肿瘤组织区域及肿瘤组织区域进行了电学特性研究.幅值频谱显示在8.09×10^(5)-5×10^(6)Hz的高频段可以根据其电学特性区分3种组织.在实验过程中,从高频段的幅值频谱中提取出弛豫频率f_(relax)、电阻抗实部Z′_(relx)和电阻抗虚部Z″_(relax) 3个电学参数,并根据这3个电学参数定义癌变组织系数α与β(待测组织阻抗值相对于正常组织阻抗值的实部变化百分比记为α,虛部相对变化百分比记为β)进行肿瘤组织识别.结果表明,当α≤36.5%,β≤31.2%时,组织是正常组织;当α≥36.5%,β≥312%时,组织可能混有肿瘤组织;当α≥82.7%,β≥73.6%时,组织是肿瘤组织。

基于医工融合的高端医疗装备研究进展

随着多学科之间的相互渗透,基于医工融合的医疗装备的开发和应用已成为现代医学的发展趋势,对医疗技术的进步产生重要影响。对基于医工融合的高端医疗装备展开综述,主要论述医学电阻抗设备和医疗机器人的研究现状,并对其研究趋势进行分析和预测。

基于电化学阻抗谱(EIS)的生物细胞检测方法

本文利用电化学阻抗谱(EIS)对酵母菌细胞的介电性能进行了探究,通过实验,测量了酵母菌细胞悬浮液的电容,并计算出相对介电常数和介电损耗。结果显示,随着酵母菌细胞浓度的增加,相对介电常数和介电损耗也增加。此外,实验结果还显示活细胞的相对介电常数和介电损耗高于死细胞。本研究证明,EIS方法可用来检测细胞悬浮液的状态。

面向手势识别的电阻抗成像系统开发

开发了便携式电阻抗层析成像系统和可穿戴多电极阵列手环传感器,运用EIT技术实现了手势识别。EIT系统的主要功能是实现信号传输和数据处理,可穿戴多电极阵列手环传感器佩戴在受试者手臂用来注入电流并采集电压。测量10名受试者不同手势的电压数据进行手势识别,并采用广义矢量模式匹配算法(GVSPM)重构受试者手臂内部电导率分布变化的图像。实验结果表明,开发的EIT系统可以实现手势识别。