激光三角法在生物医学领域中的若干应用

对激光三角法在生物医学工程中的应用进行了讨论、分类和总结,对激光三角法在生物医学领域中的更进一步应用具有实际指导意义。

应用专用全数字PET创新系统

基于多电压阈值方法的全数字正电子发射断层成像(PET)技术以“全数字”和“精确采样”为两个本质特点,实现软硬件解耦、系统“乐高”化搭建,打破了传统PET系统架构固定的限制,为更多创新应用的开展提供了可能。本文介绍了近年来应用专用型全数字PET系统的研究进展,阐述其在质子治疗监测、脑科学临床与基础研究、植物代谢研究等领域中的应用及其优势。面对前沿应用对PET成像系统提出的更高要求,进一步探讨全数字PET技术的发展趋势。

网格投影式立体视觉三维表面重建系统

提出了一种基于立体视觉的三维表面重建的新方法。该方法以立体视觉为基础,结合网格投影,把被动的立体视觉与主动的非结构光网格投影相结合,采用一种算法简单的由粗到精网格图像立体匹配方法,有效地解决了常用的立体视觉系统中存在的算法复杂、处理时间长、容易产生误匹配等问题。基于该方法的三维表面重建系统具有结构简单、操作方便、数据采集速度快、实时性强等优点。实验结果表明该系统能够有效地对三维表面,特别是对无明显特征的光滑自由三维曲面进行重建。

基于小型电极的新型阻抗血流图测量系统的研究

目的研制基于小型一体化生物电阻抗电极的用于多部位阻抗血流图检测的仪器,用于检测手腕、颈、脑等多部位阻抗血流图和评价运动负荷状态下组织中阻抗血流图的变化。方法采用高共模抑制比的差动放大器和相关检测原理对小型电极提取的微弱信号进行处理,设计相应的电路,提高信噪比,实现阻抗血流小型传感器微弱信号的检测。结果经过实验验证,该仪器能够提取手腕、颈、脑等部位的阻抗血流信号,应用相干检测技术得到了很高的信噪比,测量方便,可以进行连续监测。结论该仪器能够检测人体不同部位阻抗血流信号的搏动分量和非搏动性的直流分量,更好地评价局部血液循环状况,并且有望对运动负荷状态下的阻抗血流动力学参数作出评价。

基于PnI的全数字PET成像软件

传统正电子发射断层成像(PET)系统采用模拟电路对信号进行处理,通过符合电路实现符合事件甄别,软件算法多集中于处理投影数据和图像数据,损失了生成图像前的大量信息,算法可扩展性相对较差。全数字PET系统利用精确采样和全数字处理带来硬件极简化和软件极大化的设计理念,将更多操作交由软件算法完成,具有过程数据完整、算法丰富且替换优化方便的特点。把探测器和算法当作“积木”,即插即成像(PnI)平台构建成像协议层、成像算法层和成像设备层,实现了成像过程定义、成像算法扩展和多种设备定义,从而支持动物、临床和各种应用专用型全数字PET系统的搭建。而且,全数字PET配合PnI平台可以将信息挖掘的入口从图像层面提前到闪烁脉冲数据层面,支持更多算法的灵活接入。基于以上背景,本文综述PnI即插即成像软件的研究进展,具体说明全数字PET系统结构、成像过程、软件架构以及应用案例,旨在提高科学家搭建数字PET科研仪器的灵活性,为开发快速高效搭建不同PET系统与软件算法提供参考。

基于坐标变换迭代拟合法的生物电阻抗模型参数提取方法研究

研究了一种基于最小二乘模型的坐标变换迭代拟合新算法,可用于生物组织电阻抗模型参数的提取。与其它方法比较,此算法具有收敛速度快、数值拟合精度高等特点。实现了快速、精确地提取阻抗模型参数Ri、Re、Cm和α的目标。按照低功耗、低价位和高性能价格比的设计要求,设计了双CPU结构的生物电阻抗测量系统。初步实验结果表明,长期静坐引起肢体缺血使阻抗模型参数Ri显著上升,反映了下肢组织缺血的变化。

全数字PET关键器件硅光电倍增器研究进展

近年来,硅光电倍增器(SiPM)凭借其出色的性能表现,已经成为正电子发射断层成像(PET)中的首选光电转换器件。SiPM具有单光子分辨能力和低于100 ps的时间分辨率,使得精确测量光子到达时间成为可能,催生了飞行时间PET、光子计数计算机断层扫描、正电子素寿命显像等新兴应用领域,这些应用又对SiPM的性能提出了更高的挑战。因此,如何将SiPM性能推进至其物理极限已成为新一代SiPM的研究的关键方向。在传统的SiPM架构中,信号经过多次处理和模数转换,带来噪声增加和时间性能恶化的问题,从而限制了SiPM的性能潜力。随着半导体制造工艺的快速发展,SiPM可在标准CMOS工艺节点上制造,标志着可以将数字逻辑集成在SiPM器件内,这是SiPM领域的一次重大突破,使我们能在单一SiPM内实现更精确的时间、能量、位置信息获取,为推进SiPM达到性能极限提供了一条可能的途径。本文综述SiPM的发展历史、工作原理和性能参数,分析传统SiPM的局限性,梳理数字SiPM研究的关键问题,介绍当前几种数字化SiPM架构,最后对数字SiPM的关键技术进行总结和展望。

多电压阈值数字化方法

模数转换器将物理量随时间变化的模拟信号转换为易于储存和处理的数字信号,是自然科学和信息科学的桥梁,也是现代工业与科研中不可或缺的核心基础器件。20世纪20年代以来,随着均匀时域采样的电子学实现和数学理论陆续建立,均匀时域采样成为模数转换领域的基石。此后数十年,正电子发射断层成像、核聚变中子能谱和中微子探测等需要对大量通道高速信号进行采样的应用不断涌现。在这些应用中,基于均匀时域采样的模数转换方案存在功耗大、成本高等缺点,以至于不得不在数字化前进行预处理,从而损失了信号的原始信息。基于值域采样的多电压阈值数字化方法通过若干电压阈值对信号进行采样,再在后端结合先验信息重建信号,使得大量通道高速信号的精确数字化成为可能。目前,多电压阈值数字化方法已被运用在正电子发射断层成像、X射线安检、中子石油测井和质子治疗监测等领域中。本文概述多电压阈值数字化方法的原理,介绍近年来多电压阈值数字化电子学的研究进展,展望多电压阈值数字化方法领域的研究趋势。

全数字PET关键材料硅酸钇镥闪烁晶体研究进展

硅酸钇镥(LYSO)凭借其优异的综合性能,已成为正电子发射断层成像(PET)中最为主流的闪烁晶体材料。近年来,由多电压阈值(MVT)理论发展而来的全数字PET技术,实现了闪烁脉冲的源头数字化,提高了PET成像空间分辨率、系统灵敏度等关键指标,催生了质子治疗监测、正电子寿命谱等新应用。不同于传统的时间间隔采样方法,MVT是一种基于电压-时间的纵向采样技术,在时间很快的脉冲信号采样领域具有天然优势。因此,调控LYSO晶体的闪烁发光特性,以适应MVT采样方法,从而发掘其精准数字化的最大潜能,是全数字PET应用需求下LYSO闪烁晶体的一个新的发展方向。本文综述LYSO晶体的闪烁原理、性能调控和生长技术。梳理如何调制LYSO晶体光输出、衰减时间和均一性等关键性能,以适应全数字PET的采样特性。介绍本团队面向全数字PET需求,开发的快衰减、高均一LYSO晶体的研究进展。最后,结合LYSO研究现状和全数字PET探测器的新需求,展望LYSO闪烁晶体的未来发展方向。

正电子发射断层成像的数字化

正电子发射断层成像(positron emission tomography,PET)自诞生起就是部分数字化的,并在随后的数十年里稳步朝着更加数字化的方向发展。信息技术的接连突破为PET提供了前所未有的存算能力,显著加快了PET数字化的步伐。时至今日,PET数字化已经成为PET领域产研两方面的共识。

全数字PET产业生态

从多电压阈值(MVT)采样方法逐步演化发展出来的数字正电子发射断层成像(PET)创新技术体系,带动了包括关键材料、核心器件、电子学、智能算法和行业标准等在内的多个领域的发展,形成以硬件模块化、软件智能化为特征的PET产业新生态。2010年全球首台基于MVT方法的全数字PET科学仪器成功研制,并展现出明显的空间分辨率优势。借助探测器模块化的特点,又陆续研制出面向小动物、大动物、灵长类动物和植物的不同孔径、不同视野(FOV)、不同几何架构的全数字PET科学仪器,并投入各项科研应用。2015年,全球首台用于人体扫描的全数字PET医疗器械样机研制成功。在随后7年里,多款临床全数字PET产品陆续完成研制,并投入市场。这些全数字PET产品打破过去面向全身扫描的常规固定式系统架构,采用模块化、数字化探测器,构建了部位专用PET、嵌入式PET、穿戴式PET、质子PET等多种医疗器械,帮助推动PET应用从肿瘤诊断快速拓展至神经系统疾病诊断、心血管疾病诊断、免疫治疗、质子治疗等精准诊疗新领域。全数字PET生态的蓬勃发展也带来了产业分工的革新,新型的闪烁晶体材料、新型硅光电倍增器、以及模块化PET探测器正在独立快速的发展,形成各自的标准化部件或接口,上下游技术同步提升促进了PET全产业链和创新链的发展。随着全数字PET技术的迅猛发展,多种技术路线相继被提出,也对相关的产品标准与技术规范的适应性提出新的需求,PET数字化技术要求、数字PET医疗器械注册指导原则等监管体系也进一步得到更新和发展。本文回顾20余年全数字PET在科学仪器、医疗器械、产业链和监管科学方面的动态进展,并对数字PET未来生态发展做出展望。

大学生进入课题组是提高大学生创新能力的重要途径

改革开放以来,我国的高等教育在数量及质量方面均得到了飞速的发展。然而,与发达国家比较,我们所培养的大学生在科研能力,创新能力方面人存在不小差距。本文针对在我国高校中存在"重识记,轻创新"、"重内容,轻方法"、"高分低能"以及用人单位所反映的"动手能力差"等现象进行分析,并结合近年来我们进行大学生进入课题组的实践,探索提高大学生科研能力的途径与方法。

磁共振波谱成像(MRSI)的数据重建及波谱量化分析软件系统

采用交互式数据语言开发了基于PC机的磁共振波谱成像数据重建和波谱量化分析的软件系统。它可以实现临床MRSI原始数据和图像数据读入、代谢物种类设计、数字幻影模型生成、k-空间采样轨迹设计、k-空间原始数据生成、数据重建、波谱定量分析以及代谢物图像生成等功能。该系统有助于学习和开发新的MRSI采样轨迹,数据重建方法和波谱量化分析方法,在国内还未见前例。

大学生二课、实习与毕业设计一体化研究实践探索

建国以来,特别是改革开放以来,我国的高等教育在数量及质量方面都取得了飞速的发展。然而,与发达国家比较,我们所培养大学生的科研能力,尤其是创新能力,仍然存在较大差距。本文旨在针对在我国高校中存在"重识记,轻创新"、"重内容,轻方法"、"高分低能"以及用人单位所反映的大学毕业生存在"动手能力差"等现象进行剖析,并结合近年来我们进行的大学生二科、实习与毕业设计一体化研究实践,探索提高大学生创新能力的新方法与新途径。

灵敏度编码磁共振谱成像(SENSESI)技术及图像重建方法

传统的相位编码磁共振谱成像 (MRSI)采集数据需要很长的时间 ,使得MRSI在临床上的应用受阻。灵敏度编码磁共振谱成像 (SENSE SI)采用线圈矩阵来并行采集MRSI数据 ,是一种不仅可以大大减少数据采集时间 ,而且不影响空间和谱的分辨率的全新方法。在图像重建时利用各个线圈的空间灵敏度来对丢失的编码信息进行恢复 ,将像素折叠的图像进行展开 ,可以得到完全没有重叠伪影的代谢物图像。SENSE SI采集数据的快速性和图像重建的高分辨性为MRSI真正应用于临床打下了坚实的基础。

微流控超快混合器及生物大分子折叠动力学应用研究进展

生物大分子如蛋白质或核酸的功能与其三维结构密切相关,折叠动力学研究可揭示生物大分子从自由的一级结构形成具有活性高级结构的动态过程,近年来倍受科学界重视。生物大分子的折叠过程一般发生在毫秒、微秒甚至是亚微秒时间水平,而启动折叠反应则需在更短的时间内完成。基于微流控芯片的超快混合器能使溶液在短时间内达到完全混合从而触发反应,已被广泛应用于生物大分子折叠动力学研究。该文系统评述了超快微混合器的国内外研究进展,并介绍了其在大分子折叠动力学研究中的应用。

中国在翻译后修饰的生物信息学研究领域的进展与前瞻

翻译后修饰在调控蛋白质构象变化、活性以及功能方面具有重要作用,并参与了几乎所有细胞通路和过程。蛋白质翻译后修饰的鉴定是阐明细胞内分子机理的基础。相对于劳动密集的、耗费时间的实验工作,利用各种生物信息学方法开展翻译后修饰预测,能够提供准确、简便和快速的研究方案,并产生有价值的信息为进一步实验研究提供参考。文章主要综述了中国生物信息学者在翻译后修饰生物信息学领域所取得的研究进展,包括修饰底物与位点预测的计算方法学设计与完善、在线或本地化工具的设计与维护、修饰相关数据库及数据资源的构建及基于修饰蛋白质组学数据的生物信息学分析。通过比较国内外的同类研究,发现优势和不足,并对未来的研究作出前瞻。

PET探测器几何结构与系统响应矩阵关系初探

PET的系统响应矩阵代表了系统对系统视场(Field Of View,以下简称FOV)中各点的探测灵敏度。它由PET探测器的几何结构和PET数据采集中的各种物理因素决定。如果忽略物理因素的影响,仅考虑探测器几何结构,此时系统响应矩阵被称为几何灵敏度矩阵,特定的探测器几何结构对应唯一的几何灵敏度矩阵。研究获取了内径相同、晶体数不同的6种环形探测器结构的几何灵敏度矩阵,绘制该矩阵的秩随图像大小变化的曲线,初步探讨几何灵敏度矩阵与不同几何结构探测器采样的关系。该曲线波动特征与系统视场内采样密度变化相一致,且其提供了图像重建可获得唯一解时对应的FOV区域。该结果可以帮助分析重建图像的特征和指导针对不同大小对象成像的探测器选择和设计。

基于FPGA的超声环形探头性能检测系统初探

超声环形探头的性能检测可以为改善超声计算机断层成像质量提供重要的参考依据此外,环形探头老化和损伤也需要进行定期检测与维护。目前,超声探头声学性能检测主要基于现有设备进行系统搭建,集成度低,成本高,也不适用于超声环形探头。为提高集成度、降低成本,本文设计了一种基于FPGA的超声环形探头性能检测系统,可以检测超声环形探头各个阵元的性能指标,包括中心频率,带宽和回波灵敏度等参数。本文完成了性能检测的预研性实验:对一个256阵元的环形探头进行了8个阵元的手动选通检测。实验结果表明,该系统可以方便准确地进行阵元切换和检测,检测结果与探头指标吻合。

超声断层成像用于关节置换术后影像学评估

目的观察肌骨超声断层成像用于膝关节置换术后评估的临床价值。方法回顾性分析10例因骨肉瘤接受膝关节置换术患者的影像学资料,记录每项检查所用时间;针对检查区域二维和三维重建图像比较各检查方法成像速度及图像质量。结果CT、MRI及超声断层检查时间分别为(39.0±7.6)s、(332.8±48.9)s及(117.0±9.6)s,CT最快而MRI最慢。CT和MRI中的金属伪影及图像变形导致图像质量降低,影响诊断效能。超声断层成像用于观察假体周围软组织不受金属伪影影响,扫描时间较短、层面连续、图像分辨力较高,且支持三维重建,能有效评估关节假体周围软组织和积液情况,可提供更全面的软组织信息及更直观的立体图像。结论超声断层成像可作为无创方法用于膝关节置换术后评估。