基于工作流的医学图像三维可视化平台

针对当今医学影像领域的软件工具包普遍缺乏有效的算法集成机制和友好的用户图形界面的情况,采用 Java 2平台企业版(J2EE)的体系结构开发了一种基于工作流的医学图像三维可视化平台——POMI。在该平台上实现了一个切片数据重建及可视化模块,该模块以工作流机制集成了一系列算法和可视化工具。利用该模块完成了对虚拟中国人的部分切片数据分析、三维重建以及结果的可视化。基于 POMI 平台这种易于集成数据源和算法工具的高可扩展性结构,可以为医学影像技术领域的研究人员提供一个理想的集成分析平台。

脑皮层功能活动与病理状态光学检测方法研究进展

光学成像方法具备高时间、空间分辨率和多参数的信息获取能力,在神经科学研究中发挥着重要的作用,受到广泛关注。简要介绍和评述了用于脑皮层功能检测的主要光学成像方法,并重点讨论了其中两种方法——内源光信号成像与激光散斑成像的基本原理、技术进展,以及在脑功能活动与病理状态检测中的应用。

多光子激发随机扫描显微成像软件系统仿真

多光子激发随机扫描显微成像系统将为神经功能成像提供一个有效工具而成为研究热点,但成像软件系统的研制是其难点之一。分析了多光子激发随机扫描显微成像的实验流程,在VC6.0开发平台下,对飞秒激光扫描控制和荧光信号采集,全视场图像重构,感兴趣区域选取,图像和信号曲线动态同步显示等主要功能进行了软件仿真,对开发完整的多光子激发随机扫描显微成像软件系统具有重要的参考价值。

一种光学显微自动聚焦系统设计与实现

针对普通CCD拍摄的低对比度生物样品图像,设计并实现了一种以PC机为控制核心的光学显微镜自动聚焦系统。系统采用弹性联轴器与显微镜调焦轴直接耦合的方式,结合细分驱动,有效地消除了传动机构的回程差,提高了聚焦控制精度。在对几种常用图像清晰度评价算子进行分析的基础上,证实了图像自相关算子是评价低对比度生物样品图像清晰度的有效算法。实验结果表明,该系统自动聚焦的准确度和实时性基本上满足生物学研究的需要。

基于LabVIEW的随机扫描成像系统高速时间同步方法

在虚拟仪器开发平台LabVIEW下,本文提出了一种利用板卡上多功能子系统间硬件时钟关系实现微秒级高速时间同步的方法。将此方法应用到随机扫描成像系统中,实现了声光偏转器的频率控制与信号采集间的高速时间同步,定时精度达到了10μs的设计要求,且具有很好的重复性。

基于最大锋电位间隔的爆发检测自适应算法

在各种类型的培养神经元网络、哺乳动物中枢神经系统和切片中,都可以观察到爆发。爆发是空间-时间放电模式的重要特征,它由一系列高频率发放的连续动作电位组成,由于在时间尺度上的复杂性,使其辨识和探测存在许多困难。自适应算法利用爆发外部锋电位间隔超过爆发内部锋电位间隔的累加和识别爆发本身。基于该算法原理,以爆发内部最大锋电位间隔参数作为确定爆发的约束条件,改进爆发检测自适应算法。实验结果表明,改进算法可以有效地避免爆发的漏检和错检,较准确地检测出神经元的爆发活动,确定爆发活动的数目和持续时间等,爆发检测的平均准确率为93.8%,比原自适应算法提高了35.3%。

Linux 2.6平台神经电生理闭环系统软件的设计和实现

目的在Linux 2.6操作系统下开发基于多电极阵列的神经电生理闭环系统软件。方法通过中断和字符设备子系统接口,将USB总线刺激器和PCI总线数据采集卡连接到用户模式,并依据神经元网络活动确定刺激器输出,设计闭环控制算法,基于GNU C开发在Linux下的刺激应用程序。结果在Linux 2.6 PC平台上实现了电生理实验系统采集和刺激终端的在线控制软件,并用该软件控制由多电极阵列培养皿、放大器、数据采集卡、PC机以及刺激器所构建的实验系统,实现了对培养神经元网络信号的采集和活动依赖的刺激。结论该软件实现了神经元网络活动和刺激信号的闭环信息流动,为神经信息处理的网络机制研究提供了有效工具。

锥束微型CT图像重建中射线源位置的修正

目的:针对利用锥束光X射线机构建的微型CT系统,对射线源的微小偏差进行校准。方法:以FAXITRONMR_20型cone-beam数字X射线机为实验对象,利用金属球模型的二维投影图像计算出射线源垂直投影位于探测板平面相对坐标。对常用的锥束CT滤波逆投影算法,给出了在非标准位置扫描时的锥束CT的修正公式。结果:通过投影测量法发现所使用仪器的射线源和探测器中心存在1.056mm的偏差,并进行了修正;以模型实验显示了修正前后的结果。结论:该方法可以精确测量射线源的相对位置,通过软件修正,重建清晰的CT图像。

多电极阵列上神经元自发放电序列的时间编码

根据多电极阵列上培养的海马神经元不同自发放电模式，研究神经元发放序列的时间编码规律。采用锋电位间隔（ISI）时域图、锋电位间隔直方图（ISIH）、联合锋电位间隔分布图（JISI）对3种典型自发放电模式（爆发、持续单发、爆发与单发交替）进行时间编码分析．结果表明3种放电模式编码规律在ISI时域图中呈现分层结构，分别是两层，一层和近似三层；编码在ISIH中符合指数分布、正态分布、X^2分布；在线性尺度JISI图中信号编码分别表现为“L”型、集聚型和伴随散点的“L”型，而对数尺度的jISi编码规律则按照三簇、一簇和四簇分布．可见ISI随时间变化能反映自发放电模式时间编码整体趋势；不同放电模式的ISIH编码规律可用数学分布函数描述；JISI可从时空角度体现放电模式的特定时间编码．

基于数据库的交互式人体解剖三维图谱系统

目的:基于虚拟中国人男性一号三维结构模型数据库,采用Browser/Server结构,构建交互式多用户人体解剖三维图谱系统,发布和共享三维模型数据。方法:根据用户交互表单,系统从数据库获取模型信息,以虚拟中国人模型数据为材料,在服务器端动态组合,生成需要的VRML人体模型,并在客户端浏览器中交互显示;以MeSH为基础,按照人体生理结构的命名体系和层次,建立模型数据库,并以XML的形式发布。结果:实现了三维模型在线交互式浏览,直观地发布结构数据;构建了数据中间层,实现标准化的数据共享和扩展。结论:图谱系统提供了直观的数据可视化,构建了符合MeSH标准的模型数据体系,为人体解剖结构的学习和研究带来了方便,为远程解剖教学提供了重要平台。

多电极阵列上长时间培养神经元网络的发育变化

体外培养海马神经元网络的自发活动对于发育研究及学习记忆机制分析具有重要意义．为了研究体外培养网络自发放电随发育的变化,在多电极阵列芯片上长时间培养海马神经元网络,连续记录分析了培养14周的网络发育过程．结果显示,网络整体放电频率从培养第1周到第8周逐渐增加,9—14周基本稳定．对放电模式的分析表明,培养1周内出现自发、低频、不同步的锋电位;4—7周为同步簇发放电,7周出现同步簇发和随机放电混合的复杂模式;9周后为高频随机放电模式,稳定4周以上．由此推测,高密度培养的神经元网络发育过程可以分为3个阶段,连接建立期、活动协同期和成熟期,同步放电是高密度培养神经元网络发育过程的一个重要现象,其模式表现形式随培养时间改变．

超深低温作用下大鼠脑血流变化的激光散斑成像监测

利用激光散斑成像(laserspeckleimaging)技术研究局部超深低温(0℃)对脑血流流速变化的影响,实时监测了超深低温作用持续不同时间(1￣10min)后的大鼠顶叶脑皮层血流变化的时空特性。实验发现:超深低温持续时间分别为1、2、5min时,低温致使脑血流迅速减少,而快速复温后脑血流迅速增加并超过基线值,在此状态维持一段时间(10±3)min后又开始缓慢减少,恢复至基线水平后趋于平稳,且动脉、静脉、皮质处脑血流变化趋势相近,仅变化幅度有差异性;而在超深低温持续作用7min后,脑血流迅速减少,恒温复温后脑血流先迅速增加,后稍微下降,最后恢复至基线值的75%左右;超深低温持续作用10min后,脑血流也迅速减少,但在快速复温后脑血流没有迅速上升,而是在此状态维持一段时间(12±2)min后才逐步上升(动脉)或者快速上升后稍有下降(静脉、皮质),最终恢复到基线值的75%左右,且动脉、静脉和皮质处脑血流变化趋势与变化幅度均有显著差异。以上结果显示,对脑皮层进行局部超深低温作用的持续时间超过7min后,脑皮层的血流无法恢复到低温作用前的水平,因而提示过长持续时间的超深低温作用可能会造成对脑血管调节的不可逆损伤。激光散斑成像技术为研究超深低温作用下的脑皮层的血流动力学过程提供了一种崭新的手段。

格列本脲对大鼠皮层扩散性抑制中脑血管的调节作用

皮层扩散性抑制(corticalspreadingdepression,CSD)是研究偏头痛、脑梗塞等疾病的重要病理模型.已有研究表明,在普遍被观察到的CSD过程中软脑膜动脉血管大幅度舒张之前,还存在一个较小幅度的软脑膜动脉扩张和收缩.但其中的脑血管调节机制尚不清楚.采用550nm的内源信号光学成像(opticalintrinsicsignalimaging,OISI)监测ATP敏感钾离子通道(ATP-sensitivepotassiumchannels,KATP)的阻断剂格列本脲(glibenclamide,glyb),对针刺诱导的大鼠CSD过程中软脑膜动脉血管舒缩过程的影响.实验中观测到软脑膜血管的初始小收缩(initialslightconstriction,ISC)相对于对照组显著减弱,其中应用10μmol/Lglyb时,74.5%的ISC被完全抑制,100μmol/Lglyb时则有96.2%的ISC完全消失.相对于CSD发生前,软脑膜动脉血管大幅舒张(largedilation,LD)的峰值也分别显著增强了(53.8±19.3)%和(59.8±19.6)%.结果表明,可能是神经元上的KATP在CSD过程中被glyb阻断从而抑制了软脑膜动脉血管的收缩.

移位修正JPSTH算法的归一化修正

针对移位修正联合刺激后时间直方图的处理结果依赖于具体实验数据的不足,本文提出了一种改进算法,对移位修正联合刺激后时间直方图进行归一化处理。将该方法应用于多电极阵列细胞外记录的海马神经元网络电刺激后的响应信号的分析,结果表明,该方法在神经元网络连接状态不变而具体实验数据不同的情况下,能准确体现神经元网络的连接状态。

双CCD拼接CT成像的断裂伪迹消除方法

为了解决双CCD拼接的探测器CT在成像时的几何失真问题,以双CCD探测器数字X射线机FAXITRONMX-20为实验对象,利用矩形钢板的二维投影图像计算出两块CCD之间的横向和纵向位移偏差,并以此为依据对所拍摄的图像做相应的平移和插值处理。利用金属球模型的二维投影图像分别计算出射线源垂直投影时位于两块CCD平面上的坐标,并以此为依据调整CT投影图拍摄的旋转中心。结果表明:利用矩形钢板的二维投影图像计算出的两块CCD之间的横向位移达到3个像素;利用金属球模型的二维投影图像分别计算出的射线源的垂直投影位于左、右两块CCD的平面坐标上。根据这些测量数据调整了拍摄方法,修改了重建软件,并以模型实验显示了校正前后的结果。该方法考虑了双CCD探测板之间的缝隙和空间不共面的情况,减轻了三维重建在拼接处的"断裂"现象,使得纵向误差由88μm减小到了44μm。