生物医学工程专业开设“信号与系统”课程的实践与思考

本文对生物医学工程专业本科生开设"信号与系统"课程的必要性进行了论证,表明对于面向医学信息技术和医疗仪器行业的生物医学工程专业,开设"信号与系统"专业基础课是非常必要的。本文还研究思考了"信号与系统"教学内容的筛选优化问题、教学方法的改进问题和在教学中如何突出生物医学工程的专业特点问题,对于本课程的教学和学习具有一定的借鉴意义。

“头脑风暴”在《生物医学仪器实验》课程中的应用与探索

"头脑风暴"是一种使每个人都能提出新观念、新想法,能创造性解决问题的集体训练法。"头脑风暴"是基于学生为《生物医学仪器实验》的主要设计者和完成者而设置的。学生主动参与设计实验,并且要不断地进行"头脑风暴"式的小组讨论完成实验并口头汇报实验结果。"头脑风暴"调动了学生对实验的掌控能力,使学生对实验的操作更为主动,并且促进了学生创新思维能力的发展和推动了表达交流能力的提高。

《生物医学测量与仪器》教学内容优化改革的探索

根据《生物医学测量与仪器》课程自身的特点及最新的培养计划修订情况,进行课程内容优化及教学改革的研究。重点阐述了本课程优化目标及具体措施。通过课程优化改革及教学改革的探索,取得了一定的经验,对于推动专业及课程的发展具有一定的意义。

融合多尺度特征和注意力机制的超声甲状腺结节分割

针对目前超声影像下甲状腺结节分割不够精准的问题,提出一种融合多尺度特征和注意力机制的超声甲状腺结节分割方法。该模型编码设计了多感受野通道选择模块,通过核心选择注意力对多个不同感受野的特征进行自适应加权组合,使包含目标的感受野通道占据主导。同时,设计自适应全局上下文模块自适应地提取瓶颈层多个尺度的全局上下文特征,以实现对瓶颈层高级语义的有效编码。此外,设计双注意力引导模块增强编解码器对等层之间的特征融合,以减少上采样过程中的信息损失。在公开的超声甲状腺结节数据集上进行实验,结果表明,文中所提方法优于其他对比网络,能更加精准地分割出甲状腺结节,有效提升了甲状腺结节的分割性能。

基于人肾类器官构建顺铂诱导急性肾损伤模型

目的基于人肾类器官建立顺铂诱导急性肾损伤(AKI)模型。方法①基于人多能干细胞(hiPSC)诱导技术设计并构建含有多种细胞类型的肾类器官,利用HE染色法和免疫荧光技术鉴定组织结构和细胞类型。②基于构建的人肾类器官模型,将顺铂20,50和75μmol·L^(-1)分别作用于人肾类器官模型48 h,观察肾类器官形态变化,Live/Dead染色法检测细胞存活率,实时荧光定量PCR(RT-qPCR)法检测肾损伤因子1(Kim-1)和炎症细胞因子白细胞介素8(IL-8)mRNA表达水平。结果①组织学和免疫荧光实验结果表明,hiPSC诱导分化后可产生成熟的人肾类器官,该类器官具有原始肾小管样结构,并包含近端肾小管、远端肾小管、足细胞、肾间质内皮细胞和肾小管上皮细胞在内的多种细胞类型。②单次给顺铂20,50和75μmol·L^(-1)均造成细胞形态结构的破坏,管状结构大量消失;Live/Dead染色结果表明,顺铂可引起肾类器官细胞凋亡,20μmol·L^(-1)组细胞存活率<50%,75μmol·L^(-1)组存活率接近0。与正常对照组比较,Kim-1和IL-8 mRNA水平在不同浓度顺铂致AKI模型中均显著升高(P<0.01)。结论成功构建人肾类器官模型,验证了使用人肾类器官体外模拟化疗药物致AKI的可行性,Kim-1联合IL-8有望为临床预测药物引发AKI的可能性和不良反应的应对措施提供科学依据和判断标准。

流动微胶囊交互作用和无预期损伤机理

目的微胶囊是由一层极薄的超弹性材料包裹微液滴形成的柔性颗粒。实际应用中,微胶囊通常以悬浮液的形式出现。传统上,人们认为悬浮液的流动强度是导致微胶囊损伤的关键因素之一,但低强度流动中“无预期”的微胶囊损伤现象仍然十分常见,相关机理亟待解释。方法针对半稀悬浮液中微胶囊的双体流动现象,利用边界积分和有限元相结合的三维流固耦合数值模型展开数值研究,考察初始距离、颗粒大小、薄膜特性等因素对流动模式和颗粒交互作用的影响。结果微胶囊双体流动受初始距离、流动强度、薄膜特性等多因素交叉影响,能够出现蛙跳、小步舞等多种流动模式;在不同流动模式形成过程中,微胶囊之间润滑层压力的动态变化过程具有重要作用。进而,本文结合薄膜损伤力学模型,量化分析了微胶囊交互作用导致的薄膜损伤过程,解释了低强度流动下的“无预期损伤”问题并提出了预防机制。结论上述研究成果解释了低浓度悬浮液中细胞的“无预期损伤”现象,揭示了颗粒交互作用的影响规律,有利于人们对微胶囊悬浮液流动现象形成机理性认识。

N1,N12-二乙酰精胺在肠癌中的含量水平及其临床早期诊断意义

目的 分析N1,N12-二乙酰精胺(N1,N12-diacetylspermine, DiAcSpm)在肠癌组织中的含量水平以及临床早期诊断意义.方法 通过免疫组织化学方法检测60例肠癌组织以及22例癌旁健康组织中DiAcSpm的含量水平.采用卡方检验方法分析DiAcSpm的含量水平与各临床病理因素之间的关系.结果 肠癌组织中DiAcSpm的阳性染色比率为75.0%,明显高于癌旁健康组织的22.7%.DiAcSpm的较高含量水平与患者的细胞核增殖指数(Ki-67)显著相关,而与患者的年龄、性别、肿瘤的分化程度以及肿瘤的国际临床病期分类(TNM)无显著相关性.结论 DiAcSpm含量水平升高与肠癌的持续快速增殖有关,可以作为早期诊断肠癌的一种重要分子标记物.

常运动对大学生Wingate无氧运动能力的影响

目的为研究有规律的运动对大学生无氧运动能力的影响,采用Wingate功率自行车测试比较常运动和久坐大学生的无氧做功能力,并用表面肌电信号分析下肢主要肌群无氧疲劳特征。方法募集38名男大学生,分为常运动和久坐大学生两组,每组各19名。常运动组的质控标准是每周每次运动超过30min、每周运动次数≥4次;0~3次则为久坐组。采用日本COMBI公司PowerMax Ⅶ功率自行车进行Wingate无氧功率测试,比较两组学生最大功率输出(peak power output,PP)、平均功率(mean power output,MP)和无氧疲劳指数(anaerobic fatigue index,AFI)的差异。同时采集了Wingate运动过程中下肢股直肌、股外侧肌、股内侧肌和股二头肌的表面肌电信号,利用自主构建的非线性小波对表面肌电信号的强度和平均功率频率(mean power frequency,MPF)进行分析,检测肌肉纤维的募集与肌肉无氧疲劳状况。结果常运动大学生功率自行车PP和MP显著高于久坐大学生(P<0.05),AFI明显小于久坐大学生。肌电信号MPF随着疲劳的产生而持续下降,常运动组的下降趋势比久坐组显著。肌电信号的强度两组也呈现不同的趋势。结论常运动组大学生的无氧运动能力显著高于久坐组。无氧运动能力与快肌纤维密切相关,结合功率输出和肌电信号分析,大学生进行有规律的运动对于增加快肌纤维的比例和面积,并进一步增加肌肉的爆发力和速度有积极的影响。

结合图像局部信息和Hausdorff距离的活动轮廓模型医学图像分割算法

本文提出了一种新的基于距离局部信息的活动轮廓摸型。该模型的能量函数将区域可扩展能量项(region scalable fitting,RSF)和Hausdorff距离项结合,其中RSF项在目标边缘附近起主导作用,用来吸引水平集函数曲线到达目标边界;而Hausdorff距离由于包含了局部区域的相似信息,可以提高分割方法的稳定性。在保证分割精度的情况下,相对于区域可伸缩拟合及局部巴氏距离的活动轮廓模型RSFB,本文模型具有更快的收敛速度和更好的参数选择鲁棒性,对于解决图像分割中的边界模糊和噪声问题效果显著。实验结果显示本文提出的模型在超声图像和不均匀图像的分割中都有非常好的效果,且计算量较小。

《医学图像处理》课程实践性教学研究与探索

随着计算机技术和医学成像技术的发展,医学影像分析与处理已经进入了数字化、信息化时代。为了适应专业技术的发展趋势,为社会培养出符合时代需求的生物医学工程人才,大连理工大学生物医学工程系在《医学图像处理》课程的实践教学方面开展了积极的尝试,突出实践教学的比重,加强了实验环节与临床应用和科研前沿的联系,激发学生的学习兴趣,并有效利用了网络慕课教学与学生建立起了教学反馈机制,收到了良好的教学效果。

基于深度卷积神经网络的齿轮箱健康状态识别

齿轮箱为许多机械设备的重要传动部件,其健康运行状态识别对于设备稳定运行、安全运转等具有非常重要的意义。为准确地评价齿轮箱的健康状态,提出一种基于深度卷积神经网络的齿轮箱健康状态识别方法。本文首先采用变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)与小波阈值(Wavelet Threshold,WT)结合的方式对采集的齿轮箱振动信号进行降噪。其次,对降噪后的信号进行线性及非线性特征提取。最后,采用深度卷积神经网络(Deep Convolutional Neural Network,DCNN)建立齿轮箱的健康状态识别模型。实验结果表明,所提方法对齿轮箱健康状态的正确识别率达到97.5%以上。

基于可见光波段的L3光子晶体谐振腔集成微流槽折射率生物传感器

L3二维光子晶体谐振腔集成微流槽折射率生物传感器在氮化镓(GaN)衬底材料上制备而成,其表面集成微流槽用于盛装生物样本。谐振腔的共振峰的中心频率对微流槽内生物样本折射率的变化十分敏感。该文分别对微流槽内生物样本折射率是1.33,1.48,1.518的情况进行了理论仿真。结果表明,GaN衬底的L3二维光子晶体谐振腔共振峰的中心频率可以设计在650 nm附近,共振峰的半高宽度为9.8 nm,共振峰中心频率随折射率变化产生的频移(即灵敏度)是35 nm/RIU(Refractive Index Unit)。测量共振峰的频移可实现对生物样本折射率变化的检测。

骨髓间充质干细胞旁分泌对成骨细胞生物学活性的影响

目的探讨在骨修复中骨髓间充质干细胞(bone mesenchymal stem cells,BMSCs)旁分泌对成骨细胞生物活性的作用与影响。方法研究通过transwell对BMSCs与类成骨细胞MG63行非接触性共培养方法,排除BMSCs成骨分化的影响,单纯观察BMSCs旁分泌对MG63细胞生物学特性的改变。应用迁移实验和划痕实验检测成骨细胞迁移运动能力,流式细胞仪检测细胞周期,茜素红染色和碱性磷酸酶染色分别检测成骨细胞的钙化结节和碱性磷酸酶水平,实时荧光定量聚合酶链式反应(real time quantitative polymerase chain reaction,RT-qPCR)检测成骨与迁移相关基因基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)-2、MMP-9、骨钙素(osteocalcin,OCN)、骨桥素(osteopontin,OPN)、Osterix、Runt相关转录因子2(Runt related transcription factor 2,RUNX2)的转录水平。结果在共培养环境下,共培养组成骨细胞迁移、运动能力较对照组显著增高(P<0.05)。共培养组成骨细胞增殖加快并且S期与G2/M期细胞比例较对照组明显增高(P<0.05)。共培养组成骨细胞的钙化结节和碱性磷酸酶水平较对照组显著上升(P<0.05)。共培养组成骨细胞MMP-2、MMP-9、OPN、Osterix、RUNX2基因转录水平显著增高(P<0.05)。结论在非接触共培养条件下,BMSCs旁分泌促进了成骨细胞的运动迁移、增殖分裂、钙化、碱性磷酸酶活性、多种成骨基因表达。这些证据表明BMSCs除具有成骨分化能力外,还具有增强周围成骨细胞骨修复活性的旁分泌功能,这些证据为BMSCs移植在骨缺损及骨坏死中应用提供新的思路和依据。

生物功能化聚乙二醇基复合水凝胶的制备、性能研究及在感染创口修复中的初步应用

目的针对感染创口复杂的病理性愈合环境,对前期“缠结效应”构建的聚乙二醇(PEG)基双网络水凝胶(DN)生物功能化改性,加入甲基丙烯酸酐化明胶(GelMA)形成复合水凝胶(DN-G),优化其作为成纤维细胞生长微环境的特性并对其在感染创口的应用进行了初步评价。方法在DN水凝胶中加入不同浓度的GelMA形成DN-G水凝胶。通过扫描电镜(SEM)观察该水凝胶微观结构;采用压缩测试检测其机械性能,CCK-8及Live/Dead细胞染色评价二维培养的小鼠成纤维细胞L929细胞行为;加载庆大霉素(GS)评估载药水凝胶(GS/DN-G)的药物释放行为及早期抗菌性能;将GS/DN-G水凝胶用于治疗SD大鼠感染伤口,评价水凝胶敷料的抗菌性及促愈合能力。结果GelMA的加入可维持DN双网络水凝胶的微观结构且机械性能与胞外基质硬度类似;同时,体外细胞培养显示,14 d后DN-G水凝胶上二维培养的细胞存活且增殖良好,部分铺展呈梭型;体外药物释放及抗菌实验表明,DN-G水凝胶的药物释放相对平稳,72 h的药物释放量为63%,且此时水凝胶仍具有良好的抑菌效能;动物实验结果表明,感染伤口在使用GS/DN-G水凝胶治疗后伤口愈合加快,相较于对照组7 d后伤口面积明显减小(P<0.05),21 d后伤口基本愈合。HE染色可见GS/DN-G组伤口中炎性细胞浸润聚集相对于其他组明显减轻,上皮长入。结论DN-G水凝胶经过GelMA生物功能化后可为细胞提供粘附位点,有效促进成纤维细胞的增殖及铺展;同时,DN-G水凝胶显示出良好的载药性能,可作为新型的水凝胶敷料用于感染创面的保护及治疗。

基于α-MoO3的可调谐法布里-珀罗谐振腔比色生物传感器

生物传感器是近年来的热点研究方向,其中基于折射率变化的光学传感器在灵敏度方面具有很大优势.本文基于α-MoO3设计了一种集成微流腔的法布里-珀罗谐振腔比色生物传感器.理论分析了BK7/Ag/SiO2作为谐振腔反射面的可行性,并进一步用传输矩阵法分析了所设计的比色生物传感器的透射光谱.当微流腔通过不同浓度的NaCl溶液时,比色生物传感器显示出明显的颜色变化.该比色生物传感器灵敏度最高可达600 nm/RIU,可分辨NaCl溶液9‰的浓度变化.由于α-MoO3具有独特的各向异性的光学性质,该比色传感器可以通过简单的旋转设备实现工作波长的调节以更好地适应人眼的光敏感区.另一方面,调节微流腔的厚度也改变该比色生物传感器的工作波长.该比色生物传感器具有结构简单、易于集成、操作成本低、实时检测等优点,为以后设计可调谐比色传感器提供了一种新的选择.

踝足矫形器人机耦合仿真刚度对步态生物力学影响的评价方法

目的为更好评价踝足矫形器(ankle⁃foot orthosis,AFO)的人机工效,提出一种AFO人机耦合仿真刚度对步态生物力学影响的评价方法。方法首先,评测两种AFO的力学特性并量化其刚度;其次,采集30名受试者在正常与穿戴两种不同刚度AFO行走条件下的运动学及动力学数据;最后,通过仿真计算,定量对比分析AFO刚度对行走中下肢关节角度、关节力矩与肌肉力的影响。结果在穿戴两种刚度AFO情况下,支撑相踝关节背屈峰值角度、膝关节屈曲峰值角度和髋关节伸展峰值角度均显著增加(P<0.05),比目鱼肌与腓肠肌峰值肌肉力呈现增加趋势。踝关节跖屈峰值角度、髋关节屈曲峰值角度与髋关节屈曲峰值力矩均显著降低(P<0.05)。结论本文所提出的AFO人机耦合仿真方法可以有效实现不同刚度对步态生物力学影响的定量评估,该方法同样也适用于评估和优化其他辅助器具的人机工效,可以为AFO的选配、适配、优化设计提供方法指导。

基于柔性超材料的太赫兹超高灵敏度生物传感器设计

太赫兹超材料具有非电离辐射特性,且对弱共振敏感,在生物传感应用中具有优异的性能。针对目前太赫兹波段生物传感器灵敏度仍需提高的需求,提出了一种在柔性聚酰亚胺电介质上制备的平面阵列法诺不对称开口环谐振器。该传感器对附着其表面的待测生物样本高度敏感。仿真结果表明,该柔性超材料生物传感器的灵敏度可达1018 GHz/RIU,质量因子可达21,品质因数可达2.21,表现出了较高质量因子与超高灵敏度的特性,在太赫兹超灵敏生物医学传感器的设计中具有重要的应用价值。该传感器基于可多次折叠的柔性电介质,可集成于可穿戴式电子设备。

基于布鲁斯特模式的可调谐双曲超材料生物传感器

设计了一种可从自由空间激发布鲁斯特模式的可调谐双曲超材料生物传感器,采用相变材料二氧化钒(VO_(2))作为电介质,并使用传输矩阵方法仿真计算了其布鲁斯特角下的GH shift。在可见光波段低浓度溶液检测计算结果中得到了最高为6.75×10^(6)nm RIU;的灵敏度,并且通过改变VO_(2)的相态可以让传感器在两种不同灵敏度的工作模式中切换。这个设计思路为可见光高灵敏度可调谐生物传感器的发展应用提供了新的方向。

融合多重自注意力和可变形卷积的多模态脑胶质瘤分割

脑胶质瘤的磁共振图像分割对于脑肿瘤的诊断、手术规划以及放疗等治疗方案的确定具有非常重要的意义.针对现有脑肿瘤分割算法分割精度不高边缘分割不精确,易出现假阳性的问题,本文提出一种基于多重自注意力和可变形卷积的Unet改进模型.模型将原始Unet框架的标准卷积替换为残差模块,以防止模型训练过程中出现梯度消失;通过在瓶颈层加入基于Transformer的多重自注意力模块来提取局部特征和全局上下文信息,以更好地挖掘像素间的相关性;在跨层连接处采用可变形卷积来增强模型对形状感知的敏感性,以提升肿瘤边缘特征的提取能力.实验结果表明,所提算法的分割结果评价指标高于使用同样数据集的其他对比模型,而且对肿瘤边缘的分割更加精确.这表明本文算法是一种有效的脑胶质瘤自动分割算法.

基于壳聚糖/黄原胶互穿网络的导电水凝胶支架制备及性能研究

导电支架应用于神经组织工程,有利于细胞增殖生长,但支架内部的导电聚合物通常会带来细胞毒性以及疏水基团引起的细胞粘附问题。本研究通过黄原胶(XG)与壳聚糖(CS)相结合,引入透明质酸掺杂的聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT-HA)导电纳米颗粒,成功制备了一种生物相容性良好的新型PEDOT-HA/CS/XG互穿网络导电水凝胶支架。实验采用葡萄糖酸内酯(GDL)溶解CS,实现CS与XG的结合,通过优化GDL含量缩短成胶时间。引入PEDOT-HA导电纳米颗粒赋予支架材料导电性,测定PEDOT-HA含量对支架材料孔隙率、电导率、吸水率的影响,考察支架的降解性、流变性、热稳定性与力学性能。结果显示,PEDOT-HA的引入提高了水凝胶的孔隙率、电导率、弹性和机械强度,PEDOT-HA/CS/XG导电水凝胶支架吸水率为2575%~3866%,同时具有适宜的降解性与热稳定性。细胞粘附率检测及扫描电镜(SEM)观察结果表明,PEDOT-HA的引入有利于PC12细胞的粘附生长,并形成交错网状结构。细胞活力检测与荧光染色结果显示,PC12细胞在导电水凝胶支架上保持了良好的增殖活性,培养5 d后,10%PEDOT-HA/CS/XG支架上的细胞活力最高可达到对照组的120.42%,证明PEDOT-HA/CS/XG导电水凝胶支架具有良好的生物相容性,展现出应用于神经组织工程的潜力。