生物医学工程实践教学体系的建设

介绍西安交通大学生物医学工程人才培养实践教学体系的改革与实践,实践教学体系的整体构思与框架,实践教学体系的内容和实现手段,以及实践教学的环境建设、虚拟实验室建设、网络化管理环境建设、学生实践与创新能力的培养和生产实习、社会实践活动方面的改革和建设等。

生物热-力-电生理耦合学

由于温度、机械力、生化等多种影响因子对机体的生物学行为产生重要影响,生物体在多物理场下保持动态平衡是其正常活动的关键条件.研究生物热-力-电生理耦合行为,旨在交叉融合多个学科,建立生物传热学、生物力学、神经生理学等数理模型,系统开展跨尺度热-力-电生理耦合行为研究,并将成果应用于生物医学领域,对理解生物体的正常功能以及重大疾病的病理机制和有效诊治具有重要意义.其核心思想在于发现关键科学问题、识别交叉学科,并集成学科优势,推动理论创新和技术创新,为生命医学领域带来新突破.该文以剑桥大学和DNA双螺旋结构的发现为背景,以大脑、皮肤、牙齿等为例,介绍生物热-力-电生理耦合学这一新兴交叉学科的起源和内涵.

生物医学光学中NADH荧光检测技术的发展

NADH(还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)自1962年被发现至今已有五十多年了,在此期间,运用NADH及其相关技术进行医疗诊断与医学检测的方式不断发展,领域也不断扩大。从当前的研究成果来看,NADH因为其独有的性质在现代医学诊断与检测领域发挥了极大的作用,如实时、无损地监测脑部的活动;清晰、有效地识别不同种类的脑组织;抗细胞辐射损伤;抗辐射诱导的细胞凋亡;进行人体内的诸多平衡调节及人体生物钟调节等。本文将重点介绍在重要领域中的NADH研究和应用的突破。

山茱萸提取物对慢性肾炎小鼠的药理作用及蛋白质组学效应的实验研究

目的 实验观察山茱萸提取物 (FCE)对慢性肾炎小鼠的治疗作用。方法 用右旋糖酐 (Dextran)作为抗原 ,诱发小鼠IgA肾炎 ,再用FCE进行实验性治疗 ,观察IgA肾炎小鼠尿蛋白含量、血清尿素氮 (BUN)和肌酐 (SCr)的含量 ,肾脏做病理组织检查 ,并使用双向电泳 (2 DE)技术提取分离小鼠肾脏总蛋白 ,分析、比较双向电泳图谱 ,寻找正常组与模型组、治疗组小鼠肾脏蛋白质组学差异。结果 小鼠注射抗原后 ,出现蛋白尿 ,血清BUN、SCr出现异常升高 ,用FCE治疗 ,显著降低了尿蛋白含量 (P <0 0 1)。FCE给药按 10g·kg-1和 5g·kg-1剂量能明显降低IgA肾炎小鼠血液中BUN和SCr含量 (P <0 0 1) ,并有一定利尿作用。病理组织检查发现FCE对Dextran造成的肾小球病变有保护作用 ,免疫荧光显微镜下可以观察到在IgA肾炎小鼠肾脏系膜区有IgA沉积。 2 DE获得较好的小鼠肾脏双向电泳图谱 ,并观察到治疗组与对照组有差异蛋白 ,如蛋白点 2 10 5 (Mr=2 8 0 32 ,pI=5 710 1)、2 10 8(Mr=2 8 0 15 7,pI =5 7383)在正常组弱表达 ,而在模型组高表达 ,给予FCE治疗后 ,相对含量下调 ,趋于正常 ;蛋白质点32 19(Mr=2 3 2ku ,pI=6 2 ) ,32 1(Mr=2 5 3ku ,pI=6 1)仅出现于正常组而未在模型组出现。结论 FCE具有改善肾功能。

基于样本熵的注意力相关脑电特征信息提取与分类

提出一种用样本熵作为特征进行注意力相关脑电信号的分析与分类处理、并采用支持向量机（SVM）算法实现分类器的方法.7位年龄在20-30岁之间的男性受试者接受了执行3种不同注意任务状态下的测试．数据分析结果显示：样本熵分类法对注意任务相关脑电信号分类的正确率可达85．5％，优于传统频段能量法获得的分类精度（77．9％）．这个结果暗示了样本熵能有效地识别出自发脑电中注意力相关信息，因而它可在脑电生物信息反馈治疗系统设计中获得广泛的应用．

织构化表面改性及其在生物材料上的应用

表面织构化(Surface texturing)改性是指根据材料属性选择合适的加工手段,在相对运动的摩擦副表面引入具备特定形状、尺寸、分布和排列的微观结构阵列,从而实现摩擦副摩擦学性能的调控。随着生物材料的迅速发展,生物界面的摩擦学问题是制约其服役安全与寿命的关键因素。表面改性(如合理的表面织构化设计)因强大的润滑优化功能,由此受到科研工作者的广泛关注。在生物材料服役寿命需求日益增加的背景下,首先分析和总结了典型生物材料产品——人工关节在人体服役过程中的失效原因,并将其分为了摩擦学和生物学问题,由此提出了通过表面织构化技术改进人工关节材料的耐磨性和增强其生物相容性,最终达到实现长寿命人工关节服役的目的。详细地论述了近年来表面织构在生物材料上的研究进展,分析了表面织构化参数,如形状、尺寸及排布等对摩擦学性能的影响,考察了不同织构对摩擦副在不同运动工况下承载力及耐磨性的影响,阐述了表面织构的减摩耐磨机理。最后讨论了表面织构对细胞接触引导生长的调控,如对细胞的粘附状态、形态、增殖和分化能力的影响,尽管利于细胞生长的尺寸小于润滑优化的尺寸,但通过多层次或复合设计可望实现生物相容性与摩擦学性能改善相兼具的目标。最后在现有人工关节材料表面改性的研究基础上,对延长人工关节服役寿命的研究方向、发展趋势和应用领域进行了展望。

大脑皮层-肌肉交互作用与注意力关系的实验研究

为探索注意力因素对大脑皮层与肌肉交互作用的影响,5名健康受试者被要求完成两种任务。在任务1时,受试者通过右手食指、拇指对捏维持2N的恒定力;在任务2时,为了分散受试者右手运动控制的注意力,除需完成任务1中右手动作外,还要通过左手食指外展保持一个大小随机的恒定力。实验过程中同步采集受试者脑电和肌电信号,并将皮层-肌肉耦合,即将脑电与肌电信号的频域相干作为表征大脑皮层与肌肉交互作用强弱的指标。结果显示,任务2与任务1相比,所有受试者其右手肌电信号与左侧大脑脑电信号的皮层-肌肉耦合强度显著降低。此结果表明,注意力可影响大脑皮层与肌肉的交互作用,且注意力越集中,大脑皮层与肌肉交互作用越强。这一结论对于是否将注意力因素引入到神经损伤患者的运动功能康复中具有一定指导作用。

采用源空间套索分析和卷积神经网络方法的高频脑电动作模式识别方法

针对目前同侧手部运动意图识别率低的问题,提出了一种基于源空间套索分析和卷积神经网络(source-Lasso-CNN,SLC)的高频脑电动作模式识别方法。该方法运用空间源定位分析与握拳、展拳、二指对捏、三指对捏4种动作相关的脑电信号,使用组Lasso进行感兴趣区域(ROI)选择,再输入到卷积神经网络进行单手多类动作模式识别。采集13名被试者在4种手部动作模式下的脑电和肌电信号并进行预处理,采用基于核磁共振图像的边界元模型建立头模型、使用最小范数估计解决脑电源成像逆问题,将传感器空间的脑电信号映射至源空间。将源空间脑电序列按照布罗德曼分区进行划分,提取每个脑区的3个时域特征并基于特征采用组Lasso方法进行ROI选择,将挑选出的ROI及其对应源空间序列输入卷积神经网络中进行四分类。实验结果表明:采用source-Lasso-CNN的方法在高频(γ频带)脑电的识别准确率可达(82.23±12.71)%,优于在δ(1~3 Hz)、θ(4~7 Hz)、α(8~13 Hz)、β(14~30 Hz)以及全频带(1~100 Hz)上的结果。与其他先进方法相比,其准确率也有显著性的提升,显示了该方法在同侧手部运动意图识别中的有效性。

基于信息熵窗的小波低频子带弱目标图像的增强

采用信息熵窗小波低频子带分析的方法,目的是对缺乏足够能量的低照度和低对比度图像进行增强.选择适合的正交小波函数,可使图像的低频子带大幅度提升,对高频子带适度抑制,在信息熵窗系数的调配下实现了图像的增强处理.在小波重构后,获得了具有清晰边缘和良好对比度的图像.实验表明,采用信息熵窗的小波分析方法来增强弱目标图像能够产生良好的效果,对比度增强效率比传统增强方法提高80%以上.

量子点在生物学中的研究进展

量子点作为一种新型的荧光标记物近年来已在生物学中获得广泛应用。本文总结了量子点的主要光学特性,其中包括荧光激发和发射光谱特性、量子产额、光漂白特性和荧光寿命等。重点综述了量子点在细胞标记、活体和组织成像、组合标记和光动力学治疗等生物学中的应用及其最新研究进展。同时讨论了量子点在应用中可能存在的细胞毒性等主要问题,最后对量子点在生物学中的应用前景作了展望。

球模型生物细胞在光镊势阱中的动力学分析

用动力学方法求出了球模型生物细胞在光阱中的横向位移均方差与时间的关系.结果表明小球在光阱中服从Boltzman分布,两种方法可用于直接对细胞光阱力标定;细胞位移幅度典型值为纳米量级,定标系统的空间分辨率为纳米量级.结论和已有实验结果相符.

发射调频信号提高医学超声图像的信号噪声比

为了提高医学超声图像的信号噪声比，研究了调频超声发射的成像方法．该方法发射具有包络的线性调频超声，在不提高发射声压的情况下增加了发射能量，接收超声解调后形成图像信号．利用超声传感器的冲激响应模型和调频信号成像的调频解调原理，进行了超声成像的仿真研究．仿真结果表明：发射调频信号形成的图像与发射普通脉冲形成的图像相比，信噪比大致提高10dB．利用自行设计的调频信号发射超声成像实验系统，得到了仿体的B型超声图像．结果显示：该方法使图像信噪比提高大约5～8dB，随着成像深度增加，该方法的优势更加明显．

新型棉酚衍生物ApoG2对人前列腺癌PC-3移植瘤生长的抑制

目的:探讨棉酚衍生物ApoG2对前列腺癌的抑制作用,并了解其作用机理。方法:建立人前列腺癌细胞的裸鼠皮下移植瘤模型,在ApoG2作用下观察其对皮下移植瘤生长的抑制作用,通过免疫组化方法检测肿瘤组织中bcl-2、PCNA及caspase-3、-8的表达。结果:ApoG2可明显抑制前列腺癌皮下移植瘤生长速度,肿瘤体积明显减小,ApoG2能增加肿瘤组织中caspase-3、8的表达,减少PCNA表达。结论:ApoG2对人前列腺癌有显著的生长抑制作用。

神经元兴奋性群体峰电位信号的Renyi信息表达

应用时频分布级数分析方法,提取了单次诱发群体峰电位(PS)信号的Renyi信息,并用以表征神经元的兴奋性变化.采用液压打击大鼠脑损伤模型和细胞外记录技术,记录了离体海马脑片CA1区锥体神经元PS,发现损伤侧和非损伤侧PS的Renyi信息参数值差异显著,进而分析了神经元灌流大黄酸后损伤侧PS的Renyi信息参数值的变化,研究大黄酸对神经元的超兴奋性和突触传递的作用.研究结果表明,颅脑损伤可造成海马CA1区锥体神经元的迟发性过度兴奋,大黄酸对神经元的过度兴奋有抑制作用,Renyi信息可作为反映神经元兴奋性变化的一个特征参数.

ALA-PDT对多种白血病细胞破坏作用的实验研究

目的:本研究主要观察相同条件的5 氨基乙酰丙酸的光动力疗法(ALA PDT)对不同种类的白血病细胞株生存率的影响,以及细胞死亡类型的差异。方法:选择5种白血病细胞(K562、HL60、U937、MOLT 4和6T CEM)进行比较。用MTT法检测细胞的存活率,用AnnexinV FITC PI双染法检测细胞不同死亡类型的比例。结果:不同细胞对相同条件的ALA PDT的敏感程度不同,依次为U937<MOLT 4<6T CEM<K562<HL60,在ALA和光照共同作用下细胞的存活率明显低于单一因素作用引起的细胞存活率。不同细胞的死亡类型不同,其中MOLT 4和U937细胞以早期凋亡为主,K562和HL60细胞以晚期凋亡为主,而6T CEM细胞以坏死为主。结论:ALA PDT能够灭活白血病细胞,不同种类的细胞对其敏感度不同。

5-氨基酮戊酸光动力学疗法作用于白血病细胞的研究——细胞实验中PDT剂量计算的数学模型

目的 将 5 氨基酮戊酸 光动力学疗法 (ALA PDT)应用于血液肿瘤的研究开创了ALA PDT研究的一个新领域 ,本文对该领域的作用机理的数学模型及细胞实验进行了研究。方法 主要建立细胞实验中PDT剂量计算的数学模型。结果 数学模型中所推导的一些参数都是实验或临床中可观测和调制的量 ,其基本参量包括 :光功率密度E、ALA的细胞孵育量P和光照持续时间T等。结论 论文主要的试验数据获得包括 :PDT剂量 (ALA剂量及孵育时间 ,光波长及剂量范围 )的摸索 ;ALA PDT后血细胞活性的检测 ;影响ALA PDT疗效的因素等。论文对ALA PDT的剂量计算进行了建模分析 ,通过上述式子就可计算出PDT中涉及的很多参量。

医学可视化网格平台的设计与实现

提出利用网格技术,将现有普通计算机计算资源联合起来,共同完成复杂的三维可视化任务.参与可视化任务的每个任务节点都提供一个网格服务,用户可以在任意的一个节点上提交任务.可视化网格平台根据资源信息列表,从使用状态动态变化的计算机当中选择出合适的机器作为任务节点参与可视化工作.测试结果表明,提出的网格平台可用于开发基于网格的医学图像归档与传输系统,实现图像后处理.

基于信息积累技术的大脑运动意识任务分类

提出了将信息积累技术结合Fisher判别式分析的方法,实现大脑想象左右手运动意识任务的连续分类,获得了满意的结果.利用Morlet小波滤波方法提取优化的运动相关脑电特征,对两组实验数据4个受试者的运动相关脑电模式进行分类,平均最大分类正确率达到87.95%.通过最大分类正确率、最大互信息等评价指标的比较,验证了信息积累技术对改善大脑运动意识任务分类性能的有效性,从而为脑机接口系统应用中大脑运动意识任务分类提供了新的思路.