基于人工智能技术的生命科学类虚拟仿真实验课程学习评价研究

2020年春季,受新冠病毒疫情影响,学生的实践学习无法正常进行,一些高校依托虚拟仿真实验课程开展线上教学。在疫情及特殊情况下,如何有效评价虚拟仿真学习成效,助力学生实践能力提升是线上教学质量管理亟须解决的问题。本文针对生命科学类专业学生的微生物学在线虚拟仿真实验课程的学习评价问题,融合学习过程中的动态学习行为大数据以及静态学习能力数据,利用最大信息系数及深度学习等方法,建立学习行为-学习能力"双模态"在线虚拟仿真学习评价模型,最终依托移动端交互平台实现虚拟仿真实验课程在线学习过程的动态精准化评价,为个性化教学方案的制定提供依据,显著提升了生命科学类专业学生虚拟仿真实验教学课程的效果,促进学习评价方法的发展。

一种模拟低/微重力新型啮齿类动物悬吊自动控制装置

针对模拟低重力环境啮齿类动物部分承重模型的建立过程,因人为因素的干扰易导致测量结果精度不足的问题,设计了一种模拟低/微重力环境的啮齿类动物悬吊自动控制装置。首先,采用SBT440压力传感器模块实现啮齿类动物重力值的自动测量;然后,采用基于STM32单片机控制步进装置实现啮齿类动物悬吊高度的自动调节;最后,使用JAVA语言编写STM32单片机软件控制程序,通过软硬件综合调试以实现模拟低/微重力环境,以此达到啮齿类动物部分承重模型的建立。实验结果表明:啮齿类动物1/6 G平均测量误差为0.8%,初步验证了悬吊装置的可行性。

影像组学技术研究进展及其在结直肠癌中的临床应用

医学影像包含着大量人眼无法识别的信息,不仅可以全面表达肿瘤的异质性,还可能反映患者预后等重要信息。近年来,随着图像处理与人工智能技术的发展,应用基于医学影像大数据的分析方法来辅助医生决策或者解决临床实践中的棘手问题成为研究热点,这个新兴的领域被称为"影像组学"。另外,结直肠癌是中国主要发病及致死癌种之一,发病人数和致死人数均逐年上升,在其术前、术中和术后3个不同阶段均有许多热点研究问题。从影像组学的基本原理与技术入手,结合其在结直肠癌临床诊疗中的应用研究,针对术前新辅助放化疗的疗效评估、术中手术方案的决策和术后生存分析这3个不同阶段的不同问题,分别介绍影像学组如何发挥其价值。

拉曼光谱技术在医学检验领域中的研究进展(特邀)

拉曼光谱技术以光子的非弹性散射为基础,具有实时、非侵入、快速等优点,作为一种分析工具被广泛应用于各个研究领域。在医学检验领域中,拉曼光谱不仅可以提供细胞和组织的化学成分信息,还能检测发生病变的细胞和组织在生化信息的组成和结构上的差异,在医学检验领域极具应用前景。概述了目前可能应用于医学检验的几种拉曼技术;阐述了拉曼光谱技术应用于生物液体样本和其他样本的一些关键问题。针对生物液体样本,重点评估了血液、尿液和脑脊液等流体样本的适用情况;总结了用于拉曼检测的医学样本的收集和保存方法。同时,介绍了拉曼光谱数据的处理与分析方法,通过光谱的预处理,结合统计学方法、机器学习方法进行特征提取与分类识别,实现拉曼光谱和生化信息的映射。对拉曼光谱应用于医学检验的关键问题进行讨论,探讨了临床转化需要克服的问题及发展前景。

贝塞尔光束在生物医学显微成像技术中的应用(特邀)

作为一种典型的无衍射光束,贝塞尔光束具有无衍射和自重构特性,能够提供更长的聚焦长度和一定程度的抗散射能力,在生物医学光学显微成像技术领域获得了越来越多的应用。本文重点关注了贝塞尔光束在生物医学光学显微成像技术中的应用,包括利用其扩展景深能力实现体积样本快速三维成像、利用其抗散射粒子干扰能力实现散射样本的大深度成像以及利用更细聚焦光束能力实现更高分辨率的光学显微成像。首先,概述了贝塞尔光束及其实验室常用的产生方法;然后,总结了近些年贝塞尔光束在生物医学光学显微成像技术中的应用,包括但不限于多光子荧光显微成像、光片荧光显微成像、拉曼显微成像等,既总结了贝塞尔光束在其中发挥的优势,也分析了贝塞尔光束旁瓣带来的干扰问题的消除方案。最后分析和探讨了贝塞尔光束在生物医学光学显微成像技术应用中遇到的问题以及发展前景。

基于时域光声信号的谱分析技术及其在生物医学领域的应用

基于时域光声信号的谱分析技术是一种能够提供生物组织结构和功能信息的非侵入式检测技术,其结合了光学模态的高对比度和超声模态在深层组织中的高分辨率两重特性,可对不同波长光激发下的目标生物组织的光声信号数据集进行处理分析。相较于传统光谱检测,该技术不易受被测对象形状、形态的限制和光散射的影响,使其对较深层组织的检测仍具有较高灵敏度。相较于光声成像,该技术无需引入图像重建算法且专注于实现定量分析。综述时域光声信号的谱分析技术在生物组织、生物体液、生物呼出气体检测中的应用,介绍相关研究所采用的改进实验系统或不同信号处理方法,阐述该技术的研究进展与发展方向。

新工科视域下微生物与免疫学课程育人体系建设及实践

基于近年来工科院校生物类课程育人体系建设问题,结合微生物与免疫学课程内容,构建了基于“行业特色+思政体系+数据驱动”的“三点一面”育人体系并开展实践探索。在课程内容上体现行业及人才培养特色;在课程育人层面建立学生的爱国情怀、求真态度、科研素养;在“三全育人”层面依托智能评价模型全过程精准评价每一位学生学习情况。初步建立了适用于生物类课程群的课程育人范式化体系,具有一定的理论价值与实践意义。

三维拉曼显微成像技术研究进展(特邀)

拉曼显微成像技术无需样本制备,具有无损、无创、对水溶液不敏感的优点,可在微米或纳米尺度下表征样本的生化组分及分布,成为生命科学领域重要的研究工具。随着对复杂生物样本研究的不断深入,拉曼显微成像也被期待能够实现对生物样本中的分子组成与分布的动态立体观测。首先,系统性地梳理近年来三维拉曼显微成像技术的研究进展,包括基于自发拉曼散射、相干拉曼散射、表面增强拉曼散射以及拉曼标签的不同三维成像方法的技术手段、改进策略与实验结果。然后,总结了不同成像技术在细胞生物学、发育生物学等方面的应用进展。最后展望了不同三维拉曼显微成像技术在生物医学光学显微成像技术应用中所面临的挑战和发展前景。

新的基于身份的多接收者匿名签密方案

针对现有基于身份的多接收者签密方案存在的接收者身份泄露和解签密不公平等问题,文中提出一种具有公平性的基于身份的多接收者匿名签密方案.该方案运用拉格朗日插值多项式实现匿名性,不仅能解决现有方案不能保护接收者隐私的问题,而且具有解签密公平性,可防止发送者的欺骗行为.最后,对方案的正确性以及安全性进行了证明,并与其它方案进行了性能比较.分析发现,该方案是一个安全有效的多接收者签密方案,可以用于不安全和开放网络环境中的敏感消息广播.

一个单方加密-多方解密的公钥加密方案

以Shamir的门限秘密共享方案和对称密码算法为基础,基于椭圆曲线上的双线性变换提出了一个具有多个解密者的单方加密-多方解密公钥加密方案.在该方案中,消息发送者具有一个唯一的加密密钥,而每个消息接收者都具有不同的解密密钥.使用加密密钥所加密的密文可以被任意解密密钥所解密,得到同样的明文信息.分析发现,该加密方案不仅安全有效,同时,它还具备前向保密性,即使加密者的主密钥泄露,也不会影响之前加密信息的安全性.文中方案具有非常重要的应用价值,尤其可以用来实现安全广播/组播和会议密钥的安全分发.

心电信号去噪的数学形态学滤波器

为探索验证一种基于数学形态滤波器的去除心电基线漂移和工频干扰的高性能滤波器设计方法,借鉴数学形态学一维信号滤波原理,提出自适应阈值ECG去噪算法的思路,讨论了3σ统计准则在ECG自适应阈值滤波中的作用,利用改进的算法对心电图中常见的工频干扰和基线漂移进行校正。通过对MIT-BIH心率变异数据库中多组数据的仿真验证研究,验证了该算法能有效实现心电信号的噪声预处理;数学形态学理论在心电信号处理中具有良好性能,是实时处理一维生物医学信号有潜力的工具。

突出工科院校学科交叉微生物学实践教学改革研究

近年来由于微生物学的重要性日益凸显,传统的微生物学实验教学方法和内容存在着许多不足,尤其是针对应用为主的工科院校生物类专业学生。因此,以现有微生物学实验课程中综合实验为基础,全面改革了土壤微生物系统进化综合大实验,从实验教学内容(微生物学、分子生物学、生物信息学、计算机程序设计、大数据库使用等多学科交叉)、实验教学理念(教师指导下,科研级别要求的自主实验方案设计),实验教学考核机制(实验操作、实验结果、开题报告、结题答辩、研究报告、实验报告考核多维度考核机制)等方面进行了改革和探索。改革结果显示新的实验教学模式更有利于培养学生的动手能力、工程思维能力、创新能力以及综合能力,其教学效果显著提高。

结合形态学的Hough变换虹膜定位改进算法

虹膜定位是在虹膜图像中确定虹膜的内外边界,是虹膜识别过程的首要环节。Hough变换是虹膜定位的经典算法,但对原始图像质量要求高,算法运算时间长。依据人眼图像的灰度特性,结合形态学处理提出一种改进的Hough变换定位新算法。对图像进行灰度二值化运算后进行形态学处理分离出瞳孔,结合Sobel算子边缘检测出瞳孔边界点,通过最小二乘法拟合定位出虹膜内边界;在先验知识和形态学处理的基础上对图像进行Hough变换,定位出虹膜的外边界。实验表明所提出的算法性能比传统Hough变换有较大提高,可用于实际虹膜识别的预处理过程中。

质量管理在师资管理中的适用性及积极影响

高质量的教师队伍是高校发展的重要保证,如何建设高质量的教师队伍是高校师资管理工作的核心所在,本文从质量管理的特点入手,分析质量管理在高校师资管理中的适用性和意义,尝试在高校师资管理中引入质量管理,以期对提高教师队伍质量有所裨益。

小波包分解脑电复杂性特征提取的注意状态实时识别

目的:神经反馈法矫治注意缺陷障碍症近来引起较多关注,而注意状态的实时识别是神经反馈治疗法的关键。该研究旨在提出一种注意状态实时识别新方法。方法:将单通道脑电进行小波包分解,得到不同频率分量的脑电节律波,计算这些节律的近似熵并作为支持向量机输入特征向量,向量机的输出可以较为准确地给出受试者实时的注意状态;基于该项技术设计一种注意缺陷障碍症神经反馈治疗装置。结果:该方法对注意任务相关脑电信号分类的正确率可达72.5%,特异性为71.4%,敏感性为73.7%;据此完成的反馈治疗装置的有效性也在初步临床验证中得到证实。结论:将小波包分解、脑电复杂性分析与神经网络相结合的技术是一种有效的注意状态实时识别新方法。

基于多角度光学投影表面重建的三维自发荧光光源定位算法

在自发荧光断层成像(Bioluminescent tomography imaging,BLT)中,双模态融合(光学模态与结构模态)可充分利用结构模态提供的高精度3D几何结构,重建三维表面荧光光通量分布,进而实现小动物内部荧光光源定位.然而,与纯光学模态相比,双模态融合存在采集系统复杂、成本高、数据处理繁琐及存在电离辐射(如CT)等问题.因此,研究基于纯光学3D几何结构的自发荧光光源定位方法对BLT具有重要意义.本文在搭建纯光学自发荧光断层系统(All-optical bioluminescence tomography system,AOBTS)的基础上,提出一种基于多角度光学投影表面重建的三维自发荧光光源定位方法.本方法由基于多角度光学投影的3D表面重建、多角度荧光无缝融合、荧光光通量的量化校正以及自发荧光内部光源重建4部分组成.通过真实小鼠内部植入荧光光源实验表明,与传统纯光学方法相比,本文提出方法不仅改进了3D表面重建方法,而且增加了多角度荧光无缝融合,可实现真实小鼠的三维自发荧光光源定位,初步实验证明具有小动物预临床实验潜力.

前庭性偏头痛患者基于体素的脑灰质体积研究

目的采用基于体素的形态分析法(voxel-based morphological analysis,VBM)分析前庭性偏头痛(vestibular migraine,VM)患者大脑灰质体积改变区域,以期提供临床病理生理方面的新思路。材料与方法严格按照纳入标准及排除标准,招募了17例VM患者及20例健康对照组。所有受试者均接受头部三维T1加权像磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)扫描,采用VBM技术对两组大脑灰质体积进行比较,探索与该疾病病理生理相关的局部灰质变化。结果与健康对照组相比,VM患者小脑、小脑蚓部、前扣带回、眶部额中回、右颞横回,枕颞内侧回、右侧角回体积减少(P<0.001,FEW校正)。结论VM患者存在多个疼痛伤害性和多感觉整合性脑区域的灰质体积异常,出现体积改变的中枢性脑区域可能参与了该疾病的病理生理机制。

精神分裂症电抽搐治疗的头颅MRI研究进展

电抽搐治疗(ECT)是精神分裂症(SZ)物理治疗的重要方法之一,尤其是ECT联合抗精神病药物对难治性SZ具有良好的治疗效果。然而,由于ECT的作用机制暂未明确、受益人群尚不十分清楚,其在许多国家的临床实践中并未得到充分使用。因此,运用MRI等神经影像学方法,从脑结构、功能和代谢等角度探究ECT联合药物治疗对SZ的潜在作用机制及疗效预测,对于明确ECT的作用原理、确定受益人群有着重要作用。本文对接受ECT的SZ患者的头颅MRI研究进展进行综述,阐述了ECT可能的作用机制以及不同的疗效预测手段。总体而言,目前的研究结果主要提示边缘系统(海马、杏仁核等)、岛叶和丘脑的灰质体积及与其它脑区的功能连接改变与ECT的作用机制和疗效具有相关性。

ZigBee网络Cluster-Tree优化路由算法研究

通过分析ZigBee协议中Cluster-Tree和AODVjr算法的优缺点,提出一种基于Cluster-Tree+AODVjr的优化路由算法。该算法利用ZigBee协议中的邻居表,通过定义分区来确定目的节点的范围,从而控制广播RREQ分组的跳数,防止无效的RREQ泛洪。此优化算法能够有效地减小路由跳数,缩短传输时延,减少网络中死亡节点的数量,提高数据传送的成功率。

活体光学投影断层成像系统与应用

光学投影断层成像（Opticalprojectiontomography，OPT）技术可以对1—10mm尺度的低散射生物样本进行激发成像，具有微米级的空间分辨率、无辐射、成本低等特点，为小尺寸生物样本的高分辨率三维成像提供了一种新的手段．OPT最早通过对离体生物组织如小鼠胚胎、小鼠器官等成像，进行药物疗效评估、基因表达等研究，但是离体成像不能动态、完整地反映生物组织的变化，因此活体成像技术逐渐成为OPT领域的研究热点．本文详细介绍了我们自主研发的活体OPT系统，该成像系统以准直激光器为光源单元，高精密移动和旋转电控平台为样本定位单元，低温电子倍增fElectronmultiplying，EM）CCD探测器为采集单元，实现了针对果蝇蛹等小模式动物的活体三维成像．该系统的空间分辨率优于10肛m，成像视野1～10mm，扫描时间小于2min，重建时间小于5S．最后，本文通过果蝇蛹的三维活体成像实验展示该系统的操作流程、成像结果和初步的生物应用．