J Shanghai Jiaotong Univ Sci

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1. 用于膝关节辅助的集成式液压驱动可穿戴机器人

赵亚飞, 黄超逸, 邹玉莹, 邹可涵, 邹笑阳, 薛嘉琦, 李晓婷, KOH Keng Huat, 王小军, 赖伟超, 胡勇, 席宁, 王峥

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (3): 289-295. DOI: 10.1007/s12204-023-2602-2

摘要（333）

PDF（pc）（1156KB）（139）

与衰老过程有关的疾病可能导致膝关节功能失调，因此需要以可穿戴机器人护膝的形式提供膝关节援助。然而，现有的可穿戴机器人在协助老年人的日常活动中面临着力的有效传递和适应人体运动的困难。尽管软体驱动器已被广泛用于可穿戴机器人中，在便携的基础上实现快速响应和运动控制仍然是一个挑战。针对这些问题，我们提出了一个集成多传感器和直驱液压驱动系统的软体护膝机器人系统。我们在便携式液压系统中实现了可控和快速的力输出。多传感器的反馈使机器人系统能够通过人的生理信号和动作信息与人体进行协作。人类用户的测试结果验证了该膝关节机器人可以通过肌电信号触发而向膝关节提供辅助扭矩。

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2. 手术机器人的力感知技术进展

高红岩1, 2，艾孝杰1, 2，孙正隆3，陈卫东1, 2，高安柱1, 2

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (3): 370-381. DOI: 10.1007/s12204-023-2607-x

摘要（270）

PDF（pc）（1017KB）（88）

力感知在微创手术中对于手术情况分析和安全交互至关重要。因此，集成力感知技术的手术机器人能够保证精确和安全的手术过程。在过去的几十年里，手术机器人的力感知技术已经取得了相当大的进展。本文综述了目前用于手术机器人的基于电和光的力传感器，包括压阻式、压电式、电容式、强度/相位调制和光纤布拉格光栅传感器，同时也讨论了它们的原理、应用、优点和局限性。最后，我们对于当前手术机器人力感知技术进行了总结。

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3. 助力型下肢外骨骼机器人研究综述

贺贵松, 黄学功, 李峰, 汪辉兴

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2024, 29 (1): 1-15. DOI: 10.1007/s12204-022-2489-3

摘要（248）

PDF（pc）（1195KB）（93）

助力型下肢外骨骼机器人是一种可穿戴智能机器人系统，涉及力学、材料、电子、控制、机器人学等诸多领域。该系统借助外部能源为人类提供额外的动力，可以增强人体的机能，帮助穿戴者承受以往无法承受的重量。同时，通过合理的结构设计和被动储能等方式，还可以对特定动作进行辅助。本文首先介绍了助力型下肢外骨骼机器人在国内外的研究现状，针对几种典型样机进行了详细分析。之后又对其结构设计、驱动方式、感知技术、控制方法、能源管理、人机耦合等关键技术进行了综述，并将外骨骼机器人常用的一些设计方法进行了归纳与对比。最后总结了助力型下肢外骨骼机器人研究中依旧存在的问题和可能的解决方案，并对未来的发展趋势进行了展望。

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4. 具有增强注意力的前景分割网络

姜锐1，朱瑞祥1，蔡萧萃1，苏虎2

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (3): 360-369. DOI: 10.1007/s12204-023-2603-1

摘要（247）

PDF（pc）（734KB）（36）

运动物体分割（MOS）是包括医疗机器人在内的所有机器人视觉系统的基本功能之一。基于深度学习的MOS方法，特别是深度端到端MOS方法，在该领域正得到积极研究。前景分割网络（FgSegNets）是最近提出的代表性深度端到端MOS方法。本研究探索了一种新的机制，通过引入相对较少的参数来提高FgSegNets的空间特征学习能力。具体来说，我们提出了增强注意力（EA）模块，它是注意力模块和轻量级增强模块的并行连接，顺序注意力和残差注意力为其特殊情况。还提出将EA与FgSegNet_v2集成，采用轻量级卷积块注意力模块作为注意力模块，并在编码器的两个最大池化层之后插入EA。派生的新模型名为FgSegNet_v2_EA。消融研究验证了所提出的EA模块和集成策略的有效性。CDnet2014数据集上的实验结果显示，FgSegNet_v2_EA在场景相关评估和场景无关评估设置下分别比FgSegNet_v2提高了0.08％和14.5％，这表明EA对提高FgSegNet_v2的空间特征学习能力具有积极作用。

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5. 基于四电极微流控装置使用介电泳分离循环肿瘤细胞的数值研究

王雨坤, 丁显廷, 张执南

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (4): 391-. DOI: 10.1007/s12204-022-2459-9

摘要（217）

PDF（pc）（1462KB）（232）

这项数值研究提出了一种基于微流控芯片的介电泳细胞分选技术。在介电泳力和流体阻力的共同作用下，白细胞和循环肿瘤细胞因介电特性不同而分离。本文首先针对器件几何、单细胞、介电泳力、电场和流场建立了数学模型，模拟了细胞运动。进而基于仿真模型，对重要边界参数进行了讨论，以优化该装置的细胞分选能力，并同时提供了边界电压和流体流速之间的适当匹配关系。此外，还探究了流场出入口条件，以控制其中的粒子运动。本研究的意义在于验证了该微流控芯片的细胞分选能力，为罕见病变细胞的分离提供了逻辑设计。

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6. 一种基于双螺纹斜齿轮管的新型同心圆管机器人

陈韦池, 刘浩城, 李子建, 郭靖, 翟振坤, 孟伟,

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (3): 296-306. DOI: 10.1007/s12204-023-2595-x

摘要（217）

PDF（pc）（2087KB）（63）

鼻咽癌是一种源于鼻黏膜的恶性肿瘤，常发生在头颈部。同心管机器人可形成复杂的形状，并可到达难以触及的病灶，因此常用于微创手术。然而一些同心管机器人由于其传动设计显得笨重，本文提出了一种基于双螺纹斜齿轮管的轻型螺旋齿轮传动装置。其驱动单元的紧凑和小型化，使得这种同心管机器人比传统同心管机器人更轻巧。通过运动学分析，得到了齿轮管姿态与电机输出角的映射关系。本文对驱动机构的精度、稳定性和重复性进行了测试。实验结果表明：该系统在平移试验中的定位误差小于0.3 mm；稳定性试验中滚动角度误差小于0.6°；平移重复性试验误差小于0.005 mm。最后使用同心管机器人进行了尖端瞄准试验，验证了同心管机器人用于手术的可行性。

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7. 基于少量多核光纤光栅传感器的单孔连续体手术机器人形状感知

黎定佳1,2,3,4, 王重阳1,2,3, 郭伟5, 王志东6, 张忠涛5, 刘浩1,2,3

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (3): 312-322. DOI: 10.1007/s12204-023-2579-x

摘要（196）

PDF（pc）（2606KB）（37）

本文提出了一种在单孔连续体手术机器人（CSR）中使用少量多核光纤光栅（FBG）传感器进行形状感知的方法。传统的方法利用正运动学模型计算单孔CSR的形状，其受到模型精度的限制。如果将FBG传感器用于形状传感，其精度将受到传感器数量的影响，特别是在长而灵活的CSR中。为了解决这一问题，提出了一种基于扩展卡尔曼滤波（EKF）的融合方法。分别使用CSR正运动学模型和FBG传感器进行形状重建，并用EKF将两个结果融合。CSR运动模型的方法采用了正运动学模型的增量形式进行形状重建，FBG传感器的方法则采用了离散弧段假设进行形状重建。融合方法可以消除运动学模型的不准确性，仅使用少量FBG传感器即可获得更精确的形状重建结果。通过不同载荷条件下多种弯曲形状的实验验证了该算法的有效性。结果表明，该方法在鲁棒性和有效性方面明显优于传统方法。

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8. 基于层次决策网络的鼻拭子采样机器人视觉定位方法

李国志a，邹水中b，丁数学a

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (3): 323-329. DOI: 10.1007/s12204-023-2581-3

摘要（180）

PDF（pc）（743KB）（36）

本文主要研究一种用于鼻拭子机器人自动采样操作的视觉定位方法。使用机器人完成鼻拭子采样任务可以减少医务人员对新型冠状病毒病（COVID-19）患者的直接接触，从而减小COVID-19带来的负面影响，对COVID-19的检测和防疫具有重要意义。该方法根据COVID-19的传播特点使用层次决策网络来处理机器人的行为约束条件，并结合医务人员的采样动作特点设计了使用单臂机器人进行鼻拭子采样操作的视觉导航定位方法。该方法所使用的决策网络综合考虑了人工采样操作中引起潜在接触感染风险的影响因素，以尽可能降低病毒在人员之间的传播概率。进一步形成具有人工智能特征的视觉伺服控制策略，并完成稳定、安全的鼻拭子机器人采样操作。实验证明，该方法能够实现良好的机器人视觉系统的定位，可以为公共卫生防控提供必要的技术支持。

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9. 输入受限的超冗余移动医疗机械臂混合控制

张凯波1，陈丽1，董琦2

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (3): 348-359. DOI: 10.1007/s12204-023-2580-4

摘要（164）

PDF（pc）（909KB）（25）

为降低医务人员在传染病区域工作的感染风险，提出了采用超冗余移动医疗机械臂（HRMMM）代替医务人员在医疗服务中执行接触性任务。设计了一种基于运动学的姿态跟踪算法，以实现高精度的位姿跟踪。建立了HRMMM的运动学模型，推导了其整体雅可比矩阵。为了保证准确的目标跟踪，设计了基于罗德里格斯旋转公式的跟踪误差，并推导了跟踪误差与夹爪速度之间的关系。考虑到物理的输入约束，建立了HRMMM的关节约束模型，采用变量替换法将非对称约束转换为对称约束，所有约束都通过除以其最大值进行无量纲化。为了满足医疗事件中的实时运动控制要求，设计了一种基于伪逆（PI）和二次规划（QP）的混合控制器，无输入约束饱和时采用PI方法，出现约束饱和时采用QP方法。设计二次性能指标保证PI和QP之间的平滑切换。仿真结果表明HRMMM可以在满足在不同类型的输入约束情况下，以平滑的运动轨迹接近目标姿态。

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10. 用于评价神经电极植入行为的精细化脑模型的建立及其模拟行为研究

贺雨欣, 张文光, 胥浩天, 徐倚帆, 许李悦

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (4): 401-. DOI: 10.1007/s12204-022-2523-5

摘要（160）

PDF（pc）（1512KB）（98）

神经电极的长期可靠性与其植入行为密切相关。为了以低成本和精确的方式实现神经电极植入行为的定量研究，设计了一种包含脑膜的精细脑模型。首先，基于原子力显微镜压痕技术，通过测量弹性模量选择符合预期的脑模型模拟材料。结果表明，2%琼脂糖凝胶用于模拟灰质和白质，7:1聚二甲基硅氧烷薄片用于模拟硬脑膜，聚氯乙烯薄膜用于模拟硬脑膜。其次，设计了具有三层结构的脑模型模具，采用倒浇法制备脑模型，可以获得较为平整的植入表面；最后以大鼠脑为参照，对脑模型的模拟行为进行了研究。在植入力学行为上，植入力曲线在脑模型和大鼠脑中均出现两个峰值，其中较大峰值分别为10.17 mN和7.69 mN。脑模型中植入力更大，代表脑模型对电极的强度要求就越大，但该特点在实际应用中降低了电极植入屈曲的风险。对于体液溶解行为，电极的PEG涂层在脑模型和大鼠脑中的溶解速率分别为7000 μm3/s和5600 μm3/s。脑模型中更快的溶解速度会导致涂层设计的厚度更大，但在实际应用中提供更充足的植入时间。脑模型的建立及其模拟行为的研究有利于电极基底和涂层的尺寸设计、植入机理的研究，进一步提高电极的功能性寿命。

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11. 中国康复和辅助机器人的发展：困境与解决方案

赵玲玲1，郭遥2

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (3): 382-390. DOI: 10.1007/s12204-023-2596-9

摘要（154）

PDF（pc）（367KB）（37）

中国正在迅速进入老龄化社会，因此对慢性疾病管理和个性化医疗产生了巨大需求。在中国，康复和辅助机器人的发展在研究和工业领域都受到了极大的关注。康复和辅助机器人可以帮助指导患者完成康复训练，也能协助功能受损的人进行日常活动。在过去的几十年里，我们见证了具有不同的功能和用途的康复和辅助机器人的发展。然而，与研究领域的蓬勃发展相比，专门的法规和政策建设相对滞后。由于康复和辅助机器人需要与人类密切合作和互动，所以在相关伦理问题和法律法规方面建设带来了前所未有的挑战。本文旨在概述中国康复和辅助机器人主要发展困境，并提出相应的潜在对策。

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12. 概念化的实体关系解释

谢晨昊, 梁家卿, 肖仰华, HWANG Seung-won

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (6): 695-702. DOI: 10.1007/s12204-021-2394-1

摘要（144）

PDF（pc）（608KB）（99）

在许多应用程序中，找到一个属性来解释给定实体对之间关系是很有价值的。然而，许多直接解决方案的失败是由于严重依赖文本而导致精度低，并且由于证据稀缺而导致召回率低。因此，提出了一个泛化和推理框架，并将其构建成一个系统：实体-关系查找（ERF）。主要思想是将实体对概念化为适当的概念对，作为中间随机变量来形成解释。尽管已经对实体概念化进行了研究，但其面临着多个关系实例的集体优化、两个实体的联合优化以及将稀释的观察结果聚集到定义关系的头部概念中的新挑战。我们提出了概念化的解决方案，并通过大量实验验证了这些方案及其框架。

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13. 基于实时切片到体积配准的机器人辅助甲状腺活检自主导航

李坚1，王星超1，钟敏2，郑剑2，孙正隆1

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (3): 330-338. DOI: 10.1007/s12204-023-2606-y

摘要（142）

PDF（pc）（1034KB）（22）

随着医学成像和机器人技术的进步，完全自动诊断治疗的想法变得越来越有吸引力。超声检查具有无创、无辐射、成像速度快等特点，越来越多地被应用于临床，如妇产科、外科穿刺等。在本文中，我们提出了一种使用混合切片到体积配准方法的基于实时图像的视觉伺服控制方案。以这种方式，即使在存在干扰的情况下，机器人也可以根据术前计划自主将超声探头定位到所需的姿态。我们使用了甲状腺活检模体模型来设计和进行实验。结果表明，本文所提出的方案可以实现高达30 Hz的刷新率和（0.52±0.65）mm的跟踪精度。

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14. 温控射频消融温度场快速计算方法的研究

王雪维，王逸飞，张爱丽

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (4): 411-. DOI: 10.1007/s12204-022-2481-y

摘要（138）

PDF（pc）（1220KB）（72）

精确的温度控制和温度场预测对射频消融具有重要意义，本研究提出了一种比例-积分温度控制射频消融过程中的温度场实时计算方法，基于电导率对温控射频消融影响的研究，将热电耦合的计算关系转换为线性的计算关系，使计算效率提升了150倍。对于10 min的射频消融，计算时间约为23 s，计算结果和相同情况下的COMSOL Multiphysics相比不超过1 ℃。本研究中该计算方法不仅被用于单针射频消融，还被用于双针射频消融中温度场的计算。

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15. 光纤应变传感器检测标定技术

陈刚, 刘宏月, 高瑞翔

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (5): 551-559. DOI: 10.1007/s12204-022-2406-9

摘要（134）

PDF（pc）（1122KB）（81）

作为现阶段传感技术的热点方向之一，光纤传感器具有体积小、抗电磁干扰、易于组网等特点，在复杂电磁环境下多物理场参数监测上发挥不可替代的作用。光纤应变传感器的精确标定对延长传感器存活率、提高测量准确性以及满足长期监测需求等方面具有重大的实践价值。通过综述应变传感器标定方法和光纤应变传感器标定方法的研究现状，从静、动态两个角度出发，分别举例分析其主要方法的优缺点，并对光纤应变传感器标定技术的发展前景进行了总结展望。

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16. 多结构柔性夹持器提高夹持的鲁棒性

李林霖, 高飞扬, 郑雄飞, 张黎明, 李世杰, 王赫然

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (3): 307-311. DOI: 10.1007/s12204-022-2508-4

摘要（132）

PDF（pc）（2071KB）（46）

近年来，软体抓手因其高柔顺性在医疗康复等各个领域引起了广泛的关注。然而，传统的PneuNet仅通过包络抓取（EG）可靠地抓取中大型物体，无法实现捏取（PG）来稳定抓取小而薄的物体，这是由于EG需要大弯曲角度而PG需要相对小很多的弯曲角度。我们提出了一种多结构软体夹持器（MSSG），每个手指只有一个气路，它将近端段的PneuNet与远端段的普通软气动执行器（NSPA）相结合，这样可以在不损失EG的情况下实现PG，并且远端和近端段之间的高度差增强了PG的鲁棒性。基于MSSG的稳定性（指弯曲角度描述）和鲁棒性（拉拔力描述）对抓取进行了表征，并采用有限元方法分析了MSSG的弯曲角度和拉拔力。此外，通过实验验证了抓取性能，结果表明每指单气路的MSSG能够在不损失EG的情况下实现PG，并有效增强了PG的鲁棒性。

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17. 深部组织压力损伤的早期检测方法：系统综述

贾菁怡1，李正裔1, 2，彭琳晶1，姚怡飞1

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (4): 526-. DOI: 10.1007/s12204-022-2518-2

摘要（126）

PDF（pc）（552KB）（120）

深部组织压力性损伤（DTPIs）在医院和其他医疗单位中的患病率呈上升趋势，特别是在具有活动受限、感觉受损和组织耐受性降低的病理条件下。DTPIs的病因一直存在争议，现已提出了多种解释模型，包括直接机械损伤、缺血再灌注、淋巴阻塞和炎性细胞因子。根据这些病理生理场景，超声、皮下水分检测和生物标志物技术已被认为是DTPIs潜在的早期检测方法。本文对这三种方法进行了系统的综述。结论是，在DTPIs的产生和发展过程中，在不同的时间段结合和实施以上三种方法可能是DTPIs诊断最普适、有效的方式。

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18. 利用半监督学习提高结肠镜息肉检出率

姚乐宇1，何凡1,3，彭海霞2，王晓峰2，周璐2，黄晓霖1,3

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (4): 441-. DOI: 10.1007/s12204-022-2519-1

摘要（126）

PDF（pc）（497KB）（61）

结直肠癌是人类最大的健康威胁之一，每年夺去数千人的生命。结肠镜检查是临床实践中检查肠壁、在早期发现并切除息肉、防止息肉恶性化和发展成为癌症的金标准。近年来，计算机辅助息肉检测系统被广泛应用于结肠镜检查中以提高结肠镜检查的质量，提高息肉的检出率。目前，最有效的计算机辅助系统是用机器学习方法进行构建的。然而，开发这样的计算机辅助检测系统需要有经验的医生从结肠镜检查视频中标记大量图像数据，这一过程极其耗时、费力且十分昂贵。一种可能的解决方案是采用半监督学习，它可以在不必标注所有数据的数据集上建立检测系统。在本文中，基于最先进的对象检测方法和半监督学习技术，我们设计并实现了一个半监督结肠镜息肉检测系统，该系统的实现包括四个主要步骤：（1）使用所有标记数据进行标准监督训练；（2）对未标记的数据进行推理以获得伪标签；（3）将一系列强数据增强方法应用于未标记数据和伪标记；（4）将标记的数据、未标记的数据与其伪标签组合以重新训练检测器。我们在公开数据集和原始私有数据集上对半监督学习系统进行了评估，并证明了其有效性。此外，半监督学习系统的推理速度也可以满足实时运转的要求。

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19. Dlung：无监督少镜头差异呼吸运动建模

陈培芝1,2, 郭逸凡1, 王大寒1,2, 陈金铃1,3,4

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (4): 536-. DOI: 10.1007/s12204-022-2525-3

摘要（112）

PDF（pc）（1720KB）（78）

肺部图像配准在肺部分析应用中具有重要作用，比如呼吸运动建模。基于无监督学习的图像配准方法可以在不需要监督的情况下计算变形，因此受到了广泛的关注。但是，需要注意的是，它们有两个缺点：它们不能处理数据不足的问题，也不能保证微分同胚（保留拓扑结构）属性，特别是当肺部扫描中存在较大形变时。本文提出了一种基于无监督少样本学习的微分同胚肺部图像配准方法，称为Dlung。我们采用微调解决数据不足的问题，并采用缩放-平方层来实现微分同胚配准。在实验中，我们进行了空间时间（4D）图像上的配准，并与基准方法进行了全面比较。Dlung取得了最高的微分同胚准确率，它使用有限的数据构建了准确和快速的呼吸运动模型。这项研究扩展了我们对呼吸运动建模的认识。

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20. 基底刚度和拓扑结构对人体皮肤成纤维细胞形态的影响

刘阳1,2，王雅靖1，温大渭1，张全有1，王立1，安美文1，刘勇3

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (4): 495-. DOI: 10.1007/s12204-022-2542-2

摘要（111）

PDF（pc）（1268KB）（21）

增生性瘢痕是一种常见的纤维化疾病，最终可导致严重的功能障碍和畸形，本文旨在研究瘢痕基底力学微环境对人体正常皮肤成纤维细胞（HFbs）形态的影响。采用微模式化制作技术，设计了新型交叉沟槽拓扑结构，构建刚度（19.3 kPa、90.1 kPa）分别耦合平行沟槽、交叉沟槽的4种弹性基底，模拟皮肤创面及瘢痕组织的力学微环境，观察不同组别基底上HFbs的形态变化，统计细胞长轴长度、面积、细胞长轴与沟槽夹角的变化，免疫荧光染色观察微丝分布情况。结果表明，基底刚度和拓扑结构影响HFbs形态：平行沟槽上细胞被拉长，在交叉沟槽限制沟槽长度的区域，细胞长度被限制且细胞长轴与沟槽夹角有所增大；拓扑结构对细胞面积无明显影响，但刚度增加，细胞面积增大；平行沟槽在一定程度上促进F-actin的表达，刚度增加时，F-actin荧光强度下降；研究基底力学微环境对HFbs形态的影响对于瘢痕的形成及预防具有重要意义。

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21. Journal's online articles can be found at SpringerLink

Online publication is equivalent to paper publication which can also be indexed in the database of EI Village approximately one month after the online date. Paper publications will be printed within around one year after online publication (content cannot be changed). The link is Online First Articles in our journal: https://link.springer.com/journal//onlineFirst

J Shanghai Jiaotong Univ Sci
录用日期: 2023-12-21

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22. 基于增强现实技术的新型经皮肾穿刺训练可视化工具

于佳琪1，王殊轶1，王浴屺1，谢华2，吴张檑1，付小妮1，马邦峰1

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (4): 517-. DOI: 10.1007/s12204-022-2554-y

摘要（100）

PDF（pc）（1512KB）（84）

本研究的目的是开发一种基于增强现实（AR）的新型经皮肾穿刺训练可视化工具，并比较模型中该AR系统与超声引导徒手导航的针头放置性能。本研究使用Unity3D和Visual Studio软件开发了一种基于头戴式显示器的AR导航系统，可以使术前入针路径和复杂的解剖结构影像实时覆盖到穿刺模型上。我们通过Qualisys 运动捕捉系统来跟踪静止模型和经皮器械运动的空间位置。为了评估跟踪的准确性，15名参与者（7名男性和8名女性）使用AR导航（穿刺次数n = 75）和超声引导下的徒手导航（n = 75）方式进行了单次置针操作。针尖与虚拟目标之间的欧氏距离为置针误差，该距离使用MicronTracker测量。与超声引导徒手穿刺相比，AR辅助穿刺方法具有更好的置针效率。超声引导的置针误差高于AR导航的误差（5.54 mm ± 2.59 mm，4.34 mm ± 2.10 mm，p < 0.05）。同时，超声引导的置针时间也高于AR导航的时间 (19.08 s ±3.59 s, 15.14 s ± 2.72 s, respectively, p < 0.000 1)。结果表明，本研究开发的AR训练系统提升了置针效率并解决了操作者的手眼协同问题。在提高经皮肾穿刺训练的效率和有效性方面，该系统展现出一定的潜力。

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23. 多肽水凝胶在软骨再生工程中的应用

胡颖涵1, 朱泽宇1, 滕林2, 何雨石3, 邹德荣1 , 陆家瑜1

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (4): 468-. DOI: 10.1007/s12204-022-2507-5

摘要（92）

PDF（pc）（3066KB）（42）

关节软骨缺损被认为与骨关节炎的发展有关。相关组织再生的研究在骨关节炎的治疗中具有重要意义。用于软骨再生的支架应具有良好的组织相容性，力学性能及无细胞毒性，并能促进种子细胞的增殖和分化。多肽水凝胶中多肽序列的不同组合使其具有优异的生物可降解性和准确模拟软骨细胞细胞外基质的独特特性，以维持软骨表型的稳定性及促进关节透明软骨的再生。因此，多肽水凝胶在软骨再生中的应用前景广阔。本文系统综述了多肽水凝胶在软骨再生工程中的研究进展。对这些材料的特点、局限性和前景进行了评价。

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24. 用于有效刚体运动再现和识别的柔性轨迹描述

杨健鑫，郭遥

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (3): 339-347. DOI: 10.1007/s12204-023-2604-0

摘要（92）

PDF（pc）（1121KB）（21）

在人机交互中，时空运动的识别和复现是分析人体行为和运动必要的前提条件。刚体运动轨迹被证明可以为运动描述提供充分信息线索。在之前的研究中，我们提出了一种灵活的双平方根函数轨迹描述（DSRF）来表示刚体运动轨迹，它相对于原始数据提供鲁棒的描述。本研究的重点是探索DSRF描述子在有效的运动复现和运动识别中的应用。具体而言，本文提出了两种基于DSRF的复现方法，包括递归重构和在线优化。具有上下文信息的新轨迹可以从单个示教轨迹复现，同时保留与原始轨迹的相似性。此外，采用模板匹配方法实现了基于DSRF描述子的运动识别。实验结果验证了该方法对刚体运动的再现和识别的有效性。

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25. 利用软伪标签促进无监督领域自适应与课程学习

张晟嘉, 林天成, 徐奕,

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (6): 703-716. DOI: 10.1007/s12204-022-2487-5

摘要（92）

PDF（pc）（963KB）（65）

无监督域适应利用标签完整的源域数据，通过显式的数据分布差异最小化或对抗学习，提高无标签目标域的分类性能。作为一种增强方法，在域适应过程中会涉及类别对齐，即利用模型预测来加强目标特征识别。此方法存在两个问题：在目标域中，错误的类别预测会导致伪标签不准确；在源域中，过拟合会导致分布偏差。因此本文提出了一种与模型无关的两阶段学习框架，利用软伪标签策略大大减少了错误的模型预测，并利用课程学习策略避免了源域的过拟合。理论上，成功降低目标域预期误差上限的综合风险。在第一阶段，我们使用基于分布对齐的无监督域适应方法训练模型，以获得置信度相当高的目标域软语义标签。为了避免源域的过拟合，在第二阶段，我们提出了一种课程学习策略，以自适应性地控制两个域损失之间的权重，从而使训练阶段的重点逐渐从源域分布转移到目标域分布，并提高目标域的预测置信度。在两个常见基准数据集上进行的广泛实验验证了我们提出的框架在提升排名靠前的无监督域适应算法性能方面的普遍有效性，并证明了其一贯的卓越性能。

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26. 基于改进多准则决策的关键蛋白质识别方案

卢鹏丽1，陈云天1，廖永刚2

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (4): 418-. DOI: 10.1007/s12204-023-2584-0

摘要（91）

PDF（pc）（1360KB）（63）

从蛋白质相互作用网络中识别关键蛋白质对生物进化和新药物研制具有重要意义。目前许多蛋白质关键性的评判标准只关注蛋白质的某个属性，这会有信息丢失的问题。针对这一问题，本文提出一种基于改进多准则决策的更全面有效的关键蛋白质鉴定方法（EPI-TOPSIS）。首先，考虑蛋白质的不同属性，从三个不同的方面来评估蛋白质重要性：基于表达序列的基因度中心性；基于定位信息和蛋白质复合物的亚细胞-邻居度中心性与亚细胞-复合物入度中心性。然后将介数中心性与这三种方法一起考虑作为多准则决策模型的属性准则，采用层次分析法赋予各个准则权重，通过多准则决策的逼近理想距离求解蛋白质关键性，并对蛋白质进行优先级排序。最后，在YDIP、YMIPS、Krogan和BioGRID网络上进行实验，结果表明EPI-TOPSIS性能优于对比算法。

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27. 使用NanoString nCounter测定结直肠癌的潜在生物标志物

赵晖，文柏清，康亚妮

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (4): 432-. DOI: 10.1007/s12204-022-2440-7

摘要（91）

PDF（pc）（627KB）（64）

大肠癌（CRC）是世界上最常见的恶性肿瘤之一。预测性分子标记物的开发可能有助于在临床上获得最佳结果。本研究的目的是鉴定CRC的差异表达基因和新的潜在预测和预后分子生物标志物。在这项研究中，使用从同一患者获得的CRC和匹配的正常组织来提取总RNA。应用NanoString nCounter测定法测定差异表达的基因。然后使用癌症基因组图谱数据验证结果。最后，我们在肿瘤组织中鉴定了27个与CRC显著相关的基因。泛癌组中的几个基因显示出显著的差异表达，这在CRC组织中比其他基因更普遍。由于其中一些尚未被报道与CRC直接相关，因此可以根据这项研究设计未来的机制研究。我们的研究表明，NanoString nCounter检测可以作为基因表达分析的替代方法，并在CRC患者中鉴定了几个未报告的不同表达基因，这可能为更深入地研究CRC提供一些重要线索，并作为临床诊断应用的潜在预测分子生物标志物。

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28. 高曲率线结构光测量系统条纹轮廓提取算法

孙昊, 杜宣, 吕娜, 崔斌, 赵辉

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (5): 560-568. DOI: 10.1007/s12204-022-2476-8

摘要（87）

PDF（pc）（1375KB）（65）

在线结构光轮廓测量系统中，轮廓条纹的解析质量直接影响测量精度，尤其对于具有高反射率和高曲率的表面，轮廓条纹提取算法的解析能力显得尤为重要。本文研究了线结构光的成像原理、轮廓条纹的光强分布规律，并提出了一种基于实际光强分布的条纹轮廓提取方法。在算法中，对条纹图像进行了感兴趣区域快速提取、条纹宽度估计以及自适应滤波；在亚像素精度下提取了条纹的能量中心；在滤除低质量中心点后，利用上下文信息恢复了缺失中心点。使用基于线结构光成像原理生成的模拟图像以及真实实验图像评估了此方法的准确性和重复性。结果表明，该方法对高曲率条纹边缘的最大提取误差为1.6像素，是经典Steger算法的10倍；实验重复精度为8.8微米，是Steger方法的2.7倍。本文提出的方法提高了激光轮廓提取的准确性，适用于高曲率物体的激光轮廓检测。

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29. 个性化下肢康复外骨骼机器人的关键技术综述

陶璟, 周振欢

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2024, 29 (1): 16-28. DOI: 10.1007/s12204-022-2452-3

摘要（84）

PDF（pc）（1179KB）（55）

康复治疗和日常生活辅助对提高脑卒中、脊髓损伤、脑瘫、骨科术后病人以及老年人群等下肢运动障碍患者的生活质量有关键作用。下肢康复外骨骼机器人在以上人群康复治疗和生活辅助方面具有良好应用前景。本文针对面向多样化个性化用户需求的外骨骼机器人开发，首先分析并综述了下肢康复外骨骼机器人本体模块化、仿生柔顺驱动、个性化自适应步态规划以及面向个体的运动意图感知与推理方法和技术。进一步，基于服务化理论，探讨了面向个性化医疗的下肢康复外骨骼机器人产品服务系统开发潜力和关键支持技术。康复外骨骼今后研究趋势应是从个体化特征和个性化需求入手，以此驱动外骨骼机器人本体技术和服务化开发，从而技术上实现真正人机协同与融合，效用上实现可获得的高质量康复医疗和生活辅助。

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30. 三种不同血液粘度模型中分叉血流的数值研究

吴辉，富荣昌，杨晓玉，李现政，王召耀

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (4): 450-. DOI: 10.1007/s12204-022-2512-8

摘要（83）

PDF（pc）（1759KB）（44）

本研究旨在分析不同血液黏度模型分叉血管的血流动力学影响。基于CT图像构建腘动脉分叉血管三维模型，通过计算流体力学（CFD）方法计算牛顿模型、Casson模型和两相模型的血流动力学参数。血液流经腘动脉分叉血管后血液流速发生改变，胫前动脉血液流速加快；分叉血管外侧产生低速涡流区并伴随低壁面切应力(WSS)区域。在心动周期内局部非牛顿重要性系数IL > 1，心动初期和心动末期 IL > 1.75。与Casson模型和两相模型相比，牛顿模型的涡流区更大，WSS更低。分叉血管的低速涡流区和低壁面切应力区可能会导致动脉粥样硬化的产生。血液在分叉血管表现为非牛顿流体特性（IL > 1），在心动初期和心动末期非牛顿特性影响显著（IL > 1.75）。牛顿模型预测的动脉粥样硬化形成的风险更高；血流动力学研究中，应考虑血液非牛顿特性的影响。

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31. 柔性输尿管镜末端偏转运动的迟滞特性建模与运动补偿

华鹏a，舒雄鹏a，谢叻a,b

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (4): 507-. DOI: 10.1007/s12204-022-2505-7

摘要（74）

PDF（pc）（1652KB）（44）

柔性输尿管镜手术已广泛应用于上尿路疾病的诊断和治疗中，该手术的关键步骤是医生操作柔性镜末端到达目标区域进行诊疗。然而，柔性输尿管镜末端的偏转会表现出很明显的柔性迟滞特性，这可能是降低医生操作精度的最重要因素之一，因此在实际手术中医生往往需要花费较长的时间操作柔性镜末端到达目标治疗区域。本研究中，我们通过大量重复实验获得了柔性输尿管镜末端偏转的迟滞运动曲线，然后分别使用分段线性近似方法和长短期记忆网络方法对迟滞特性曲线进行建模分析。在此基础上，我们提出两种柔性镜末端偏转运动的迟滞补偿策略并开展一系列补偿实验来验证运动补偿策略的有效性。实验结果表明这两种迟滞补偿策略可以显著地提高柔性镜末端偏转运动精度，平均补偿误差不超过5°。

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32. 考虑肌肉因素的脊柱侧弯矫正的数值模拟方法

李健1, 2，朱晔1，关天民1

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (4): 486-. DOI: 10.1007/s12204-022-2535-1

摘要（73）

PDF（pc）（1382KB）（76）

青少年特发性脊柱侧凸严重影响青少年的身心健康。过去，治疗性矫形器的研究忽略了肌肉因素的影响。针对这一问题，基于逆向工程原理，通过对脊柱CT数据模型进行三维重建，将脊柱周围的肌肉力导入脊柱肌肉力模型，并利用AnyBody软件进行仿真。从几何相似性和生物力学有效性两方面验证了所建立模型的有效性。为了获得所施加的矫形力与Cobb角和椎体位移之间的关系，建立了符合脊柱解剖结构的有限元模型，并对该有限元模型进行了脊柱侧凸的生物力学分析。合理控制椎旁肌对矫形治疗有积极作用，拟合方程可为医生施加矫形力提供参考。

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33. 双线圈电涡流传感器参数优化及精度提高方法研究

张振宁1，刘强2，吕春峰3，毛义梅1，陶卫1，赵辉1

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (5): 596-603. DOI: 10.1007/s12204-022-2511-9

摘要（71）

PDF（pc）（948KB）（43）

为了提高涡流传感器在极端温度变化和航空航天有限空间等特殊环境下的测量精度，通过电磁场分析和有限元仿真建模，对传统双线圈涡流传感器探头的结构参数进行了优化，并进一步提出了确定双线圈探头最优线圈距离的准则。通过搭建实验平台对仿真结果进行了验证。在极端温度环境下，双线圈传感器在最佳距离下的全范围温度变化引起的位移测量误差小于单线圈传感器的21.0%。在此基础上，对结构优化后的双线圈涡流传感器的热稳定性进行了分析和验证。经过温度补偿后，双线圈涡流传感器位移测量精度要比单线圈传感器的精确14.9倍。提出的方法可为轴向双线圈涡流传感器探头的结构优化提供设计参考。

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34. 高频震荡通气下气体交换机制：综述与展望

袁越阳1, 陈宇清2, 周理1, 刘炜3, 戴征3

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (4): 546-. DOI: 10.1007/s12204-022-2424-7

摘要（67）

PDF（pc）（466KB）（29）

实验表明潮气量仅为正常潮气量20%～40%的高频通气仍能支持呼吸病患者的呼吸。而高频通气作为一种抢救性通气方式，目前常用于急性呼吸衰竭（ARF）、急性呼吸窘迫综合征（ARDS）等重症呼吸病患者的通气治疗。然而，高频通气下气体交换机制至今尚未明确，仍有待于对其进一步研究。本文就近些年来在高频通气下气体交换机制方面的研究进行了综述，并对未来的研究方向进行了展望。基于前人的研究和启发，合理假设、模拟仿真与临床验证将是继续研究高频通气下气体交换机制的重要途经。另外，医工融合，多学科交叉也将是开展高频通气下气体交换机制研究的重要措施。充分揭示高频通气下气体交换机制将为开拓高频通气的应用提供理论上的支持，有助于分析高频通气适应症和并发症。

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35. 短波红外时间分辨成像研究进展

徐杨, 李万万

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2024, 29 (1): 29-36. DOI: 10.1007/s12204-022-2547-x

摘要（67）

PDF（pc）（810KB）（35）

相比于传统近红外一区（700~900nm）窗口，短波红外（900~1700nm）能够提供更深的组织穿透深度和更小的光散射干扰，在生物活体成像上具有巨大潜力。基于传统光谱域成像的局限性，时间分辨成像技术利用时间维度特性，能够完全消除生物体自发荧光，提供更高的信噪比和灵敏度。该成像技术不依赖于组织成分和组织厚度的差异，具有实际的体内定量检测价值。由于镧系上转换纳米材料具有长寿命、光化学性质稳定、形貌可控、易于表面改性而且荧光寿命调控手段多样的特点，当前相关的时间分辨成像技术几乎都是围绕镧系上转换纳米材料开展。本文以广泛使用的几种镧系离子发光中心作为切入点，系统地介绍了近些年来的短波红外时间分辨成像技术的研究进展。

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36. 近场准点光源照明下基于栅格变形的半标定光度立体法

陈启恒1, 彭娜2 , 吕娜1, 陶卫1 ,赵辉1

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (5): 577-586. DOI: 10.1007/s12204-022-2414-9

摘要（67）

PDF（pc）（1586KB）（32）

在近似点光源的近距离照明条件下，光源的非均匀性是导致光度立体法形貌恢复精度不佳的不可避免的误差因素之一。为了避免对光源进行重复、繁琐的光度校准，需要半校准的光度立体法。本文提出了两种简单有效的基于栅格的半校准光度立体算法。所提出的方法扩展了传统的基于栅格的光度立体法，通过交替迭代地更新法向量、深度图和光源强度，可同时进行法向量和非均匀的光源强度的联合准确估计。本文进行了大量实验证明所提出算法的有效性和鲁棒性。实验表明，即使在极其严重的非均匀照明下，所提出的方法仍然可以有效地抑制误差，以及在实际实验中将形貌恢复精度提高达65.6%。

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37. 基于多重检测模型融合框架的印刷电路板缺陷检测

武星, 张庆丰, 王健嘉, 姚骏峰, 郭毅可,

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (6): 717-727. DOI: 10.1007/s12204-022-2471-0

摘要（60）

PDF（pc）（1870KB）（39）

印刷电路板（PCB）是电子产品不可或缺的组成部分，它决定了这些产品的质量。随着制造技术的发展和进步，PCB的布局和结构变得越来越复杂。然而，有效准确的PCB缺陷检测方法却很少。在实际生产环境中，对PCB缺陷检测的准确性有很高的要求，因此我们提出了两种包括多模型融合的PCB缺陷检测框架，包括多模型投票方法（DDMV）和多模型学习方法（DDML）的缺陷检测。为了减少错误和漏检，DDMV和DDML将多个具有不同融合策略的缺陷检测网络进行整合。通过对两个开源PCB数据集进行大量实验，验证了所提出框架的有效性和准确性。实验结果表明，所提出的DDMV和DDML在F1分数方面优于其他任何单独的最先进的PCB缺陷检测模型，而DDML的曲线下面积值也高于其他任何单独的检测模型。此外，与DDMV相比，使用自动机器学习方法的DDML在PCB缺陷检测方面达到了最好的性能，在两个数据集上的F1分数分别可达到99.7%和95.6%。

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38. 核磁共振陀螺仪中基于单束激光的氙原子横向弛豫时间测量

钟国宸1，刘华1，郭阳1，李绍良2，赵万良2，成宇翔2

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (5): 569-576. DOI: 10.1007/s12204-022-2436-3

摘要（59）

PDF（pc）（1758KB）（27）

核磁共振陀螺仪（NMRG）具有高精度和小型化的特点，是量子技术在导航领域的主要应用之一。NMRG原子池中氙核自旋的横向弛豫时间（T2）直接影响陀螺的角度随机游走。准确、快速地测量T2有利于陀螺仪的进一步改进。对于T2的测量，目前通常采用抽运和探测正交激光器的这两种方案。通过施加两个快速切换正交静磁场和一束相应波长的圆偏振激光抽运原子池，产生氙核宏观磁矩拉莫尔进动。为了探测氙原子核自旋进动产生的自由感应衰变信号，在电池中形成铯原子参数磁强计。与传统的双激光器测量方法相比，单激光器测量T2简化了测量设备。实验结果表明，氙原子的T2大于10 s，并进行了温度影响的研究，这些为后续陀螺性能的提高奠定了基础。

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39. 综述：运动想像脑机接口中的迁移学习

李明爱1,2,3，许冬芹1

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2024, 29 (1): 37-59. DOI: 10.1007/s12204-022-2488-4

摘要（59）

PDF（pc）（1734KB）（23）

迁移学习是一种新的机器学习方法，能够利用现有知识解决相关但不相同域的问题。在训练数据不足的情况下，它常将另一个域的训练数据进行迁移用于模型训练。近年来，越来越多的脑机接口研究者关注迁移学习，充分利用从不同受试者获取的脑电数据，有效降低数据采集和标签的成本，同时极大地改善模型学习性能。本文对迁移学习的发展进行调查，并综述了脑机接口中的迁移学习方法。依据迁移学习中“迁移什么”问题，本文分为三部分：基于实例的迁移学习、基于参数的迁移学习和基于特征的迁移学习。另外，将目前脑机接口研究中的迁移学习应用情况从迁移学习方法、数据库和性能评价等方面进行概述。最后，提出未来研究要解决的问题，对脑机接口中迁移学习的普及与深入研究奠定了基础。

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40. 基于改进分水岭算法和U-net神经网络模型的复合材料CT图像分割方法

薛永波a，刘钊b，李泽阳a，朱平a

J Shanghai Jiaotong Univ Sci 2023, 28 (6): 783-792. DOI: 10.1007/s12204-021-2385-2

摘要（58）

PDF（pc）（1655KB）（24）

在复合材料性能的研究中，XCT扫描一直是检测其内部结构特点的重要手段之一，利用CT图像分割技术将显著提高后续材料特征提取精度，对材料性能研究有重要意义。本研究针对复合材料CT图像中纤维截面粘连导致的图像分割准确率低的问题，在芯层区域通过形态学指标评估区域有效性并基于分水岭算法提出迭代分割策略；在过渡层区域利用人工标记训练U-net神经网络模型并应用于分割结果预测，进而提出一种基于改进分水岭算法结合U-net模型的纤维复合材料CT图像分割方法。经实验验证，本方法对复合材料CT图像分割问题具有良好的适应性和有效性，相较于未改进方法分割准确率得到显著提升，保证了后续纤维特征提取过程的准确率和鲁棒性。

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