《上海交通大学学报》2023年“生物医学工程”专题
心脏核磁共振成像(MRI)具有噪声多、背景和目标区域相似度高、右心室形状不固定、呈月牙形或扁圆形等特点,虽然基于卷积神经网络的U型结构在医学图像分割中表现出色,但由于卷积本身的局部运算特性,提取全局信息特征能力有限,所以很难提升在心脏MRI上的分割精度.针对上述问题,提出一种全局和局部信息交互的双分支网络模型(UConvTrans).首先,利用卷积分支和Transformer分支提取局部特征和建模全局上下文信息,能够保留细节信息并抑制心脏MRI中噪声和背景区域的干扰.其次,设计了融合卷积网络和Transformer结构的模块,该模块将二者提取的特征交互融合,增强了模型表达能力,改善了右心室的分割精度,而且避免了Transformer结构在大规模数据集上预训练,可以灵活调节网络结构.此外,UConvTrans能有效地平衡精度和效率,在MICCAI 2017 ACDC 数据集上进行验证,该模型在模型参数量、计算量仅为U-Net的10%、8%的情况下,平均 Dice系数比U-Net提高了1.13%.最终,在其官方测试集上实现了右心室92.42%、心肌91.64%、左心室95.06%的Dice系数,在心肌及左心室区域取得了到目前为止最好的结果.
为提高对康复训练动作反馈的准确性和客观性以及康复患者在康复训练中的积极性和自律性,建立一种能够处理人体连续康复训练动作数据的动作评估方法.首先,提出一种基于高斯混合模型的动作分割方法,从同一动作的连续重复运动序列中提取单次动作数据.其次,根据相关先验知识,提出结合显著运动特征动态时间规整距离评估与高斯混合模型似然评估的多特征融合动作评估方法,从康复训练动作的整体动作与局部关节信息两方面进行动作评估.结果表明:动作分割方法能够很好地分割连续重复动作的运动数据,在数据集上分割动作的正确率达到95%以上;多特征融合动作评估方法有效地提高健康样本与康复患者样本之间动作评估的区分度,使得健康样本动作分数在0~1的评分范围内主要分布在0.93~0.94的得分区间,患者样本则主要分布在0.81~0.89的得分区间.
通过构建膝关节与定制式增材制造膝关节矫形器有限元模型,模拟膝骨关节炎(KOA)患者佩戴矫形器前后的膝关节生物力学变化,验证矫形器的间室减荷效果,针对矫形器治疗效果开展定量化研究,可用于膝关节矫形器的临床疗效评价.实验经过上海交通大学医学院附属第九人民医院伦理委员会审批通过,招募一名膝骨关节炎的女性,对其膝关节进行光学体表及CT扫描,根据单侧减荷原理设计定制式增材制造膝关节矫形器,通过网格划分、材料赋值、边界设置等步骤,利用ANSYS等软件构建包括膝关节与定制式增材制造膝关节矫形器有限元模型,沿下肢负重轴方向对膝关节施加 1 100 N的压缩载荷,进行仿真及应力分析,研究定制式增材制造膝关节矫形器对膝关节间室的减荷效果.针对KOA特性进行有限元分析,验证软骨、韧带及下肢皮肤对膝关节承载能力的影响.相较于未佩戴任何矫形器情况,佩戴定制式膝关节矫形器后,膝关节内翻角度减少、内侧压力向外侧转移且内侧间室压力明显降低.定制式增材制造膝关节矫形器可降低早中期内侧间室型膝骨关节炎患者在步行过程中膝关节内侧间室所产生的压力,减荷效果显著.
为提高并行磁共振成像的重建速度,基于平移不变离散小波变换(SIDWT)和迭代自一致性并行成像重建(SPIRiT)模型,提出一种高效的重建方法fSIDWT-SPIRiT.该方法针对含有数据一致项、校正一致项和L1范数正则项的复杂优化问题,首先将数据一致项和校正一致项进行合并处理,之后利用快速投影迭代软阈值算法进行求解以实现快速并行磁共振成像重建.最后,在不同人体器官的数据集上进行测试.仿真实验结果表明:与其他方法相比,该方法能够在保证图像重建质量的同时,具有更快的收敛速度.
激光散斑对比成像是一种大测量范围、实时、高分辨率的光学成像方法.现有研究表明,低灰度级(8位)低分辨率(752像素×480像素)照相机可以有效监测血液等散射介质流动,但散粒噪声大、有效成像区域小等缺点难以通过软件弥补,严重影响成像质量.使用高灰度级(16位)高分辨率(2 048像素×2 048像素)照相机监测血液流动会减慢单帧成像速度,并行计算能使图像处理时间减少1/3.研究借助动物血液流动实验,以成像速度与成像质量为评价标准,对比分析高灰度级高分辨率空间激光散斑对比成像与空间近似激光散斑对比成像(sLSCIa)、时间激光散斑对比成像(tLSCI)的结果.结果表明,高灰度级高分辨率空间激光散斑对比成像并行计算兼顾成像质量与成像速度,可以达到临床实时监测血液流动要求.
在不同位置和姿态下,为满足肠道机器人通过无线方式稳定获取能量的需要,同时尽可能减小肠道机器人的体积,需要发射线圈具有产生空间多维磁场的能力.提出一种混合式的发射线圈结构,采用亥姆霍兹线圈对与鞍形线圈对组合的方式,其结构紧凑并可利用自身的对称性,能够通过旋转产生无死区的三维空间磁场.对两种线圈形式的特性以及组合后的特性分别进行分析.仿真和实验结果表明,在2 A电流激励下,在线圈中心处具有最低3.44%的传输效率和 1204 mW 的接收功率,位置均匀性最低为88.1%,能够实现能量的空间三维覆盖.
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