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    2023年, 第28卷, 第4期
    刊出日期:2023-07-28
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    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
    2023 (4):  391.  doi: 10.1007/s12204-022-2459-9
    摘要 ( 240 )   PDF(1462KB) ( 252 )  
    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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    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
    2023 (4):  401.  doi: 10.1007/s12204-022-2523-5
    摘要 ( 177 )   PDF(1512KB) ( 104 )  
    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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    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
    2023 (4):  411.  doi: 10.1007/s12204-022-2481-y
    摘要 ( 166 )   PDF(1219KB) ( 76 )  
    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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    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
    2023 (4):  418.  doi: 10.1007/s12204-023-2584-0
    摘要 ( 109 )   PDF(1359KB) ( 66 )  
    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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    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
    2023 (4):  432.  doi: 10.1007/s12204-022-2440-7
    摘要 ( 107 )   PDF(626KB) ( 67 )  
    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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    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
    2023 (4):  441.  doi: 10.1007/s12204-022-2519-1
    摘要 ( 142 )   PDF(496KB) ( 74 )  
    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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    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
    2023 (4):  450.  doi: 10.1007/s12204-022-2512-8
    摘要 ( 98 )   PDF(1758KB) ( 55 )  
    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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    基于全局-局部人脸图像的双路径胶囊网络特纳综合征集成诊断方法研究
    刘璐
    2023 (4):  459.  doi: 10.1007/s12204-022-2491-9
    摘要 ( 64 )   PDF(544KB) ( 31 )  
    特纳综合征是一种染色体异常疾病,对女性病人的成长造成极大的危害。及时诊断对该病患者具有重要意义。然而,现有的临床筛查方法相对耗时且费用昂贵。相关研究人员提出使用机器学习方法进行特纳综合征诊断,但是这些方法的诊断准确率有待提升。因此,面向特纳综合征诊断任务,提出一种基于全局-局部人脸图像的双路径胶囊网络集成方法。具体地,对特纳综合征人脸图像进行预处理,并在医疗专家的指导下,将人脸图像分割为8部分具有医学意义的局部人脸图像;然后,基于完整人脸图像和8部分局部图像进行双路径胶囊网络模型训练,以小样本学习方法解决模型训练过程中面临的样本不足问题;最后,以基于概率的集成方法对9个特纳综合征人脸分类模型进行集成。通过对基础分类模型进行分析,发现眼部区域和鼻子区域的异常面容与特纳综合征疾病具有强相关性。实验结果显示,该集成方法对特纳综合征诊断任务具有一定的有效性,能够取得0.9241的最高诊断准确率。
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    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
    2023 (4):  468.  doi: 10.1007/s12204-022-2507-5
    摘要 ( 109 )   PDF(3065KB) ( 76 )  
    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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    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
    2023 (4):  486.  doi: 10.1007/s12204-022-2535-1
    摘要 ( 85 )   PDF(1381KB) ( 86 )  
    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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    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
    2023 (4):  495.  doi: 10.1007/s12204-022-2542-2
    摘要 ( 141 )   PDF(1267KB) ( 29 )  
    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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    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
    2023 (4):  507.  doi: 10.1007/s12204-022-2505-7
    摘要 ( 87 )   PDF(1651KB) ( 50 )  
    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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    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
    2023 (4):  517.  doi: 10.1007/s12204-022-2554-y
    摘要 ( 117 )   PDF(1511KB) ( 92 )  
    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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    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
    2023 (4):  526.  doi: 10.1007/s12204-022-2518-2
    摘要 ( 162 )   PDF(551KB) ( 129 )  
    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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    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
    2023 (4):  536.  doi: 10.1007/s12204-022-2525-3
    摘要 ( 130 )   PDF(1719KB) ( 83 )  
    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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    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
    2023 (4):  546.  doi: 10.1007/s12204-022-2424-7
    摘要 ( 71 )   PDF(465KB) ( 30 )  
    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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