中国生物医学工程学报杂志
Chinese Journal of Biomedical Engineering 중국생물의학공정학보
- 主管单位： 中国科学技术协会
- 主办单位： 中国生物医学工程学会
- 影响因子： 0.61
- 审稿时间： 1-3个月
- 国际刊号： 0258-8021
- 国内刊号： 11-2057/R
- 论文标题 期刊级别 审稿状态
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基于Fuzzy-CMAC的人体假肢系统智能控制方法研究
由于需要适应患者的参数个性化与步速变化,人体大腿假肢系统参数具有模型非线性与参数不确定性等复杂系统特性,因此需要寻求有效的智能控制方法.以一种自制的液压型智能大腿假肢结构为例,首先建立基于非线性阻尼控制参数与人体髋关节力矩的人机动力学模型,根据智能假腿的复杂系统特性设计一种PD-FCMAC逆动态复合控制模型,实现膝关节轨迹跟踪控制.以所建立的假腿实验样机动力学模型为对象,对PD-FCMAC方法进行实验仿真.实验结果表明,大腿假肢膝关节可以在约0.5s时间内跟踪好目标曲线,具有良好的实时性与精度,且获得的膝关节阻力矩结果与膝关节角度曲线的循环交变规律一致.
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改进型五阶集总参数心血管循环系统的建模与仿真
为更好地研究人体心衰的工作机制,为临床诊断与治疗提供理论依据与仿真工具,根据电网络模型法建立了一个改进型五阶集总参数心血管循环系统模型.应用Matlab软件进行仿真.结果表明:该模型简单有效,可模拟健康状态血液动力学特性,模拟得到CO(心输出量)为5.12 L/min,并可通过调节心率、心力、心室前负荷、心室后负荷模拟静息、轻度运动、中度运动、重度运动时的健康血液循环状态,模拟得出CO逐渐增大分别为5.09 L/min、8.86 L/min、10.74 L/min、14.7 L/min；也可以模拟Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级心衰的血流动力学特性,模拟得出CO逐渐减小分别为5 L/min、4.4 L/min、3.8 L/min、3.2 L/min,仿真结果与实际生理状态及文献中的试验数据相符,对诊断和治疗心衰疾病具有重要意义.
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一种模拟视觉机制的图像分割模型
提出一个小波域多尺度马尔柯夫随机场模型用于模拟视觉系统在图像分割中的若干功能.针对人类视觉系统具有特征检测器、等级层次性、双向连接性、学习机制等功能,对输入场景,该模型用小波变换提供该场景图像的稀疏表示,模拟特征检测器功能；用金字塔结构模拟等级层次性；用两类信息流模拟双向连接性,分别刻画自底向上的输入图像特征提取过程以及自顶向下的反馈过程；用迭代过程模拟学习机制；采用多尺度马尔柯夫随机场模型实现图像分割.实验表明,该模型对真实采集到的不同类型的生物医学图像进行分割,取得优于一些传统分割算法的结果.
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基于多尺度大李雅普诺夫指数的表面肌电信号模式识别
为了提高动作表面肌电信号的识别率,提出一种将大李雅普诺夫指数和多尺度分析结合的方法.从非线性和非平稳的角度出发,引入多尺度大李雅普诺夫指数特征,并应用到人体前臂6类动作表面肌电信号的模式识别中.首先利用希尔伯特-黄变换,对原始信号进行经验模态分解,即多尺度分解；然后利用非线性时间序列分析方法,计算多尺度大李雅普诺夫指数；后将多尺度大李雅普诺夫指数作为特征向量,输入支持向量机进行识别.平均识别率达到97.5％,比利用原始信号的大李雅普诺夫指数进行识别时提高了3.9％.结果表明,利用多尺度大李雅普诺夫指数对动作表面肌电信号进行模式识别效果良好.
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基于小波变换和经验模式分解的心音信号研究
针对经验模式分解(EMD)中的端点效应问题,本研究提出先用小波去除噪声干扰,再用EMD方法提取心音信号的特征.对于EMD的端点延拓,采用一种新的自适应波形匹配端点延拓方法.通过小波去噪,克服了直接运用EMD分解时无用频率分量带来的干扰,有效地减少EMD的分解层数,自适应波形匹配延拓方法充分考虑了心音信号的内在规律与端点处的变化趋势,较之传统的延拓方法更加合理.用所提出的方法对心音信号进行EMD分解,并用双阈值法对分解后的信号进行第一心音(S1)第二心音(S2)的定位分析,通过对40例心音信号定位分析,S1和S2的检出率分别达到97.05％和97.12％.表明该分析方法能够有效地抑制端点效应,提高EMD分解的准确性和时效性,为后续心音的分析提供准确的参考信息.
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基于非牛顿流体多相流的磁性药物靶向给药捕获效率分析
为研究磁性靶向系统中各参数对捕获效率的影响,根据血液和矩形永磁铁特性,建立描述磁性靶向药物在血液中流动状态的两相卡森-牛顿模型,分析磁性纳米颗粒在血管中受磁力和流体力共同作用的运动轨迹,得到血管三维空间捕获效率的理论公式,并进一步提出药物捕获体积优化模型.使用Matlab仿真比较两相卡森-牛顿模型、单相卡森模型、单相牛顿模型的血液流速、捕获效率,揭示不同模型下磁性药物捕获体积变化规律,探讨磁性药物靶向系统中药物颗粒半径、磁场强度、磁铁与血管距离、血管半径等参数对捕获效率的影响关系.分析表明,非牛顿流体多相流模型可以更好地描述磁性药物靶向系统的特性与规律；而由仿真获知,两相卡森-牛顿模型比单相卡森模型和单相牛顿模型捕获效率均大4％以上,且颗粒的磁性物质半径比为0.75时,捕获的药物体积大.研究结果可以为磁性靶向系统和药物颗粒设计提供理论依据.
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流固耦合作用下人体上呼吸道内气流运动特性数值仿真研究
分析人体上呼吸道内流固耦合现象,深入认识上呼吸道内气流运动特性,对于研究气溶胶在人体上呼吸道内的扩散、转捩及沉积模式具有重要作用.运用流固耦合力学数值仿真方法,在呼吸流量为30 L/min的状态下,对人体上呼吸道内稳态气流运动特性进行数值模拟,系统分析流固耦合作用下上呼吸道壁面的形变特点、壁面剪切应力分布以及呼吸道内的气流运动特点.结果表明:在低强度稳态呼吸模式下,人体上呼吸道整体向后运动,三级支气管位移大为4.99 mm,气管前壁面受到拉伸,后壁面受到压缩；口喉模型中受到的壁面剪应力较大,大处可达30.34 Pa,气管支气管受到的壁面剪切应力较小；气流速度在声门处达到大值7.85 m/s,在咽部外壁、气管外壁发生分离现象,气流在气管内壁形成局部高速区,支气管内气流在分叉处分离,靠近支气管内壁速度较高.
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多孔介质对麻醉蒸发器蒸发效果影响的计算分析
研究麻醉蒸发器的多孔介质蒸发芯物理特性对蒸发的影响,为优化改进蒸发器结构提供理论依据,提高药物控制精度.通过实际测量麻醉蒸发器,用Pro/E软件建立了三维结构模型,采用CFD方法,利用FLUENT软件分析多孔介质物性对蒸发器工作性能以及麻醉药物蒸发与空气混合情况的影响.在计算分析中采用湍流随机跟踪方法,对麻醉药物蒸发雾滴在多孔介质区域的运动进行轨迹追踪,得到了蒸发器多孔介质区域内气体速度场变化,麻醉药物挥发以及与稀释气体混合过程中浓度场变化等.结果表明,多孔介质孔隙率、流动阻力对药物蒸发以及药物蒸气与稀释气体混合过程有较大影响,终影响蒸发药物浓度的稳定性与精确性.多孔介质的存在减缓了蒸发器内部稀释气体的流动速度,使流动阻力增加.多孔介质的孔隙率越大药物的蒸发量与稀释气体的混合均匀性越高.并且在多孔介质区域内存在挥发吸热过程,需要根据药物大蒸发量来确定温度补偿范围,以确保麻醉蒸发器药物浓度输出的稳定性和精确性.
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基于改进离散曲线演化模型的牙齿三维特征点提取方法研究
在牙种植技术中,牙齿特征点的有效提取对后续的三维配准和重建具有重要的意义,现有方法的计算效率比较低；论文改进了离散曲线演化算法,采用曲线特征因子量描述牙齿CT各断层图像边缘曲线的复杂性,并根据曲线特征因子量自适应确定不同层间图像边缘曲线特征点提取的数目,以降低数据存储的冗余量,提高特征点的提取效率；用改进的离散曲线演化算法对牙齿不同层的临床CT图像提取特征点,并将实验结果与现有离散曲线演化算法的结果进行比较.结果表明,改进方法在提取每层CT图像特征点所需时间约为原算法的50％,同时提取的特征点数约为原算法的80％.将改进方法提取的特征点按不同比率进行三次样条曲线插值并进行后期重建,其重建效果能很好地反映牙齿的真实结构.因此,改进方法的计算效率远高于离散曲线演化算法,在牙齿种植领域中具有临床应用前景.
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基于伽辽金有限元法的磁感应断层成像正问题仿真
磁感应断层成像(MIT)的正问题计算为系统建模和研究提供了重要依据,由于MIT中涡流场微分方程的非正定性,增加了MIT正问题计算的复杂度.本研究提出一种基于伽辽金有限元法的正问题求解方法,该方法对微分算子无特殊要求,解决了涡流场微分方程非正定性的问题,利用该方法对成像区域内的磁场分布、涡流强度以及检测线圈的相位差等参数进行了分析.计算结果表明,成像区域内磁感应强度的幅值主要由实部决定,而虚部对场域内电导率的变化较为敏感,因此,可以用磁感应强度的虚部进行图像重建.同时,与目标导体的位置越近、激励线圈的位置越远,检测线圈中的相位差值越大；同一位置的目标导体,检测线圈的相位差与电导率大小成线性关系.经理论推导与仿真实验的验证,所采用的伽辽金有限元法能够有效求解MIT正问题,进而为MIT硬件系统的测量及重建算法的研究提供实验参考和理论依据.
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基于MOS和SAW传感器呼吸诊断肺癌的复合识别算法研究
目前国际上有关肺癌的呼吸检测诊断方法越来越受到关注,其具有简便、快速、无创伤、无标记以及非接触等显著特点.在前期大量肺癌呼出气体挥发性有机物(VOCs)标志物研究的基础上,采用基于MOS-SAW传感器联用的电子鼻技术,分析27例肺癌患者和27例健康人呼出气体样本,并对数据进行处理和识别,设计PCA、PLS、LDA以及ANN等多种诊断方法,比较不同算法的识别结果.实验结果表明,采用的人工神经网络复合模型对肺癌和健康人群的识别灵敏度和特异性分别达到92.59％和88.89％.所提出的复合识别方法对于电子鼻快速诊断肺癌患者是有效的.通过呼出气体中冷凝物标志物的检测和复合诊断算法,将进一步提高通过呼吸气体标志物诊断的新型电子鼻仪器在临床诊断中的广泛应用.
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头颈直径比与假体安装参数对髋关节活动度影响的计算机模拟研究
观察不同头颈直径比股骨假体全髋置换中,髋关节假体安装参数对髋关节活动度的影响,并探讨杯与颈前倾角优化组合.建立全髋关节假体三维可视化计算机模型,计算满足两组不同髋关节活动度下,髋臼外展角每变化5°时相应的髋臼前倾角安装角度,并在以髋臼外展角为横坐标,髋臼前倾角为纵坐标的坐标系上描点、连线画图,并对数据进行分析.实验显示,颈干角135°,髋关节一般标准和严格标准活动度,髋臼杯前倾角(y)与股骨颈假体前倾角(X)的关系分别为y1=- 0.728X1+40.916,y2=- 0.7384 X2+46.456;允许的小髋臼外展角(OImin)和头颈直径比(GR)的关系分别为OImin'1=254.27GR1-3.172,OImin'2=230.58GR2-2.519.髋关节活动度和髋臼安装角度安全范围随着头颈直径比增大而增大；髋关节活动度要求越高,髋臼安装角度安全范围越小.可允许的小髋臼外展角随着头颈直径比的增大而变小.髋臼前倾角与股骨颈前倾角呈负相关.
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一个RNA剪接调控元件分类方法的研究
序列分类方法被广泛应用于各种生物信息学问题,例如转录调控元件识别和蛋白结构预测.本研究设计了一个新的基于序列特征的分类方法,并将其用于RNA剪接调控元件的研究.该方法从已知剪接元件中抽取序列特征,构建一个打分算法,由此预测未知元件RNA剪接调控功能.作为应用实例,采用已知外显子剪接增强子和沉默子(ESE和ESS)八联体作为实验数据,对本方法和若干已知常用方法的预测结果进行比较,3类计算验证实验中的平均预测精度为93％,表现出良好预测精度,且其透明的预测结构可帮助进行生物解释.该研究提供了一种可用于分析生物序列数据的新方法,给出了一个从生物信息学角度来研究基因调控问题的新途径.
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心率变异性多参数分析的BP网络用于心衰诊断的研究
人工神经网络是由大量并行工作的神经元组成的智能仿生模型,它在模式识别领域已经展示出了广阔的应用前景.鉴于单一心率变异性(HRV)指标所表达出来的信息具有片面性,很难用一个单一的指标来完全分类充盈性心衰(CHF)患者和健康人的不足.本研究提出联合HRV信号分析的时域、频域、非线性方法,选取多个指标作为诊断CHF的特征参数,以BP神经网络为分类器实现对充盈性心衰的诊断.经过10 000次的训练、验证与仿真测试,该网络模型对于全样本集的识别正确率优高达99.14％,平均可达86.97％.结果表明:联合线性(时域、频域)以及非线性分析方法可以更全面地揭示心脏的动力学特征,从而提高充盈性心衰的诊断正确率.
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眼组织超声回波频谱特性
眼组织回波频谱是设计眼科超声接收滤波器的基本参数.眼是一个不均匀的器官,所以无法用软组织平均声衰减系数对其回波频谱作出准确的估计.从声学的角度研究了人眼结构,用10 MHz单元超声换能器对人眼在体扫描,观察了回波频谱的变化规律,并在此基础上讨论了眼组织特性的影响.结果表明,球内回波的中心频率的变化很小,但是从眼底开始3～5 mm后的回波中心频率随着深度快速下降,平均斜率约为-0.16 MHz/mm.在探头通带范围内消除探头和电路的影响后观察组织的频谱特性,发现晶状体后囊频谱比较平坦而眼底组织的频谱有随频率升高的趋势.前者特性接近于高反射率的平面靶,而后者接近于瑞利散射子的特性.
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脑机接口的广义核线性判别分析方法研究
针对脑机接口中脑电信号处理,提出了一种基于核方法和广义奇异值分解(GSVD)的广义核线性判别分析( GKLDA)方法,对两类脑电信号进行特征提取.首先在非线性核函数映射的核空间对样本做线性判别分析,针对“小样本采样问题”,采用GSVD求解一种非线性空域滤波器.算法验证中,采用BC1竞赛一数据集、竞赛二数据集Ⅳ和竞赛三数据集ⅢB中S4b等3组公开数据,以及一组自行采集的想象左右手运动的数据,同时分别与核共空间模式(KCSP)、核线性判别分析(KDA)、广义判别分析(GDA)进行对比.分类器采用Fisher线性判别分析分类器.所提出的方法针对3组公开数据,正确率分别为93％、77％、80％,自行数据正确率为97％,且优于其他几种核方法.实验结果表明,GKLDA方法是脑机接口中一种新的有效的特征提取方法.
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一种新特征评价方法在红斑鳞状皮肤病诊断中的应用
针对改进F-score特征评价准则没有考虑特征测量量纲对特征重要性的影响,提出一种新的特征重要性评价准则D-score,避免不同特征测量量纲的影响,衡量样本特征在两类或多类之间的辨别能力.将D-score分别与前向顺序搜索、前向顺序浮动搜索两种搜索策略结合,以支持向量机的分类准确率评估所选特征子集的有效性,结合Filter和Wrapper特征选择方法的优势进行特征选择,得到两种混合特征选择方法.将该方法应用于红斑鳞状皮肤病诊断研究,并与基于改进F-score的混合特征选择方法进行了实验对比.十折交叉验证实验结果显示:在红斑鳞状皮肤病诊断研究中,D-score特征评价准则优于改进的F-score准则,基于D-score和前向顺序搜索策略的诊断准确率提高1.11％；D-score结合前向顺序浮动搜索策略的低诊断准确率提高约3个百分点,平均诊断准确率提高约0.3个百分点,高诊断准确率达到100％.前向顺序浮动搜索中,D-score准则选择的共有特征是改进F-score准则所选择共有特征的子集.所提出的D-score特征重要性评价准则是一种有效的特征区分能力度量准则,在红斑鳞状皮肤病的诊断中选择出了更有分类意义的特征,提高了诊断准确性.
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结合硬斑块特征的心血管内超声图像中-外膜边缘检测
针对心血管内超声(IVUS)图像中-外膜(media-adventitia)边缘检测中,硬斑块和声影等造成中-外膜边缘难以准确检测的问题,提出一种结合硬斑块特征的中-外膜边缘检测方法.首先,采用k均值聚类分割IVUS图像,根据图像中不同类型斑块的成像特点检测硬斑块位置；然后,计算IVUS图像方向梯度,结合斑块位置和图像灰度,获得代价矩阵；后,利用启发式图搜索方法,实现IVUS图像的中-外膜边缘检测.对临床图像的实验结果表明,本方法能克服图像中声影和斑块干扰等问题,使检测正确率达到95.57％,提高了IVUS图像中-外膜边缘检测的准确性.
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实时PCR仪中温度控制系统的研制
研发一套基于DSP式的实时PCR仪温度控制系统.以DSP芯片TMS320F2812为核心,利用DSP产生的PWM波作为控制信号,经功率放大后,驱动半导体加热制冷片.采用惠斯通电桥作为温度传感电路,输出电压经DSP内部的ADC模块后转换成数字量；同时采用常规PID算法实现温度的闭环控制,并采用串行通信接口与上位机进行实时通信.实验结果表明,整体温度控制系统的温度变化速率为3℃/s,温度数据可通过串行通信接口以9 600 b/s的比特率传输至上位机,并绘制温度曲线.
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低温保护剂和降温速率对猪关节软骨压缩杨氏模量的影响
利用动态热机械分析仪(DMA),研究了3种低温保护剂(DMSO、甘油、丙二醇)、4种不同低温保护剂浓度( 10％ V/V、30％ V/V、60％ V/V、80％ V/V)以及两种降温速率(1℃/min和20℃/min)对猪关节软骨杨氏模量的影响.研究结果表明:在相同的低温保护剂浓度条件下,样品经DMSO处理过的杨氏模量大,甘油的次之,丙二醇的小,这是由3种保护剂官能团的水合作用所决定的；随着低温保护剂浓度的增加,杨氏模量也增加,如降温速率为20℃/min时,10％甘油的杨氏模量为1.68 MPa,30％甘油的杨氏模量为2.15 MPa,60％甘油的杨氏模量为2.97 MPa,其它两种低温保护剂也是呈同样的趋势；较慢的降温速率更有利于关节软骨生物力学特性的保存,如新鲜关节软骨的杨氏模量为2.53 MPa,当丙二醇浓度为60％、降温速率为1℃/min时的杨氏模量为2.38 MPa,20℃/min时的杨氏模量为2.25 MPa,其他两种低温保护剂也呈同样的趋势.
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近红外透射法血糖无创检测光学子系统的构建与分析
研究血糖的无创检测技术,对于减轻糖尿病患者的检测痛苦,实现血糖浓度的实时监测具有重要意义.传统的光学方法大都需要利用光谱仪扫描样品光谱,虽获取的数据信息量大,但实验设备复杂,不便于实际推广.使用1 300和1 550 nm两个特定波长的LED并结合光纤结构,构建基于近红外透射原理的血糖无创检测系统.通过对50个1 300 nm波长下光强数据、75个1 550 nm波长下光强数据以及30个空白对照实验数据进行总体分布的秩和检验,证明系统采集到的1 300和1 550 nm两波长下的近红外光强信号与空白对照信号具有显著差异性.同时,两组光强信号均符合正态分布,其中1 300 nm波长下光强信号实验样本值X～ N(4.601,1.1392),1 550 nm波长下光强信号Y～N(4.446,1.0782).研究表明,所构建的系统可有效检测含有血糖信息的近红外光强信号,为后续的数据处理和模型建立奠定基础.
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静电纺纳米纤维基组织工程大孔支架的研究进展
静电纺丝作为一种纳米纤维支架的仿生构建方法,已在组织工程和再生医学领域中得到越来越多的应用和关注.但是,静电纺支架的主要问题是密集排列的纳米纤维之间的空隙很小,阻碍细胞的长入和三维(3 D)组织的形成.为了解决这一问题,近年来已发展了许多用于扩大静电纺纳米纤维支架孔尺寸的制备方法.首先概述组织工程支架中大孔对细胞行为的影响,然后对静电纺纳米纤维3D大孔支架的制备方法和技术研究进展进行综述,讨论这些3D大孔支架促进细胞长入的效果,后对静电纺3D大孔支架在组织工程中应用的主要挑战和前景,提出了看法.
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基于无网格的软组织切割模型的研究进展
具备支持实时交互能力的软组织切割模型对于虚拟手术仿真系统具有至关重要的意义.传统的软组织切割模型多基于网格建立,将软组织切割过程建模为手术刀具与软组织几何模型之间的网格切割计算,并在此基础上建立和求解生物力学方程以描述切割过程.由于网格切割计算代价高且软组织切割过程中涉及到复杂的生物力学问题,很难实现实时交互,严重影响了虚拟手术仿真效果.与此相反,基于无网格的软组织切割模型打破了网格限制,在触觉/视觉逼真度和实时性方面都具有很大优势.文中从力反馈和视觉反馈的渲染质量和速度等方面,就基于无网格的软组织切割模型的研究现状进行了概述,对存在的问题进行了分析和总结,并对未来的发展方向进行展望.
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磁共振成像的电磁安全与限值标准
磁共振成像(MRI)是一种将外源电磁能量输入人体后产生物理效应并转换为医学图像信息的技术,包括静磁场、射频场、梯度场共3种电磁场.这3种电磁场均对生物体产生效应,并且在足够的强度下会对人体产生健康危险,如梯度场的神经刺激、射频场(RF)的热效应等电磁危险性.近10年来,美国食品药品监督管理局(FDA)发出MRI检查导致带动脉夹患者死亡的警告、MRI对带植入性神经刺激器患者伤害的通告、MRI对带金属背衬经皮给药帖片患者带来灼伤的通告.然而,当电磁场强度被限制在一定范围内时,MRI仍然是安全的.分析这3种电磁场主要的生物效应和健康危险,讨论国内外有关MRI电磁安全的限值标准.
| 年 | 期数 |
| 2018 | 01 02 03 04 05 06 |
| 2017 | 01 02 03 04 05 06 |
| 2016 | 01 02 03 04 05 06 |
| 2015 | 01 02 03 04 05 06 |
| 2014 | 01 02 03 04 05 06 |
| 2013 | 01 02 03 04 05 06 |
| 2012 | 01 02 03 04 05 06 |
| 2011 | 01 02 03 04 05 06 |
| 2010 | 01 02 03 04 05 06 |
| 2009 | 01 02 03 04 05 06 |
| 2008 | 01 02 03 04 05 06 |
| 2007 | 01 02 03 04 05 06 |
| 2006 | 01 02 03 04 05 06 |
| 2005 | 01 02 03 04 05 06 |
| 2004 | 01 02 03 04 05 06 |
| 2003 | 01 02 03 04 05 06 |
| 2002 | 01 02 03 04 05 06 |
| 2001 | 01 02 03 04 05 06 |
| 2000 | 01 02 03 04 |
| 1999 | 01 02 |
| 1998 | 01 02 |
| 1994 | 04 |
