碳纳米管及其复合材料在生物医学领域的研究进展
摘要： 碳纳米管是一种新型碳材料,具有特殊的纳米结构和优异的力学、电学和磁学性能,在生物医学领域显示出诱人的潜在应用价值和前景,吸引了越来越多的研究者的关注.本文简要介绍了碳纳米管的基本结构与性能,并对近年来碳纳米管在生物大分子的修饰与特异性识别、细胞体外生长支架、植入性生物医学材料、生物医学传感器以及生物医学微电子器件等方面的研究进展和发展趋势进行了综合评述.
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基于卷积神经网络提取超声图像甲状腺结节钙化点的研究
超声是检测甲状腺结节的首选方法,钙化特征是甲状腺结节良恶性判别的重要特征.但是由于囊壁等结节内部结构的干扰,钙化点提取一直是医学影像处理技术中的难点.本文提出了一种基于深度学习算法的钙化点提取法,并在阿列克谢(Alexnet)卷积神经网络的基础上提出了两种改进方法:①通过添加逐层对应的反池化(unpooling)和反卷积层(deconv2D)使网络向着所需要的特征进行训练并终提取出钙化特征;②通过修改Alexnet模型卷积模板的数量和全连接层节点的数量,使其特征提取更加精细;终通过两种方法的结合得到改进网络.为了验证本文所提出的方法,本文从数据集中选取钙化结节图像8 416张、无钙化结节图像10 844张.改进的Alexnet卷积神经网络方法的钙化特征提取准确率为86％,较传统方法有了较大提升,为甲状腺结节的良恶性识别提供了有效的手段.
关键词： 甲状腺结节 钙化点 卷积神经网络 阿列克谢卷积神经网络 -
姜黄素/聚(α-氰基丙烯酸异丁酯)载药微球的制备及其药物释放
以α-氰基丙烯酸异丁酯(iBCA)为原料、泊洛沙姆188为乳化剂,以捏合法制得的姜黄素(Cur)/羟丙基-β-环糊精(HP-p-CD)包合物(Cur-HP-β-CD)为负载药物,经一步乳化法制得姜黄素/聚(α-氰基丙烯酸异丁酯)载药微球(Cur-HP-p-CD-PiBCA).考察乳化剂、负载药物的浓度对微球粒径与分布、微球载药率及包封率的影响,并对载药微球的药物释放进行了研究.结果表明:随着乳化剂浓度从0.01％增加到0.07％,载药微球粒径下降,粒径分布变宽,载药率和包封率均增加,适宜的乳化剂浓度为0.05％;随着药物浓度从0.03％增加到0.07％,微球载药率升高,包封率下降;载药微球的载药率越高,终的药物累积释放百分率越低.姜黄素经包合和负载,不仅可以有效改善其亲水性,而且可以提高其溶出度,为提高姜黄素的生物利用度奠定了基础.
关键词： 姜黄素 α-氰基丙烯酸异丁酯 载药微球 药物释放 -
一种可穿戴式心冲击信号-心电信号联合采集系统
心冲击图(BCG)和心电图(ECG)分别从力学和电学两个维度实现心脏功能的检测.通过提取两种信号相应的特征参数并进行联合分析,可以反映心脏收缩性能等重要心脏生理指标.针对目前相关采集设备复杂笨重的缺点,本文设计了一种可穿戴式BCG-ECG信号联合采集系统,实现了基于加速度计的BCG信号采集和基于导电橡胶电极的ECG信号采集.通过采集6名健康人的信号,以压电薄膜采集的BCG信号为参考信号,对比信号波形特征,并分析心动周期采集的差异性.设备采集两种信号的波形特征与标准信号一致,两种信号在心动周期采集方面与传统方法无明显差异.结果表明,该套系统能精确采集人体BCG信号和ECG信号,为后续在BCG信号形成机制以及健康应用方面的研究提供基础.
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基于通用赤池信息量准则改进维纳-格兰杰因果索引算法的颅内脑电效应连通性研究
本文的目标是处理并分析使用深度电极在难治性癫痫患者癫痫发作期间其大脑皮层中记录到的癫痫脑电信号间的大脑效应连通性.维纳-格兰杰因果索引算法是一种众所周知的检测脑电信号间大脑效应连通性的有效方法.它是一种基于线性自回归模型的方法,而模型参数估计问题在其用于脑电因果效应连通性研究中的计算准确性与鲁棒性方面起着至关重要的作用.本文针对这一问题,使用了我们提出的改进的赤池信息量准则来估计算法中自回归模型的模型阶数,以提高维纳-格兰杰因果索引算法检测大脑效应连通性的性能.实验仿真结果表明:不管是在线性随机系统中还是在能生成模拟癫痫信号的生理模型中,该改进的维纳-格兰杰因果索引算法在检测脑效应连通性上都表现出良好的鲁棒性.
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基于t分布邻域嵌入算法的流式数据自动分群方法
流式细胞仪中多参数流式数据分群传统方法主要是利用专业软件采取人工设门方式,圈出目标细胞进行分析,分析过程较为复杂,专业性较强.基于此,本文提出了一种基于t分布邻域嵌入(t-SNE)算法对多参数流式数据进行分群处理.该算法将样本数据在高维空间中的欧几里德距离转化为条件概率来表征相似性,使数据降到低维空间.本文通过使用流式细胞仪处理染色后的人体外周血细胞,并将处理后的数据导出作为实验样本数据,对其利用t-SNE算法进行降维,并与核主成分分析(KPCA)降维算法对比,分别使用K均值(K-means)算法对降维得到的主成分数据进行分类.结果表明,t-SNE算法对呈非对称且有拖尾分布的细胞类群具有很好的分群效果,分群准确率可达92.55％,或可有助于多色多参数流式数据进行自动分析.
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基于有限元模型的不同年龄儿童胸部碰撞损伤研究
基于已验证有效的3岁组和6岁组儿童乘员胸腹部有限元模型,本文重构了儿童尸体胸部撞击实验.通过合理设计有限元仿真实验方案,探讨了撞锤大小、胸部组织材料参数和胸部解剖学结构特征参数等因素对3岁、6岁两组儿童胸部碰撞响应的影响.研究结果表明,针对不同大小的撞锤冲击时,3岁组儿童胸部接触力峰值变化量远大于6岁组,对撞锤改变的响应更敏感;而针对胸部组织材料参数的不同,由于本研究中3岁组和6岁组儿童胸部组织材料参数差异较小,其对胸部损伤响应的影响不明显;针对胸部解剖学结构特征参数而言,3岁组和6岁组儿童胸部因内脏大小、位置等几何解剖学结构的不同,导致碰撞时肋骨变形对内脏挤压位置和挤压程度不同,从而其胸部损伤有明显不同.因此通过本文的研究结果可以得出以下结论,根据儿童解剖学结构特征构建高生物仿真度的有限元模型对研究其胸部损伤机理具有重要意义.
关键词： 儿童胸腹部有限元模型 胸部材料参数 解剖学特征 碰撞仿真 胸部损伤 -
基于theta-gamma相位幅值耦合的脑疲劳信息传递整合机制研究
脑疲劳是长期脑力活动产生主观疲劳的状态,是影响脑力工作者健康的核心问题,但其对大脑信息传递整合过程的影响至今尚不清楚.因此本文采用相位-幅值耦合(PAC)方法对脑疲劳前后theta节律和gamma节律的脑电进行研究,以更好地解释脑疲劳对大脑信息传递机制的影响.实验采用4小时专业科技英语阅读诱发脑疲劳,利用脑电仪记录了14名男性在校本科生志愿者在脑疲劳前后的脑电信号.使用相位-幅值耦合方法进行分析,并对结果进行了t检验.结果显示,全脑区域90％以上电极的theta相位共同调制右侧中央区和右侧顶叶区电极的gamma幅值,并且这种耦合作用在脑疲劳后显著下降(P＜0.05).本研究表明theta-gamma之间的相位-幅值耦合变化能更好地解释脑疲劳对大脑信息传递整合机制的影响,有望成为一种新的脑疲劳检测指标,同时也为神经调控缓解脑疲劳的效果提供了评价手段.
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关节软骨缺损修复区应力状态分析
本文基于横观各向同性理论建立关节软骨固液耦合双相三维缺损及修复的有限元模型.本文通过研究邻近修复界面的宿主软骨的应力状态判别其变形类型,探讨致软骨修复界面开裂的原因.研究表明,表层缺损修复时,邻近修复界面的宿主软骨表面节点发生压缩变形;中间层、深层或全层缺损修复时,节点发生拉伸变形,此时软骨径向尺寸增加,修复界面易开裂.若采用全层缺损修复,组织工程化软骨(TEC)的弹性模量较低(0a MPa、0.3 MPa)时,邻近修复界面的宿主软骨表层和中间层主要发生拉伸变形;TEC的弹性模量较高(0.6 MPa、0.9 MPa)时,宿主软骨各层均发生压缩变形.因此,全层缺损修复时,可适当增大TEC的弹性模量.本文为评估软骨组织工程修复效果提供了新的思路,或对临床有一定的指导意义.
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炭基复合材料生物相容性研究
本文采用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺在炭/炭复合材料(c/c)表面制备炭化硅(SiC)涂层以及二氧化硅(SiO2)涂层.通过C/C、C/C-SiC、C/C-SiO2这3种炭基复合材料的细胞毒性实验、细胞直接接触实验和细胞黏附实验,考察炭基复合材料的生物相容性.细胞毒性、细胞直接接触和细胞黏附实验结果均表明,3种材料的细胞毒性均合格,生物相容性良好.但材料脱落的颗粒对噻唑蓝(MTT)法评价细胞毒性的准确性干扰很大,颗粒脱落越多,对小鼠成纤维细胞(L929细胞)抑制生长的影响越明显.因此,如用MTT法进行细胞毒性评价,材料的浸提液需要过滤处理.材料表面颗粒脱落实验结果显示,72 h内3种材料表面颗粒脱落量为C/C-SiO2＞C/C＞ C/C-SiC,脱落曲线呈偏峰现象,在8h达到峰值,至36 h趋于平稳;滤液分析显示,3种材料与模拟体液(SBF)溶液之间无离子交换现象.本文对炭基复合材料生物相容性的研究结果或对其今后在临床领域的应用具有一定指导意义.
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一种用于鲤鱼机器人的光刺激装置及光控实验方法
为解决水生动物机器人因植入脑电极而产生的脑组织损伤、出血、感染和水肿等问题,本文提出了一种用于鲤鱼机器人的光刺激装置及光控实验方法.该装置是根据鲤鱼颅骨形状用万能板切割而成“王”字型结构,可为光刺激源提供A、B、C三组搭载桥平台,每组搭载桥两端各焊接一个跳线板,将发光二极管(LED)作为光刺激源插入跳线板中,将跳线板所有负极通过导线连接到控制台,LED灯根据波长需要可以更换,还可选择多种组合光刺激方式.将该装置搭载于鲤鱼头部,将鲤鱼机器人置于水迷宫中,观察应用光控方法在暗光下控制鲤鱼机器人(n=10)前进及转向等运动.结果显示,三组红光光控实验成功率在53％～87％,三组蓝光光控实验成功率在50％～80％.研究表明该装置与方法具有可行性.
