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2020年 第3期

论文
Investigation of Vacuum Ultraviolet Photoionization of Methylcyclohexane in Energy Region of 9$ - $15.5 eV
Hang Zhang, Li Yan-bo, Zhu Long, Chen Jun, Yu Ye-peng, Li Zhao-hui, Lin Xuan, Shan Xiao-bin, Liu Fu-yi, Sheng Liu-si
2020, 33(3): 296-302. doi: 10.1063/1674-0068/cjcp1905095
摘要:
Tuning Structural, Electronic, and Magnetic Properties of Black-AsP Monolayer by Adatom Adsorptions: A First Principles Study
Xin Liu, Yu-xiang Ni, Hong-yan Wang, Hui Wang
2020, 33(3): 311-318. doi: 10.1063/1674-0068/cjcp1907136
摘要:
Six-Dimensional $ab$ $ initio$ Potential Energy Surface and Bound States for He-H$ _\textbf{2} $S Complex
Chao-ying Han, Ting Jiang, Hua Zhu, Hong-jun Fan
2020, 33(3): 319-326. doi: 10.1063/1674-0068/cjcp1907145
摘要:
Electronic Stability of Bimetallic Au$ _{\textbf{2}} $@Cu$ _{\textbf{6}} $ Nanocluster: Closed-Shell Interaction and Multicenter Bonding
Ying-ying Ma, Yuan-qin Yu, Long-jiu Cheng
2020, 33(3): 327-333. doi: 10.1063/1674-0068/cjcp1912200
摘要:
Metallophilic interaction is a unique type of weak intermolecular interaction, where the electronic configuration of two metal atoms is closed shell. Despite its significance in multidisciplinary fields, the nature of metallophilic interaction is still not well understood. In this work, we investigated the electronic structures and bonding characteristic of bimetallic Au$ _{2} $@Cu$ _{6} $ nanocluster through density functional theory method, which was reported in experiments recently [Angew. Chem. Int. Ed. 55 , 3611 (2016)]. In general thinking, interaction between two moieties of (CuSH)$ _{6} $ ring and (Au$ _{2} $PH$ _{3} $)$ _{2} $ in the Au$ _{2} $@Cu$ _{6} $ nanocluster can be viewed as a d$ ^{10} $-$ \sigma $ closed-shell interaction. However, chemical bonding analysis shows that there is a ten center-two electron (10c-2e) multicenter bonding between two moieties. Further comparative studies on other bimetallic nanocluster M$ _{2} $@Cu$ _{6} $ (M = Ag, Cu, Zn, Cd, Hg) also revealed that multicenter bonding is the origin of electronic stability of the complexes besides the d$ ^{10} $-$ \sigma $ closed-shell interaction. This will provide valuable insights into the understanding of closed-shell interactions.
Principles of Surface Potential Estimation in Mixed Electrolyte Solutions:Taking into Account Dielectric Saturation
Wen-xin Zou, Jing Peng, Wei-ning Xiu, Xin-min Liu
2020, 33(3): 334-342. doi: 10.1063/1674-0068/cjcp1907132
摘要:
The dielectric properties between in-particle/water interface and bulk solution are significantly different, which are ignored in the theories of surface potential estimation. The analytical expressions of surface potential considering the dielectric saturation were derived in mixed electrolytes based on the nonlinear Poisson-Boltzmann equation. The surface potentials calculated from the approximate analytical and exact numerical solutions agreed with each other for a wide range of surface charge densities and ion concentrations. The effects of dielectric saturation became important for surface charge densities larger than 0.30 C/m$ ^2 $. The analytical models of surface potential in different mixed electrolytes were valid based on original Poisson-Boltzmann equation for surface charge densities smaller than 0.30 C/m$ ^2 $. The analytical model of surface potential considering the dielectric saturation for low surface charge density can return to the result of classical Poisson-Boltzmann theory. The obtained surface potential in this study can correctly predict the adsorption selectivity between monovalent and bivalent counterions.
Interaction of CO and O$ _\textbf{2} $ with Supported Pt Single-Atoms on TiO$ _\textbf{2} $(110)
Shi-hui Dong, Wang Ao-lei, Zhao Jin, Shi-jing Tan, Bing Wang
2020, 33(3): 349-356. doi: 10.1063/1674-0068/cjcp1911198
摘要:
In view of the high activity of Pt single atoms in the low-temperature oxidation of CO, we investigate the adsorption behavior of Pt single atoms on reduced rutile TiO$ _2 $(110) surface and their interaction with CO and O$ _2 $ molecules using scanning tunneling microscopy and density function theory calculations. Pt single atoms were prepared on the TiO$ _2 $(110) surface at 80 K, showing their preferred adsorption sites at the oxygen vacancies. We characterized the adsorption configurations of CO and O$ _2 $ molecules separately to the TiO$ _2 $-supported Pt single atom samples at 80 K. It is found that the Pt single atoms tend to capture one CO to form Pt-CO complexes, with the CO molecule bonding to the fivefold coordinated Ti (Ti$ _{5 \rm{c}} $) atom at the next nearest neighbor site. After annealing the sample from 80 K to 100 K, CO molecules may diffuse, forming another type of complexes, Pt-(CO)$ _2 $. For O$ _2 $ adsorption, each Pt single atom may also capture one O$ _2 $ molecule, forming Pt-O$ _2 $ complexes with O$ _2 $ molecule bonding to either the nearest or the next nearest neighboring Ti$ _{5 \rm{c}} $ sites. Our study provides the single-molecule-level knowledge of the interaction of CO and O$ _2 $ with Pt single atoms, which represent the important initial states of the reaction between CO and O$ _2 $.
Fabrication of Melamine/Tb\begin{document}$ ^{\textbf{3+}} $\end{document}-Intercalated Polydiacetylene Nanosheets and Their Thermochromic Reversibility Test
Qing Wang, Gang Wang, Xia-yun Huang, Dao-yong Chen
2020, 33(3): 357-364. doi: 10.1063/1674-0068/cjcp1907143
摘要:

Polydiacetylene (PDA) is one kind of the conjugated polymer with layered structure, which can serve as a host to accommodate the guest components through intercalation. In these intercalated PDAs, some of them were reported to have a nearly perfect organized structure and perform completely reversible thermochromism. Till now, these reported intercalated PDAs were made by only introducing a single component for intercalation. Here, we chose 10, 12-pentacosadiynoic acid (PCDA) as the monomer, of which the carboxyl-terminal groups can interact with either Tb

\begin{document}$ ^{3+} $\end{document}

ions or melamines (MAs). When the feeding molar ratio of PCDA, MA, and Tb

\begin{document}$ ^{3+} $\end{document}

ion was 3:267:1, only Tb

$ ^{3+} $

ions were intercalated though excess MAs existed. Such Tb

$ ^{3+} $

-intercalated poly-PCDA exhibited completely reversible thermochromism, where almost all the carboxyl groups interacted with Tb

$ ^{3+} $

ions to form the nearly perfect structure. When the feeding molar ratio of PCDA, MA, and Tb

$ ^{3+} $

ion was 3:267:0.6, both Tb

$ ^{3+} $

ions and MAs were intercalated. There existed some defects in the imperfect MA-intercalated domains and at the domain boundaries. The MA/Tb

$ ^{3+} $

-intercalated poly-PCDA exhibits partially reversible thermochromism, where the backbones near the defects are hard to return the initial conformation, while the rest, those at nearly perfect organized domains, are still able to restore the initial conformation.

Highly Sensitive Flexible Pressure Sensors based on Graphene/Graphene Scrolls Multilayer Hybrid Films
Yi-heng Zhai, Tao Wang, Zhi-kai Qi, Xiang-hua Kong, Hang-xun Xu, Heng-xing Ji
2020, 33(3): 365-370. doi: 10.1063/1674-0068/cjcp1907146
摘要:
In recent years, flexible pressure sensors have attracted much attention owing to their potential applications in motion detection and wearable electronics. As a result, important innovations have been reported in both conductive materials and the underlying substrates, which are the two crucial components of a pressure sensor. 1D materials like nanowires are being widely used as the conductive materials in flexible pressure sensors, but such sensors usually exhibit low performances mainly due to the lack of strong interfacial interactions between the substrates and 1D materials. In this paper, we report the use of graphene/graphene scrolls hybrid multilayers films as the conductive material and a micro-structured polydimethylsiloxane substrate using Epipremnum aureum leaf as the template to fabricate highly sensitive pressure sensors. The 2D structure of graphene allows to strongly anchor the scrolls to ensure the improved adhesion between the highly conductive hybrid films and the patterned substrate. We attribute the increased sensitivity (3.5 kPa$ ^{-1} $), fast response time ($ < $50 ms), and the good reproducibility during 1000 loading-unloading cycles of the pressure sensor to the synergistic effect between the 1D scrolls and 2D graphene films. Test results demonstrate that these sensors are promising for electronic skins and motion detection applications.
Facile Green Synthesis of Magnetic Fe$ _\textbf{3} $C@C Nanocomposite using Natural Magnetite
Ju-wen Gu, Yong Bai, Song-bai Qiu, Qian Zhang, Tie-jun Wang
2020, 33(3): 371-375. doi: 10.1063/1674-0068/cjcp1907142
摘要:
One simple and environmental friendly synthesis strategy for preparing low-cost magnetic Fe$ _3 $C@C materials has been facilely developed using a modified sol-gel approach, wherein natural magnetite acted as the iron source. A chelating polycarboxylic acid such as citric acid (CA) was employed as the carbon source, and it dissolved Fe very effectively, Fe$ _3 $O$ _4 $ and natural magnetite to composite an iron-citrate complex with the assistance of ammonium hydroxide. The core-shell structure of the as-prepared nanocomposites was formed directly by high-temperature pyrolysis. The Fe$ _3 $C@C materials exhibited superparamagnetic properties (38.09 emu/mg), suggesting potential applications in biomedicine, environment, absorption, catalysis, etc.
Magnetic Nano-Amorphous-Iron-Oxide-Based Drug Delivery System with Dual Therapeutic Mechanisms
Shan Lei, Li-an Wang, Fu-xing Lin, Kun Zeng, Mo-zhen Wang
2020, 33(3): 376-384. doi: 10.1063/1674-0068/cjcp1906123
摘要:
Smart nanoparticles that respond to pathophysiological parameters, such as pH, GSH, and H$ _2 $O$ _2 $, have been developed with the huge and urgent demand for the high-efficient drug delivery systems (DDS) for cancer therapy. Herein, cubic poly(ethylene glycol) (PEG)-modified mesoporous amorphous iron oxide (AFe) nanoparticles (AFe-PEG) have been successfully prepared as pH-stimulated drug carriers, which can combine doxorubicin (DOX) with a high loading capacity of 948 mg/g, forming a novel multifunctional AFe-PEG/DOX nanoparticulate DDS. In an acidic microenvironment, the AFe-PEG/DOX nanoparticles will not only release DOX efficiently, but also release Fe ions to catalyze the transformation of H$ _2 $O$ _2 $ to $ \cdot $OH, acting as fenton reagents. In vitro experimental results proved that the AFe-PEG/DOX nanoparticles can achieve combination of chemotherapeutic (CTT) and chemodynamic therapeutic (CDT) effects on Hela tumor cells. Furthermore, the intrinsic magnetism of AFe-PEG/DOX makes its cellular internalization efficiency be improved under an external magnetic field. Therefore, this work develops a new and promising magnetically targeted delivery and dual CTT/CDT therapeutic nano-medicine platform based on amorphous iron oxide.
Three-Dimensional Cu-Ni Composite Superamphiphobic Surface via Electrodeposition and Fluorosilane Modification
Wei-yi Liu, Meng-fan Luo, Fang Luo, Yan Liu, Yan-zong Zhang, Fei Shen, Xiao-hong Zhang, Yang Gang, Wang Li-lin, Deng Shi-huai
2020, 33(3): 343-348. doi: 10.1063/1674-0068/cjcp1905109
摘要:
A superamphiphobic (SAP) surface was fabricated by electrodepositing Cu-Ni micro-nano particles on aluminum substrate and modifying via 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorodecyltrimethoxysilane. Scanning electron microscopy, X-ray diffraction, energy-dispersive X-ray spectroscopy, and Fourier-transform infrared spectroscopy were employed to investigate the morphology and chemical composition. The results showed that the SAP surface had three-dimensional micro-nano structures and exhibited a maximum water contact angle of 160.0$ ^{\circ} $, oil contact angle of 151.6$ ^{\circ} $, a minimum water slide angle of 0$ ^{\circ} $ and oil slide angle of 9$ ^{\circ} $. The mechanical strength and chemical stability of the SAP surface were tested further. The experimental results showed that the SAP surface presented excellent resistance to wear, prominent acid-resistance and alkali-resistance, self-cleaning and anti-fouling properties.
共识与指南
尘肺病胸部CT规范化检查技术专家共识(2020年版)
中华预防医学会职业病专业委员会尘肺病影像学组
2020, 37(3): 943-949. doi: 10.13213/j.cnki.jeom.2020.20259
摘要:
高千伏X线胸片是我国GBZ 70—2015《职业性尘肺病的诊断》强制采用的尘肺病诊断、分期工具,常常需要联合应用计算机体层成像(CT)进行鉴别诊断,但胸部CT检查尘肺病缺乏规范性的技术指导。为此,中国卫生监督协会团体标准委员会批准了中国疾病预防控制中心职业卫生与中毒控制所关于《CT用于尘肺病辅助检查指南》的立项申请。在中华预防医学会职业病专业委员会尘肺病影像学组的指导下,项目组撰写了本共识。其中:鉴于尘肺病检查的特殊性,对CT机和附属设备的配置制定了具体要求;为了获得高质量图像,对扫描前的准备、图像层厚等扫描和图像重建参数组合制定了具体要求;基于CT是数字图像的基础,对图像后处理方法提出了具体要求;为了获得规范的大数据,对图像数据的存储也做了相应要求;为了方便使用,制定了CT图像质量评价方法。
高功率激光与光学
建立了 高功率 激光辐 照下光 学表面 存在划 痕且 残存
郭文华, 陶冶, 张蓉竹
2020, 32(3): 031001. doi: 10.11884/HPLPB202032.190303
摘要:

建立了高功率激光辐照下光学表面存在划痕且残存抛光颗粒时的热损伤分析模型,对这种复杂缺陷条件下的光学材料热损伤性能进行了研究。利用有限差分法计算了不同尺度抛光颗粒处于划痕中不同位置时光学材料表面的光场调制和温度场的分布。根据表面温度分布,得到了对应条件下光学材料的热损伤阈值变化规律。结果表明:除了抛光颗粒半径对材料损伤阈值存在影响外,当抛光颗粒位于划痕宽度方向不同位置时,材料的热损伤阈值也会有比较明显的变化;当位于划痕中心时,抛光颗粒对材料光场调制最强,更容易造成材料的熔化损伤。

各向异性堆叠结构环氧树脂复合材料的热防护性能

李佳蓬, 夏岚松, 张平, 刘东
2020, 32(3): 031003. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.001
摘要:

基于导热-隔热原理,通过在环氧树脂(Epon)中添加质量分数为5%,15%,25%的六方氮化硼(h-BN)作为填料制备环氧基散热层,质量分数为1%的膨胀蛭石(E-ver)作为填料制备环氧基隔热层,设计了宏观交替堆叠的环氧复合材料,并进行了热防护性能的研究。研究结果表明:具有各向异性结构的复合材料,顶部中心温度较传统材料的温度下降13~16 ℃,热延迟时间大大提升,并随着h-BN含量的增加,热性能得到明显改善。理论分析了该堆叠结构下复合材料“横向散热、纵向抑热”的机理。

ICF材料专题
液晶相位调控器件的高功率激光应用相关问题
刘晓凤, 赵元安, 彭丽萍, 汪小双, 李大伟, 邵建达
2020, 32(3): 032003. doi: 10.11884/HPLPB202032.190426
摘要:
液晶相位调控器件在聚变点火、激光加工、光电对抗、激光雷达、激光通讯、激光防护等高功率激光领域有着非常广泛的应用及应用前景。但受限于构成器件材料自身抗激光损伤能力的限制以及缺乏对高功率激光辐照下液晶相位调控器件相位调控性能退化及损伤特性的系统研究,目前液晶相位调控器件的激光耐受力还难以满足高功率激光系统的应用和发展需求。为指导高激光耐受力液晶相位调控器件的制备工艺优化,对液晶相位调控器件在高峰值和高平均功率激光应用下出现的损伤现象以及性能退化进行了综述,最后对液晶相位调控器件激光耐受力提升方法做了总结和归纳。
超低密度SiO2气凝胶的制备研究
鄢林, 杨帆, 罗炫, 张林
2020, 32(3): 032004. doi: 10.11884/HPLPB202032.190447
摘要:
超低密度的SiO2气凝胶是一种经典的三维网状纳米多孔材料,已经广泛应用于如保温隔热、吸附等多种领域。以四甲氧基硅烷(TMOS)为硅源,采用酸碱两步法,利用乙醇超临界干燥技术制备了超低密度的SiO2气凝胶,分别利用SEM\TEM\BET等表征手段对该气凝胶进行了一系列的研究,发现当其密度为0.6 mg/cm3时,气凝胶拥有最佳的综合性能。该种气凝胶具有超低密度、高比表面积、加工成型性好、制备周期短等优点,有望在激光惯性约束聚变实验中作为冷冻靶发挥巨大的作用。
太赫兹技术
太赫兹波在飞行器等离子体鞘套中的传输特性
耿兴宁, 徐德刚, 李吉宁, 陈锴, 钟凯, 姚建铨
2020, 32(3): 033101. doi: 10.11884/HPLPB202032.190291
摘要:
针对临近空间飞行器的黑障问题,根据模拟的RAM C-III飞行器周围的流场分布结果,计算了等离子体电子密度和碰撞频率,并根据其分布建立了非均匀的等离子体模型。在此基础上,利用散射矩阵方法分析了太赫兹波在等离子体中的传输特性随着等离子体密度、等离子体厚度、等离子体碰撞频率的变化以及外加磁场对传输特性的影响。结果表明,太赫兹波的传输损耗随着等离子体电子密度和等离子体厚度的增加而增加,而碰撞频率的增加会使得透射率先减小后增加。在外加磁场的作用下,左旋太赫兹波的传输特性会得到改善;而对于右旋太赫兹波,磁场的施加会引入吸收峰,并且随着磁感应强度的增加向高频方向移动。
光电导天线太赫兹辐射峰值调控研究
熊中刚, 邓琥, 熊亮, 杨洁萍, 尚丽平
2020, 32(3): 033102. doi: 10.11884/HPLPB202032.190302
摘要:
针对微结构光电导天线与飞秒激光之间相互作用效应以及辐射太赫兹波调控问题进行了研究。采用德鲁德-洛伦兹理论模型获得微结构光电导天线辐射光电流密度,通过时域有限差分把光电流密度迭代在激励网格上,结合麦克斯韦方程求解时变电磁场,并通过传输线格林函数获得多层介质近场到远场的辐射太赫兹波,建立了辐射光电流与辐射阻抗、电磁共振模式之间的关系模型,模拟仿真分析了微结构S型光电导天线太赫兹波辐射调控机理。研究结果表明:微结构改变了天线等效模型的辐射阻抗;同时得知耦合系数不为零时存在耦合作用,且随着耦合系数增大共振频率峰值发生辐射增强和位移;并通过设计S型光电导天线获得辐射峰值频率调整范围为0.50~0.80 THz之间,对比工形天线辐射峰值频率由原来的0.40 T移动到0.76 T,频率调整度75%,峰值辐射效率约提高70%。该研究工作为后续高功率光导天线太赫兹波辐射的共振中心频点以及结构设计奠定重要基础。
复杂电磁环境
超宽带脉冲环境下射频滤波器非线性响应分析
陆希成, 邱扬, 武静, 田锦, 杨志强
2020, 32(3): 033201. doi: 10.11884/HPLPB202032.190355
摘要:
实验研究发现,射频滤波器在连续波和超宽带脉冲条件下其带外传输性能基本一致,但在带内某些频段,超宽带脉冲环境下滤波器的传递函数远大于1。此外,滤波器在超宽带脉冲下的时域响应还出现了脉冲振荡特征。针对这些现象,从滤波器的非线性无源互调和Q值效应的两个方面,分析了滤波器在超宽带脉冲作用下的响应机理,初步解释了上述现象。此外,通过不同辐射场强下的测量结果可知,滤波器无源互调还出现了非线性现象,使得测量结果的普适性受到一定限制。基于传递函数的预测结果表明,连续波测量结果的预测波形无论是从能量上还是从峰值功率上都明显小于实测结果。这些都反映出,滤波器在超宽带脉冲环境下的响应机理与在连续波环境下的响应机理明显不同,其预测结果也差异较大。也就是说,连续波测量结果不可用于超宽带脉冲的效应分析和评估。
传输线方程的高精度龙格−库塔数值求解方法
王旭桐, 周辉, 马良, 程引会, 李进玺, 刘逸飞, 赵墨, 郭景海, 王文兵
2020, 32(3): 033202. doi: 10.11884/HPLPB202032.190402
摘要:
提出了一种求解传输线方程的高精度龙格-库塔(RK)方法。此方法在空间上采取高阶泰勒展开,提高了对空间微分的近似精度,减少了数值色散所带来的误差。与传统的时域有限差分法(FDTD)方法相比,在每波长采样数相同时,RK方法的计算精度更高。同时,根据Taylor模型,对外界平面波激励源进行离散,成功利用RK方法对外部场激励传输线进行求解,扩大了龙格−库塔方法在求解传输线方程时的应用范围。通过编程对平面波辐照下无限大地平面上的单导体与双导体的算例分别应用FDTD方法与RK方法进行了计算,验证了RK方法的正确性。结果表明同等计算条件下RK方法的计算精度更高。
脉冲功率技术
FLTD三电极场畸变气体开关寿命特性
李颖, 靳建伟, 陈立, 孙凤举, 李兴文, 王志国, 姜晓峰, 吴坚, 李鹏辉
2020, 32(3): 035002. doi: 10.11884/HPLPB202032.190339
摘要:
针对设计的一种场畸变气体开关,研究中间电极材料分别为不锈钢和黄铜条件下的烧蚀特性,结合开关寿命期间静态与触发特性的变化规律,获得决定开关寿命的关键因素,为三电极场畸变气体开关的性能优化提供理论支撑。研究结果表明,采用不锈钢和黄铜作为中间电极的烧蚀区域以及表面粗糙度均随着放电次数增加而增大,黄铜电极烧蚀较为严重且表面有明显的烧蚀圆斑,不锈钢电极则具有更高的表面粗糙度,阴阳极表面烧蚀存在明显差异,随着放电次数的增加,击穿点向电极边缘区域集中,影响开关的沿面绝缘特性,是导致开关寿命终结的主要原因。
单级电磁感应线圈发射器温升研究
熊敏, 张亚东, 龚宇佳, 张虎
2020, 32(3): 035003. doi: 10.11884/HPLPB202032.190300
摘要:
同步感应式线圈型电磁发射器主要采用脉冲电流对线圈直接供电,其实际工作过程中电枢和线圈会产生温升,这是当前制约线圈发射器向小型化、高速发展的一个主要因素。本文通过建立电磁线圈的温升模型,对于单次触发的情况,分别利用Comsol和自编程序Coilgun进行计算,并搭建相应的试验平台进行验证。采用直接耦合方式的Comsol计算结果最为准确,也能考虑材料参数随温度的变化。仿真得到电枢的温升大约为4.2 ℃,线圈最大温升为7.7 ℃。由于热电偶温度传感器的测量延迟性与采样频率的限制,电枢温度试验曲线未能测量到仿真曲线中出现的温度最大值点,可记录到整个试验过程中温度变化曲线,其变化形势以及最终稳定的温度与仿真的基本一致,误差最大为6.1%,说明了仿真的准确性。为后续进行多级线圈连续发射奠定基础。
便携式谐振倍压电容充电电源的设计
张远绎, 凌志斌, 李旭光
2020, 32(3): 035006. doi: 10.11884/HPLPB202032.190400
摘要:
对输入电压为24 V,输出电压3 kV的便携式谐振倍压电容充电电源进行了设计与验证。针对高变压比的特点,电源采用串联谐振拓扑与倍压整流相结合的拓扑结构,避免了高频变压器副边匝数过多、分布参数过大可能造成的不利影响。对高频变压器、谐振电容、开关器件等核心元件进行了设计和调试。最后采用该电源进行电容充电实验,其测试结果验证了设计的正确性。
用于FLTD的陶瓷封装多间隙气体开关
姜晓峰, 丛培天, 周文渊, 王志国, 降宏瑜, 孙铁平
2020, 32(3): 035007. doi: 10.11884/HPLPB202032.190383
摘要:
为了提高多间隙气体开关壳体的寿命、绝缘可靠性和装配的一致性,基于堆栈式多间隙气体开关开展了陶瓷封装多间隙气体开关工艺及击穿特性的研究。对比分析了不同封接工艺对陶瓷金属界面场分布的影响,优选了合理的封接结构。研制了用于FLTD的陶瓷封装多间隙气体开关并对其自击穿特性和触发特性开展了测试,结果表明:开关充干燥空气气压0.3 MPa、耐压±100 kV、峰值电流约30 kA条件下,5 000次放电的触发平均时延36.4 ns,抖动2.8 ns。该结果展示了陶瓷封装气体开关在产品化和免维护方面的优势,在FLTD模块中具有广阔应用前景。
新型冠状病毒肺炎
COVID-19 中国诊疗方案的机器学习智能分析方法
蒲晓蓉, 陈柯成, 刘军池, 文进, 郑尚维, 李鸿浩
2020, 37(3): 365-372. doi: 10.7507/1001-5515.202003045
摘要:
2019 年底暴发的新型冠状病毒肺炎(COVID-19)疫情是人类史上一次重大突发公共卫生事件。中国医学工作者在短时间内,经历了对该未知病毒的逐步认识、证据积累和临床实践。截至目前,中国国家卫生健康委员会在数十天内密集发布了七个版本的《新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案》(简称《诊疗方案》)。然而,快速准确地比较各版本的异同和掌握新版本的重点对临床医护人员和非专业人员来说存在一定困难。本文提出一种基于机器学习的计算机辅助智能分析方法,对文本主题进行无监督学习,自动分析不同版本《诊疗方案》的异同,主动给医护人员推送新版本的关注重点,降低《诊疗方案》解读的专业难度,提高非专业人员对诊疗方案的认识水平。实验证明,与人工解读方式相比较,本文方法能自动计算文本主题,实现主题的精准匹配,准确率达 100%,并可自动生成关键词和语句级别的解读报告,实现《诊疗方案》的计算机自动智能解读。
新型冠状病毒疫苗的研发进展及分析
康庄, 唐梅
2020, 37(3): 373-379. doi: 10.7507/1001-5515.202004025
摘要:
随着新型冠状(简称:新冠)病毒疫情在全球愈演愈烈,越来越多的人们将疫情遏制的希望寄托于新冠病毒疫苗的研发。目前全球已经有多个研究团队,采用了不同的疫苗开发技术路线开展新冠病毒疫苗的研发。本文对目前不同路线新冠疫苗的开发与研究现状进行了综述和分析,同时也探讨了这些不同疫苗今后发展的可能性。
论 著
重复经颅磁刺激显著改善小鼠老化过程中认知损伤及提高神经元兴奋性
朱海军, 丁冲, 李洋, 徐桂芝
2020, 37(3): 380-388. doi: 10.7507/1001-5515.201905072
摘要:
重复经颅磁刺激是一种无创的脑刺激技术,作为一种治疗性神经康复手段备受关注。已有研究表明,高频重复经颅磁刺激可以提高动物在行为测试中的认知能力和神经元兴奋性。本文旨在研究小鼠自然老化过程中,高频重复经颅磁刺激对其认知能力和神经兴奋性的影响。实验采用青年小鼠、成年小鼠、老年小鼠各 12 只,且每个年龄段小鼠被随机分成刺激组和对照组。刺激组小鼠接受连续 15 天的高频重复经颅磁刺激,对照组接受连续 15 天的伪刺激。刺激结束之后,进行新物体识别与跳台测试,用以检查小鼠的学习记忆能力。行为学测试结束之后,进行全细胞脑片膜片钳实验,用以记录并分析海马齿状回颗粒神经元的静息膜电位、动作电位及其相关电特性指标。数据分析表明,小鼠认知能力与神经兴奋性随着老化而显著衰退,高频重复经颅磁刺激能显著改善认知损伤并缓解神经电特性指标的衰退。通过改变海马齿状回颗粒神经元电生理特性以及提高神经元兴奋性,可能是重复经颅磁刺激缓解认知损伤、提高认知能力的机制之一。
焦虑状态前额叶皮层动作电位因果网络连接模式的研究
保学辉, 董浩然, 刘迢迢, 郑旭媛
2020, 37(3): 389-398. doi: 10.7507/1001-5515.201907011
摘要:
焦虑症是常见的情绪障碍类疾病,严重影响着患者正常生活并危害其身心健康。前额叶皮层是焦虑的重要责任脑区。应用清醒动物在体多通道微电极阵列记录技术可以同时获取大鼠在高架十字迷宫(EPM)焦虑状态的动作电位和行为学数据。基于极大似然估计方法(MLE)构建动作电位因果网络,计算网络连接强度和全局效率,定量表征大鼠焦虑状态内侧前额叶皮层动作电位因果网络连接模式。研究发现大鼠在高架十字迷宫封闭臂的进入次数(44.13±6.99)和停留时间(439.76±50.43)s,均高于开放臂的进入次数(16.50±3.25,P<0.001)和停留时间[(160.23±48.22)s,P<0.001]。封闭臂中的动作电位因果网络连接强度(0.017 3±0.003 6)和全局效率(0.044 2±0.012 8),均高于开放臂的网络连接强度(0.010 4±0.003 2,P<0.01)和全局效率(0.034 8±0.011 4,P<0.001),从封闭臂走向开放臂过程中连接强度与全局效率减弱。结果表明内侧前额叶皮层动作电位因果网络变化与焦虑状态有关,该结果可为研究焦虑状态的前额叶皮层脑网络机制提供支持。
基于小波能量矩的嗅觉脑电信号识别
翟文鹏, 张小内, 侯惠让, 孟庆浩
2020, 37(3): 399-404. doi: 10.7507/1001-5515.201910036
摘要:
研究大脑对不同气味的识别能力在嗅觉功能障碍评估和诊断等方面具有重要意义。本文提出将小波能量矩(WEM)作为嗅觉诱发脑电图(EEG)信号特征并用于气味分类。首先,通过试验采集 13 种气味的嗅觉诱发 EEG 数据;其次,从嗅觉诱发 EEG 数据中提取 WEM 作为信号特征,并将功率谱密度(PSD)、近似熵、样本熵及小波熵作为对比特征;最后,利用 k 近邻(k-NN)、支持向量机(SVM)、随机森林(RF)和决策树分类器识别不同的气味。结果表明,使用以上 4 种分类器,WEM 特征分类准确率均高于其它特征,其中 k-NN 分类器与 WEM 特征结合的分类准确率最高(91.07%)。本文进一步对不同 EEG 信号的频带进行了探究,发现大多数基于 γ 频带的分类准确率优于全频带及其他频带,其中 γ 频带 WEM 特征结合 k-NN 分类器的分类准确率最高(93.89%)。本文的研究结果一方面可为嗅觉功能评价提供新的客观依据,另一方面,也可为嗅觉诱发情绪的研究提供新的思路。
基于特权信息集成学习的精神分裂症单模态神经影像计算机辅助诊断
沈璐, 王倩婷, 施俊
2020, 37(3): 405-411, 418. doi: 10.7507/1001-5515.201905029
摘要:
神经影像技术目前已经应用于精神分裂症的诊断。为了提升基于单模态神经影像的精神分裂症计算机辅助诊断(CAD)的性能,本文提出一种基于特权信息学习(LUPI)分类器的集成学习算法。该算法首先对单模态数据采用极限学习机-自编码器(ELM-AE)进行特征二次学习,然后通过随机映射算法将高维特征随机分成多个子空间,并进行两两组合形成源领域和目标领域数据对,用于训练多个支持向量机+(SVM+)弱分类器,最终通过集成学习获得一个强分类器,实现有效的模式分类。本算法在公开的精神分裂症神经影像数据库中进行了实验,包括结构磁共振成像和功能磁共振成像数据。结果表明该算法取得了最优的诊断结果,其在基于结构磁共振成像诊断的分类精度、敏感性和特异性分别可以达到 72.12% ± 8.20%、73.50% ± 15.44% 和 70.93% ± 12.93%,而基于功能磁共振成像诊断的分类精度、敏感性和特异性分别为 72.33% ± 8.95%、68.50% ± 16.58%、75.73% ± 16.10%。本文算法的主要创新点在于克服了传统的 LUPI 分类器需要额外的特权信息模态的不足,可以直接应用于单模态数据分类问题,而且还提升了分类性能,因此具有较为广泛的应用前景。
基于加权 K-阶传播数的情绪脑网络分类研究
钱宇同, 沈健, 张家祯, 何谈沁, 黄丽亚
2020, 37(3): 412-418. doi: 10.7507/1001-5515.201905039
摘要:
脑电信号与人类情绪具有强相关性,情绪脑网络的节点重要性研究为分析情绪脑机制提供了有效手段。本文采用一种新的节点重要性排序方法——加权 K-阶传播数法,设计实现了一种情绪脑网络的分类算法。首先基于 DEAP 情绪脑电数据构建互样本熵脑网络,对正、负情绪下的脑网络分别进行节点重要性排序,以获得多阈值尺度下的特征矩阵。然后通过特征提取和支持向量机实现对情绪的二分类,分类准确率达到 83.6%。结果表明采用加权 K-阶传播数法提取脑网络节点重要性特征进行情绪分类研究是有效的,为复杂网络的特征提取和分析提供了一种新的方法。
基于稀疏偏最小二乘的麻醉意识状态功能连接研究
吴帆, 姜忠义, 毕卉, 张军, 李世通, 邹凌
2020, 37(3): 419-426. doi: 10.7507/1001-5515.201904052
摘要:
麻醉意识状态监测是神经科学基础研究及临床应用中的重要问题,受到广泛关注。本研究为寻找临床麻醉意识状态监测指标,共采集 14 位全麻手术患者在三种意识状态(清醒、中度麻醉、深度麻醉)下各 5 min 静息态脑电数据,对比采用稀疏偏最小二乘(SPLS)和传统的同步似然(SL)方法计算脑功能连接,通过连接特征来区分麻醉前后三种意识状态。通过全脑网络分析,本文 SPLS 方法与传统 SL 方法得到的不同意识状态下的网络参数变化趋势一致,并且采用 SPLS 方法所得结果的差异具有统计学意义(P<0.05)。对 SPLS 方法得到的连接特征运用支持向量机进行分类,分类准确率为 87.93%,较使用 SL 方法得到的连接特征分类准确率高出 7.69%。本文研究结果显示,基于 SPLS 方法进行功能连接分析在区分三种意识状态方面有更好的性能,或可为临床麻醉监测提供一种新思路。
具体与抽象图形对 N200 和 P300 电位的影响研究
李梦凡, 杨光
2020, 37(3): 427-433, 441. doi: 10.7507/1001-5515.201903042
摘要:
增大事件相关电位的幅值是提高 P300 等经典事件相关电位范式下的脑-机接口系统辨识意图准确率的重要方法之一,此类脑-机接口系统常以符号或者被控对象作为视觉刺激,但是何种视觉刺激能够获得更明显的事件相关电位仍然未知。本文设计方形、箭头和机器人附加箭头这三种视觉刺激,分析图片的具体程度对 N200 和 P300 电位的影响,并采用支持向量机辨识该诱发电位来对比不同刺激下的脑-机接口性能。结果显示,与方形相比,机器人附加箭头和箭头都在额叶诱发出幅值更大的 N200 电位(P = 1.6 × 10−3P = 4.2 × 10−2)和潜伏期更长的 P300 电位(P = 2.2 × 10−3P = 1.9 × 10−2)。机器人附加箭头将方形和箭头的 N200 电位幅值数值分别从 3.12 μV 和 5.19 μV 提升至 7.21 μV(P = 1.6 × 10−3P = 8.9 × 10−2),单次准确率从 59.95% 和 61.67% 提升至 74.45%(P = 2.1 × 10−2P = 1.6 × 10−2),单次信息传输率从 35.00 bits/min 和 35.98 bits/min 提升至 56.71 bits/min(P = 2.6 × 10−2P = 1.6 × 10−2)。本研究表明图形的具体性会影响 N200 电位和 P300 电位,箭头虽然能够表征图片的含义并诱发电位,但是机器人附加箭头所包含的信息与人的经验相关度更大,有助于获得更高的电位幅值。该研究可为脑-机接口的视觉刺激界面优化设计提供新的思路。
融合多尺度信息的肺结节自动检测算法
刘秀玲, 戚帅帅, 熊鹏, 刘京, 王洪瑞, 杨建利
2020, 37(3): 434-441. doi: 10.7507/1001-5515.201910047
摘要:
肺结节是早期肺癌的主要表现形式,准确检测肺结节对肺癌的早期诊断和治疗具有重要意义。然而,由于肺部计算机断层扫描(CT)图像背景复杂、检测范围大,且肺结节大小不一、形态各异,所以快速准确检测肺结节是一项极具挑战的工作。为此,本文提出了一种融合多尺度特征的肺结节自动检测算法,实现了肺结节的准确检测。首先,在用于大规模图像识别的深度卷积网络(VGG16)上设计了具有三层模块结构的肺结节检测模型,利用网络第一层模块提取 CT 图像中肺结节特征并粗略地估计肺结节位置;然后利用网络第二层模块融合多尺度的图像特征信息进一步增强肺结节细节特征;而网络第三层模块融合分析第一层和第二层模块的特征,得到多尺度下肺结节候选框;最后利用非极大值抑制方法对多尺度下肺结节候选框进行概率分析,得到最终的肺结节位置。本文应用肺部影像数据库联盟(LIDC)公共数据集上的肺结节数据对所提算法进行了验证,平均检测精度达到 90.9%。本研究成果可应用于肺结节自动筛查系统,有助于提升肺结节筛查精度。
血管内皮细胞条件培养基对肝癌细胞上皮-间质转化的影响
许博闻, 何佳, 高文博, 苏冠月, 刘肖珩, 沈阳
2020, 37(3): 442-449. doi: 10.7507/1001-5515.201907041
摘要:
本文旨在研究间接共培养条件下血管内皮细胞分泌或代谢产生的物质对于肝癌细胞上皮-间质转化(EMT)的影响。体外培养人肝癌细胞系 QGY-7703,并与人脐静脉内皮细胞(HUVEC)条件培养基进行共培养;倒置相差显微镜观察肝癌细胞形态学的变化;划痕实验分析肝癌细胞迁移能力的变化;Western blot 及免疫荧光实验检测条件培养基对肝癌细胞 EMT 相关蛋白表达及分布的影响。结果表明,共培养后,QGY-7703 细胞逐渐由多边形变为纺锤形,迁移能力显著提高,EMT 相关标志物的表达及分布均出现时序性变化。研究结果证实,间接共培养条件下,血管内皮细胞可诱导肝癌细胞发生 EMT。
钙联蛋白在心肌成纤维细胞活化过程中的作用研究
田格尔, 赵明月, 周骏腾, 权月, 吴文超, 刘小菁
2020, 37(3): 450-459. doi: 10.7507/1001-5515.202001052
摘要:
钙联蛋白(Calnexin)是内质网上的凝集素样分子伴侣蛋白,也是线粒体结合内质网膜上的重要蛋白,在心脏疾病中发挥着重要作用,但其在心肌成纤维细胞活化中的作用和机制并未阐明。本研究通过小鼠胸主动脉缩窄(TAC)模型来观察体内心肌纤维化情况,并利用心脏超声,苏木精-伊红、Masson 和天狼星红染色,以及心脏纤维化标志物表达水平,鉴定模型是否成功。体外实验利用转化生长因子 TGFβ1 刺激建立心肌成纤维细胞活化模型,通过定量 PCR、Western blot、EdU 渗入法及划痕实验等方法检测其活化、细胞增殖、迁移的变化。利用腺病毒过表达和沉默 Calnexin,来观察 Calnexin 在体外心肌成纤维细胞活化中的作用。结果显示,Calnexin 在 TAC 模型和体外心肌成纤维细胞活化过程中均表达降低。过表达 Calnexin 能缓解心肌成纤维细胞活化;相反,沉默 Calnexin 导致其活化加重。进一步探究发现,内质网应激在心肌成纤维细胞活化过程中被激活,过表达 Calnexin 后内质网应激缓解,相反,敲低 Calnexin 后内质网应激加重,与活化表型变化一致。结果表明,过表达 Calnexin 可能通过缓解内质网应激从而减轻心肌成纤维细胞的活化程度。
方格星虫水提物促小鼠皮肤创伤愈合及作用机制的研究
郑志鸿, 章超桦, 林海生, 曾少葵, 秦小明, 曹文红, 陈海源
2020, 37(3): 460-468, 479. doi: 10.7507/1001-5515.201908008
摘要:
为探讨方格星虫水提物(SNE)促进小鼠皮肤创伤愈合的活性及其机制,测定 SNE 的止血作用,建立小鼠全皮层创伤模型,观察伤口愈合形态并测定愈合率;采用苏木素-伊红(HE)、马森(Masson)染色、透射电镜(TEM)观察创面的组织结构;实时荧光定量聚合酶链式反应(qRT-PCR)检测细胞因子及其相关蛋白的表达水平。结果显示,SNE 具有止血作用,能明显提高小鼠创伤愈合率并缩短掉痂时间(P < 0.05)。研究中,SNE 组小鼠表皮生长完全、创面毛细血管和胶原纤维增生明显优于空白(NT)组;第 7 d,SNE 明显降低白细胞介素-1β(IL-1β)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和转化生长因子-β1(TGF-β1)的表达水平( P < 0.05);第 28 d,相比于 NT 组,SNE 组的 Smad7 表达水平上调,TGF-β II 型受体(TGF-βRII)、I 型胶原蛋白(COL1A1)和 α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)的表达水平下调,差异具有统计学意义( P < 0.05),而与云南白药组(PC 组)的差异无统计学意义( P > 0.05)。结果表明,SNE 具有促进伤口愈合活性和抑制增生性瘢痕生成作用,其作用机制与止血、调节炎症因子、促进胶原纤维重塑以及调控 TGF-β/Smads 信号通路传导有密切关联。SNE 作为皮肤创伤修复和抑制瘢痕制剂,具有潜在的临床应用价值。
Increased TRIM5 is associated with a poor prognosis and immune infiltration in glioma patients
Yue CHEN, Qin LI, Jie ZHANG, Rui GU, Kai LI, Gang ZHAO, Hang YUAN, Tianyu FENG, Deqiong OU, Ping LIN
2020, 37(3): 469-479. doi: 10.7507/1001-5515.202004064
摘要:
Tripartite motif 5 (TRIM5) plays a significant function in autophagy and involves in immune and tumor processes. While the function of TRIM5 remains poorly understood in glioma. We purpose to evaluate the possible prognostic role of TRIM5 in glioma via bioinformatics analyses. The database clinical samples of glioma in this study included low grade glioma (LGG) and glioblastoma multiforme (GBM). TRIM5 expression in glioma tissues were explored in Oncomine, GEPIA and The Cancer Genome Atlas (TCGA) databases. Survival analysis and the multivariate Cox regression analysis of TRIM5 based on TCGA were used to evaluate the prognostic role of TRIM5. The protein networks of TRIM5 was detected by STRING database. KEGG enrichment analyses were performed to predict the potential molecular pathways of TRIM5 in glioma. In addition, immune infiltration analysis was conducted by CIBERSORT and TIMER databases. We found that TRIM5 was strongly increased in glioma samples compared with normal samples in Oncomine, GEPIA and TCGA databases. Higher TRIM5 was significantly contributed to worse overall survival (OS) in LGG+GBM patients and LGG patients, while was no correlated with OS of GBM patients. Interaction networks analysis identified that IRF3, IRF7, OAS1, OAS2, OAS3, OASL, GBP1, PML, BTBD1 and BTBD2 proteins were contacted with TRIM5. Moreover, KEGG revealed that apoptosis and cancer- and immune-related pathways were enriched with elevated TRIM5. Specifically, TRIM5 could influence the immune infiltration levels, such as activated NK cells, monocytes, activated mast cells and macrophages in glioma. In conclusion, our data indicated that TRIM5 was upregulated in glioma tissues and associated with poor prognosis and immune infiltration. TRIM5 may be acted as a biomarker in prognosis and immunotherapy guidance of glioma.
基于弥散张量成像对精神分裂症药物治疗不同反应者的研究
曾嘉欣, 张文静, 付桂, 肖媛, 唐碧秋, 姚骊, 吕粟
2020, 37(3): 480-486. doi: 10.7507/1001-5515.201905062
摘要:
本文旨在探索首发未用药状态下,抗精神病药物治疗不同反应的精神分裂症患者白质参数是否存在不同模式的改变。采集 60 例首发未用药精神分裂症患者(药物治疗有效者 39 例,难治者 21 例)与 69 例年龄、性别匹配的健康对照的磁共振弥散张量成像(DTI)数据,运用 FSL 软件进行数据处理,提取反映白质微结构完整性的参数并进行确定性的纤维追踪,并基于纤维追踪的结果构建网络矩阵,通过方差分析比较三组间白质参数及白质连接网络拓扑属性的差异。结果发现相比于健康对照,药物治疗有效组白质异常主要表现在丘脑前辐射、胼胝体压部、扣带束和上纵束,而药物难治组白质异常主要分布在丘脑前辐射、扣带束、穹隆和脑桥交叉纤维束。药物难治组在丘脑前辐射表现出比药物治疗有效组更严重的白质异常。此外,三组被试之间白质连接网络拓扑属性差异无统计学意义。支持向量机(SVM)的结果显示两个患者亚组之间分类的准确度为 63.37%(P = 0.04)。该研究表明精神分裂症抗精神病药物治疗不同反应者存在不同模式的白质微结构完整性损伤,这对基线未用药状态下区分和治疗不同反应患者、改善患者预后具有指导作用。
新技术与新方法
基于心外膜标测的心房易颤性评估
何凯悦, 杨翠微
2020, 37(3): 487-495, 501. doi: 10.7507/1001-5515.201910005
摘要:
心房颤动(简称:房颤)是临床上最常见的心律失常,可引起血流动力学改变、心力衰竭、脑卒中等并发症,严重影响着人类的生命健康。作为一种自身促进性疾病,房颤的治疗难度会随着病情恶化逐渐增加,早期预测和干预是遏止病情恶化的关键。基于此,本文通过控制乙酰胆碱静脉注射剂量,改变了 5 只杂交犬的心房易颤性,并尝试通过分析不同状态窦性心律下心房心外膜的电活动特性来评估心房易颤性。本文主要从心房激动间期变异性、心房最早激动点转移、心房激动时延变化、左右心房失步四个方面提出 4 项指标来研究心房的激动规律,并利用二元逻辑回归分析,将多项指标转化为房颤诱发成功概率,从而对窦性信号进行分类。分类的敏感性、特异性和准确率分别达到 85.7%、95.8% 和 91.7%。实验结果表明,本文方法具有评估心房易颤性的能力,对房颤的提前预测和干预具有重要的临床意义。
基于综合 DNA 序列特征的支持向量机方法识别核小体定位
崔颖, 徐泽龙, 李建中
2020, 37(3): 496-501. doi: 10.7507/1001-5515.201911064
摘要:
本文基于 Z 曲线(z-curve)理论和位置权重矩阵(PWM)提出一种构建核小体 DNA 序列的模型。该模型将核小体 DNA 序列集转换成三维空间坐标,通过计算该序列集的位置权重矩阵获得相似性权重得分,将两者整合得到综合序列特征模型(CSeqFM),并分别计算候选核小体序列和连接序列到模型 CSeqFM 的欧氏距离作为特征集,投入到支持向量机(SVM)中训练和检验,通过十折交叉验证进行性能评估。结果显示,酵母核小体定位的敏感性、特异性、准确率和 Matthews 相关系数(MCC)分别为 97.1%、96.9%、94.2% 和 0.89,受试者操作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲线下面积(area under curve,AUC)达到 0.980 1。与其他相关 Z 曲线方法比较,CSeqFM 方法在各项评估指标中均表现出优势,具有更好的识别效果。同时,将 CSeqFM 方法推广到线虫、人类和果蝇的核小体定位识别中,AUC 均高于 0.90,与 iNuc-STNC 和 iNuc-PseKNC 方法比较,CSeqFM 方法也表现出较好的稳定性和有效性,进一步表明该方法具有较好的可靠性和识别效能。
基于稳态视觉诱发电位的脑控轮椅室内模拟训练系统
王金海, 王康宁, 陈小刚, 王慧泉, 徐圣普, 刘明
2020, 37(3): 502-511. doi: 10.7507/1001-5515.201906025
摘要:
脑控轮椅(BCW)是脑-机接口技术的重要应用之一,目前研究表明,模拟控制训练对 BCW 应用具有重要意义。为了在保证安全的情况下提高使用者的 BCW 控制能力,达到促进 BCW 应用的目的,本文基于稳态视觉诱发电位搭建了 BCW 室内模拟训练系统。该系统包括视觉刺激范式设计与实现、脑电信号采集与处理、室内模拟环境建模、路径规划和模拟轮椅控制等。为测试该系统性能,本研究设计了三种室内路径控制任务,共招募 10 名受试者进行为期 5 d 的训练试验。比较训练试验前后结果发现,受试者完成任务一、任务二和任务三时,所用平均命令个数分别下降 29.5%、21.4%、25.4%(P < 0.001),整体所用命令个数平均下降 25.4%( P < 0.001)。试验结果表明,通过本文搭建的室内模拟训练系统对受试者进行训练,能够在一定程度上提高受试者对 BCW 控制的熟练度和操控效率,证明了本文系统的实用性,为促进 BCW 室内应用提供了一个有效的辅助方法。
仿生咀嚼机器人弹性颞下颌关节设计与性能分析
秦文龙, 丛明, 任翔, 温海营, 刘冬
2020, 37(3): 512-518, 526. doi: 10.7507/1001-5515.201812051
摘要:
咀嚼机器人在义齿材料测试和下颌康复训练领域具有广阔的应用前景,而颞下颌关节的机构型式是影响咀嚼机器人性能表现的重要因素。鉴于目前弹性元件已在仿生机器人领域得到广泛应用,因此本文在点接触高副的基础上采用弹性元件模拟颞下颌关节内关节盘缓冲振荡的生物力学特点,形成弹性颞下颌关节机构型式;然后,本文探讨了弹性颞下颌关节对咀嚼机器人在自由度、运动学与动力学等方面的影响,根据关节面几何约束对颞下颌关节的位置与速度进行运动学分析,并进行基于拉格朗日方程的动力学分析;最后,使用响应面法对弹性元件预载荷以及刚度取值的影响进行分析。本文结果表明,弹性颞下颌关节能够有效保证关节的灵活运动与稳定受力。综上,本文所提出的弹性颞下颌关节机构方案进一步提升了咀嚼机器人仿生性,也为粘弹性关节盘的仿生设计提供了新思路。
基于深度主动学习的白带白细胞智能检测方法研究
鞠孟汐, 李欣蔚, 李章勇
2020, 37(3): 519-526. doi: 10.7507/1001-5515.201909040
摘要:
白带显微图像中白细胞的数量可以提示阴道炎症的严重程度。目前对白带中白细胞的检测主要依靠医学专家们的人工镜检,这种人工检查耗时、昂贵且容易出错。近年来,有研究提出基于深度学习技术对白带白细胞实现智能检测,但是这类方法通常需要人工标注大量的样本作为训练集,标注代价高。因此,本研究提出运用深度主动学习算法来实现对白带显微图像中白细胞的智能检测。在主动学习框架下,首先以少量的标注样本作为基础训练集,采用更快的卷积神经网络(Faster R-CNN)训练检测模型,再自动挑选最有价值的样本进行人工标注,从而迭代更新训练集和相应的检测模型,使模型的性能不断提高。实验结果表明,深度主动学习技术能在较少的人工标注样本下获得较高的检测精度,对白细胞检测的平均精度达到了 90.6%,可以满足临床常规检查要求。
综 述
球窝型人工腰椎间盘假体研究现状
项顶顶, 祝佳, 王松, 廖振华, 刘伟强
2020, 37(3): 527-532, 540. doi: 10.7507/1001-5515.201909044
摘要:
人工腰椎间盘置换术是治疗椎间盘退行性病变、缓解腰背痛的有效方式。球窝型人工腰椎间盘是最常用的假体类型。本文回顾了球窝型人工腰椎间盘假体的历史,综述了金属—聚合物、金属—金属和聚合物—聚合物不同组合配副的球窝型人工腰椎间盘假体产品现状。结合最新研究进展,分析球窝型人工腰椎间盘假体结构设计因素及影响,并对球窝型人工腰椎间盘假体未来的发展加以展望,以期为设计球窝型人工腰椎间盘假体提供更加全面系统的理论参考。
基于卷积神经网络的语义分割在医学图像中的应用
吴玉超, 林岚, 王婧璇, 吴水才
2020, 37(3): 533-540. doi: 10.7507/1001-5515.201906067
摘要:
随着网络结构的迅速发展,卷积神经网络(CNN)在图像分析领域已成为一种领先的机器学习工具。因此,基于 CNN 的语义分割也已成为医学图像理解中的一项关键高级任务。本文综述了基于 CNN 的语义分割在医学图像领域中的研究进展,回顾了多种经典的语义分割方法及其架构变化,并重点介绍了它们在该领域的贡献和意义。在此基础上,进一步总结和讨论了它们在一些重要的生理与病理解剖结构分割中的应用。最后,本文讨论了语义分割在医学图像领域应用将遭遇的挑战和潜在发展方向。
多尺度熵算法研究进展及其在神经信号分析中的应用
覃国萍, 李双燕, 徐桂芝
2020, 37(3): 541-548. doi: 10.7507/1001-5515.201908044
摘要:
脑神经电生理信号的内在特征变化能够反映脑功能的正常与否,因此有效的特征提取分析方法有利于脑功能异常的早期诊断与相关疾病的治疗。近年来的研究表明,神经电信号具有非线性和多尺度的特性。基于此,科研人员近来发展了适用于多尺度非线性信号分析的多尺度熵(MSE)算法,并在神经信息科学领域得到了广泛应用。本文对 MSE 算法的原理和特性进行了介绍,并进一步介绍了几种在实际应用中针对 MSE 算法的一些不足而提出的相关改进算法。然后,对 MSE 及其改进算法在疾病诊断、脑功能分析以及脑-机接口等方面的应用进行了综述。最后,对上述各算法在神经信号分析中面临的挑战及其可能的发展方向进行了探讨。