多模态神经影像数据分析系统

马丽敏

清华大学/生物与新医药

多模态数据信息融合(Information fusion of Multimodal data)是联合或集合从不同传感器采集的数据携带的信息的处理过程。神经影像信号是对中枢神经系统(脑和脊髓)的信息进行采集获得的信号,包括CT、MRI、EEG、MEG等信号。由于这些信号的采集原理不同、采集的信息不同、信号的表现形式不同,而被称为多模态神经影像信号。多模态神经影像数据已经广泛应用于医学、神经科学、心理学等学科的科学研究和临床应用,但是,如何管理这些数据、如何挖掘这些数据中的信息、如何表达特征信息、如何联合多模态信息来优化决策系统等是目前学术界和应用领域共同面临的问题。目前有很多针对神经影像数据处理的开源软件和工具包,如FSL、SPM、DTIStudio、4DSlicer、DPARSF、Medical imaging toolkit和3D可视化工具包等,但还没有一个完整的方便跟踪研究的集成系统。

本成果的多模态神经影像数据分析系统可以为科学研究和临床分析,特别是脑科学和辅助神经外科、神经康复的预后和疗效评估等,提供一套合理的自动数据管理、信息挖掘、跟踪对比和评估框架和方法,包括数据信息编码、自动生理信息挖掘流程、特征数据管理、特征表达和评估等五方面。本项目系统框架如图1所示,包括:脑多模态数据信息融合、自动处理、跟踪(follow-up)、预后和评估、隐私保护和特征数据分享等关键技术集合。

 

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图1 多模态神经影像数据分析系统示意图

 

利用本系统,可实现以下效果:使采集的神经影像数据以及提取出来的特征数据与研究信息保持对应关系;通过设计自动处理流程,方便自动数据更新、特征信息挖掘和融合等;无需人工选择,保证数据处理的客观、高效和可重复,为科学研究或健康医学数据分析提供一套合理的框架和方法;对研究信息、扫描信息、关键中间结果、对各模态数据提取的特征和特征表达结果等进行统一管理。可以对上述数据实现远程访问,远程访问的方式既包括网络浏览器,也包括桌面或移动的App程序。本系统具有强扩展性,可以方便地增加数据,增加处理结果,在不同平台上编写应用。本系统底层是可扩展的,可以使用不同的数据库服务和存储服务等。本系统还具有强易用性,使得整个系统结构清晰,便于维护和管理;各服务访问接口设计合理,便于使用。

用于缺损外周神经功能修复的液态金属植入装置

马丽敏

清华大学/生物与新医药

神经系统是人体内主要的功能调节系统之一,同时神经系统也是人体对外界环境变化做出相应反应的指挥官。因此,一旦神经出现损伤,尤其当损伤出现在调节机体重要生命活动的神经上,将会严重影响人们的生活质量,可能会引起运动障碍、瘫痪,甚至导致死亡。

外周神经缺损后修复与再生问题一直是国内外神经科学领域的学者及临床医生关注的焦点问题。目前,神经移植的方法效果较好,但会因自体神经来源受限且造成供区功能丧失等问题而价值有限。为解决神经移植难题,许多学者从材料入手,选取安全、可降解及生物相容性好的材料,制成人造神经修复导管,用于桥接两断段。也有许多学者在此基础上,选取特定的材料制成带有微管或者支架结构引导神经生长,同时加入各种神经营养因子、促进神经生长因子和引导神经生长的种子细胞等,用于加快神经再生,这些措施也面临诸多困境。

本项成果有别于迄今已发展的各类方法,首次引入是一种基于液态金属的用于外周神经功能修复的植入装置,将液态金属灌注在同心套管中,内套管填充促进神经生长的物质,套管之间灌注液态金属以导通神经电信号。本项成果的装置在外周神经修复再生的过程中,外周神经仍能传导信号,改善患者术后生活质量。因为液态金属在一些医学影像手段下可显像,故在外周神经功能修复后,可利用影像学方法或者手术导航的方法将柔性液体吸出,避免复杂的二次神经外科手术。

 

 

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血液泵测试系统

马丽敏

清华大学/生物与新医药

人工心脏是一种作为心脏泵血功能的辅助和替代装置,其中的可植入性心室辅助泵等需要在体内长期辅助循环,以维持机体正常血压以及脑组织和其他重要脏器的有效灌注,因此,对其有效性、安全性以及稳定性都有极高的要求。任何进入临床测试或使用前的人工心脏必须经过血液泵水力性能测试、溶血性能测试、耐久性测试以及动物实验等一系列详细的评价,发现并纠正可能存在的任何潜在问题。

溶血指标反应了血液泵对血细胞的损伤,然而,现有技术中并没有详细且标准的实验方法,可以客观全面的评测血液泵的溶血以及其他血液兼容性问题。本项目成果为了更准确地研究连续血流型人工心脏的水力性能、溶血性能,以及进一步研究溶血的机制和生理学指标,设计并搭建了一套完整的连续型人工心脏体外水力性能及血液生理学研究实验平台,规范了实验操作流程。

本项目成果提供的血液泵测试系统,根据功能分隔设置实验操作区和检测设备区,将血液泵测试环路和控制器安置于实验操作区,参数输入设备和数据采集设备放置于检测设备区,避免实验过程中的操作及液体损坏设备或影响检测的准确性。将各测量项目的实际检测需求进行编程,设置不同项目检测程序,自动测量及输出测量数据,通过反馈调节系统调节系统的运行状态,依照程序内的测量流程依次进行血泵的水力性能以及溶血性能测试。

 

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改进的定量心肌磁共振成像方法

马丽敏

清华大学/生物与新医药

核磁共振成像是一种常见的医学影像检查方式,其利用核磁共振原理,依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减,通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波,从而绘制物体内部的结构图像。

核磁共振的基本物理参数T1(纵向弛豫时间)和T2(横向弛豫时间)是描述纵向磁化向量恢复和横向磁化向量衰减过程的时间常数。T1和T2数值由生物组织的组成成分、存在的结构形式以及磁场强度共同决定。在确定的磁场强度下,不同组织具有特定的T1和T2数值;当生物组织发生改变后,T1和T2也会随之发生改变。因此T1和T2可以作为特征参数识别心肌组织特征。

现有的定量心肌磁共振成像技术通过患者的屏气实现扫描过程中对呼吸运动的补偿,但屏气的要求限制了成像分辨率的进一步提高,且心脏病患者常伴随屏气困难的问题。

本项成果提供了一种改进的3D自由呼吸式定量心肌参数T1和T2联合成像方法,采用呼吸导航技术实现对呼吸运动的补偿,通过饱和脉冲的使用,结合充分的T1恢复时间获得理想的稳态磁化向量,对心率变化不敏感,可以实现较高的T1和T2拟合准确度。在自由呼吸方式下只需三个采样点就可获得精准的心肌T1参数测量结果,并且原始加权图像内在配准,无需额外的运动校正等后处理。

 

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