寧波材料所在數學、人工智慧以及生物醫學領域取得系列進展

2021-01-11 中國科學院

　　近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所所屬慈谿醫工所醫學影像事業部（iMED中國團隊）分別在數學、人工智慧以及生物醫學領域取得系列進展，連續發表三篇論文，進一步體現了在多學科交叉方向的優勢。

　　1. 特發性震顫疾病研究

　　副研究員趙一天以A Wavelet-Based Correlation Analysis Framework to Study Cerebromuscular Activity in Essential Tremor 為題將科研成果發表在數學跨學科應用領域雜誌COMPLEXITY 上。文章提到，深部腦刺激（DBS）能為嚴重的特發性震顫（ET）患者提供顯著的震顫緩解。

　　VIM核通常被認為是給特發性震顫患者高頻電刺激來緩解症狀的最有效的腦區域。通過丘腦DBS導聯的電局部場電位（LFP）記錄來分析對側顫抖肢體的電肌肉活動之間的相關性，已成為解釋LFP與顫抖臨床表現的相關性的實用工具。儘管腦電記錄和來自震顫的肌電圖（EMG）信號之間的功能連接性分析已經引起越來越多的工程研究人員的興趣，但是目前沒有廣為接受的分析框架來一致地表徵丘腦電記錄與震顫肌電圖之間的關聯。

　　針對這個需求，趙一天等人提出了一套全新的利用小波交叉譜和相位滯後指數及其顯著性來描述相互作用強度的分析框架。基於仿真和實際數據的結果都證明了所提框架具有較高的可行性和魯棒性。利用該框架，該論文揭示了DBS和LFP在低頻區域，其動態相互關係具有較強的顯著性，而在高頻區域，其顯著性相對較弱。這項研究提供證明了該框架可用於揭示VIM丘腦LFP-EMG相互作用，以更好地理解震顫的病理生理學，客觀選擇最高的DBS電極觸點與震顫EMG相關的強度，這是在臨床實踐中實施新型多接觸定嚮導聯的一個特別有用的特徵，可以幫助未來對DBS閉環設備的研究。

　　2. 雙影像分子探針新觀點

　　研究員楊長通（客聘）和劉江共同在生物醫學雜誌Theranostics 上發表題為PET-MRand SPECT-MR multimodality probes: Development and Challenges 的綜述文章，系統地闡述了PET-MR雙影像連用的分子探針的發展概況，分析了雙影像分子探針未能用於臨床的原因，對發展雙影像分子探針提出了自己的觀點。

　　文章對所有迄今報導的139種PET-MR雙影像連用探針都進行了歸納，總結出主要有三大類型：小分子的PET-MR雙影像連用探針，納米材料做成的PET-MR雙影像探針，以及集三種影像於一體，除PET、MR兩種影像之外，還有第三種影像（如螢光）的三影像連用的分子探針。這是一篇在PET-MR雙影像分子探針領域的全面綜述。

　　楊長通長期從事正電子發射斷層掃描標記物和核磁共振成像顯影劑方向的研究，此次文章對發展可用於臨床的雙影像分子探針提出了一些解決思路，比如從製備多功能納米材料入手，根據兩種影像技術的不同靈敏度，對PET和MR探針的功能性進行不同的靶向修飾從而達到雙影像連用。

　　3. 新型AS-OCT閉房角篩查算法

　　閉角青光眼是導致不可逆視覺損害的主要疾病之一，其主要可以通過觀測前房角區域以及配合全局特性來進行診斷。眼前節光學相干斷層掃描（AS-OCT）設備提供了一種前房角觀測的清晰成像方式，被廣泛應用於閉角青光眼篩查。但是人工篩查需要具有多年經驗的醫生，以及配合各種臨床參數的準確觀測，這無疑限制了其大範圍的使用。同時，目前提出的一些全自動AS-OCT檢測算法大都依賴人工視覺特徵來進行表述，並且忽略了不同圖像區域的特徵。

　　研究員付華柱、劉江等iMED中國團隊成員提出了一種新型的基於多級層深度網絡的AS-OCT閉房角篩查算法。該算法結合全局尺度、虹膜尺度以及房角尺度等多種級層尺度，挖掘不同關注區域的圖像表述特徵，以此來提高檢測結果。在兩種AS-OCT成像設備的青光眼檢測資料庫（Visante和Cirrus）上，算法均取得了最佳結果（AUC成績高於0.95），領先於其他相關算法。該算法被人工智慧期刊IEEE Transactions on Cybernetics 錄用，文章題目為Angle-Closure Detection in Anterior Segment OCT based on Multi-Level Deep Network。

 

（A）AS-OCT圖像捕捉眼球的前段區域，包括角膜、虹膜、睫狀體和晶狀體（B）開角（C）閉角

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