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关键词： 完全氨氧化菌   生物膜污水处理系统   氨氧化微生物   生态位分化   动力学参数  

摘要： 随着我国经济快速发展,污水排放引发的富营养化问题日益突出,氨氮污染带来的危害不容小觑。生物膜系统因其环境友好、抗冲击负荷能力强等优势,展现出广阔的应用前景。氨氧化微生物(AOMs)在氮循环系统中发挥重要作用,但其在不同水质条件下的生态位分化及作用机制尚不明确。基于此,本文通过化学接枝制备了一种亲水聚氨酯生物载体,并将其应用于寡营养污水、生活污水及工业污水处理中。通过双抑制剂法、高通量测序、DNA稳定同位素核酸探针技术(DNA-SIP)、动力学试验、宏基因组学等分子生物学技术,系统解析了氨氧化古菌(AOA)、氨氧化细菌(AOB)和完全氨氧化菌(CMX)在不同水质条件下生物膜上的生态位分布及功能活性差异,揭示了其生态位分化的驱动机制。结果如下: (1)在所有选择的生物载体中,包括火山岩、沸石、活性炭、Kaldnes 3填料、生物膜片,本文制备的亲水聚氨酯生物载体表现出卓越的性能,不仅具有最丰富且活性最高的AOMs,而且其上形成的生物膜结构致密。这种优异的性能主要归因于亲水性聚氨酯生物载体具有适当的平均孔径、巨大的比表面积以及较强的亲水性。另外,亲水聚氨酯生物载体上形成了独特的生物群落结构,其物种多样性较低且均一性较高,这与Nitrospira Nitrosa 的系统发育特征一致,造成了 CMX Nitrospira在生物膜中占据绝对优势。 (2)在寡营养污水处理系统中,CMX占据绝对的数量主导优势。但是,基于DNA-SIP转移结果显示,AOA和CMX均表现出明显的竞争优势,两者均是氨氧化的主要贡献者。基于双抑制剂法结果发现,CMX的氨氧化活性仅为0.063 mg NH4+-N/(L×h),显著低于 AOA(0.196 NH4+-N/(L×h))和 AOB(0.172 NH 4+-N/(L×h))。进一步的高通量测序分析表明,Nitrososphaera与Nitrospira nitrosa是发挥氨氧化作用的主要菌属。 (3)在生活污水处理系统中,生物膜的标准氨氧化活性稳定在123.31±16.68 mg/(L×h×g MLVSS),是悬浮污泥的7.38±0.28倍,这归因于生物膜中CMX的丰度更高,其丰度是悬浮污泥的8.80±3.41倍。生物膜中增加的生物量和紧密结合EPS分泌为CMXNitrospira创造了独特的微环境,促进了其生长。随着C/N 比的增加,反硝化细菌在生物膜中富集,它们与NOBNitrospira第Ⅰ支系竞争NO2--N,抑制了 NOB Nitrospira的生长,使生物膜的反硝化速率比悬浮污泥表现出更显著的提升。而CMXNitrospira成为生物膜中的优势AOM,确保了NH4+-N的高效去除。 (4)在小试工业污水处理系统中,处理未添加有毒污染物合成污水的BAF1仅需10天即可实现高效的NH4+-N去除,而处理实际工业污水的BAF2由于工业污水对AOMs的抑制作用,需要50天才能达到相同的去除效果。但BAF2中稳定的生物膜对实际工业污水表现出更强的适应性,其对典型有毒物质的半数抑制浓度值比BAF1高3.15-55.65倍,这归因于BAF2生物膜结构更为致密,形成了更强的“物理屏障”效应。系统发育分析表明,属于AOB的Nitrosomonas europaea、***和***在系统中丰度更高,保证了NH4+-N的高效氧化。进一步的,中试工业污水多级生物膜处理系统在8天内实现了高达97.51±2.29%的氨氧化效率。从第1级到第5级,EPS浓度上升,而PN/PS比值下降,表明生物膜结构从致密向松散转变,以响应污染物浓度的变化。在初始3级内,Nitrosomonas lineage Ⅰ和Ⅳ有效氧化了高浓度NH4+-N;在后续2级内,具有高氨亲和力的Nitrosomonas lineage Ⅳ和亚硝酸盐氧化能力的Nitrospira lineage Ⅰ将残余NH4+-N彻底去除,使系统满足排放标准且无NO2--N积累。 (5)在以上研究基础上,本文基于动力学试验和宏基因组分析揭示了不同AOMs的功能基因特征及其生态位分化机制。AOB凭借其快速的繁殖能力和丰富的抗逆基因,适应高NH4+-N浓度并在复杂污染条件下维持高效氨氧化活性,在工业污水处理系统中发挥主导功能。相比之下,AOA和CMX因高氨氮亲和力,适合在NH4+-N浓度有限的条件下发挥氨氧化作用,但其功能受到碳代谢路径和抗逆能力的限制。另外,AOA依赖的3HP/4HB循环在能量利用效率上较低,竞争力弱;而CMX则通过TCA循环提高能量利用,展现出更强的生长速率,使其在寡营养和生活污水处理中占据生长优势。 本研究系统阐明了AOMs在生物膜系统处理不同水质条件下的生态位分化规律及其驱动机制,为污水脱氮工艺的优化提供了科学依据

关键词： 动态拉伸   静态拉伸   原动肌   拮抗肌   膝关节等速肌力   垂直纵跳   组织化工程构建  

摘要： 背景:静态拉伸可有效改善关节运动幅度,而动态拉伸通过肌肉的激活后增强效应,有效提高肌肉力量及运动表现。目的:探讨不同类型的拉伸方式对膝关节肌肉力量及垂直纵跳表现产生的即刻影响,为寻求最佳拉伸方案、提高运动表现、预防训练损伤提供理论支撑。方法:随机招募30名健康大学生,采用Biodex等速肌力测试仪、Qualisys红外动作捕捉系统及AMTI三维测力台分别采集股四头肌/腘绳肌静态拉伸、股四头肌/腘绳肌动态拉伸、股四头肌动态/腘绳肌静态拉伸、股四头肌静态/腘绳肌动态拉伸后的膝关节肌肉力量及垂直纵跳数据,利用膝关节峰值力矩、平均功率、纵跳高度、垂直地面反作用力峰值及关节运动幅度评估膝关节肌肉力量及垂直纵跳表现。结果与结论:(1)与股四头肌/腘绳肌静态拉伸相比,股四头肌/腘绳肌动态拉伸可显著提高膝关节峰值力矩、平均功率及纵跳高度(P<0.05),股四头肌动态/腘绳肌静态拉伸和股四头肌静态/腘绳肌动态拉伸分别提高伸膝和屈膝峰值力矩和平均功率(P<0.05);(2)与股四头肌/腘绳肌静态拉伸相比,股四头肌静态/腘绳肌动态拉伸后的第二垂直地面反作用力峰值显著下降(P<0.05);股四头肌/腘绳肌动态拉伸后的下肢关节运动幅度显著增加(P<0.05);(3)提示即刻的原动肌/拮抗肌动态拉伸和原动肌动态/拮抗肌静态拉伸可显著提高膝关节肌肉力量、垂直纵跳表现及关节运动幅度;较大的运动幅度有利于提高运动表现,并在着地时更好地吸收地面冲击力;同时,原动肌动态/拮抗肌静态拉伸对膝关节肌肉力量的提升效果优于原动肌/拮抗肌动态拉伸,原动肌静态拉伸/拮抗肌动态拉伸有利于提高垂直纵跳落地时的能量吸收能力,降低落地时损伤的风险。

关键词： 血流动力学参数监测   深度学习   无创血压监测   U-Net3  

摘要： 血流动力学参数的实时监测是现代医学中的关键技术,能为临床诊疗提供重要的数据支持。目前,常用的有创或微创监测方法(如动脉穿刺、肺动脉导管等)虽然测量精度较高,但存在创伤风险大、易感染等明显局限性。相比之下,无创监测技术因其安全便捷的特点展现出显著优势,但其测量准确性极大依赖于连续血压的精确获取。 因此,本研究开发了基于深度学习的无创血压监测模型——ADRSU-Net。该模型基于改进的U-Net 3+框架,通过自动提取脉搏波信号中的特征信息,实现端到端的连续血压精确预测。在此基础上,结合血流动力学原理构建计算模型,可准确推导出心输出量(Cardiac Output,CO)等关键血流动力学参数。本文所提出ADRSU-Net模型的具体创新点如下: (1)编码器中的残差连接设计:ADRSU-Net的编码器通过引入残差连接,在增加网络深度的同时能够有效缓解梯度消失的问题。这种设计增强了模型对于深层特征的提取能力,从而提高了血压监测的准确性。 (2)自动特征提取模块的提出:本研究提出了一种位于编码器与解码器之间的自动特征提取块,该模块通过全连接层进行非线性变换,有效提取并强化了关键特征,提升了模型的表现能力。 (3)小型全尺寸跳跃连接的提出:ADRSU-Net模型提出了小型全尺寸跳跃连接,替代了传统的跳跃连接方法。这种设计在保持特征传递的同时,减少了模型参数,提高了运算效率,并优化了特征信息在编码器与解码器之间的传递路径。 本研究通过对公开数据集和私有数据集的广泛实验评估,验证了ADRSU-Net模型的性能。在公开数据集上,数据预处理包括滤波和基线校正等步骤,最终模型计算出的收缩压(SBP)、舒张压(DBP)和平均动脉压(MAP)的平均绝对误差分别为2.63mm Hg、1.09mm Hg、2.22mm Hg,符合美国医疗器械促进协会(AAMI)和英国高血压学会(BHS)的标准。 在私有数据集上,为了确保数据的质量,本文采用了小波阈值去噪和低通滤波相结合的方法,以去除信号中的噪声和无关高频成分,从而提高数据的信噪比。最终,在DBP、SBP、MAP、每搏输出量(Stroke Volume,SV)、CO、全身血管阻力(Systemic Vascular Resistance,SVR)和全身血管阻力指数(Systemic Vascular Resistance Index,SVRI)上有较好的血流动力学参数监测效果。 此外,本研究还开发了一套监测系统,该系统不仅能够显示脉搏波波形,还具备数据存储功能,便于对每次监测结果进行深入分析。综上所述,本研究提出的ADRSU-Net模型通过创新的网络架构设计和特征提取机制,不仅实现了高精度的连续血压预测,更为后续血流动力学参数的监测任务提供了可靠的技术支撑。

关键词： 参数估计   动力学模型   非线性最小二乘法   马尔可夫链蒙特卡罗方法  

摘要： 动力学模型参数估计是结合模型与数据的关键环节,其准确性不仅影响模型的实用价值还影响系统动力学行为的预测能力,进而影响防护措施和控制策略的科学性与有效性.在众多动力学模型参数估计方法中,非线性最小二乘法(Nonlinear Least Squares,NLS)因原理简单、计算效率高等特点被广泛应用,但该方法在处理复杂模型时存在明显局限性.相比之下,马尔可夫链蒙特卡罗(Markov Chain Monte Carlo,MCMC)方法通过其独特的采样机制,在高维参数空间和含噪声观测数据的参数估计问题中展现出显著优势,是高效可靠的估计方法.本文系统比较了 NLS与三种广泛使用的MCMC算法(Metropolis-Hastings(M-H),Delayed Rejection Adaptive Metropolis(DRAM)以及 Affine Invariant Ensemble Samplers(AIES))在经典动力学模型参数估计中的效果.研究选取了流行病学中的Kermack-McKendrick(K-M)模型、生态学中的Lotka-Volterra(L-V)模型以及神经科学中的Hodgkin-Huxley(H-H)模型作为实验对象.通过一系列数值实验,我们首先说明了数据拟合效果并不等价于参数估计效果,随后给出评估参数估计效果的方法.实验还展示了 MCMC方法在降噪问题中的独特优势,在处理不同类型噪声时MCMC方法展现了较强的适应性和鲁棒性.随后,在评估三种MCMC算法时,我们发现M-H算法对初始参数值表现出较强的依赖性,DRAM算法对参数初值的敏感性较弱,而AIES算法则凭借其仿射不变性,几乎不受参数初值选择的影响. 本文结构如下: 在第一章中,首先介绍了本文的研究背景和主要内容,然后简要概述了贝叶斯推断与马尔可夫链的部分基础知识. 在第二章中,详细介绍了本文要探究的四种参数估计方法的理论知识.包括NLS,M-H算法,DRAM算法以及AIES算法. 在第三章中,首先介绍了 K-M模型,L-V模型以及H-H模型.随后对三种模型加入不同强度高斯噪声与负二项分布噪声产生五组不同的观测数据,进而利用上述四种参数估计方法与各组观测数据来估计各模型中的参数.最后展示实验结果. 在第四章中,首先通过一组NLS与M-H算法的对比实验说明了数据拟合效果好不代表参数估计准确,进而给出新的评估参数估计效果的方法.随后对具有三种不同噪声的K-M模型进行对比实验,说明MCMC方法具有降噪能力且在处理不同类型噪声时展现了较强的适应性和鲁棒性.最后讨论了各方法对参数初值的依赖性,以帮助我们在面对不同初值时选择合适的算法,从而减少初值对估计结果的影响. 在第五章中,对全文进行总结并指出目前存在的不足以及未来可以继续深入研究的方向.

关键词： 冠状动脉周围脂肪参数   斑块特征   血流动力学  

摘要： 目的 分析冠状动脉周围脂肪参数、斑块特征预测冠脉血流动力学异常的价值。方法 回顾性分析常州市武进人民医院2019年12月～2022年12月收治的97例收治的冠心病(coronary heart disease, CHD)患者，于治疗前采用炫速双源螺旋CT扫描仪检测冠状动脉周围脂肪参数、斑块特征，结合患者病情状况给予患者硝酸酯类药物、他汀类调脂药物、β受体阻滞剂、钙通道阻滞剂、合理饮食等治疗。根据患者血流状况将其分为2组，其中将血流动力学异常(冠状动脉血流储备分数≤0.8)纳入异常组，反之纳入正常组。分析影响冠心病患者冠脉血流动力学异常的因素及冠状动脉周围脂肪参数、斑块特征预测冠脉血流动力学异常的价值。结果 97例CHD患者中冠脉血流动力学异常有23例(占比23.47%),无异常患者有75例(占比76.53%)。异常组斑块长度、左前降支(left anterior descending branch, LAD)-周围脂肪衰减指数(fat attenuation index, FAI)、右冠状动脉(right coronary artery, RCA)-FAI、斑块负荷(plaque burden, PB)、斑块总体积高于无异常组，差异有统计学意义(P<0.05)。经二元Logistic回归分析，发现斑块长度、LCX-FAI、RCA-FAI、PB、斑块总体积是冠心病患者冠脉血流动力学异常的相关因素(P<0.05)。经受试者工作特征曲线(receiver operating characteristic curve, ROC曲线)分析，斑块长度、LCX-FAI、RCA-FAI、PB、斑块总体积、五者联合预测冠脉血流动力学异常的灵敏度分别为72.73%、77.27%、77.27%、68.18%、72.73%、90.91%;特异度分别为70.67%、74.67%、73.33%、66.67%、72.00%、90.67%。斑块长度、LCX-FAI、RCA-FAI、PB、斑块总体积联合预测冠脉血流动力学异常具有较高的价值(P<0.05)。结论 斑块长度、LCX-FAI、RCA-FAI、PB、斑块总体积是影响冠脉血流动力学异常的相关因素，上述指标联合检测有助于更好地诊断冠脉血流动力学异常。

关键词： 车辆空气动力学   风洞试验   计算流体力学   移动地面   气动阻力  

摘要： 车辆气动力的风洞测量与实际道路测量存在差异,为了获得更准确可靠的气动力风洞测量结果,有必要对风洞的结构参数等影响因素进行研究并修正试验结果。本文首先介绍了经典的风洞误差校正理论;然后将该理论用于校正两个风洞中各种汽车模型的气动阻力测量值;接下来通过计算流体力学(CFD)模拟分析了地面移动带长度对气动力,特别是阻力的影响。结果表明,当前主流的全尺寸整车风洞结构能够满足车辆空气动力学性能的测量要求,与实际道路条件的差异是可以预测的,通过修正可使数据更加可靠。

关键词： 肌肉拉伸运动   平衡火罐   中药贴敷   颈型颈椎病   护理  

摘要： 为探索肌肉拉伸运动联合平衡火罐及中药贴敷在颈型颈椎病护理中的应用,选取阿合奇县人民医院2024年2月—2025年2月收治的90例颈型颈椎病患者展开分析,按照随机原则分为对照组和观察组,每组45例,对照组接受常规颈椎护理,观察组在对照组基础上采用肌肉拉伸运动联合平衡火罐及中药贴敷护理。对比两组干预前后的颈椎活动度、Mc Gill疼痛询问量表(SF-MPQ)评分、颈椎功能障碍指数(NDI)及匹兹堡睡眠质量指数(PSQI)。结果显示,观察组干预后颈椎各角度活动度高于对照组(P<0.05),SF-MPQ评分、NDI评分均低于对照组(P<0.05)。研究发现,颈型颈椎病患者采用肌肉拉伸运动联合平衡火罐、中药贴敷护理可改善患者的颈椎活动灵活度,提高其睡眠质量。

关键词： 消防员   疲劳   裸足跑   穿鞋跑   生物力学  

摘要： 研究目的:随着"全灾种、大应急"的消防救援作业常态化,疲劳已成为影响消防员作战效能的关键因素,而跑动作为其救援基础动作,其生物力学特征直接关系到任务完成效率。现有研究表明,消防鞋类装备的优化是缓解运动疲劳、降低损伤风险的有效途径,但目前缺乏针对消防员群体疲劳前后穿鞋与裸足跑动的系统性生物力学分析。因此,本研究旨在分析疲劳前后消防员裸足跑与穿鞋跑时下肢生物力学特征变化,探索两因素下生物力学效能的变化规律,为减少消防救援运动损伤及消防鞋具制备提供理论依据。 研究方法:本研究选取桂林市某消防救援支队25名健康在职消防员作为实验对象,分别进行不同疲劳状态下(疲劳前、疲劳后)及不同穿鞋方式[裸足、穿鞋(作训鞋)]条件下的跑动测试。采用跑步机和Polar心率带对参与者进行全身疲劳诱导;采用Qualisys红外运动捕捉系统、Kistler测力台和Footscan压力平板同步采集参与者优势侧下肢跑动支撑期的运动学、动力学、足底压力数据。要求测试过程中以个人最快速度进行直线冲刺跑。对采集到的足部落地指数等数据通过SPSS 26.0软件进行双因素重复测量方差分析,显著性水平设置为0.05,使用Origin2024绘制相关图表。 研究结果:(1)足部落地指数特征:疲劳后及穿鞋者的足部落地指数低于未疲劳、裸足者((P<0.05)。((2)运动学特征:1)时空参数:疲劳后复步长、步速降低,穿鞋可增长复步长、加快步速和延长单支撑时间(P<0.05)。疲劳状态与穿鞋方式交互作用显示:疲劳前裸足复步长小于疲劳前穿鞋及疲劳后裸足与穿鞋,步频相较以上两者更快(P<0.05)。疲劳后穿鞋较疲劳前穿鞋跑动周期更短(P<0.05)。2)下肢三关节活动范围:疲劳后较疲劳前膝关节角度峰值、膝关节角度谷值降低;穿鞋后较裸足髋关节角度峰值、髋关节ROM、踝关节矢状面角度峰值升高,膝关节角度谷值降低(P<0.05)。(3)动力学特征:1)下肢髋、膝、踝关节峰值力矩:疲劳状态与穿鞋方式交互作用显示:疲劳前穿鞋较疲劳前裸足、疲劳后穿鞋髋关节矢状面峰值力矩更大,疲劳后裸足较疲劳前裸足、疲劳后穿鞋更大;疲劳后穿鞋较疲劳前穿鞋膝关节矢状面峰值力矩更大,疲劳后裸足较疲劳前裸足、疲劳后穿鞋更大,疲劳后穿鞋较疲劳前穿鞋更小;疲劳后裸足较于疲劳前裸足踝关节冠状面峰值力矩更大(P<0.05)。2)髋、膝、踝关节刚度:穿鞋可显著降低踝关节矢状面刚度(P<0.05)。疲劳状态与穿鞋方式交互作用显示:疲劳后裸足髋关节矢状面刚度高于疲劳前裸足及疲劳后穿鞋,而疲劳后穿鞋则低于疲劳前穿鞋(P<0.05)。此外,疲劳后穿鞋膝关节矢状面刚度高于疲劳前穿鞋及疲劳后裸足(P<0.05)。踝关节方面,疲劳后穿鞋的矢状面刚度低于疲劳前裸足、疲劳前穿鞋及疲劳后裸足;而疲劳后裸足的冠状面刚度高于疲劳前裸足及疲劳后穿鞋(P<0.05)。3)地面反作用力(v GRF)峰值:曲线拟合及寻峰结果显示v GRF峰值均集中在跑动单支撑期的45%、46%、47%((分别对应疲劳后裸足、疲劳前裸足/穿鞋、疲劳后穿鞋),疲劳后穿鞋v GRF峰值降低。(4)足底压力特征:1)足底压力峰值:疲劳后GT压力峰值较疲劳前下降(P<0.05)。穿鞋后较裸足足底7个区域(GT、LT、M1、M2、M3、M5、HM)压力峰值下降(P<0.05),而MF增高(P<0.05)。2)足底压强峰值:疲劳状态的改变并不引起足底各区域的峰值压强的变化,穿鞋较裸足足底8区域(GT、LT、M1、M2、M3、M4、HM、HL)峰值压强下降(P<0.05)。3)足底总冲量:疲劳会降低足底总冲量(P<0.05),但穿鞋对其无显著影响(P>0.05)。 研究结论:(1)步态模式特征:疲劳和穿鞋均使消防员倾向于后足着地策略;穿鞋能提升复步长、步速和单支撑时间,从而提高消防员移动效率并降低跌倒风险。((2)关节负荷特征:疲劳后穿鞋通过调节下肢关节负荷分布,减少膝关节损伤风险但增大髋关节疲劳累积;同时维持踝关节内翻角度稳定,降低踝扭伤风险。但疲劳后下肢整体能量吸收与缓冲能力减弱,可能增加关节软骨、肌腱等软组织等急性损伤风险(如ACL负荷增加、跟腱炎等)。((3)足底压力分布:穿鞋虽减少了GT和HM等区压力,却会增加中足区(MF)负荷,极大增加了消防员足底筋膜的损伤风险。为提高消防员运动表现和防护能力,建议优化其着地模式训练,加强疲劳前裸足下踝关节动态稳定性练习,并优化作训鞋中足区的抗疲劳及缓冲性能。

关键词： 步态   地面反作用力   医学分类   网络分析   自监督学习  

摘要： 步态作为人类日常生活与运动的重要组成部分,涉及多种生理机制。步态分析在精准识别异常步态模式方面具有关键价值,特别是对于下肢受损患者而言。地面反作用力作为步态分析的重要工具,虽蕴含丰富的步态信息,但相关研究十分有限。因此,本文对两个相关方向展开深入研究:步态网络分析与自监督步态分类算法。 当前的步态分析往往孤立地研究步态生理机制,缺乏整体性的方法。在此背景下,本文第一项工作是以大规模健康和下肢受损人群的三维地面反作用力信号为例,研究下肢疾病和行走速度对步态整体的影响。在方法上,将每个信号分解为高频、中频和低频三个成分,然后构建一个包含三个维度不同频率成分的步态网络。经统计检验发现,不同的生理机制在维持步态中扮演着不同的角色,而且不同步态机制之间的相互作用存在显著性差异。此外,还研究了步态网络的整体行为,包括整合、聚类和平衡等方面。观察到即使在同一种整体行为下,整个步态网络及其子网络之间也存在显著性差异。此外,研究还发现,疾病和行走速度可导致步态网络拓扑结构的变化。 目前,基于下肢受损患者多分类问题的自监督学习研究尚处于起步阶段,相关成果极为匮乏。本研究的第二项工作着眼于此,利用大量无标签的三维反作用力信号进行自监督模型的预训练,再利用少量有标签数据进行微调和测试。研究提出了六种数据增强方法,并构建了一个能够识别27种下肢疾病亚型的自监督分类模型GSDNN。在模型架构方面,采用深度卷积神经网络作为特征提取器,将改进的Res Net18做了进一步的优化,添加了多尺度卷积和通道索引并验证了有效性。模型评估端到端微调结果显示,在测试集上平均准确率达到98.46%,F1分数0.982。 总之,本文基于地面反作用力信号提出了步态分析算法,不仅为理解人类运动机制和与步态相关的疾病提供了新的视角,还提高了医生诊断效率,而且显著减少了对步态标注数据的依赖,有效提高了模型在不同场景下的泛化能力,这两项工作具有潜在的应用价值,可应用于多个领域。