DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 4. 实验评估与分析 将seq2seq的LSTM模型与LSTM-Attention模型作为基准方法进行对比实验。其结果如表2所示。 Table 2 ACC、SDD evaluation of mode 模型 训练感知任务数 测试感知任务数 ACC SDD PtrNet 5 5 83.4% 0.43 LSTM 5 5 69.7% 2.10 +Attention 5 5 77.7% 1.31 PtrNet 5 10 81.2% 1.00 LSTM 5 10 fail fail +Attention 5 10 fail fail PtrNet 10 10 82.1% 0.97 LSTM 10 10 64.2% 2.14 +Attention 10 10 73.9% 1.60 表2. 模型的ACC、SDD评估 由表2可得，PtrNet模型具有较好的鲁棒性，并且在训练感知任务数量多于测试任务数时，也能够较为准确地生成序列。原因在于PtrNet能够将解码器输出映射为输入元素的概率分布，因此能够解决感知任务不定长的问题。PtrNet的ACC值总体优于基线模型，其SDD指标也明显较小，从侧面反映了即使在预测不完全正确的情况下，PtrNet的生成序列较基线方法与用户的意愿序列的相似度较高，在没有完全预测准确时，PtrNet的生成序列也在一定程度上符合用户的意愿。
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user: 5. 结语 提出了一种基于用户意愿的任务序列生成方法以实现个性化的多任务分配。主要工作分为两个部分：1) 提出新的群智感知架构。将任务分配模块转移部署到用户移动端，在不需要上传个人信息的情况下生成符合用户意愿的任务分配方案，有利于隐私保护及降低云端平台数据处理压力。2) 基于指针网络构建了set2seq的任务生成模型，将感知任务信息及用户信息作为输入生成任务序列。模型在强化学习生成的样本数据上，预测准确率较高，并且鲁棒性较好，在没有完全预测成功的情况下也接近真实的用户意愿序列。 移动端的指针网络生成模型虽然能够避免隐私泄露，但用户个人的历史感知数据可能数量较少，难以训练一个性能优异的模型。但随着时间推移，用户每执行一次感知任务，都可以添加新的样本到训练数据集以不断优化模型。因此后续工作需要针对感知数据小样本特性进行研究提出性能更加优良的模型。其次，本文仅考虑了基于地理位置的感知任务，考虑的感知任务属性较少，后续需要对感知任务进行合理建模，丰富模型的应用场景。
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user: 摘要 目的：探讨上尿路尿路上皮癌(UTUC)患者行根治术后出现膀胱复发的危险因素。方法：收集2015年1月份到2016年12月份在青岛大学附属医院行患侧肾输尿管全长切除术加膀胱袖套状切除术的总共127例UTUC患者的临床资料，分析患者的基线数据、术后病理结果、随访数据等资料，采用卡方检验及logistics回归分析UTUC患者行根治术后出现膀胱复发的危险因素。结果：本研究中，在127例行UTUC根治术的患者中，共28例出现了膀胱复发，复发率为22.0% (28/127)，其中67.9% (19/28)的患者膀胱初次复发出现在术后2年内。患者的年龄、性别、肿瘤的侧别、位置、直径以及术后病理的分期和分级这7项因素的差异无统计学意义(P > 0.05)。而术前进行输尿管镜检、合并膀胱癌病史的患者术后出现膀胱复发的差异有统计学意义(P < 0.05)，视为膀胱复发的危险因素。将上述危险因素纳入logistics回归分析，发现其均为UTUC根治术后出现膀胱复发的独立危险因素。结论：术前行输尿管镜检查、合并膀胱癌病史是UTUC根治术后出现膀胱复发的独立危险因素。临床医师应着重关注存在上述危险因素的UTUC术后患者，做好定期随访。
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user: 1. 引言 上尿路尿路上皮癌(upper tract urothelial carcinoma， UTUC)是发病率较低的泌尿系统恶性肿瘤，范围可以位于肾盂、肾盏及输尿管，仅仅占全部尿路上皮癌的5%~10% [ 1 ]。在我国，上尿路尿路上皮癌发病人群具有独特的发病机制及临床特征：受含马兜铃酸中草药的影响，中国UTUC人群肿瘤恶性程度相对较低，且具有较好的预后 [ 2 ]。UTUC的临床治疗推荐手术治疗，金标准为患侧肾输尿管全长切除加膀胱袖套状切除术 [ 3 ]，然而术后会有一定概率会出现肿瘤复发，其中最常见的部位发生在膀胱，其概率为22%~47% [ 4 ]。本研究共纳入了127例行UTUC根治术的患者，目的在于通过分析比较其不同的临床资料，得出膀胱复发的危险因素，从而指导UTUC患者根治术后的后续治疗及随访。
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user: 2. 资料与方法 2.1. 临床资料 通过His系统及联众数字病案管理系统，以“肾盂恶性肿瘤”、“肾盂癌”、“输尿管恶性肿瘤”、“输尿管癌”、“肾盂肿物”、“输尿管肿物”等关键词为搜索条件，时间限定为2015年1月至2016年12月，收集在此期间青岛大学附属医院收治的UTUC患者。纳入标准：① 术前症状及影像学检查提示肾盂肾盏或输尿管占位性病变；② 术前未接受过放化疗等肿瘤相关治疗；③ 术后病理确诊为UTUC。排除标准：① 合并其他恶性肿瘤；② 临床及病历资料不完整及缺失；③ 双侧上尿路尿路上皮癌。根据以上标准，本研究共收集了127例UTUC患者的临床资料，其中，男92例，女35例；年龄为35~85岁，平均年龄为(67.63 ± 10.43)岁；79例患者以血尿为唯一症状，16例查体发现，15例以单纯腰痛为症状，17例在腰痛的同时伴发血尿。收集患者的性别、年龄、病理分期、病理分级、肿瘤位置、肿瘤直径、术前是否进行输尿管镜检查的临床资料。所有患者均行开放、腹腔镜或者达芬奇机器人辅助下肾输尿管全长切除术加膀胱袖套状切除术，患者术后病理结果均证实为上尿路尿路上皮癌。 2.2. 膀胱灌注及术后复查方案 所有患者在根治术后均行规律的膀胱灌注治疗，方案包括吡柔比星、表柔比星、吉西他滨等，基本方案为1周1次 × 8次，1月1次 × 8次。所有患者术后每三个月复查一次膀胱镜，每半年复查一次泌尿系统超声，至少坚持2年。 2.3. 随访及观察指标 查询到符合纳入和排除标准患者的所有临床资料，随访方式包括电话询问、门诊记录查询、电子病历翻阅等，随访时间为3~62个月，中位随访时间为35个月；随访内容重点关注患者有无出现膀胱复发，如出现复发，有无行手术治疗以获取病理结果。对于出现血尿、腰痛、下尿路症状的患者，则及时完善超声、CT、膀胱镜检查等相关检查。膀胱复发的定义为病理确诊为膀胱癌，本研究中，出现膀胱复发的患者共28例，其中26例行膀胱镜检查以及膀胱病损切除术，2例行膀胱癌根治术，术后病理送检以确诊。 2.4. 统计学方法 将收集到的临床资料以数据形式录入进SPSS 26.0软件并进行统计分析。符合正态分布的计量资料以均数±标准差表示，计数资料以例数和率表示，对可能的危险因素应用χ 2 检验进行单因素分析，将其中有意义的因素纳入logistics回归分析，筛选出UTUC根治术后出现膀胱复发的危险因素。以P < 0.05为差异有统计学意义。
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user: 3. 结果 3.1. 比较不同临床资料的UTUC患者根治术后出现膀胱复发的情况 本研究中，行UTUC根治术的患者出现膀胱复发的有28例，其中19例发生在术后2年内，而未复发的例数为99例，得出膀胱复发率为22.0% (28/127)。在28例复发膀胱癌的患者中，10例因血尿就诊，16例由定期膀胱镜检查或影像学复查发现，1例因排尿困难就诊，1例因脚部水肿就诊。单因素分析结果显示：不同年龄、性别、肿瘤的侧别、位置、直径以及术后病理的分期和分级的UTUC根治术后膀胱复发的概率相比较，差异均无统计学意义(P > 0.05)；是否合并膀胱癌病史、根治术前是否进行输尿管镜检查的UTUC根治术后患者的膀胱复发率相比较，其差异具有统计学意义(P < 0.05)。详见表1。 3.2. UTUC患者术后出现膀胱复发的Logistics回归分析 将单因素分析中的差异具有统计学意义部分纳入Logistics回归分析中，出现如下结果，得出的结论为：合并膀胱癌病史、术前行输尿管镜检查为UTUC根治术后患者出现膀胱复发的独立危险因素(P < 0.05)。详见表2。 Table 1 Comparison of intravesical recurrence in patients with different clinical characteristics of UTUC after radical surgery (n = 127 临床资料 例数 膀胱复发n (%) χ 2 值 P值 性别 1.694 0.193 男 92 23 (25.0) 女 35 5 (14.3) 年龄(岁) 0.004 0.950 ≥65 81 18 (22.2) <65 46 10 (21.7) 合并膀胱癌 17.505 0.000 是 9 7 (77.8) 否 118 21 (17.8) 肿瘤侧别 2.481 0.115 左 71 12 (16.9) 右 56 16 (28.6) 输尿管镜检 4.741 0.029 是 34 12 (35.3) 否 93 16 (17.2) 肿瘤部位 0.913 0.339 肾盂 60 11 (18.3) 输尿管 67 17 (25.4) 病理分期 1.583 0.208 ≤T2 73 19 (26.0) >T2 54 9 (16.7) 病理分级 0.703 0.402 低级别 40 7 (17.5) 高级别 87 21 (24.1) 肿瘤直径(cm) 0.550 0.458 <3 39 7 (17.9) ≥3 88 21 (25.9) 表1. 不同临床特征UTUC患者根治术后膀胱复发的比较(n = 127) Table 2 Logistic regression analysis of intravesical recurrence after radical surgery of UTUC (n = 127 因素 B SE Wald P值 OR (95%CI) 输尿管镜检查 1.123 0.488 5.291 0.021 3.075 (1.181， 8.009) 合并膀胱癌 2.990 0.862 12.044 0.001 19.883 (3.674， 107.596) 表2. UTUC根治术后出现膀胱复发的Logistics回归分析(n = 127)
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user: 4. 讨论 在我国，UTUC占全部尿路上皮癌的比例比起欧美人群更高(2018年全国32家中心住院患者的初步调查结果显示，UTUC占尿路上皮癌的比例为9.3%~29.9%，平均17.9%) [ 1 ] [ 5 ]。虽然目前缺乏膀胱复发对于上尿路尿路上皮癌预后有影响的确切证据，早期的基于长期随访数据的回顾性研究均未发现膀胱复发与患者生存存在相关性 [ 6 ] [ 7 ]，但膀胱复发给患者带来了心理及经济上沉重的负担，不可不作为一个值得研究的问题。UTUC最为推荐的治疗方式为患侧肾输尿管全长切除术加膀胱袖套状切除术，术中应注意完成输尿管膀胱壁内部分和输尿管口的切除，并尽量保证尿道的完整性，可是在术后会发生泌尿系及泌尿系外的复发 [ 8 ]。而膀胱是UTUC根治术后复发的最常见部位，且大多数研究一致认为，80%~90%的膀胱复发出现在UTUC根治术后的2年内 [ 9 ]，故探讨其UTUC根治术后出现膀胱复发的危险因素对于实现UTUC患者的危险分层、预后判断、随访策略制定有重要意义。《欧洲泌尿外科协会UTUC诊治指南》将UTUC术后膀胱复发危险因素分为3类：(1) 患者相关因素，包括性别、膀胱癌病史、术前慢性肾脏疾病等；(2) 肿瘤相关因素，包括术前尿脱落细胞学、肿瘤位置和分期、是否为多发肿瘤等；(3) 治疗相关因素，包括腹腔镜手术、阳性切缘、膀胱袖套状切除术等 [ 10 ]。 UTUC术后膀胱复发的危险因素尚未被阐明，但目前认为UTUC的肿瘤多灶性和膀胱癌病史是与膀胱肿瘤复发密切相关的2个重要危险因素 [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]。与该共识相同，本研究发现膀胱癌病史是UTUC术后膀胱复发的危险因素，然而，由于膀胱肿瘤自身的特性原因，它有着较高的复发率，Maurice等 [ 14 ] 人研究发现传统TURBT手术术后复发率高达30%~50%，所以需要进一步的分析以排除膀胱癌本身复发的影响。而本研究中仅有2例为多发性肿瘤，其他均为单灶性肿瘤，不构成作为危险因素的分析条件，故未将该因素列入比较范围。Yuan等 [ 11 ] 的Meta分析结果认为UTUC的肿瘤大小、分期、肿瘤位置、患者性别是膀胱复发的危险因素，而肿瘤的分级、患者的年龄则与膀胱复发没有统计学意义。而Seisen等 [ 12 ] 的Meta分析则认为低分级的UTUC与膀胱复发有关，同时也支持危险因素为患者性别、肿瘤位置等。关豹等 [ 15 ] 认为，膀胱复发灶肿瘤肌层浸润和高级别常发生于原发UTUC肌层浸润的患者，女性与男性相比容易发生多次膀胱复发；原发UTUC肌层浸润是UTUC膀胱复发患者肿瘤特异性生存的独立危险因素。任乾等 [ 16 ] 通过对长海医院的445例UTUC患者进行分析，得出的结论为：结论年龄 ≥ 65岁、有膀胱癌病史、行保留肾单位肿瘤局部切除术、输尿管下段肿瘤是UTUC术后膀胱复发的独立危险因素。从理论上来分析以上因素，分期越高的肿瘤其侵袭性越强，体积较大的上尿路肿瘤也更有机会发生脱落和播种，从而引起膀胱复发；低级别的肿瘤更容易出现腔内种植转移；而输尿管肿瘤的位置相较肾盂肿瘤更接近膀胱，因此与膀胱复发的相关性更大。然而，本研究不支持以上所述危险因素，这可能受患者本身因素如年龄、生活习惯、其他疾病等的影响，本研究所纳入患者数量有限、时间跨度较短。因此需要更大样本、更长时间跨度的数据来行进一步的分析，以排除此类误差带来的影响。 对于诊断性输尿管镜检查是否增加UTUC术后膀胱复发，存在不同的声音，本研究发现术前输尿管镜检查是术后膀胱复发的危险因素。Marchioni等 [ 17 ] 通过Meta分析发现，UTUC术前行诊断性输尿管镜检查组膀胱复发率较未行组明显升高，差异具有统计学意义(P < 0.001)。Yoo等 [ 6 ] 对387例UTUC患者资料进行分析，得出的结论是输尿管镜检查不增加输尿管癌患者术后膀胱复发风险，但肾盂癌患者行输尿管镜检查后膀胱复发率较输尿管癌组明显升高(P = 0.012)。Lee等 [ 18 ] 发现行诊断性输尿管镜检查后即行根治术不会增加膀胱复发风险，而在间隔5天以后则会增加。值得一提的是，欧洲泌尿外科协会(EAU)上尿路尿路上皮癌指南：2020更新已将诊断性输尿管镜检查作为一项危险因素写入其中 [ 19 ]。诊断性输尿管镜检查的意义在于明确上尿路占位性病变的性质，取活检后可以明确病理诊断并为行根治术提供证据，是严格意义上唯一可以在手术切除前进行确诊的手段。而随着影像学技术的进步，增强CT的诊断敏感性可达67%~100%，特异性可达93%~99% [ 20 ]，而且上述诸多证据提示了诊断性输尿管镜检查有增加术后膀胱复发概率的可能性，因此对于该项检查的必要性需要临床医师的重新考量。 综上，收集2015.1至2016.12期间青岛大学附属医院满足纳入和排除标准的127例患者中，123例患者采用了腹腔镜手术方式，且术前行尿脱落细胞学的例数为57例，并不能够满足纳入分析的条件，而近年来，对诊断性输尿管镜检查是否增加UTUC术后膀胱复发的研究有所增加。所以本文针对年龄、性别、是否合并膀胱癌、肿瘤的侧别、位置、直径以及病理分级和分期、是否进行术前输尿管镜检这9个因素加以分析，得出的结论是UTUC根治术后的膀胱复发的危险因素为术前输尿管镜检及患者合并膀胱癌病史。临床医师需要密切关注术前伴发膀胱癌的患者，重视对此类患者的术后随访，尽早发现可能存在的术后会发生膀胱癌的患者。而对于诊断明确的上尿路尿路上皮癌，术前诊断性输尿管镜检查可不必作为一项必须的检查项目；对于诊断未能明确的患者，需综合考虑其膀胱复发的危险程度，酌情给予此项检查。不过，本研究为回顾性的单中心研究，证据等级不高，同时存在样本量小，随访时间短等问题，难免会出现一定程度上的研究结果的偏倚，所以仍然需要前瞻性的、多中心研究来证明其可靠性；另外，本研究未纳入UTUC根治术后出现膀胱复发的保护性因素的分析，如术后即刻的膀胱灌注、术中无瘤技术的应用、放疗等，在未来也会逐渐将这几项纳入研究。
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user: 摘要 生成对抗网络中生成器和判别器进行博弈的对抗训练方法在计算机视觉任务中引起了大量关注。生成器的参数更新不是直接来自真实数据样本，而是依据判别器的真伪和类别判别，从而具有生成媲美真实图像的能力。此外，生成对抗网络的对抗训练方式具有半监督/无监督训练特性，非常适合应用于医学图像计算领域，用以解决医学图像数据量少、质量低的缺陷。本文从不同角度对基于生成对抗网络的医学图像计算(医学图像合成、超分辨率重建和辅助诊断)的研究进展进行了回顾，并从模型设计、性能表现等方面对相关工作进行了概述和分析。最后，对生成对抗网络在该领域面临的挑战及潜在应用进行了展望。
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user: 1. 引言 医学图像可以提供人体内部相关信息的视觉展示，从而被广泛应用于疾病诊断、治疗方案规划、术中导航、术后检测等多个医疗环节之中。它具有多种成像模态，比如计算机断层扫描(computed tomography， CT)、磁共振成像(magnetic resonance imaging， MRI)、正电子发射断层扫描(positron emission computed tomography， PET)等。各种模态的医学图像提供了关于人体内部不同的结构和功能信息，极大地推动了医学学科的进步和提升了疾病诊断的水平。但与自然图像相比，医学图像的数据量更少、要求的分辨率更高、获取成本也更加昂贵，这促使医学图像计算(如合成、超分辨率和辅助诊断等)工作吸引了国内外众多研究者的关注，并逐渐成为了当下的研究热点之一。尽管在过去已有许多工作对该领域进行了探索，然而，基于配准的方法 [ 1 ] 高度依赖配准精度，并且它们的表征能力非常有限；而传统的机器学习方法 [ 2 ] 需要医学专家手工制作图像特征，并且这些特征是专属于某一具体应用的，无法通用。这些缺陷大大限制了相关模型在该领域的应用，所获得的合成或超分辨率图像质量也不尽如人意。深度学习和卷积神经网络(convolutional neural network， CNN) [ 3 ] 的兴起为图像计算工作带来了全新思路，它能从数据分布中自动地学习最佳特征 [ 4 ]，因而非医学专业的研究者也能有效地利用深度模型开展医学图像合成和超分辨率研究工作。尽管研究者们利用CNN取得了一系列突破 [ 5 ]，但其往往存在“平均效应”，所获取的输出图像往往较模糊。具有对抗训练机制、可以完美学习到训练样本分布的生成对抗网络的出现，进一步掀起了医学图像计算中医学图像合成、超分辨率和辅助诊断领域的研究热潮。
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user: 2. 生成对抗网络简介 生成对抗网络(generative adversarial networks， GAN)由Goodfellow等人 [ 6 ] 受到博弈论的启发，于2014年提出。它的本质是一种生成模型，旨在学习一个从简单潜在分布到真实数据分布的非线性映射，而无需显式地建模复杂且难以表达的概率密度函数。GAN由两个神经网络组成：生成器G与判别器D，其中G和D互相博弈，相比于基于变分方法 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 的变分自编码器(variational auto-encoder， VAE) [ 10 ]，GAN能更好地生成高频细节。生成器和判别器可根据实际需要，灵活地选用各种深度网络结构，并在相应的参数空间中进行更新。生成器的输入一般是从先验分布中采样的潜层向量，这里的先验分布通常会选择高斯分布或均匀分布。潜层向量经过生成器的非线性映射，得到生成样本，生成器的目标就是使生成样本与真实样本相似。判别器的输入则是真实样本或是生成样本，其输出是一个0到1之间的概率值。它的目标是通过将较高(1)和较低的概率值(0)分别分配给真实样本和生成样本，来尽可能正确地区分二者。图1展示了一个生成对抗网络的基本结构。 图1. 基本的生成对抗网络框架 生成对抗网络最独特的地方在于它的对抗训练机制。它的训练优化过程可以被概括为一个极小–极大博弈过程，生成器期望生成样本能够“骗过”判别器，即期望当生成样本作为判别器输入时，判别器的输出概率值为1；而判别器则期望完全区分开生成样本与真实样本，对真实样本输入时输出值为1，对生成样本输入时输出值为0。整个训练过程实际上就是生成器与判别器的零和博弈，二者在互相对抗的情况下不断迭代优化，最终达到纳什均衡。具体来说，在训练过程中生成器根据判别器的梯度信息不断更新其网络权重，保持生成的样本沿真实数据流形方向移动，使生成样本与真实样本愈发接近。随着训练次数的增加，判别器会愈发难以分辨出输入的真实样本和生成样本。当经过充分训练后，判别器对于任意输入样本输出的概率值都是0.5，代表整个网络达到纳什均衡，此时可以认为生成器已经学会了如何生成真实数据分布。在实际训练的过程中，一般采用交替优化的训练方法：首先固定生成器G的参数，更新判别器D的参数，使得D的判别准确率最大化；随后再固定判别器D的参数，更新生成器G的参数，使得D的判别准确率最小化 [ 11 ]。 在GAN中，一般用x代表从真实数据分布p data 抽取的真实样本，用z代表从先验噪声分布p z 中采样得到的潜层向量，用p g 代表生成器的生成数据分布。潜层向量z作为输入传递给生成器G，然后G生成图像 G ( z ) ，对抗训练的目的是使判别器D无法区分生成样本和真实样本，相当于使p g 与p data 尽可能靠近。此外，D同时尝试避免自己被G欺骗。生成对抗网络的损失函数可以由公式(1)表示： min G max D V ( G ， D ) = E x ~ p d a t a [ log D ( x ) ] + E z ~ p z [ log ( 1 − D ( G ( z ) ) ) ] 其中 V ( G ， D ) 代表二分类交叉熵损失函数。 近年来，生成对抗网络已经成为了最流行的深度生成模型，在图像生成 [ 12 ]、视频生成 [ 13 ]、域自适应 [ 14 ]、自然语言处理 [ 15 ]、强化学习 [ 16 ] 等方面有广泛的应用。各种基于GAN的改进模型也不断涌现，比如著名的深度卷积生成对抗网络(deep convolutional generative adversarial networks， DCGAN) [ 17 ]、训练更加稳定的Wasserstein GAN [ 18 ]、分别用于配对图像合成和非配对图像合成的Pix2Pix GAN [ 19 ] 和CycleGAN [ 20 ]，以及可以合成逼真的高分辨率图像的渐进式生成对抗网络 [ 12 ]。但它们的原始应用场景多为自然图像，相比于数据量丰富、分辨率较高的自然图像而言，由于成像成本、隐私保护、硬件设施限制等，医学图像往往数据量有限、分辨率较低。生成对抗网络在图像合成、超分辨率和辅助诊断上的巨大潜力，为解决这一在医学图像分析中最大的挑战提供了崭新的思路和方法。
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user: 4. 基于生成对抗网络的医学图像计算展望 将生成对抗网络应用于医学图像合成、超分辨率和辅助诊断等医学图像计算领域仍然需要解决一些挑战。在上述介绍的工作中，大多数工作仍采用计算机视觉领域的自然图像计算指标作为评估合成或超分辨率医学图像质量的度量标准，比如平均绝对值误差(mean absolute error， MAE)，峰值信噪比(peak signal to noise ratio， PSNR)或结构相似性(structural similarity index， SSIM)等。但是这些指标未必能准确评估医学图像的质量。缓解此问题的一种方法是将生成图像数据应用于后续的医学分析任务，例如分类或分割等，以验证生成图像质量，这已在上述介绍的工作中被大量采用。另一种方法是招募医学成像领域的专家进行视觉图灵测试，但是这种方法所需的时间成本和经济成本都很高，不具有通用性。尽管已有部分研究 [ 70 ] [ 71 ] [ 72 ] 致力于探索与人类观察者的主观测量更接近的评估指标，但这些指标对医学图像质量评估的有效性仍待研究。寻找更具医学意义的图像质量评估指标，更有效地评估合成或超分辨率医学图像的质量，是未来的重要研究方向之一。 除去本文介绍的应用工作之外，生成对抗网络在医学图像计算上仍有极大的应用潜力。例如，从带有由于运动或其他因素造成的某些伪影的MR图像合成清晰的MR图像，这可以避免患者接受重复的检查。同样地，可以通过图像合成的方式去除带有石膏的患者的骨骼X射线图像的伪影，这可以帮助放射科医生更有效地评估骨愈合的进展。在另一方面，生成对抗网络在文本至图像的合成之间取得了重要进展，我们期望病历到图像的转换能在医学图像领域有所应用，这能进一步提升合成图像的质量，并且有可能解决合成图像中细微的病变区域丢失的问题。此外，现有的医学图像跨模态合成工作大多集中于单模态图像到单模态图像的合成，考虑到多个模态所反映的信息更全面，从多模态图像合成单模态图像，或是从多模态图像合成多模态图像会是跨模态工作的发展趋势之一，这会进一步增强合成图像的可靠性。最近部分关于生成对抗网络的工作 [ 73 ] [ 74 ] 还展示了通过自适应归一化层控制合成图像高级属性和语义布局的能力。在未来也许我们可以通过这种方式按当下的需求定制医学图像，或对现有医学图像进行局部化的修改，这或许能为疾病预测以及药物功效试验提供帮助。 最后，尽管生成对抗网络在医学图像计算上的研究工作如同雨后春笋般不断冒出，但目前尚无有影响力的临床应用。解决生成对抗网络的可解释性和可靠性的问题，是基于生成对抗网络的医学图像计算落地应用的关键因素。该领域的研究仍处于起步阶段，仍有巨大的研究空白尚待填补。
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user: 5. 总结 本文首先简单梳理了生成对抗网络的网络结构和对抗训练理论，随后从潜层向量合成医学图像、跨模态合成医学图像、医学图像超分重建和医学图像辅助诊断四个方面，对近年来生成对抗网络在医学图像合成、超分重建以及辅助诊断上的研究现状进行了分析，介绍了许多具有代表性和影响力的工作。最后，展望了生成对抗网络在该领域亟待解决的挑战和发展前景，为该领域后续发展提供了思路与启示。
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user: 摘要 功能性消化不良(functional dyspepsia， FD)是一种复杂的多因素导致的功能性胃肠病(functional gastrointestinal disorders， FGIDs)，其确切的发病机制目前尚不明确。多个研究表明，肠道菌群紊乱(gut microbiota disorders)在FD的发生发展中起到重要作用，是功能性消化不良的重要发病机制。本综述旨在总结近年来对肠道菌群与FD关系的研究进展。
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user: 1. 引言 功能性消化不良(FD)是一种临床上的常见病、多发病。普通人群中消化不良的患病率为20% [ 1 ]，消化不良的患者中约80% [ 2 ] 行内镜检查时无法解释其症状，属于功能性消化不良(FD)。功能性消化不良(FD)其广义上是一种包括胃肠道多种症状的综合征，主要症状包括上腹痛或灼热感，餐后饱胀感及早期饱腹感。作为一种胃肠道慢性功能性疾病，其病理生理学机制尚不完全清楚，但它可能与脑–肠–微生物菌群轴紊乱、内脏高敏感性、局部微炎症、胃肠道感染及中枢神经系统处理的改变相关，新的研究表明 [ 3 ]，肠道菌群(gut microbiota)在FD的病理生理过程中可能扮演着重要角色。随着我们对FD病理生理机制研究的深入，未来或许我们会找到对改善功能性消化不良症状和提高患者生活质量的新方法。
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user: 2. 肠道菌群 2.1. 肠道菌群的概念 肠道菌群(intestinal bacterial)是寄生于人体肠道内的正常菌群，其在人体中长期存在，且与人体相互依赖。肠道菌群被称为人类身体内的新发现的一个“器官” [ 4 ]，它的存在好比人体中的另外一个免一个免疫系统，在人体的生长与发育过程中，发挥重要作用。早在300多年前，列文虎克用“小生物”描述其在粪便标本中的发现 [ 5 ]，这是对于肠道菌群的首次描述。随后，伴随着人类宏基因组学计划的实施 [ 6 ]，极大地促进了医学领域对肠道微生物的研究。 2.2. 肠道菌群的种类与生理意义 现在我们用更为精确的16S rRNA基因分析 [ 7 ]，对肠道菌群菌群的种类和数量进行研究。根据研究表明 [ 8 ]，肠道微生物的数量远远超过人类细胞的数量，目前检测出肠道内微生物有1000多种 [ 5 ] [ 7 ]，这1000多种菌群主要由厚壁菌门和拟杆菌门构成，其余少部分由变形菌门，放线菌门，梭杆菌门和疣微菌门构成，由于环境与饮食等多种因素的影响 [ 9 ]，肠道菌群比例和构成在不同个体间，同一个体不同生长阶段和不同器官中也不同。肠道菌群在人的一生中都发挥着重要作用，据报道，肠道菌群的参与多种疾病的发生与发展，例如肠道菌群与代谢性疾病密切相关 [ 10 ] [ 11 ]，可通过特殊机制与生物钟协同，使夜间工作者代谢性疾病的患病率更高；肠道菌群的变化与心血管疾病密切相关 [ 12 ] [ 13 ]，可通过产生内毒素造成慢性低度炎症等多种机制参与心脏衰竭、动脉粥样硬化等疾病；肠道菌群还可通过特殊机制 [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]，参与慢性肾脏病(CKD)、帕金森综合征、阿尔兹海默病等疾病的发生和发展。最新研究表明 [ 17 ]，肠道菌群可以与大脑和肠道构成脑–肠–微生物菌群轴，参与IBS、FD等多种消化系统疾病的产生与发展。因此，肠道微生态与脑肠轴之间的调节是双向的。
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user: 3. 功能性消化不良 3.1. 功能性消化不良的概念与流行病学 功能性消化不良(functional dyspepsia， FD)是最常见的消化系统疾病，也是临床上最常见的一种功能性胃肠病 (functional gastrointestinal disorders， FGIDs)。由于FD患者病情的反复性与迁延不愈 [ 18 ]，其生活质量明显降低，同时，所带来的社会医疗成本的增加和生产力的下降也不容忽视。在全球范围内，功能性消化不良女性发病率普遍高于男性，不同地区功能性消化不良的患病率也存在明显差异 [ 19 ] [ 20 ]：西方国家总体较高，约为10%~40%，亚洲国家较低约为5%~30%，且患病率的差异与各国家对FD的定义的差异无关。 3.2. 功能性消化不良的临床表现与分型 根据罗马III诊断标准 [ 21 ]，功能性消化不良的主要临床表现为：餐后饱胀，早饱感、上腹痛和上腹灼热，根据主要临床症状可大致分为上腹痛综合征(Epigastric pain syndrome， EPS)和餐后不适综合征(Postprandial distress syndrome， PDS)两组。罗马IV标准 [ 22 ] 也继续沿用了这一分组，其中，罗马IV诊断标准 [ 23 ] 中将餐后上腹部疼痛，恶心，嗳气统一归于餐后不适综合征(PDS)，目的是有效区分PDS和EPS。这种新的分组划入标准，有效降低了PDS和EPS两组的重叠。虽然新的划分标准将部分症状重叠患者划入了PDS组，但表现为上腹痛综合征(EPS)和餐后不适综合征(PDS)重叠的患者仍明显存在 [ 24 ] [ 25 ]，对于此类患者的治疗与研究仍需进一步开展。 3.3. 功能性消化不良的病因 FD的发病机制复杂，目前病因尚不能完全解释。虽FD的病因尚不明确，但大部分学者认为，FD的发生的机制可能为内脏高敏感度、幽门螺杆菌感染、脑肠轴、肠道菌群失调、胃排空异常、精神心理障碍等因素相关 [ 26 ] - [ 32 ]。据报道 [ 33 ]，高达50%的FD患者存在胃对进餐的适应性受损，约1/3的FD患者存在胃排空异常(26%表现为胃排空延迟，4%表现为胃排空过快) [ 29 ]。近年来，有越来越多的研究显示，十二指肠区域的轻度炎症及黏膜完整性额丧失似乎在FD的发生及发展过程中起到了重要的作用 [ 34 ]。
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user: 4. 肠道菌群紊乱导致功能性消化不良的作用机制 4.1. 肠道菌群破坏肠道通透性 肠腔–黏膜表面是毒性和免疫原性颗粒面对粘膜相关免疫系统的第一道屏障 [ 35 ]。分子通过上皮主要依靠细胞旁途径和跨细胞途径，在细胞旁途径中，一种名为顶端连接复合体的装置可以使肠上皮细胞紧密密封并调节细胞旁通透性，该复合体由紧密连接(TJ)，粘附连接和桥粒组成。有研究表明，霍乱弧菌，艰难梭菌和产毒素的大肠杆菌的各种菌株已显示可通过直接的TJ破坏，毒素或蛋白酶的产生以及炎症级联反应的活化来增强肠道通透性。相反，肠道益生菌可以通过增加occludin、audin-3以及ZO-1和ZO-2的表达来促进屏障完整性。另外，肠道菌群的某些其代谢产物也能够破坏肠道通透性，例如，细菌细胞壁(LPS)易位可以诱导免疫和炎症反应，加剧肠屏障损害并进一步增加肠道通透性 [ 36 ]。 4.2. 感染后FD 相关研究表明，沙门氏菌、大肠杆菌、空肠弯曲菌、蓝氏贾第鞭毛虫和诺如病毒等病原体导致的急性感染性肠胃炎都与感染后的FD症状有关 [ 37 ]。机制可能与导致胃肠道Cajal间质细胞(ICC)和肌间神经节受损有关，其发生率在FD患者中约为10%。 4.3. 脑–肠–微生物菌群轴 肠道菌群和脑肠轴构成一种双向高速通路，相互调节，互相影响 [ 38 ]。最新的罗马IV诊断标准中，将功能性胃肠疾病(FGIDS)描述为一种肠脑相互作用疾病，这进一步表明了功能性胃肠疾病与大脑之间的联系 [ 39 ]。内脏主要由交感和副交感两种神经控制，交感神经兴奋减少肠道的血供，副交感神经兴奋增加肠道的血供 [ 40 ]；而迷走神经作为第十对脑神经，是连接胃肠道和大脑副交感神经的关键组成成分 [ 41 ]。研究显示，通过观察到切断迷走神经后的小鼠的神经化学行为消失，可以表明迷走神经是暴露于肠道的细菌与大脑之间的主要调节性组成型沟通途径 [ 42 ]。而当机体遭受社会心理压力、抑郁等因素影响后，大脑通过下丘脑–垂体–肾上腺轴(HPA)以及迷走神经对肠道进行间接调控，使肠道菌群的组成、肠道免疫力、肠道通透性、肠道神经敏感性等方面都发生显著变化 [ 43 ]；同时肠道细菌可以合成并释放许多种类的神经递质：例如血清素，儿茶酚胺，谷氨酸，γ-氨基丁酸(GABA)短链脂肪酸(SCFA)，5-HT、多巴胺、乙酰胆碱等 [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]，这些微生物产生的神经递质可以穿过肠道的粘膜层并通过局部作用于肠道神经系统 [ 47 ]，经脑–肠轴传导，影响脑部的电生理。这种双向的脑–肠–微生物菌群轴在FD的发生发展中起到了重要作用。
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user: 5. FD的肠道菌群相关治疗 5.1. 健康饮食 低脂低糖高纤维素饮食可能有助于FD的防治。多个研究表明 [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ]，饮食在肠道菌群的组成、丰度等多方面塑造上起着关键作用。随着社会生活水平的不提升，我国人民的饮食结构及生活方式不断典型西方式的高脂肪、高糖、低膳食纤维性饮食靠拢，但事实上，这种生活方式可能会不可逆地减少胃肠道的微生物多样性，并导致部分细菌的耗竭和消失，从而导致肠道菌群失调、慢性炎症等病理改变，诱发FD、IBD、消化道肿瘤等多种疾病 [ 52 ]。 5.2. 益生菌 近年来许多针对FD的研究表明，益生菌的使用能够有效改善肠道中菌群组成及丰度，从而缓解FD的症状 [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]。
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user: 6. 总结与展望 以往对FD的研究多局限于肠神经、精神应激性等方面，随着罗马IV诊断标准的问世，FD被描述为一种脑肠互动性疾病，这无疑极大地推动了我们对FD的认识与理解。消化菌群一直是一个神秘而极富吸引力的领域，但目前对于肠道微生物的研究主要来自于粪便中的取材，而粪便主要储存在结直肠，结直肠中的菌群种类和数量均远不及小肠，从这方面讲，目前对于肠道微生物的研究仍较局限。与此同时，十二指肠局部发生的以嗜酸性粒细胞和肥大细胞增多为主要特征的慢性持续性炎症已被报告为FD的预测病理生理机制 [ 33 ] [ 56 ]，特别是以细微的嗜酸性粒细胞增多的形式，伴有邻近神经的嗜酸性粒细胞脱颗粒，这也正逐渐成为FD治疗的一个新的靶点 [ 57 ]。
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user: 摘要 随着人们对已治疗的肺结核患者更多关注与随访，发现感染更有可能发生在这类患者中。因为肺结核是一个破坏性的过程，会导致肺组织纤维化、实质改变、支气管扩张、肺部瘢痕形成等，导致肺体积减少，进而影响肺功能。除了结核病的复发和再次感染外，对于治疗后的结核病患者还越来越多地认识到其他病原体的感染。本文旨在总结如何处理新发肺部感染的肺结核患者，以确保最佳的治疗和康复。
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user: 1. 引言 结核病是一种严重威胁全球公共健康安全的流行病，被列为全球十大死因之一。它是由结核分枝杆菌引起的一种具有高度传染性的疾病。其中约80%的病例为肺结核，另外也可以影响机体的其他组织，即肺外结核病，包括肠道、脑膜、淋巴结、骨骼、关节、肾脏及皮肤等。 从流行病学方面来看，结核病依然是世界上一个关键的全球性公共卫生问题，尤其在低收入及中等收入国家。据2020年世界卫生组织报告，2019年全球新报告病例710万例，较2019~2012年间维持在每年570~580万例水平有大幅提升。尽管目前已经在治疗上取得了进展，全球发病率每年下降约2%，但因耐药结核病的出现，结核病正在迅速成为一种全球性公共卫生危机 [ 1 ]。另外肺结核患者，即使在治愈后，也可能进一步发展为呼吸道感染疾病和肺部相关疾病，这有可能成为慢性疾病，导致更高的疾病发病率和死亡率 [ 2 ]。肺结核病治疗后慢性阻塞性肺疾病(COPD)、支气管扩张和肺炎的加重更为频繁 [ 3 ] [ 4 ]。特别是在吸烟和大气污染的情况下肺老化可明显加剧 [ 5 ]。在有一定程度肺组织破坏的个体中非结核分枝杆菌和烟曲霉菌的定植和感染也很常见 [ 6 ]。除了肺结核复发或再感染外，当发现肺结核患者治疗后出现相关症状、肺功能恶化和肺结核后遗症的证据时，所有这些情况都需要在鉴别诊断中考虑到。 肺结核治疗后感染可能具有与肺结核相似的临床特征，咯血就是一种常见的临床表现。因此建议在结核病治疗结束时行胸部X光检查，这对未来进行前后比较时有很大的参考作用。在结核病治疗后的2年内进行6个月左右的呼吸科门诊随访，可能有助于监测和管理部分慢性肺病患者可能出现的COPD和支气管扩张。临床医生也应该意识到肺结核分支杆菌–曲霉菌混合感染的可能性和相关的较高死亡率情况 [ 7 ] [ 8 ]。
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user: 2. 慢性肺曲霉菌病的临床表现和治疗 慢性肺曲霉菌病包括一系列疾病类型，通常有相互的重叠。慢性肺曲霉菌病的主要亚型包括慢性空洞型曲霉病、慢性纤维性曲霉病、曲菌球和曲霉菌结节。据估计，肺结核治疗后残留肺空洞为2厘米左右的患者有1/5的机会发展为曲菌球 [ 9 ]。对于可以获得治疗的慢性肺曲霉菌病患者研究，对患者死亡率总体估计短期内为20%~33%，在5年内为33%~80% [ 10 ] [ 11 ]。 慢性肺曲霉菌病的临床特征通常是无特异性的，起病较缓慢。常见症状包括体重减轻、慢性咳嗽、疲劳、呼吸困难和咯血 [ 12 ]。没有并发慢性空洞型曲霉病/慢性纤维性曲霉病的单纯性曲菌球通常很少或没有症状。胸部影像是一种重要的诊断手段，胸部X光或CT断层扫描可显示肺部一个或多个空洞，通常位于肺上叶，大小不一，可伴有胸膜增厚和肺纤维化 [ 13 ]。空洞可以表现为薄壁空洞或厚壁空洞，且有可能含有真菌球。诊断的主要手段是检测血清中的曲霉菌特异性IgG抗体 [ 14 ] [ 15 ]。 治疗主要取决于疾病的类型及范围，以及患者是否适合行手术切除 [ 16 ]。对于每个患者都必须去考虑治疗的风险与益处。且目前关于治疗的最佳持续时间和抗真菌药物的选择相关数据是非常局限的。伏立康唑、异乌康唑或伊曲康唑是慢性空洞型曲霉病/慢性纤维性曲霉病患者的一线治疗药物 [ 17 ] [ 18 ]。血清药物浓度监测对于最初优化给药至关重要 [ 19 ]。如果上述治疗方案失败、患者不耐受或出现耐药现象时，两性霉素B、米卡芬净或卡泊芬净是静脉注射用替代药品 [ 17 ]。 建议慢性空洞型曲霉病患者的最短疗程为4~6个月 [ 16 ]。而对于疾病进展较快、药物反应不良或持续性免疫抑制的个体可能需要更长的治疗病程。其中有一部分进展性疾病患者需要终身性治疗 [ 18 ]。胸膜增厚和真菌球缩小及胸部X线变化消退可以用于评估药物的治疗反应及效果 [ 20 ]。对于单纯性曲菌球患者，手术切除可以预防或治疗大咯血情况 [ 18 ]。
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user: 3. 支气管扩张症的临床特点、治疗和康复 支气管扩张症可以出现在活动性肺结核的病程发展中，也可能出现在肺结核的后遗症中。一项系统研究以肺结核患者为研究对象，并通过胸部CT成像评估患者康复后肺部改变，结果显示有35%~86%的患者远期出现了支气管扩张 [ 21 ]。肺结核后患者的支气管管道狭窄、结疤以及淋巴结肿大对支气管的外部压迫均可导致气管内分泌物滞留，有反复感染的风险，进而导致气道管壁的破坏和扩张。另外肺实质的纤维化和破坏也可以通过实质收缩牵拉而引起支气管扩张 [ 22 ]。 支气管扩张的主要并发症之一是由于反复感染、肺功能逐渐恶化以及机体运动耐力和生活质量降低而导致的疾病频繁德恶化。这种反复出现的感染恶性循环是由于肺的结构性损伤、持续性炎症、呼吸道细菌与真菌定植以及纤毛上皮功能不全之间相互作用而引起的。支气管扩张症患者频繁发生感染有较高的住院率及死亡率，对于公共卫生系统以及患者家庭产生严重负担。支气管扩张的临床表现主要包括咳嗽、咳痰、咯血等。胸膜炎性胸痛、呼吸困难、发烧、疲劳和体重减轻是常见的临床特征 [ 23 ]。 肺结核治疗后出现非囊性支气管扩张的患者，远期引起反复感染的微生物是有限的。然而，相关数据完全可以从非囊性支气管扩张患者的研究中推断出来，尤其是在结核病高流行率地区中。引起感染病情恶化的常见相关微生物包括：铜绿假单胞菌、流感嗜血杆菌、卡他莫拉菌和金黄色葡萄球菌等 [ 24 ]。洋葱伯克霍尔德氏菌复合体、嗜麦芽窄食单胞菌和假单胞菌科的其他成员目前越来越被认为是相关致病微生物 [ 25 ]。对于种变化可以归因于目前微生物诊断技术的进步、痰培养及检测的加强以及长期应用抑制性抗生素治疗 [ 26 ]。在有感染加重的支气管扩张患者中，也经常被培养分离出来 [ 27 ]。 对于肺结核后支气管扩张患者，临床管理上应注重肺康复治疗(胸部理疗、吸入高渗盐水、适当运动及清除气道)，旨在降低复发感染的频率与严重程度，并提高运动耐量和生活质量。长期口服抗生素的目的主要是为了防止病情反复及进一步恶化，打破恶性循环。多项随机对照试验表明，与安慰剂相比，长期使用大环内酯类药物治疗(6个月或12个月)的患者恶化频率呈显著降低 [ 28 ] [ 29 ]。然而，这种做法可能会导致选择性大环内酯类耐药性微生物的出现。吸入型抗生素也用于减轻细菌负担，与口服抗生素相比，通常副作用较少。然而，吸入型抗生素的对于患者的耐受性和可用性可能是一个问题。
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user: 4. 非结核分枝杆菌感染 有证据表明，全球非传染性疾病感染的负担正在增加。从肺部样本中分离出的最常见的非结核分枝杆菌是鸟–胞内复合体分枝杆菌 [ 30 ]。堪萨斯分枝杆菌是导致进行性肺部疾病的另一项重要原因。患有先前存在的结构性肺部疾病的患者(包括支气管扩张和既往结核病)有发展成非结核分枝杆菌肺病的风险 [ 31 ]。据估计，NTM肺病可发生在7%~11%的肺结核患者中 [ 32 ]。 鸟–胞内复合体分枝杆菌肺病的临床特征是复杂可变且非特异性的，主要包括咳嗽、疲劳、呼吸困难、胸部不适、咯血、体重减轻和发热。堪萨斯分枝杆菌肺病有更明显的临床表现。两者的放射学表现都包括实质浸润、结节和空洞 [ 33 ]。诊断标准主要包括符合临床特征及影像学特点，支气管灌洗或痰标本培养到一种或两种微生物阳性结果，以及组织活检具有特定的组织病理学特征 [ 34 ]。 对于符合诊断标准的患者，是否开始治疗受到疾病的严重程度、进展风险、合并症、治疗的耐受性和治疗目标的影响。肺纤维空洞的存在对疾病的进展有促进作用，故需要迅速开始治疗 [ 34 ]。治疗方案的选择取决于对大环内酯类药物的敏感性。有指南建议由利福平、乙胺丁醇和阿奇霉素或克拉霉素组成的三联疗法来进行治疗 [ 35 ]。对于轻中度严重且没有纤维空洞形成的患者，抗生素可以每周服用三次。而对于重度或有纤维空洞形成的患者需要每天服用利福平、乙胺丁醇和阿奇霉素或克拉霉素，并考虑使用静脉注射或雾化吸入第四种药物阿米卡星 [ 35 ]。治疗持续时间至少为痰培养转阴后1年。目前仍然迫切得需要进一步研究治疗非结核分枝杆菌感染的新型药物或现有药物的新组合。
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user: 5. 预防和接种疫苗 有流行病学数据表明，在流感大流行和季节性流行期间，肺结核病患者与健康人群相比，患流感相关疾病的频率和严重程度都有所增加 [ 36 ] [ 37 ]。流感和结核分支杆菌混合感染会损害宿主免疫功能，导致患者对继发性细菌感染的易感性明显增加 [ 38 ]。通过对可能感染流感的个体进行及时的经验性抗病毒治疗，可能会缓解感染流感而增加的严重后果。在接受治疗的肺结核病患者中，由于肺部疾病的严重程度和持续时间有所不同，因此应特别考虑对那些患有慢性呼吸道疾病的患者接种流感疫苗。 吸烟是肺部感染的风险因素，也是导致肺功能迅速恶化、机体运动耐力下降和生活质量受损的共同危险因素 [ 39 ]。基于肺结核人群的研究已经证明吸烟与不良结果的发展、复发和耐药结核病的发展之间存在相关性 [ 40 ]。因此对于肺结核病人，完善全面的戒烟及肺康复计划很可能是减少肺部疾病患者感染性恶化的重要战略 [ 41 ]。
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user: 6. 总结 目前对肺结核治疗后远期肺部健康的认识越来越多，并得到了更多的关注。并且越来越多的人认识到，完成肺结核治疗的患者应该得到及时的随访，特别是有明显的肺部纤维空洞的患者。有COPD及支气管扩张症的患者尤其可能经过进一步的反复感染使得肺功能下降，并影响生活质量。 因此在治疗结束后，定期行肺活量测定、痰抗酸杆菌检查、曲霉菌筛查以及胸部X光检查对评估随后可能复发的结核病、非特异性感染、肿瘤或其他后遗症都很有帮助。另外戒烟、接种疫苗、预防性使用抗生素和肺部康复训练都有可能助于遏制病情恶化与进展，减少肺功能下降，从而提高生活质量。
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user: 摘要 随着物联网技术的不断发展，许多领域已经开始了新老技术的更迭，安防领域也不例外，基于对居家安全以及动物园区存在的安全隐患的考虑，该文中设计出一款以ESP32为核心的虚拟电子围栏系统，该系统能够实时检测经过红外传感器的物体并实现对相关数据的上云，客户端利用该数据能够判别异常发生的地点。在通过具体的功能和性能测试后，虚拟电子围栏系统能够实时判别是否有物体通过，同时它也具有高效的数据上传能力以及较好的可靠性和稳定性。最终的系统能够强化传统动物园的安防手段，进而解决目前动物园区发生意外后反应不及时的问题。
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user: 1. 引言 2021年5月6日，杭州转塘疑似发现豹子事件的发生，直到2021年5月8日杭州动物园确认发生安全事件结束，金钱豹外逃的事实就已经确认。此次的事件所带来的社会恐慌是不小的，由此事件可以看出畜牧场、动物园等园区在面临着日益复杂的社会环境的情况下，通过使用传统的安全防护技术手段已经不足以实现安全防护的任务，并且传统的安全防护手段不仅需要大量的安全保卫力力量，防护效果也不尽如人意，金钱豹外逃事件就能够说明，传统的安防措施存在着反应速度慢、可靠性差等弊端。 近年来，在国外以Langworthy Adam D [ 1 ] 和Southwest Farm Press [ 2 ] 所发表和出版的文章为例，他们提出了一种电子围栏，这实际上是一种电力围栏，目的是为了限制和引导牧场中的动物在固定区域吃草，使其他区域的牧草正常生长，从而提升经济效益，其功能与本系统略有不同，本系统设立的目的是为了检测避开了其他安防手段的动物的动向，方便进行对动物的追踪。同样的，在国内以刘敬 [ 3 ] 和吴坤阳 [ 4 ] 等人所提出的虚拟电子围栏为例，其功能均与本系统的功能类似，但因应用领域不同，所以导致系统底层所采用的传感器也各不相同，刘敬的虚拟电子围栏基于摄像头进行，应用于工程施工现场或其他有可能坠落物体的区域，防止有人进入危险区域，而吴坤阳的虚拟电子围栏则是采用船舶AIS (船舶自动识别系统)以及海事VTS (船舶交通服务系统)等技术形成一种概念上的围栏，实现对船舶的安全监督工作。虽然在国内外暂未发现相同定位的设计方案，但这些定位于其他领域的类似应用仍然能够为本系统的设计提供一些参考意义。 基于当前社会对于畜牧场、动物园等园区的安全需求有待加强的考虑，文中提出并实现了一款虚拟电子围栏系统，可以从其根源上将其归类为智慧安防领域，这套系统能够检测避开了传统防护手段的动物，用于解决使用传统安全防护手段的畜牧场、动物园等园区所存在的无法实现24小时值守以及动物出逃后反应速度慢等问题，除此之外，本系统也可放置在家中，作为安防设备，对居室入侵进行预警和防范。
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user: 2. 系统总体设计 虚拟电子围栏系统以物联网系统四层架构中的下三层作为设计的总体框架，分别为感知层、传输层以及平台层，各层模块分布如表1系统各层模块分布表所示。 Table 1 System layer module distribution tabl 工作层 工作模块 感知层 ESP32，红外传感器，温度传感器，雷达传感器，蜂鸣器 传输层 ESP32 平台层 基于Python与TCP协议的数据接收与存储云平台 表1. 系统各层模块分布表 以表1中的系统总体框架为基础，本系统能够实现的功能为： 1) 实现对经过虚拟电子围栏物体的检测； 2) 在物体经过虚拟电子围栏时，使用蜂鸣器发出警报； 3) 当周围环境温度达到设置的阈值时，切换为雷达传感器进行检测； 4) 每间隔5s向云端上传一次节点数据； 5) 在数据上传成功后使蜂鸣器停止； 6) 云端实现对终端节点数据的接收、判别以及存储。
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user: 3. 系统硬件选型与设计 3.1. MCU选型 本系统定位于智慧安防领域，目的是为了在出现异常情况时，能够快速的将该情况上传至预警中心，做出一些防范措施。因此，在进行MCU的选型时，应当注意其功耗和体积等与应用场景密切相关的性能，以及其是否板载WIFI模块。 结合本系统MCU应当具有的性能要求，选出了两款MCU进行对比，分别是零知ESP32与零知ESP8266，其余品牌的ESP32与ESP8266因其性能大都相似并且体积也略大一些，故不作讨论。表2中结合零知官方公布的ESP32与ESP8266的相关参数进行了对比 [ 5 ]。 Table 2 ESP32 and ESP8266 related parameters comparison tabl ESP32 ESP8266 处理器 32位双核(160~240 MHz) 32位单核(80 MHz) SRAM 520 KB 160 KB ROM 448 KB 无 Wi-Fi (802.11 b/g/n) HT20 HT20 以太网 10/100 Mbps 无 GPIO引脚数 34 16 UART 3 2 ADC 18 (12-bit) 1 (10-bit) 工作电流 5 uA 20 uA 表2. ESP32与ESP8266相关参数对比表 结合表2所展示的参数，ESP32的大部分性能优于ESP8266，唯一的缺点是价格相比ESP8266略高一些，但是以本系统的应用场景来看，数据传输速度以及GPIO引脚数是系统所需要的，更多的GPIO引脚数能够支持更多的红外对射式开关传感器进行工作，而不需要重新设置一个模块。因此，本系统的MCU采用的是ESP32。 3.2. 红外传感器选型 本系统中红外传感器主要需要实现的功能就是能够检测到是否有物体经过，因此，红外对射式开关传感器更加适合本系统，其内部的主要器件为热释电红外传感器。这种传感器相比于其他类似功能的红外传感器，功能单一、结构简单、功耗低以及价格低廉，其感应距离能够达到1 m至1.2 m，工作电压的要求为直流4.5 V至5.5 V，价格在5元左右，但其唯一的缺点就是在距离固定的情况下容易受到光源以及热源的影响。红外对射式开关传感器外形结构如图1所示，它拥有一个发射端和一个接收端，由发射端发出红外光束，接收端接收到红外光束时，输出端输出低电平，当有物体经过，未接收到红外光束时，输出端输出高电平。 图1. 红外对射式开关传感器 3.3. 温度传感器选型 在红外传感器选型中介绍了红外对射式开关 [ 6 ] 的主要器件是热释电红外传感器，但这种传感器容易受到光源、热源以及距离的影响。在光源较强的情况下，该传感器会失效，即使在理想光源以及固定距离的情况下，红外热释电传感器输出电压与温度呈线性关系 [ 7 ]，环境温度与经过物体温度相似时，传感器会短暂失效。因此，需要考虑在特殊情况下红外对射式开关会失效的情况，所以系统在设计过程中加入了雷达传感器与温度传感器，保证系统能够在红外对射式开关失效的情况下使用雷达传感器继续工作。 温度传感器应当满足低功耗、高可靠性的特点，在这里选出了两款温度传感器并结合其公布的参数进行了对比，如表3所示，分别是DHT11以及LMT70两种常见温度传感器。 Table 3 DHT11 and LMT70 temperature sensor performance compariso DHT11 LMT70 工作电压 3.3~5.5 V 2~5.5 V 工作温度 0℃~50℃ −55℃~150℃ 温度测量精度 ±2℃ ±0.36℃ 引脚 4 4 输出 数字输出 模拟电压值 低功耗 是 是 表3. DHT11与LMT70温度传感器性能对比 结合上面的参数对比，这两款温度传感器的参数比较上较为明显，但需要注意的是，DHT11温度传感器不能长时间暴露在太阳光下或强烈的紫外线辐射中，长时间的暴晒会使性能降低 [ 8 ]，这一点缺点不符合本系统在动物园等园区的应用时的要求，而LMT70的限制则相对要小，因此在本系统中，温度传感器采用的是LMT70。 但LMT70温度传感器不具有DHT11所具有的数字输出功能，因此需要对LMT70温度传感器所输出的模拟电压值利用温度转换公式进行换算。 3.4. 雷达传感器选型 雷达传感器选用的是HLK-LD116-24G毫米波雷达传感器，这是一款定位于安防、智能家居等领域的小型化雷达传感器，它的工作频率为24G~24.25 GHz，在5 V供电的情况下，功耗为55 mA，并且其不受温度、噪声、光暗等影响，抗干扰性强，这些特性均能够满足系统的要求。其他的雷达模块价格相对较贵，并且大多数的雷达模块定位的应用领域于本系统所应用的领域不同，故不展开深入讨论。 雷达传感器的优点较为突出，它的扫描范围呈现以该模块为顶点的圆锥，在保证雷达模块的准确性的情况下，并且该圆锥可高达3 m，直径达6 m，但是其缺点也是明显的，首先雷达模块的安装必须要相对稳定，如果发生抖动，则扫描范围内的物体发生相对移动，容易使雷达模块产生误识别，其次，雷达模块对于其扫描范围内的运动物体也有要求，当物体与雷达扫描区域发生切向移动时，容易判断失灵，正向移动则正常，如图2所示。 图2. 正向移动与切向移动图示 因此，结合雷达传感器的特点，它只能作为本系统的备用计划存在，当红外对射式开关发生故障时，由雷达传感器代替检测。 3.5. 接线设计 本系统中需要使用的传感器过多，因此，为了防止过载的情况，本系统中加入了一个电源模块，该模块可以使用一块12 V的锂电池供电，并产生15路5 V以及3.3 V的输出。 在进行接线的过程中，需要考虑到ESP32引脚复用的问题，将蜂鸣器以及红外对射开关接在ESP32的普通GPIO引脚上，留出其他复用了ADC、串口、定时器等功能的引脚，方便其他复杂扩展模块的接入。 系统具体接线设计如图3所示。 图3. 系统接线设计