主要研究方向
    方向1：信号转导与肿瘤发病机制（负责人：李臣鸿教授）
    主要开展信号转导与肿瘤的发病机制之间的相互关系研究。融合多种实验手段，从细胞、组织和器官等不同层面检测离子通道的电生理信息，分析其统计特性，建立相应的数学模型，描述以离子通道为媒介且与肿瘤增殖、转移和凋亡相关的信号转导通路；以生物实验和数理分析相结合的方式，研究信号转导通路影响肿瘤细胞增殖、转移和凋亡的途径，揭示相关肿瘤发病机制；通过研究药物（包括传统药物及其成分）对离子通道电生理特性和信号转导通路的影响，阐明药物对离子通道、递质释放、信号转导通路的作用机制和在肿瘤治疗中的潜在应用，为肿瘤的靶向药物治疗提供理论依据，为发现和优化先导化合物作前期研究。
    方向2：肿瘤信息检测与评估（负责人：官金安教授）
    主要开展肿瘤信息检测技术的研究与肿瘤治疗预后评估和康复设备的研制。结合磁共振成像、磁共振波谱成像及光子成像等先进的成像手段，解决成像系统中的关键问题，实现快速清晰的功能成像，为肿瘤的诊断提供技术支撑；利用电化学、光谱分析与光电技术等手段，开展肿瘤重要生物学指标（如肿瘤标志物、NO、pH等）检测的关键技术研究，探讨多参数信号检测与分析方法，研制相应的生物医学传感器，实现肿瘤重要生物学指标的量化分析；开展脑电图(EEG)和磁共振功能成像(fMRI)等手段在脑肿瘤诊断、预后评估和康复等领域的应用研究，探索新的试验模式和实验方法，实现脑肿瘤患者康复过程中生理与心理状态的评估，同时开展脑肿瘤后遗症患者代偿装置的研制。
    方向3：医学图像处理与肿瘤辅助诊断（负责人：刘海华教授）
    主要开展医学图像处理的新理论，及其在肿瘤辅助诊断中的相关应用研究。以认知神经科学的研究成果为基础，开展医学图像处理的新理论、新思想、新方法研究；面向临床中重大疾病（肿瘤）的早期预防、诊断和治疗问题，综合运用医学图像处理和计算机视觉理论，探索基于医学图像的计算机辅助分析和识别技术；从工程上开展多模态、高维数医学影像的增强、分割、配准、可视化等技术的研究，为基于肿瘤的医学图像检索、目标识别等实际应用提供可靠的表达与描述，研发有效的、具有自主知识产权的、适于临床应用的计算机辅助分析和诊断系统。
    方向4：人体建模与肿瘤精确治疗（负责人：胡德胜主任医师）
    主要开展基于人体及器官模型的肿瘤精确治疗相关技术研究与系统研制。融合解剖学、物理学以及医学图像处理技术和计算机技术，开展能够应用于临床的人体物理模型与器官模型研究；利用人体模型和器官模型及肿瘤病灶区域的三维形态，依据器官辐射吸收剂量的参考数据,研究能反映心肺运动特征的物理人模型，以及人体器官辐射吸收剂量的计算方法，实现精确放射治疗；开展肿瘤外科手术导航系统关键技术的研究，如术中组织形变理论和矫正技术在手术导航中的应用，系统的跟踪、标定方法等，实现肿瘤的准确定位，提高治疗效果，降低医疗成本。

现有研究工作的基础与水平
    宝博体育中国生物医学工程学院和湖北省肿瘤医院以服务湖北省和南方少数民族地区社会发展与经济建设为宗旨，一直致力于用现代科学技术提升湖北省和南方少数民族地区人民的健康水平，推动医学信息产业的发展，改善湖北省和南方少数民族地区医疗卫生状况与经济发展水平。在医学信息检测分析与肿瘤诊疗方面，已经做出了一些富有开创性的工作，以下是在四个研究方向上所取得的研究工作基础：
1. 信号转导与肿瘤发病机制
    （1）开展了特殊蛋白质介导的信号转导通路在肿瘤发生、转移及靶向治疗抵抗的分子机制研究。研究了信号诱导的增殖相关蛋白SPA-1在大肠癌肝转移中的作用及分子机制，通过检测与大肠癌肝转移相关的其他分子，探讨了SPA-1调控大肠癌肝转移的相关信号通路，针对这种特异性强的分子标志进行早期监测，对及时发现大肠癌肝转移或者找到有效治疗靶点，有效提高患者的生存率并改善预后有重要意义；阐明了PI3K/Akt信号转导通路在乳腺癌细胞生长和黏附中的作用机制，研究了乳腺癌干细胞药物敏感性和乳腺癌化疗前后分子分型的变化情况，明确了乳腺癌前哨淋巴结活检的意义，提出了提高活检成功率的新方式；确定了产生HER2 靶向治疗耐药的相关蛋白和关键基因，探讨了HER2 阳性细胞主要信号通路和关键基因在产生耐药过程中的表达及活性的变化，阐释了HER2靶向治疗耐药产生的机制，为提高HER2靶向治疗疗效提供了研究思路和理论依据。
    （2）开展了与肿瘤相关的膜离子通道的结构和功能研究。发现了一种植物成分可能是一种新的钙活化氯离子通道(CLCA)的阻断剂，为氯通道的研究提供了一种新的工具药，CLCA被证实是一种前凋亡蛋白，该通道可能是一类新的肿瘤抑制因子；发现了Complexins，Doc2，Piccolo和Bassoon等蛋白能影响钙通道分布和改变钙离子亲和力，分泌调节蛋白Complexins在神经递质释放中起着激活和钳制的双重作用，并区分出其作用区域，神经活性带蛋白Piccolo和Bassoon能维持突触囊泡在神经突触的聚集但并不直接参与调控神经递质分泌，钙离子结合蛋白Doc2以钙离子不依赖的方式调节神经递质的自发发放，这些发现对研究钙离子调节神经递质释放机制有重要意义，神经递质可诱导肿瘤细胞的生长和定向迁移。研究成果先后在Science，Neuron，PNAS，EMBO J，J Neurosci等国际著名杂志上发表。
    （3）开展了药物对与肿瘤相关的跨膜信号转导的影响及其机制研究。研究了傣药龙血竭及其3种化学成分（剑叶龙血素A、B和龙血素B）的组合对电压依赖性Na+通道电流信号的调制效应，该通道可造成暂时性去极化状态，与肿瘤细胞的恶性度和转移性相关，阐明了龙血竭通过其3种化学成分的组合干预初级感觉神经元和脊髓背角痛觉信息传导的机制；探讨了PC12细胞（大鼠肾上腺髓质嗜铬瘤分化细胞株）K+通道门控动力学马尔科夫模型的建模、参数估计和模型选择的方法，确定了PC12细胞K+通道开关持续时间的分形特征，对神经生长因子施加于PC12细胞K+通道门控特性的影响做了定量评估；发现了傣药榼藤子中皂苷类化合物新化合物Phaseoloideside E 具有明显的细胞毒作用，其可通过ROS信号转导通路的途径诱导Ec-109 细胞凋亡。研究成果连续在《中国科学》杂志上发表，并获得教育部科技进步一等奖和湖北省自然科学成果三等奖。
    2. 肿瘤信息检测与评估
    （1）开展了基于磁共振（波谱）成像和远红外成像的肿瘤早期影像学检测研究。提出了无附加扫描的多线圈并行成像方法，减少了采集病人波谱数据的时间，改变了传统波谱成像由于扫描时间过长不能用于临床的缺陷；针对表征肿瘤的异常代谢物的量化分析方法进行了研究，提高了代谢物浓度检测的速度和准确性，对NAA、Cho和Cr等多种代谢物进行了准确量化，得到了代谢物的分布图像，实现了肿瘤代谢物的早期检测；研发了一种新型数字化乳腺多波长血氧影像检测仪，利用三种图像增强算法对乳腺图像中病灶信息进行增强处理，采用了血氧成像算法对所采集的乳腺图像进行血氧功能成像，对门诊180例已触摸到肿块的乳腺疾病女性患者检测结果表明，良性或恶性肿瘤患者手术病例与术后病理诊断符合率为94.7%。
    （2）开展了电化学传感器和微小型光纤传感器在肿瘤早期信号检测中的应用研究。鉴于NO 与肿瘤生长、转移、细胞凋亡及肿瘤杀伤、肿瘤治疗等方面的重要关系，利用有机染料偶氮胭脂红、茜素红对碳纳米管进行非共价修饰，实现了碳纳米管的水溶性，制备了基于聚偶氮胭脂红-碳纳米管复合物膜和聚茜素红-碳纳米纤维复合膜的NO传感模型，对小鼠和豚鼠肝细胞、巨噬细胞释放NO含量成功地进行了检测，在国际上重要的学术期刊《Microchimica Acta》发表了研究论文；为了实现生化指标（PO2/pH）的单点多参量测量，提出了一种基于双频调相技术的荧光光纤传感器，对双频调相混合荧光信号进行了理论分析和计算，推导出了由双频率和双相移计算氧指示剂的荧光寿命公式，采用组合式光纤束设计了一种反射式位移传感器，成功应用于狭小空间的微位移和高频振动测量。
    （3）开展了脑电信号的处理分析、模式识别和机器学习等康复评估相关领域的研究。提出了模拟自然阅读的诱发模式，实现了将ERPs实验中诱发脑信号和诱发脑噪声的有效分离，为提取与选择作业直接相关的认知信号提供了可能。采用上述模式构建了一个新颖的脑-机接口，实现了一个初步的在线的演示系统，能利用脑电波打字和网络对话。通信速率达到国际先进水平，在2010年10月“首届中国脑-机接口比赛”中获得字符输入第二名的优秀成绩；提出了利用来自不同通道的P2-N2-P3复合波的空时模式组合作为通信特征载体，构建了从连续的EEG信号中单次定位认知信号的快速算法，使得平均识别精度达95%以上，《Journal of Neural Engineering》2007年第4期的Topical Review 中将我们提出的BCI特征提取算法作为一类方案进行了归类。
    3. 医学图像处理与肿瘤辅助诊断
    （1）医学图像处理的基础理论研究。以认知神经科学的基本理论为基础，模拟初级视皮层感知机制的易化与抑制特性，建立了一种图像线性结构检测的计算模型和轮廓感知组织的概率模型，从而实现了图像中目标显著轮廓的检测，较好的逼近了人类对图像线性结构视觉的感知效果；建立了模拟视觉皮层机制的动态时空信息检测与特征提取方法，实现了模拟脉冲神经网络的动态信息编码与目标识别，提出了视觉皮层不同区域之间连接的控制方法，为病灶目标检测与识别提供了计算方法。在《Image and Vision Computing》、《自动化学报》、《中国科学》等期刊上发表了相关研究论文，并获国家发明专利1项。
    （2）医学图像分割与肿瘤辅助诊断。准确的医学图像分析与特征提取是辅助肿瘤诊断的关键。针对前列腺周围直肠和膀胱图像灰度和形状变化大、对比度低的特点，提出一个基于局部图像上下文内容自适应学习的图像分析方法，通过在线学习获取前列腺肿瘤图像特征的准确提取与定量表达，实现前列腺肿瘤的有效分类，避免因个人因素引起的误诊；围绕MRI三维心脏图像左心室内外膜分割，提出了拓扑保持阈值的左心室内膜分割算法和非极大值抑制与区域限制的动态规划心外膜分割算法，利用分割结果对心脏整体功能参数进行了分析；研究了其他模态医学图像分割问题，提出了基于分段抛物线拟合、快速行进算法以及多尺度空间层次分割算法，实现了颈椎骨X射线、超声等图像的自动分割，并开发了相应的系统软件，且应用于临床辅助诊断。
    （3）医学图像配准与临床应用的研究。采用SIFT和SURF方法提取医学图像的局部结构特征，获得了高精度的多模态医学图像配准结果；提出了利用联合直方图估计计算图像配准互信息的方法，克服了互信息方法优化过程中的局部极值所带来的误配准问题；建立了不同尺度空间中的关键点的形变模型，较好地克服了医学图像由于组织器官变形所带来的配准精度差的问题；开发了相应的软件系统，并成功应用于临床；提出利用CT/MR功能成像作为肿瘤分子靶向治疗筛选和疗效评估的理念，有望解决目前分子靶向治疗筛选评估的问题。
     4. 人体建模与肿瘤精确治疗
    （1）利用肿瘤放射治疗学理论，提出了乳腺癌放疗中心脏保护的新策略。在左侧乳腺癌术后的放射治疗中，提出了对心脏不同亚区域的放射剂量进行调节限制的策略，特别是通过限制心脏前壁区域的照射剂量控制，从而实现在保证肿瘤有效照射剂量的前提下降低心脏受辐射剂量。该方法使心脏前壁的照射平均剂量降至为国际通用标准的80%以下，有效降低患者远期心脏病死亡风险约30%。该研究结果连续2次在肿瘤放射治疗权威杂志《International Journal of Radiation Oncology·Biology·Physics》上发表，并在比利时召开的“放射治疗正常组织保护的国际会议”上做了会议交流。
    （2）建立了中国人体器官模型及相关数据库。以断层扫描技术为基础，利用图像配准、分割和重建算法，建立了国内第一套大鼠数字模型，结合已有大鼠模型运用NURBS技术建立了大鼠动态模型，为基于大鼠的实验模拟提供了可靠的数字模型；基于已有的多模式的人体断层原始数据集，初步建立了中国人体及各器官的三维静态模型，为建立中国人动态人体模型和器官模型奠定了坚实的基础。
    （3）开展了建立中国人体器官吸收剂量数据库的基础研究。基于所建立的静态模型，初步获得中国人体在光子辐射、电子辐射等粒子辐射下的各器官吸收剂量数据库，并在国际权威杂志《Medical Physics》上发表了相关学术论文；结合临床4D CT、MRI图片，运用非均匀有理B样条（NURBS）技术，根据人体的心肺运动特性，初步建立了中国人体肺部动态模型，为建立不同性别、不同年龄的中国人群人体动态模型数据库奠定了基础，为制定肿瘤手术计划提供参考依据，为放射治疗中辐射剂量控制提供保障。