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基于扩散加权成像的表观纤维密度重测信度研究.pdf

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资源描述

1、2023年8 月Chinese Journal of Biomedical EngineeringAugust2023中42卷4期国生医No.4程物Vol.42报学学基于扩散加权成像的表观纤维密度重测信度研究骆义超1,2严经国1,2陈元园2.3范秋筠1,2,3*(天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072)2(天津市脑科学与神经工程重点实验室,天津300072)3(天津大学医学工程与转化医学研究院,天津300072)摘要:扩散加权成像已广泛应用于人脑白质组织的量化研究。表观纤维密度(AFD)是基于纤维取向分布函数(FO D)的量化指标,可以反映白质组织纤维相对密度,在健康发育和退行性神

2、经系统疾病研究中已得到初步应用。然而,AFD的测量高度依赖实验参数设置,其在不同实验条件下的重测信度尚未有系统性评估。本研究采用人脑连接组计划(HCP)和ConnectomeDiffusionMicrostructureDataset(CD M D)两个独立数据集中共42 位受试者的两次重复实验数据,通过基于纤维束单元的分析(FBA)方法计算纤维束单元(fixel)水平的AFD值,采用TractSeg进行纤维束分割,计算纤维束平均AFD,研究AFD在不同扩散加权值(b值)条件下的重测信度。结果显示,对于HCP数据集中的数据(n=35),在fixel水平上,AFD检测值在两次重复实验间的皮尔逊相

3、关系数(r)和组内相关系数(ICC)随着b值增加,分别从0.7 9 6 9 和0.8 9 8 5升高至0.8 8 2 8 和0.9 414,绝对偏差从0.12 41减小至0.10 7 3。对于CDMD数据集中的数据(n=7),也存在相似的变化趋势。在纤维束平均水平上,两个数据集中的AFD值在各b值条件下均具有较高可重复性。本研究评估了b值在10 0 0 50 0 0 smm范围内AFD检测值的可重复性,有望为AFD测度在未来神经生物学应用研究中提供实验设计参考依据。关键词:表观纤维密度;扩散加权成像;组内相关系数;重测信度中图分类号:R318文献标志码:A文章编号:0 2 58-8 0 2 1

4、(2 0 2 3)0 4-0 42 0-11The Test-Retest Assessment of Apparent Fiber Density MeasurementsUsing Diffusion Weighted Imaging in English2,3Luo Yichaol.2Yan Jingguo1,2Chen YuanyuanFan Qiuyun1,2,3*(School of Precision Instruments and Optoelectronics Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)2(Tian

5、jin Key Laboratory of Brain Science and Neural Engineering,Tianjin 300072,China)3(Academy of Medical Engineering and Translational Medicine,Tianjin University,Tianjin 300072,China)Abstract:Diffusion weighted imaging has been widely used in quantitative study of human brain white matter.Apparent fibe

6、r density(A FD)i s a q u a n t i t a t i v e me t r i c b a s e d o n t h e f i b e r o r i e n t a t i o n d i s t r i b u t i o n (FO D),w h i c hcan reflect the fiber density of white matter and has been applied in the research of healthy development andneurodegenerative diseases.However,the valu

7、e of AFD measurement strongly depends on experimental set-up,and the test-retest repeatability of AFD under different experimental conditions has not been systematicallyassessed.In this paper,the test-retest repeatability of AFD was examined at different diffusion weighted values(b-values)using the

8、scan-rescan data of 42 subjects from two separate datasets.One dataset(n=35)is fromHuman Connectome Project(H CP),t h e o t h e r (n =7)i s f o r m Co n n e c t o m e D i f f u s i o n M i c r o s t r u c t u r e D a t a s e t(CDMD).The AFD value of fixel level was estimated using fixel-based analys

9、is(FBA),and tract ROIs wereobtained using TractSeg to estimate the fiber bundle averaged AFD.Results showed that at the fixel level,as theb-value increased,the Pearsons correlation coefficient(r)and intraclass correlation coefficient(ICC)increased from 0.796 9 and 0.898 5 to 0.882 8 and 0.941 4 resp

10、ectively in the test-retest experiment with HCP,doi:10.3969/j.issn.0258-8021.2023.04.005收稿日期:2 0 2 3-0 3-10,录用日期:2 0 2 3-0 5-2 4基金项目:国家自然科学基金(8 2 0 7 19 9 4)*通信作者(Corresponding author)E-m a i l:f a n q i u y u n t j u.e d u.c n421黄福鑫,等:经颅直流电刺激时长对脑运动皮层活跃度影响的研究4期and the absolute deviation decreased fr

11、om 0.124 1 to 0.107 3.Similar trend was also found in the dataset fromCDMD.At the tract-average level,the test-retest repeatability can be achieved at all b-values in both datasets.In summary,this paper examined the repeatability of AFD estimation for b-values in the range of 1 000 5 000 s mm,and ou

12、r results might provide useful insights into the experimental design in futureneurobiological investigations using AFD.Key words:apparent fiber density;diffusion weighted imaging;intraclass correlation coefficient;test-retest repeatability引言扩散加权成像(diffusionweighted imaging,DWI)通过测量水分子在生物组织中的扩散运动,探测人

13、体组织微结构特性,为研究脑白质(whitematter,W M)组织提供了有力工具。其中,扩散张量成像(diffusiontensor imaging,D T I)应用最为广泛,用以描述单束神经纤维的走向和整合型特征。为了能够表征体素内的交叉纤维结构,一系列高角分辨率扩散成像(high angularresolutiondiffusionimaging,H A RD I)方法相继出现,球面反卷积(s p h e r i c a l d e c o n v o l u t i o n)方法是其中比较具有代表性的一种 1-2 。基于该方法,Raffelt等 3-5 提出采用纤维取向分布函数(fib

14、er orientationdistribution,FOD)的振幅值来表征白质纤维密度,即每一个纤维束单元(fixel)对应的FOD幅值定义为该fixel的表观纤维密度(apparent fiber density,AFD)3。近年来,AFD和基于纤维束单元的分析方法(fixel-basedanalysis,FBA)被广泛应用于不同被试群体,包括健康成年人和老年人 6 、健康发育青少年 7-8 、胎儿和新生儿 、精神障碍类疾病 10 、神经退行性和脱髓鞘障碍-1、癫痫 13、各类脑损伤和其他疾病 14-5。以上研究发现,AFD可以反映与疾病健康、发育衰老状态相关联的生理结构变化。AFD是基于

15、FOD形状特征的量化参数,而诸多因素都会在FOD的形状上得到体现,包括实验条件【如扩散加权值(6 值)和神经纤维组织的自身结构特征(如白质纤维排布密度、表观扩散系数等)。由于所处微观环境不同,神经组织各腔室内的水分子呈现不同的表观扩散系数。例如,细胞内水分子由于其扩散运动受阻(restricted),在垂直于神经纤维取向的方向上呈现出较低表观扩散系数,相比之下细胞外水分子扩散受限(hindered)程度较低,呈现出较高表观扩散系数,因而随着6 值升高,扩散加权(diffusionweighted,D W)信号中细胞内水分子的比重逐步升高,进而人们普遍认为b值越高DWI信号对细胞内水分子特异性越

16、高3,5,16-18然而6 值升高的代价是图像数据信噪比降低,以及采集过程产生的包括涡流效应在内的其他非理想因素,进而对检测稳定性产生影响。因而了解不同6 值实验条件下,AFD检测值的重测信度(test-retestreliability)对于正确解读该方法在应用研究中的结果具有重要意义。目前,对AFD影像学指标在不同b值条件下的重测信度尚未进行系统性研究。针对神经影像领域具有代表性b值范围(0.2的体素视为WM区域;步骤3:在WM中选取FA值最高的若干体素(前0.5%),视为只包含单束纤维的体素;步骤4:计算步骤3中体素的DWI信号平均值,作为该个体的响应函数R。除特别说明,本研究所有AFD

17、计算采用MRtrix3默认参数设置【2 9 1.2.2纤维取向分布函数纤维取向分布函数是定义在球面上的连续实函数,用以表征体素内各纤维束的取向分布 30 。各b值下的FOD可以采用多b值(单个非零b值+b=0数据或多个非零6 值数据)多组织约束球面反卷积(multi-shellmulti-tissueconstraintsphericaldeconvolution,MSMT-CSD方法求得 31。采用响应函数和MSMT-CSD方法估计FOD1.3表观纤维密度本研究沿袭Raffelt等 3 的研究方法,将表观纤维密度(AFD)定义为FOD幅值(如图2 所示)。fixel1fixel 2图2 表观

18、纤维密度定义示意(左为体素内存在两束交叉纤维,右为相应FOD和fixels;黄色线段表示FOD的幅值大小,即该fixel对应的AFD检测值)Fig.2Illustration of the definition of the apparent fiberdensity(The left means two crossing fibers in the voxel,and the right means the corresponding FOD and fixels;Theyellow line means the FOD amplitude which is the AFDvalue cor

19、responding to the fixel)423骆义超,等扩散加权成像的表观纤维密度重测信度研究4期1.4Fixel水平AFD的计算方法研究分别测量了不同6 值实验条件AFD的重测信度,各条件下AFD值均由MRtrix3标准流程计算得到,以HCP数据集为例说明,具体方法过程如图3所示。首先采用1.2.1中所述方法对3个6 值分别计算WM响应函数,取35位受试者2 次实验数据得到的7 0 个WM响应函数的平均值,即平均响应函数,作为后续分析中的统一“单位”。在此基础上,由1.2.2 所述方法计算WM体素FOD,并对幅值进行归一化。然后,采用全部35名受试者的FOD图像建立组群模板,最后得到

20、的结果称为FOD模板(FO D t e mp l a t e,见图4)。因为FOD的幅值测量值对实验条件具有依赖性,所以需要在FOD模板中针对不同b值分别选择适当阈值T(b=1000smm2时,T=0.16;b=2000smm时,T=0.16;b=3000smm时T=0.15),从而得到WMfixel掩模(white matter fixel mask)。对于fixel水平的AFD重测信度评估,主要关注体素中AFD检测值最大的fixel,即WMfixel掩模中只保留FOD模板每个体素内最高的AFD值对应的fixel,从而得到新的fixel掩模,称为最大AFDfixel掩模(maximumAFD

21、fixel mask)。最后,将FOD模板建立步骤中获得的计算平均估计FOD强度归一化响应函数FOD模板创建2最大AFDfixel掩模3个体FOD配准fixel水平的AFD值至模板空间图3Fixel水平AFD计算流程Fig.3Illustration of pipeline of fixel-level AFD calculation6=10006=2000b=3000图4不同b值(smm)实验条件下的FOD模板Fig.4FOD templates at different b-values(s mm-2)非线性变换应用至每个受试者在个体空间测得的FOD,从而将各b值下全部受试者的FOD检测结

22、果配准至相应的FOD模板,并在此基础上完成FOD重定向和幅值调制 3.32 ,,最终得到fixel水平的AFD值。调制重定向的目的是保证在非线性变化前后纤维密度(AFD)和纤维束截面积的乘积(即纤维总量)保持不变。在CDMD数据集中遵循上述相同计算过程,不同之处主要在于受试者数量不同以及选取阅值T不同(b=2400smm时,T=0.15;b=3450smm时,T=0.15;b=4750smm时,T=0.15)。1.5纤维束水平AFD的计算方法在不同b值实验条件的FOD模板基础上,纤维束追踪工作采用TractSeg工具 3-34 完成。TractSeg默认可以重建7 2 条白质纤维束,但其中2

23、2 条纤维束因未能在FOD模板中得到完整追踪结果而未纳入后续分析,故本研究所关注的纤维束总计50 条(见图5),分别为:弓状束(arcuatefasciculus,A F)、丘脑前辐射(anterior thalamic radiation,A T R)、肼体(corpus callosum,C)7 段CC_1为肼眠体嘴(r o s t r u m),CC_2 为肼抵体膝(genu),CC_3为肼眠体喙体(ros-tral body),CC_4为肼眠体前中体(a n t e r i o r m i d b o d y),CC_5为肼眠体后中体(p o s t e r i o r m i d b

24、 o d y),C C _6 为肼体峡部(i s t h mu s),CC_7 为眠体压部(splenium)、扣带回(cingulum,CG)、皮质脊髓束(corticospinaltract,CST)、额叶脑桥束(fronto-pontine tract,FPT)、小脑下脚(inferior cerebellar peduncle,ICP)、额枕下束(i n f e r i o r f r o n t o-o c c i p i t a l f a s c i c u l u s,IFO)、下纵束424中生42卷医国程物报学学SLFICC_3CC.4CC.5CC2CC6SLF_IICC7S

25、LFILCC.1CSTTPREMSTRPOPTFPTT_PARTOCCUFILFSTPREMATRSTPREFIFOORSPMCP图550条纤维束位置取向示意Fig.5Illustration of the 50 fiber bundleslocationand orientation(i n f e r i o r l o n g i t u d i n a l f a s c i c u l u s,I LF)、小脑中脚(mi d d l e c e r e b e l l a r p e d u n c l e,M CP)、视辐射(opticradiation,O R)、顶枕脑桥(par

26、ieto-occipital pontine,POPT)、小脑上脚(superior cerebellar peduncle,SCP)、上纵束(superior longitudinal fasciculus,SLF)I,II,II段、丘脑上辐射(superior thalamic radiation,STR)、纹状体前额叶(striato-prefrontal,ST _PREF)、纹状体前运动区(striato-premotor,SP_PREM)、丘枕束(thalamo-occipital,T _O CC)、丘顶束(thalamo-parietal,T _PA R)、丘前束(thalamo-

27、premotor,T _PREM)、钩束(uncinatefasciculus,U F)。基于TractSeg得到的纤维束追踪结果,计算每条纤维束所包含fixel对应AFD的平均值,作为纤维束水平AFD的检测值。1.6重测信度指标对于1.4和1.5步骤中得到的AFD检测值,分别从多个角度进行重测信度评估,包括组内相关系数(intraclass correlation coefficient,ICC),皮尔逊相关系数(Pearson correlation coefficient,r)和绝对偏差(absolute deviation,Abs.Dev)等。ICC用于衡量个体间定量属性的相似程度,其

28、值介于0 1,越接近1,表明同一个体多次测量结果的一致性越高,其表达式为2interICC(2)22+intrainter1n(mi,scan-m)2+intra2n(3)2inter=var;(m,)(4)mi,+mi,rescan,scanm(5)2式中,mi,scan为第i位受试者第1次实验结果;mi.rescan为第i位受试者第2 次实验结果;m,为第i位受试者2 次实验结果的平均值;oimter为m,变量的方差;n为受试者数量。皮尔逊相关系数r用于度量两变量间的线性相关程度,其值介于-1 1,1越接近1,表明两变量线性相关程度越高,负数表示两变量存在负相关性,其表达式为nm;i,sc

29、anmmi,rescanmscanrescann2m2mmmscanscanrescanrescan(6)式中,mscan为所有受试者第1次实验结果的平均值;mrescan为所有受试者第两次实验结果的平均值。Abs.Dev用于衡量两次测量值之间的偏差,即nAbs.Dev:(7)mmscanrescann二12结果2.1Fixel水平的重测信度在不同b值实验条件下,基于最大AFDfixel掩模的AFD重测结果如图6-8 所示。图6 所示为HCP数据集中的一位受试者在不同b值实验条件下WM体素中最大AFD的测量结果,颜色越亮,seanrescan美值的绝对h=10006-2.0006-3000图6

30、HCP数据集中一位健康被试的测试-再测试实验结果Fig.6The scan-rescan results in one representativesubject from the HCP dataset425骆义超,等于扩散加权成像的表观纤维密度重测信度研究4期AFD值越大。第1列图表示受试者第1次实验的AFD检测值,第2 列图表示第2 次实验的结果,第3列为前两者差值的绝对值。从图中能够比较直观地发现,当6 值升高时,两次实验测量值之间的差异呈现减小的变化趋势。图7 中横轴表示HCP数据集中受试者第1次实验在最大AFDfixel掩模的AFD测量值,纵轴表示受试者第2 次实验的测量值,暖色越

31、亮区域,表明散点聚焦密度越高。每张散点图由35位受试者两次重复实验中所有体素AFD值构成。如图所示,低b值实验条件时,AFD值在0.1 0.6 范围内的fixel占比最高,而大于1.2 的fixel数量较少,随着6 值增加,AFD值在0.1 0.6 范围内的fixel占比减小,大于1.2 的fixel数量随之增多。随着b值增加,皮尔逊相关系数和组内相关系数均明显增加,从低b值条件(b=3000smm)时的0.7 9 6 9 和0.8 9 8 5,分别增加到b=3000smm条件时的0.8 8 2 8 和0.9414。绝对偏差从0.12 41减小至0.10 7 3。CDMD数据集中得到类似结果,

32、如图8 所示。随着b值升高,AFD在0.1 0.6 范围内的fixel占比在逐渐减小,较大AFD值(1.2)的fixel数量在不断增加。ICC和r值均随b值升高而升高,变化趋222r=0.7969r=0.8563r=0.8828ICC=0.8985ICC=0.9282ICC=0.941.41.61.61.61.21.21.20.80.80.80.40.40.4Abs.Dev=0.1241Abs.Dev=0.1137Abs.Dev=0.107300000.40.81.21.6200.40.81.21.6200.40.81.21.62scanscanscan(a)(b)(c)图7 HCP数据集中不

33、同b值实验条件下fixel水平AFD重复实验测量值(黑色散点表示fixel水平重测结果;红色区域范围内,色彩越亮表示散点聚集程度越高)。(a)b=10 0 0 s mm;(b)b=2 0 0 0 s mm;(c)b=30 0 0 s mm*2Fig.7 Results of the repeatability assessment of the AFD value measured on the fixel-level for the HCP dataset(Theblack dots represent the test-retest result on the fixel-level.Wi

34、thin each red area,the brighter the color,the higherdegree of scattered point aggregation is).(a)b=1 000 s mm;(b)b=2 0 s mm;(c)b=3 000 s mm22.42.42.4r=0.8614r=0.8820r=0.89502ICC=0.930.72ICC=0.94102ICC=0.94741.61.61.61.21.21.20.80.80.80.40.40.4Abs.Dev=0.1174Abs.Dev=0.1191Abs.Dev=0.124800000.40.81.21.

35、622.400.40.81.21.622.400.40.81.21.622.4scanscanscan(a)(b)(c)图8 CDMD数据集中不同b值实验条件下fixel水平AFD重复实验测量值。(黑色散点表示fixel水平重测结果;红色区域范围内,色彩越亮表示散点聚集程度越高)。(a)b=2 40 0 s mm;(b)b=3450 s mm;(c)b=47 50 s*mm2Fig.8 Results of the repeatability assessment of the AFD value measured on the fixel-level for the CDMD dataset

36、(Theblack dots represent the test-retest result on the fixel-level.Within each red area,the brighter the color,the higherdegree of scattered point aggregation is).(a)b=2 400 s mm;(b)b=3 450 s mm;(c)b=4 750 s mm2426中生42卷医国报学程学物势与HCP数据集中的结果一致。研究发现绝对偏差值的变化趋势略有不同,这可能与每个6 值条件下只包含6 4个扩散加权方向数据有关,6 4个方向虽然已基

37、本满足计算包含45个球谐系数的FOD(lmax=8)需求,但是随着b值升高,扩散图像信噪比降低,在此数据量的前提下,计算结果的误差可能会有所升高,从而导致实验结果的绝对偏差值呈现出增大趋势2.2纤维束水平的重测信度图9 和图10 分别展示了两个数据集中50 条纤维束平均AFD值在不同6 值实验条件下两次重测信度评测结果。图中横轴表示第1次实验测量的纤维束平均AFD值,纵轴表示第2 次实验结果,图中散点总数为纤维束数量与受试者数量的乘积,颜色表征散点聚集程度(亮黄色表明聚集程度最高)。图中每个点对应一位受试者在两次重复实验中分别获得的单条纤维束平均AFD值。从重测信度评价指标中发现,与fixel

38、水平的实验结果相比,两个数据集中的纤维束平均AFD值在不同b值条件下,均表现出较高的一致性,且纤维束的各重测信度指标(r0.97,ICC0.98,Abs.Dev0.015)均优于fixel水平(r0.90,ICC0.1)。但是,HCP数据集中的皮尔逊相关系数和组内相关系数随着b6值升高呈现缓慢降低的趋势,绝对误差值则呈现增大趋势。在CDMD数据集的重测信度评价指标中也发现了类似的变化趋势。0.90.90.9r=0.9902r=0.9883r=0.977 40.81CC=0.99510.8ICC=0.99370.8ICC=0.98750.70.70.70.60.60.60.5Abs.Dev=0.

39、00580.5Abs.Dev=0.00760.5Abs.Dev=0.01200.40.40.40.40.50.60.70.80.90.40.50.60.70.80.90.40.50.60.70.80.9scanscanscan(a)(b)(c)图9 HCP数据集中纤维束水平AFD重复实验测量值(黑色散点表示纤维束水平重测结果;高亮区域表示散点聚集程度较高)。(a)b=1000 smm;(b)b=2000 smm;(c)b=3000 smm2Fig.9 Results of the repeatability assessment of the AFD value measured on the

40、 tract-level for the HCP dataset(Theblack dots represent the test-retest result on the tract-level.The highlighted area represents the higher degree ofscattered point aggregation).(a)b=1 000 s mm2;(b)b=2 000 s mm2;(c)b=3 000 s mm0.90.90.9r=0.9875r=0.984 3r=0.986 80.8ICC=0.99370.8ICC=0.99200.8ICC=0.9

41、9080.70.70.70.60.60.60.5Abs.Dev=0.007 10.5Abs.Dev=0.00830.5Abs.Dev=0.00920.40.40.40.40.50.60.70.80.90.40.50.60.70.80.90.40.50.60.70.80.9scanscanscan(a)(b)(c)图10 CDMD数据集中纤维束水平AFD重复实验测量值(黑色散点表示纤维束水平重测结果;高亮区域表示散点聚集程度较高)。(a)b=2400 smm;(b)b=3450smm;(c)b=4750smm*Fig.10 Results of the repeatability assessm

42、ent of the AFD value measured on the fixel-level for the CDMD dataset(The black dots represent the test-retest result on the tract-level.The highlighted area represents the higher degreeof scattered point aggregation).(a)b=2 400 s mm*;(b)b=3 450 s.mm;(c)b=4 750 s mm2427骆义超,等于扩散加权成像的表观纤维密度重测信度研究4期表1H

43、CP数据集中,在不同b值(smm)时纤维束平均AFD重测信度指标Tab.1The repeatability metrics of AFD measure at different b-values(s:mm2)in various fiber bundles obtained from theHCP datasetAbs.DevICCfiber bundle6=10006=2.0006=3.0006=1 0006=20006=30006=10006=2000b=3 000AF_left0.003 80.006 60.01140.976 10.968 70.946 60.95450.95220

44、.9159AF_right0.00470.00680.01090.971 00.962.60.947.40.942.40.93650.9094ATR_left0.00470.00840.01590.94390.936 00.89640.89350.90980.8483ATR_right0.00410.00660.011 80.96910.94900.923.50.94520.906 40.871 9CC_10.006 40.009 40.013.50.95490.935 60.908 20.910 50.880 50.850.9CC_20.00380.00780.01580.981 10.95

45、060.907 80.962 60.92330.8600CC_30.00520.00700.012.40.98670.97870.961 60.975.40.96050.9375CC_40.00510.00770.01380.977 90.96380.94710.95800.938.10.9101CC_50.005 80.00870.013 80.968 40.954.30.944 40.94080.924 60.906 3CC_60.005 10.006 60.01000.980.70.979 10.975 80.961 70.960 10.9547CC_70.00520.00670.010

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