計(jì)算機(jī)科學(xué)與生命科學(xué)第五講課件

1、計(jì)算機(jī)科學(xué)與生命科學(xué)（5）計(jì)算機(jī)與醫(yī)學(xué)2016年秋季學(xué)期通選課程上課時(shí)間：周一 18:30點(diǎn) 上課地點(diǎn)：軟件園4區(qū)402d主講人：魏天迪講義網(wǎng)址：8/wtd/計(jì)算機(jī)輔助醫(yī)學(xué)技術(shù)計(jì)算機(jī)輔助診斷 醫(yī)生通過詢問、觀察、聽、簡(jiǎn)單測(cè)量和特殊檢查來收集病人的各種信息，然后在頭腦里加工，確立診斷。應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬醫(yī)生診斷疾病過程的系統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)輔助診斷系統(tǒng)（CADS）。1. 診斷指標(biāo)的選擇 診斷指標(biāo)是指作為診斷依據(jù)的各個(gè)項(xiàng)目，如病史、癥狀、體征、特殊檢查結(jié)果等。診斷指標(biāo)的選取應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）特異性高、觀測(cè)誤差小的項(xiàng)目；（2）對(duì)病人不利影響小、經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)少的項(xiàng)目；（3）通俗，易取得的項(xiàng)目，如不宜選“紅細(xì)胞壽

2、命縮短”這一理論上的指標(biāo)，而應(yīng)該選“紅細(xì)胞密度降低”；（4）指標(biāo)總數(shù)力求少些，而準(zhǔn)確度高些；（5）在給病人用戶用的系統(tǒng)應(yīng)盡量避免組合性指標(biāo)，給醫(yī)生用的可以。計(jì)算機(jī)輔助醫(yī)學(xué)技術(shù)2. Bayes法輔助診斷 A與B是兩個(gè)相關(guān)聯(lián)的隨機(jī)事件。通常，事件A在事件B發(fā)生的條件下的概率，與事件B在事件A發(fā)生的條件下的概率是不一樣的；然而，這兩者是有確定的關(guān)系，貝葉斯定理就是這種關(guān)系的陳述。P(A): A發(fā)生的概率P(B): B發(fā)生的概率P(A|B): 在B發(fā)生的條件下，A發(fā)生的概率P(B|A): 在A發(fā)生的條件下，B發(fā)生的概率計(jì)算機(jī)輔助醫(yī)學(xué)技術(shù)例1. 假設(shè)來看胃病的病人只有兩種胃病，急性胃炎和慢性胃炎。而患這

3、兩種病的病人也只有兩種癥狀，胃脹和胃痛。以往100個(gè)胃病人的確診結(jié)果及癥狀表現(xiàn)如下：急性有21例，慢性有79例，急性時(shí)胃脹和胃痛的分別占14%和86%，慢性時(shí)胃脹和胃痛的分別占19%和81%。問：新來的一位病人有胃脹癥狀時(shí)，患急性胃炎的概率分別是大少。P(A): P(急性) P(B): P(胃脹)P(急性|胃脹) = P(胃脹|急性) * P(急性) / P(胃脹)P(胃脹|急性) = 14% P(急性) = 21/100 = 21%P(胃脹) = P(胃脹|急性) * P(急性) + P(胃脹|慢性) * P(慢性) = 14% * 21% + 19% * 79% = 18%P(急性|胃脹)

4、 =14% * 21% / 18% = 16%診斷建議：是慢性胃炎的可能性明顯高于急性胃炎。計(jì)算機(jī)輔助醫(yī)學(xué)技術(shù)例2. 假設(shè)來看胃病的病人有n種胃病，D1,Dn。而患這n種病的病人有m種癥狀，S1,Sm。根據(jù)以往大量個(gè)胃病人的確診結(jié)果及癥狀表現(xiàn)，已知: P(Di), i=1,n P(Sj|Di), i=1,n, j=1,m求：(1) 新來的一位病人有癥狀Sa時(shí)，患各類胃病的概率分別是大少。(2) 新來的一位病人有癥狀Sa,Sb時(shí)，患各類胃病的概率分別是大少。(1) For (i=1,n): P(Di|Sa) = P(Sa|Di) * P(Di) / P(Sa) =P(Sa|Di) * P(Di)

5、P(Sa|D1) * P(D1) + + P(Sa|Dn) * P(Dn)(2) For (i=1,n): P(Di|Sa,Sb) = =P(Sa|Di) * * P(Sb|Di) * P(Di)P(Sa,Sb)從形式上看，用P(Sa|Di) * * P(Sb|Di)替換了(1)里的P(Sa|Di)，就是(2)了。P(Sa|Di) * * P(Sb|Di) * P(Di)P(Sa|D1) * * P(Sb|D1) * P(D1) + + P(Sa|Dn) * * P(Sb|Dn) * P(Dn)專家醫(yī)療系統(tǒng)專家醫(yī)療系統(tǒng)專家醫(yī)療系統(tǒng)專家醫(yī)療系統(tǒng)專家醫(yī)療系統(tǒng)專家醫(yī)療系統(tǒng)專家醫(yī)療系統(tǒng)專家醫(yī)療系統(tǒng)遠(yuǎn)程

6、醫(yī)療技術(shù) 遠(yuǎn)程醫(yī)療指的是利用通信和信息技術(shù)來實(shí)現(xiàn)異地疾病診斷、治療和健康護(hù)理等多種醫(yī)學(xué)模式。利用遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)，可以不受空間距離的限制，使條件好的醫(yī)療機(jī)構(gòu)為異地的患者進(jìn)行疾病診斷和健康護(hù)理服務(wù)，或者為異地醫(yī)生提供手術(shù)指導(dǎo)、診斷及治療咨詢。因此，遠(yuǎn)程醫(yī)療的最主要的目標(biāo)是為醫(yī)療條件差的地方提供基于專家的健康護(hù)理或緊急情況下的危重病人救護(hù)。遠(yuǎn)程醫(yī)療的最主要特征是因資源共享而產(chǎn)生的資源利用的高效性、對(duì)緊急情況能及時(shí)處理的時(shí)效性及節(jié)省醫(yī)院和患者開支的經(jīng)濟(jì)性。 從結(jié)構(gòu)上，遠(yuǎn)程醫(yī)療可以分為3個(gè)部分：遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù) 按照組成遠(yuǎn)程醫(yī)療各方的地理位置及環(huán)境，可將現(xiàn)階段的遠(yuǎn)程醫(yī)療劃分為3個(gè)層次： 醫(yī)院內(nèi)各科室與部門間的

7、醫(yī)療信息交流，包括病案?jìng)魉?、?huì)診等。 各個(gè)醫(yī)院間的醫(yī)療信息交流，包括地區(qū)小醫(yī)院請(qǐng)專科醫(yī)院協(xié)助診斷與治療，各個(gè)醫(yī)院的專家對(duì)疑難病癥的會(huì)診。高水平醫(yī)院對(duì)低水平醫(yī)院的培訓(xùn)。邊遠(yuǎn)地區(qū)診所向中心區(qū)地醫(yī)院進(jìn)行咨詢等。 醫(yī)院與院外的醫(yī)療信息交流，包括對(duì)于家庭對(duì)象的監(jiān)測(cè)、對(duì)車船及飛機(jī)上的乘客的醫(yī)療支援等。遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)起源與20世紀(jì)60年代，美國(guó)航天管理局為檢測(cè)航天飛行器中宇航員的生命參數(shù)而建立的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。臨床最早的應(yīng)用實(shí)例是美國(guó)國(guó)家心理健康研究所在Nebraska精神病和Norfold州立醫(yī)院之間建立的通過閉路電視實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程醫(yī)療，僅限于診治精神病人。20世紀(jì)70-90年代，發(fā)達(dá)國(guó)家逐步建立遠(yuǎn)程

8、醫(yī)療實(shí)驗(yàn)網(wǎng)。1987-1991年，日本利用高清數(shù)字電視技術(shù)和計(jì)算機(jī)廣域網(wǎng)建立了“國(guó)立大學(xué)醫(yī)院醫(yī)療信息遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”。1989年，亞美尼亞地震災(zāi)害后，美國(guó)國(guó)家宇航局應(yīng)用衛(wèi)星技術(shù)指揮現(xiàn)場(chǎng)救災(zāi)，現(xiàn)場(chǎng)醫(yī)生與美國(guó)醫(yī)療中心進(jìn)行遠(yuǎn)程會(huì)診。20世紀(jì)90年代以后，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、多媒體技術(shù)和光纖通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展有力推動(dòng)了遠(yuǎn)程醫(yī)療的快速發(fā)展。在美國(guó)遠(yuǎn)程醫(yī)療是1993年提出的“國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施行動(dòng)計(jì)劃”的重要組成部分。1996年日本已經(jīng)開始建成“健康信息高速公路”，向用戶提供疾病治療、保健、飲食等方面的信息。喬治亞州教育醫(yī)學(xué)系統(tǒng)（CSAMS）是目前世界上規(guī)模最大、覆蓋面最廣的遠(yuǎn)程教育和遠(yuǎn)程醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)，可進(jìn)行有線、無

9、線和衛(wèi)星通信活動(dòng)，遠(yuǎn)程醫(yī)療網(wǎng)是其中的一部分。歐盟組織了3個(gè)生物醫(yī)學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室、10個(gè)大公司、20個(gè)病理學(xué)實(shí)驗(yàn)室和120個(gè)終端用戶參加的大規(guī)模遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)推廣實(shí)驗(yàn)，推動(dòng)了遠(yuǎn)程醫(yī)療的普及。遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)在國(guó)內(nèi)，1995年上海醫(yī)科大學(xué)附屬中山醫(yī)院和上海東康科技公司聯(lián)合研制了國(guó)內(nèi)第一套基于程控電話的“遠(yuǎn)程多媒體專家會(huì)診系統(tǒng)”。1996年，南京軍區(qū)后勤部在南京總醫(yī)院組建了“南京軍區(qū)遠(yuǎn)程會(huì)診中心”。1996年，北京與大連、上海與巢湖分別通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了異地會(huì)診。中國(guó)遠(yuǎn)程醫(yī)療網(wǎng)： 該網(wǎng)站于2010被黑，至今一直沒治好。中國(guó)家居養(yǎng)老平臺(tái)：/ 全醫(yī)網(wǎng)：/ 網(wǎng)上掛號(hào)，視頻看醫(yī)生，不開發(fā)票，基本屬于預(yù)診。目前大量醫(yī)院的

10、遠(yuǎn)程醫(yī)療設(shè)備閑置不用的原因：1. 老百姓和醫(yī)務(wù)人員對(duì)遠(yuǎn)程醫(yī)療效果持懷疑態(tài)度。先期對(duì)遠(yuǎn)程醫(yī)療功能的過度宣傳和早期實(shí)際使用情況的反差損傷了醫(yī)務(wù)人員和廣大老百姓對(duì)遠(yuǎn)程醫(yī)療的信任程度。2. 經(jīng)濟(jì)條件不好的患者付不起遠(yuǎn)程會(huì)診費(fèi)（覺得不值），經(jīng)濟(jì)條件好的患者愿意按常規(guī)思路轉(zhuǎn)院治療。 3. 設(shè)備和方案過時(shí)。遠(yuǎn)程醫(yī)療所依賴的計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊條件發(fā)展迅速，早期購買的遠(yuǎn)程醫(yī)療設(shè)備和采用的解決方案因?yàn)闀?huì)診對(duì)方單位的設(shè)備和方案升級(jí)而不能繼續(xù)使用。 4. 醫(yī)院之間自主建立遠(yuǎn)程醫(yī)療業(yè)務(wù)關(guān)系往往因?yàn)楹献麽t(yī)療單位的負(fù)責(zé)人甚至僅僅是具體管理人員調(diào)換而得不到延續(xù)。 5. 部分設(shè)備無法滿足實(shí)際遠(yuǎn)程醫(yī)療業(yè)務(wù)的需要。有的遠(yuǎn)程醫(yī)療系

11、統(tǒng)僅僅是視頻會(huì)議系統(tǒng)的一種變體銷售方式。家庭數(shù)字醫(yī)療監(jiān)護(hù)保健系統(tǒng)已被列入國(guó)家“863”計(jì)劃。附加說明頁“863”計(jì)劃：1986年3月，王大珩（heng2）、王淦（gan4）昌、楊嘉墀（chi2）、陳芳允四位老科學(xué)家給中共中央寫信，提出要跟蹤世界先進(jìn)水平，發(fā)展我國(guó)高技術(shù)的建議。這封信得到了鄧小平同志的高度重視，小平同志親自批示：此事宜速?zèng)Q斷，不可拖延。經(jīng)過廣泛、全面和極為嚴(yán)格的科學(xué)和技術(shù)論證后，中共中央、國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)了高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）綱要。 “973”計(jì)劃：1997年，原國(guó)家科技領(lǐng)導(dǎo)小組第三次會(huì)議決定要制定和實(shí)施國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃，隨后由科技部組織實(shí)施了國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)

12、劃（亦稱973計(jì)劃）。制定和實(shí)施973計(jì)劃是為了實(shí)施“科教興國(guó)”和“可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略”，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和科技工作；是實(shí)現(xiàn)2010年以至21世紀(jì)中葉我國(guó)經(jīng)濟(jì)、科技和社會(huì)發(fā)展的宏偉目標(biāo)，提高科技持續(xù)創(chuàng)新能力，迎接新世紀(jì)挑戰(zhàn)的重要舉措。 三級(jí)甲等醫(yī)院（三甲）：一級(jí)醫(yī)院：病床數(shù)在100張以內(nèi)，包括100張。二級(jí)醫(yī)院：病床數(shù)在101-500張之間。三級(jí)醫(yī)院：病床數(shù)在501張以上。 各級(jí)醫(yī)院經(jīng)過評(píng)審，按照醫(yī)院分級(jí)管理標(biāo)準(zhǔn)確定為甲，乙、丙三等，其中三級(jí)醫(yī)院增設(shè)特等，因此醫(yī)院共分三級(jí)十等。但實(shí)際執(zhí)行中，一級(jí)醫(yī)院不分甲、乙、丙三等。三級(jí)特等醫(yī)院（三特）：北京協(xié)和醫(yī)院、中日友好醫(yī)院、解放軍總醫(yī)院（301）遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)

13、遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)遠(yuǎn)程醫(yī)療的關(guān)鍵技術(shù)： 醫(yī)療保健技術(shù) 用于遠(yuǎn)程的醫(yī)療保健技術(shù)包括醫(yī)療專業(yè)人員的診療技術(shù)和臨床檢測(cè)工程技術(shù)，例如：心電圖、血壓、血氧、電生理檢測(cè)，B超、CT成像，血、尿、體液的生化含量分析等。2. 程通訊技術(shù) 遠(yuǎn)程醫(yī)療中傳送的醫(yī)學(xué)信息量較大，對(duì)通訊技術(shù)要求較高，目前的主要通訊技術(shù)有：程控電話網(wǎng)、雙絞線局域網(wǎng)、光纖網(wǎng)、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）、衛(wèi)星通訊。3. 信息學(xué)技術(shù) 醫(yī)療信息的檢測(cè)、采集、儲(chǔ)存、分析處理、顯示、查詢、管理。東軟公司提到的關(guān)鍵技術(shù)：/medit/cn/telemedicine/23.jsp什么是信號(hào)？生物醫(yī)學(xué)信號(hào)人體中每時(shí)每刻都存在著大量的生命

14、信息。由于我們的身體整個(gè)生命過程中都在不斷地實(shí)現(xiàn)著物理的、化學(xué)的及生物的變化，因此所產(chǎn)生的信息是極其復(fù)雜的。我們可以把生命信號(hào)概括分為二大類：化學(xué)信息 物理信息 人體中的信號(hào)：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)化學(xué)信息是指組成人體的有機(jī)物在發(fā)生變化時(shí)所給出的信息，它屬于生物化學(xué)所研究的范疇。物理信息是指人體各器官運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的信息。物理信息所表現(xiàn)出來的信號(hào)又可分為電信號(hào)和非電信號(hào)兩大類。人體電信號(hào)，如體表心電（ECG）信號(hào)、腦電（EEG）、肌電（EMG）、眼電（EOG）、胃電（EGG）等在臨床上取得了不同程度的應(yīng)用。人體磁場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)近年來也引起了國(guó)內(nèi)外研究者和臨床的高度重視，我們把磁場(chǎng)信號(hào)也可歸為人體電信號(hào)。人體非

15、電信號(hào)，如體溫、血壓、心音、心輸出量及肺潮氣量等，通過相應(yīng)的傳感器，即可轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。電信號(hào)是最便于檢測(cè)、提取和處理的信號(hào)。 人體中的信號(hào)：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)化學(xué)信息是指組成人體的有機(jī)物在發(fā)生變化時(shí)所給出的信息，它屬于生物化學(xué)所研究的范疇。物理信息是指人體各器官運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的信息。物理信息所表現(xiàn)出來的信號(hào)又可分為電信號(hào)和非電信號(hào)兩大類。人體電信號(hào)，如體表心電（ECG）信號(hào)、腦電（EEG）、肌電（EMG）、眼電（EOG）、胃電（EGG）等在臨床上取得了不同程度的應(yīng)用。人體磁場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)近年來也引起了國(guó)內(nèi)外研究者和臨床的高度重視，我們把磁場(chǎng)信號(hào)也可歸為人體電信號(hào)。人體非電信號(hào)，如體溫、血壓、心音、心輸出量

16、及肺潮氣量等，通過相應(yīng)的傳感器，即可轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。電信號(hào)是最便于檢測(cè)、提取和處理的信號(hào)。 人體中的信號(hào)：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)上述信號(hào)是由人體自發(fā)生產(chǎn)的，稱為 “主動(dòng)性”信號(hào)。另外，還有一種“被動(dòng)性”信號(hào)，即人體在外界施加某種刺激或某種物質(zhì)時(shí)所產(chǎn)生的信號(hào)。如誘發(fā)響應(yīng)信號(hào)，即是在刺激下所產(chǎn)生的電信號(hào)，在超聲波及X 射線作用下所產(chǎn)生的人體各部位的超聲圖象、X 射線圖象等也是一種被動(dòng)信號(hào)。 這些信號(hào)是我們進(jìn)行臨 床診斷的重要工具。 人體中的信號(hào)：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)即是上述的包括主動(dòng)的、被動(dòng)的、電的和非電的人體物理信息。生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)：1信號(hào)弱 2噪聲強(qiáng) 3頻率范圍一般較低 4隨機(jī)性強(qiáng)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)1信

17、號(hào)弱：直接從人體中檢測(cè)到的生理電信號(hào)其幅值一般比較小。如從母體腹部取到的胎兒心電信號(hào)僅為1050V，腦干聽覺誘發(fā)響應(yīng)信號(hào)小于1V，自發(fā)腦電信號(hào)約5150V，體表心電信號(hào)相對(duì)較大，最大可達(dá)5mV。因此，在處理各種生理信號(hào)之前要配置各種高性能的放大器。1 V = 10-6 V1 m V = 10-3 V5號(hào)電池 ：1.5 V生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)2噪聲強(qiáng)：噪聲是指其它信號(hào)對(duì)所研究對(duì)象信號(hào)的干擾。如電生理信號(hào)總是伴隨著由于肢體動(dòng)作、精神緊張等帶來的干擾，而且?；煊休^強(qiáng)的工頻干擾；誘發(fā)腦電信號(hào)中總是伴隨著較強(qiáng)的自發(fā)腦電；從母腹取到的胎兒心電信號(hào)常被較強(qiáng)的母親心電所淹沒。這給信號(hào)的 檢測(cè)與處理帶來了困難。因

18、此要求采用一系列的有效 的去除噪聲的算法。生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)3頻率范圍一般較低：經(jīng)頻譜分析可知，除聲音信號(hào)（如心音）頻譜成分較高外，其它電生理信號(hào)的頻譜一般較低。如心電的頻譜為0.0135Hz，腦電的頻譜分布在l30Hz之間。因此在信號(hào)的獲取、放大、處理時(shí)要充分考慮對(duì)信號(hào)的頻率響應(yīng)特性。小提琴拉出440Hz的聲音；镲、鈴、鈴鼓、沙錘、銅刷、三角鐵等打擊樂器能發(fā)出1216KHz；人耳耳腔的諧振頻率是1Hz4KHz。 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)4隨機(jī)性強(qiáng)：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)是隨機(jī)信號(hào)，一般不能用確定的數(shù)學(xué)函數(shù)來描述，它的規(guī)律主要從大量統(tǒng)計(jì)結(jié)果中呈現(xiàn)出來，必須借助統(tǒng)計(jì)處理技術(shù)來檢測(cè)、辨識(shí)隨機(jī)信號(hào)和估計(jì)它的特征。而且它往往是非平穩(wěn)的，即信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征（如均值、方差等）隨時(shí)間的變化而改變。這給生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理帶來了困難。因此在信號(hào)處理時(shí)往往