1、計算機科學與生命科學（5）計算機與醫學2016年秋季學期通選課程上課時間：周一 18:30點 上課地點：軟件園4區402d主講人：魏天迪講義網址：8/wtd/計算機輔助醫學技術計算機輔助診斷 醫生通過詢問、觀察、聽、簡單測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。應用計算機模擬醫生診斷疾病過程的系統稱為計算機輔助診斷系統（CADS）。1. 診斷指標的選擇 診斷指標是指作為診斷依據的各個項目，如病史、癥狀、體征、特殊檢查結果等。診斷指標的選取應注意以下幾點：（1）特異性高、觀測誤差小的項目；（2）對病人不利影響小、經濟負擔少的項目；（3）通俗，易取得的項目，如不宜選“紅細胞壽

2、命縮短”這一理論上的指標，而應該選“紅細胞密度降低”；（4）指標總數力求少些，而準確度高些；（5）在給病人用戶用的系統應盡量避免組合性指標，給醫生用的可以。計算機輔助醫學技術2. Bayes法輔助診斷 A與B是兩個相關聯的隨機事件。通常，事件A在事件B發生的條件下的概率，與事件B在事件A發生的條件下的概率是不一樣的；然而，這兩者是有確定的關系，貝葉斯定理就是這種關系的陳述。P(A): A發生的概率P(B): B發生的概率P(A|B): 在B發生的條件下，A發生的概率P(B|A): 在A發生的條件下，B發生的概率計算機輔助醫學技術例1. 假設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個胃病人的確診結果及癥狀表現如下：急性有21例，慢性有79例，急性時胃脹和胃痛的分別占14%和86%，慢性時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，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。計算機輔助醫學技術例2. 假設來看胃病的病人有n種胃病，D1,Dn。而患這n種病的病人有m種癥狀，S1,Sm。根據以往大量個胃病人的確診結果及癥狀表現，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，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，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)專家醫療系統專家醫療系統專家醫療系統專家醫療系統專家醫療系統專家醫療系統專家醫療系統專家醫療系統遠程

6、醫療技術 遠程醫療指的是利用通信和信息技術來實現異地疾病診斷、治療和健康護理等多種醫學模式。利用遠程醫療系統，可以不受空間距離的限制，使條件好的醫療機構為異地的患者進行疾病診斷和健康護理服務，或者為異地醫生提供手術指導、診斷及治療咨詢。因此，遠程醫療的最主要的目標是為醫療條件差的地方提供基于專家的健康護理或緊急情況下的危重病人救護。遠程醫療的最主要特征是因資源共享而產生的資源利用的高效性、對緊急情況能及時處理的時效性及節省醫院和患者開支的經濟性。 從結構上，遠程醫療可以分為3個部分：遠程醫療技術 按照組成遠程醫療各方的地理位置及環境，可將現階段的遠程醫療劃分為3個層次： 醫院內各科室與部門間的

7、醫療信息交流，包括病案傳送、會診等。 各個醫院間的醫療信息交流，包括地區小醫院請專科醫院協助診斷與治療，各個醫院的專家對疑難病癥的會診。高水平醫院對低水平醫院的培訓。邊遠地區診所向中心區地醫院進行咨詢等。 醫院與院外的醫療信息交流，包括對于家庭對象的監測、對車船及飛機上的乘客的醫療支援等。遠程醫療技術遠程醫療技術起源與20世紀60年代，美國航天管理局為檢測航天飛行器中宇航員的生命參數而建立的遠程監測系統。臨床最早的應用實例是美國國家心理健康研究所在Nebraska精神病和Norfold州立醫院之間建立的通過閉路電視實現的遠程醫療，僅限于診治精神病人。20世紀70-90年代，發達國家逐步建立遠程

8、醫療實驗網。1987-1991年，日本利用高清數字電視技術和計算機廣域網建立了“國立大學醫院醫療信息遠程傳輸網絡系統”。1989年，亞美尼亞地震災害后，美國國家宇航局應用衛星技術指揮現場救災，現場醫生與美國醫療中心進行遠程會診。20世紀90年代以后，計算機網絡、多媒體技術和光纖通訊技術的迅猛發展有力推動了遠程醫療的快速發展。在美國遠程醫療是1993年提出的“國家信息基礎設施行動計劃”的重要組成部分。1996年日本已經開始建成“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。喬治亞州教育醫學系統（CSAMS）是目前世界上規模最大、覆蓋面最廣的遠程教育和遠程醫療網絡，可進行有線、無

9、線和衛星通信活動，遠程醫療網是其中的一部分。歐盟組織了3個生物醫學工程實驗室、10個大公司、20個病理學實驗室和120個終端用戶參加的大規模遠程醫療系統推廣實驗，推動了遠程醫療的普及。遠程醫療技術在國內，1995年上海醫科大學附屬中山醫院和上海東康科技公司聯合研制了國內第一套基于程控電話的“遠程多媒體專家會診系統”。1996年，南京軍區后勤部在南京總醫院組建了“南京軍區遠程會診中心”。1996年，北京與大連、上海與巢湖分別通過衛星實現了異地會診。中國遠程醫療網： 該網站于2010被黑，至今一直沒治好。中國家居養老平臺：/ 全醫網：/ 網上掛號，視頻看醫生，不開發票，基本屬于預診。目前大量醫院的

10、遠程醫療設備閑置不用的原因：1. 老百姓和醫務人員對遠程醫療效果持懷疑態度。先期對遠程醫療功能的過度宣傳和早期實際使用情況的反差損傷了醫務人員和廣大老百姓對遠程醫療的信任程度。2. 經濟條件不好的患者付不起遠程會診費（覺得不值），經濟條件好的患者愿意按常規思路轉院治療。 3. 設備和方案過時。遠程醫療所依賴的計算機技術和網絡通訊條件發展迅速，早期購買的遠程醫療設備和采用的解決方案因為會診對方單位的設備和方案升級而不能繼續使用。 4. 醫院之間自主建立遠程醫療業務關系往往因為合作醫療單位的負責人甚至僅僅是具體管理人員調換而得不到延續。 5. 部分設備無法滿足實際遠程醫療業務的需要。有的遠程醫療系

11、統僅僅是視頻會議系統的一種變體銷售方式。家庭數字醫療監護保健系統已被列入國家“863”計劃。附加說明頁“863”計劃：1986年3月，王大珩（heng2）、王淦（gan4）昌、楊嘉墀（chi2）、陳芳允四位老科學家給中共中央寫信，提出要跟蹤世界先進水平，發展我國高技術的建議。這封信得到了鄧小平同志的高度重視，小平同志親自批示：此事宜速決斷，不可拖延。經過廣泛、全面和極為嚴格的科學和技術論證后，中共中央、國務院批準了高技術研究發展計劃（863計劃）綱要。 “973”計劃：1997年，原國家科技領導小組第三次會議決定要制定和實施國家重點基礎研究發展規劃，隨后由科技部組織實施了國家重點基礎研究發展計

12、劃（亦稱973計劃）。制定和實施973計劃是為了實施“科教興國”和“可持續發展戰略”，加強基礎研究和科技工作；是實現2010年以至21世紀中葉我國經濟、科技和社會發展的宏偉目標，提高科技持續創新能力，迎接新世紀挑戰的重要舉措。 三級甲等醫院（三甲）：一級醫院：病床數在100張以內，包括100張。二級醫院：病床數在101-500張之間。三級醫院：病床數在501張以上。 各級醫院經過評審，按照醫院分級管理標準確定為甲，乙、丙三等，其中三級醫院增設特等，因此醫院共分三級十等。但實際執行中，一級醫院不分甲、乙、丙三等。三級特等醫院（三特）：北京協和醫院、中日友好醫院、解放軍總醫院（301）遠程醫療技術

13、遠程醫療技術遠程醫療技術遠程醫療技術遠程醫療的關鍵技術： 醫療保健技術 用于遠程的醫療保健技術包括醫療專業人員的診療技術和臨床檢測工程技術，例如：心電圖、血壓、血氧、電生理檢測，B超、CT成像，血、尿、體液的生化含量分析等。2. 程通訊技術 遠程醫療中傳送的醫學信息量較大，對通訊技術要求較高，目前的主要通訊技術有：程控電話網、雙絞線局域網、光纖網、綜合業務數字網（ISDN）、衛星通訊。3. 信息學技術 醫療信息的檢測、采集、儲存、分析處理、顯示、查詢、管理。東軟公司提到的關鍵技術：/medit/cn/telemedicine/23.jsp什么是信號？生物醫學信號人體中每時每刻都存在著大量的生命

14、信息。由于我們的身體整個生命過程中都在不斷地實現著物理的、化學的及生物的變化，因此所產生的信息是極其復雜的。我們可以把生命信號概括分為二大類：化學信息 物理信息 人體中的信號：生物醫學信號化學信息是指組成人體的有機物在發生變化時所給出的信息，它屬于生物化學所研究的范疇。物理信息是指人體各器官運動時所產生的信息。物理信息所表現出來的信號又可分為電信號和非電信號兩大類。人體電信號，如體表心電（ECG）信號、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用。人體磁場信號檢測近年來也引起了國內外研究者和臨床的高度重視，我們把磁場信號也可歸為人體電信號。人體非

15、電信號，如體溫、血壓、心音、心輸出量及肺潮氣量等，通過相應的傳感器，即可轉變成電信號。電信號是最便于檢測、提取和處理的信號。 人體中的信號：生物醫學信號化學信息是指組成人體的有機物在發生變化時所給出的信息，它屬于生物化學所研究的范疇。物理信息是指人體各器官運動時所產生的信息。物理信息所表現出來的信號又可分為電信號和非電信號兩大類。人體電信號，如體表心電（ECG）信號、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用。人體磁場信號檢測近年來也引起了國內外研究者和臨床的高度重視，我們把磁場信號也可歸為人體電信號。人體非電信號，如體溫、血壓、心音、心輸出量

16、及肺潮氣量等，通過相應的傳感器，即可轉變成電信號。電信號是最便于檢測、提取和處理的信號。 人體中的信號：生物醫學信號上述信號是由人體自發生產的，稱為 “主動性”信號。另外，還有一種“被動性”信號，即人體在外界施加某種刺激或某種物質時所產生的信號。如誘發響應信號，即是在刺激下所產生的電信號，在超聲波及X 射線作用下所產生的人體各部位的超聲圖象、X 射線圖象等也是一種被動信號。 這些信號是我們進行臨 床診斷的重要工具。 人體中的信號：生物醫學信號生物醫學信號即是上述的包括主動的、被動的、電的和非電的人體物理信息。生物醫學信號的特點：1信號弱 2噪聲強 3頻率范圍一般較低 4隨機性強生物醫學信號1信

17、號弱：直接從人體中檢測到的生理電信號其幅值一般比較小。如從母體腹部取到的胎兒心電信號僅為1050V，腦干聽覺誘發響應信號小于1V，自發腦電信號約5150V，體表心電信號相對較大，最大可達5mV。因此，在處理各種生理信號之前要配置各種高性能的放大器。1 V = 10-6 V1 m V = 10-3 V5號電池 ：1.5 V生物醫學信號的特點2噪聲強：噪聲是指其它信號對所研究對象信號的干擾。如電生理信號總是伴隨著由于肢體動作、精神緊張等帶來的干擾，而且常混有較強的工頻干擾；誘發腦電信號中總是伴隨著較強的自發腦電；從母腹取到的胎兒心電信號常被較強的母親心電所淹沒。這給信號的 檢測與處理帶來了困難。因

18、此要求采用一系列的有效 的去除噪聲的算法。生物醫學信號的特點3頻率范圍一般較低：經頻譜分析可知，除聲音信號（如心音）頻譜成分較高外，其它電生理信號的頻譜一般較低。如心電的頻譜為0.0135Hz，腦電的頻譜分布在l30Hz之間。因此在信號的獲取、放大、處理時要充分考慮對信號的頻率響應特性。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出1216KHz；人耳耳腔的諧振頻率是1Hz4KHz。 生物醫學信號的特點4隨機性強：生物醫學信號是隨機信號，一般不能用確定的數學函數來描述，它的規律主要從大量統計結果中呈現出來，必須借助統計處理技術來檢測、辨識隨機信號和估計它的特征。而且它往往是非平穩的，即信號的統計特征（如均值、方差等）隨時間的變化而改變。這給生物醫學信號的處理帶來了困難。因此在信號處理時往往