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文檔簡介

醫學信息工程基礎第一頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五第一章

醫學信息學基礎

第二頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五第一節信息學基礎第三頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五信息(Information)的概念

香農:信息是用來消除某種不確定性的東西維納:信息就是我們在適應外部世界,并且使這種適應反作用于外部世界的過程中,同外部世界進行相互交換的內容的名稱。ISO:信息是對人有用的數據,這些數據將可能影響到人們的行為與決策

第四頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五《辭海》的定義:“信息是指對消息接受者來說預先不知道的報道。”舉例:一個家長收到外出求學的孩子來信,信中有:“學校母天上果四小寸,白習五小時。”這段文字中錯別字不少,但是作為家長一看就知道這里面有他需要的信息。 但是,這段文字若用計算機來處理,就很不簡單,這是屬于目前醫學信息中很前沿的研究課題--“自然語言處理”的范疇,也就是人工智能的范疇了。

第五頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五數據的概念ISO:數據是對事實、概念或指令的一種特殊的表達形式,這種特殊的表達形式可以用人工的方式或者用自動化的裝置進行通信、翻譯轉換或者進行加工處理。第六頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五信息與數據的關系數據是信息的素材,一種可供加工處理的特殊的表達形式。是“信息”的載體。信息是人們通過對數據進行加工處理后所獲得的對人有用的數據

第七頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五信息的特性

信息不是物質,信息是可以共享的;信息沒有質量,必須依附于某種載體;信息不是能量,不遵守守恒定律,可以暫時消失或永久消失的;信息可以處理,有“時效性”及“針對性”;信息可以通過不同的載體進行傳輸或存儲。

第八頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五AspectsofInformation

Itisimpossibletodefineexactlywhatinformationis.

Althoughwehavenotrueideaofwhatinformationis,weareneverthelessabletoinvestigatethestructureofinformation.(信

征)第九頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五

InformationhasthreedifferentaspectsthataredirectlyrelatedtothethreestagesofhumanactivitydiscussedinChapter1,andparticularlytothethreestagesofthediagnostic-therapeuticcycle(observation,diagnosis,andtherapy):syntactic,semantic,andpragmaticaspects.(語法、語義和語用)第十頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五1SyntacticAspectThesyntacticaspectofinformationconcernsthegrammarorsyntaxforthedescription,storage,ortransmissionofmessages.(信息的語法特征包括信息的語法、存儲和傳遞的描述。)

Thepurelysyntacticaspectofinformationcanbestbecalleddata.(純粹的信息語法特征其最好的稱呼是“數據”。)

(語法特征)第十一頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五Thesemanticaspectofinformationpertainstothemeaningofthemessage.(信息的語義特征是指信息的含義)Whendealingwiththesemanticaspectwearenotinterestedinthewaythatwehavereceivedtheinformationorinthesyntaxassuch,butonlyinitssignificanceforinterpretationanddecisionmaking.(處理信息的語義特征時,我們并不關心接收信息的方式或者信息的語法特征,關心的只是信息的解釋意義或者由信息得出的結論。

)2SemanticAspect(語義特征)第十二頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五Themeaningcanoftenbederivedonlyifweknowthecontextofthemessage.Thisisparticularlytruewhenwemustinterpretamessagecontainedinnaturallanguageorfreetext.Acliniciandealswiththesemanticaspectofinformationwhenmakingadiagnosis.Evenwhenthemessagehasbeentransmittedwithoutanydisturbanceandissyntacticallycorrect,theinterpretationisnotnecessarilyunambiguous,asweshallseeinChapter7.Inthecaseofnaturallanguagewecansometimesdeduceseveralmeanings,especiallywhenwedonotknowthecontext.通常只有了解了信息的內容的“上下文”才能得出其含義,當消息是以自然語言或純文本方式提供時,尤其是這樣。醫生在診斷時通常是分析信息的語義。即使消息在傳輸過程中沒有受到干擾并且語法上也是正確的,解釋也并不一定是惟一的、明確的(參閱第7章)。根據自然語言,有時可以得到幾種結論,尤其是缺乏背景資料時。

第十三頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五2.4.3PragmaticAspectAllinterpretationsultimatelyleadtosomeactivity;informationalsohasanintentionoragoaltobereached.Evenadecreaseinuncertaintywhenmakingadiagnosisortestingascientifichypothesisisaneffectofinformation.Werefertothislastaspectasthepragmaticaspect.Inhealthcare,thepragmaticaspectofinformationistheeffectonthetherapy.

(語用特征)醫學上所有信息的解釋最終都將導致采取某種措施,信息總是為一定的目的服務。信息減少了診斷或者科學假說檢驗中的不確定性,我們將信息的這一方面特征稱為語用特征。在醫療中信息的這種語用特征對治療可產生影響。

第十四頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五Manyexamplesoftheuseofdataillustratingallthreeaspectsdescribedherecanbefoundinpatientrecords.Forinstance,inapatientrecordoneneverseesthevalue"8.2"assuch;rather,itisseentogetherwithafurtherexplanation,suchas"Hb8.2."

(在病歷記錄中可以找到很多有關信息三方面特征的例子。比如,在病歷中我們不可能只看到一個諸如“8.2”之類的數字,而一定是更清楚的描述,比如“Hb(血紅蛋白)8.2”。)第十五頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五Thesyntacticrulesprescribethatavaluebeprecededorfollowedbyaunit.Themeaningofthatvalueforpatientcare(thesemanticaspect)dependsonwhetherthevalueisabnormal,giventhecontext(e.g.,theageofthepatientorthepatient'shistoryingeneral).Thepragmaticaspectdealswithactionsthatneedtobetaken,forinstance,givingabloodtransfusionorprescribingadietordrugs.Ineverydayhealthcare,thesemanticaspectmaybethemostdifficultonetodealwith.語法規則規定了一個數值必須有一個單位做其前綴或者后綴。治療病人時所涉及的數據的含義(也就是語義特征)依賴于數據是否異常,以及所涉及的病人背景(比如病人的年齡或者病史)。信息的語用特征決定如何采取一定的措施,比如輸血、飲食療法或者處方用藥等。日常的醫療中,最難處理的要數信息的語義特征。第十六頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五臨床數據與信息獲得方式中醫的望聞問切的傳統方法問診、測量體溫、血壓、血常規化驗、肝功能化驗CT、核磁、B超、心電圖、腦電圖等現代檢查手段通過運用他的經驗或知識,進行有目的地、選擇性地收集他所需的數據,然后對這些數據進行加工處理,最后獲得了與病人診斷結果相關的有用的數據――“信息”。這里,體溫、血壓、化驗數據、圖像、以及中醫的四診數據等均是患者當時體征的反映,它們既不是物質,也不是能量,而是醫生明確診斷信息所必需的數據。

第十七頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五信息理論內容也可從以下三個方面來考慮:(1)以編碼為中心的信息論,主要研究信息系統模型、信度的度量、信道的容量、信源統計特性、信源的編碼、位道編碼等,這些是引發信息論的核心問題。(2)以信息作為主要研究對象,包括信號噪聲的統計分析、信號的檢測、濾波、估計和預測等理論。(3)以計算機為中心的信息處理的基本理論,包括語言,文字、圖像的模式識別,自動翻譯等。第十八頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五信息的處理與度量

載體承載信息的媒體

信息系統由信源、信道及信宿三部分組成

第十九頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五Sender,receiver,andtransmissionchannel.Thesendertransmitsthesignals,andinthetransmissionchannelthenoisenissuperimposedons,sothatatthereceiver'ssitethemixturem=s+nisreceived.Onthewayfromthesendertothereceiver,theinformationentropythereforetendstoincrease.Theonlywaytomaintainalowentropyisbykeepingthedisturbancelowandbyaddingintelligencetoboththesenderandthereceiver.Onewayofaddingintelligencetothecommunicationsystemisbyincorporatingfeedbackfromthereceivertothesender.第二十頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五

ThedisturbancemaycomeformSender、

TransmissionchannelorReceiver.Usually,theparameters(m,s,n)arethesignalswhichchangewiththetime.第二十一頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五(一)theRelationBetweenSender、TransmissionchannelandReceiver1、S→R

2.S?R

3.S=R

4.S→

5.?→

R

第二十二頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五(二)theExampleofCommunicationBetweenSenderandReceiver

1.超聲波

2.成像

3.無線傳輸

4.自然語言的傳輸

5.生理信號

第二十三頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五應該用什么信息度量既然信息是數據通過加工、處理后提煉而成的“有用的數據”,那么如何判斷數據中所包含的信息量的多少?第二十四頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五應該用什么信息度量香農的信息度量方法:信息量為該信息發生概率的負對數,即

I(x)=log1/P(x)=-logP(x)

這里,I(x)為事件x的信息量,P(x)為事件A出現的概率。信息的單位有比特、奈特和哈特三種:比特I(x)=log21/P(x)奈特I(x)=loge1/P(x)哈特I(x)=log101/P(x)第二十五頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五拋一個硬幣的概率例如,我們拋一個硬幣,那么它落下后成為正面或反面的概率為0.5,其信息量應為:比特I(x)=log2

1/0.5=log2

2=1奈特I(x)=loge

1/0.5=loge2=0.69哈特I(x)=log10

1/0.5=log10

2=0.3換算:1奈特=1.44比特,1哈特=3.32比特第二十六頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五信息量與其本身的概率成反比,與意外性和新穎性成正比。過去有人說:“狗咬了人不算新聞,但人咬了狗就會成為新聞。”新聞就是報道人們不知道的事情,新聞當然是信息。重大新聞可以理解為信息量大。平時“狗咬人”這種事誰都認為是不足為奇的,給大家講述世人皆知的事情自然算不上新聞。相反,“人咬了狗”這種事是不符合普通常識的。當一旦發生這種突發事件時,這種信息就成了重大新聞,信息量也就增大了,也就是說,“信息量與其本身的概率成反比,與意外性和新穎性成正比”。第二十七頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五信息熵在處理信息的過程中,針對信源整體的度量問題,還有一個“信息熵”的概念,信息熵H(x)是測量信源不確定性程度的量,它的數學表達式為:這里x是指信源的某一事件,該事件的結果有多種不確定的可能性,可以表示為x1x2,x3,……,xn,其中每種可能性出現的概率為P(x1),P(x2),P(x3),……,P(xn)第二十八頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五交通信號燈的信息量例如:一組信號燈,共有三個信號燈,紅色1只,綠色1只及黃色1只,每個信號燈的信息量分別為:

H(x1)=-P(x1)log2P(x1)=-0.33log20.33=0.528H(x2)=-P(x2)log2P(x2)=-0.33log20.33=0.528H(x3)=-P(x3)log2P(x3)=-0.33log20.33=0.528H(X)=-P(x1)log2P(x1)-P(x2)log2P(x2)-P(x3)log2P(x3)=1.584(比特)第二十九頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五一個消息的信息量I在從發送方傳輸到接收方的過程中永遠不會增大。更精確地講:在一個封閉的信息系統中,信息量I永遠不會增大。如果要增加信息量I,則只能借助其他有助于從混合信息中提取真實信息的外部信息或知識。熱力學定律和香農信息熵公式之間的相似性與能量及信息處理過程的統計特征有關,雖然能量和信息是不同的實體。這條定律意味著我們應盡力保證發送方最大的信息量(最小的信息熵),而且應盡可能地采取一切手段減少傳輸通道中可能帶來的干擾。

第三十頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五

根據這一定律在醫療領域的應用中,可以采取以下幾種控制干擾(從而降低信息熵)的方法。

1.使用最佳的傳感器

保證信息在發送方(病人或器官)得到最佳記錄。同時確保在傳輸過程中不增加干擾。因而建議:①檢測心電圖時,使用無噪聲電極,如鍍銀-氯化銀的不銹鋼電極;②X線攝片時,使用高分辨率的膠片材料或光敏設備。

2.保持傳輸通道較短

使傳感器盡可能接近發送者,比如:①作血液化學分析,盡量在血液中直接測量pO2,而不通過皮膚;②檢測心內傳導,用His束電記錄圖取代體表心電圖;③檢測胎兒心律,將電極直接放置在胎兒頭部而非母體的腹部。

3.降低傳輸通道干擾

確保信息在從發送方傳輸到接收方時信息熵不增大。例如:①作腦電圖檢查時,屏蔽外部電磁場的干擾;②作心電圖(ECG)檢查時,減少因呼吸和肌肉活動而導致的干擾。

第三十一頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五

4.盡可能使用重復信息

如果一次單獨的生物過程的觀察包含過多的干擾信息,那么相繼的重復過程可能包含相對較少或者不同的干擾信息。比如:①記錄一組相似的ECG的合成信號,使用重復的信息單元會減少干擾(參閱第8章和第25章);②使用相互獨立的方法觀察心臟活動,比如使用心動描記器、ECG和心內導管,可以提供相互補充的信息。

5.盡可能用以前知識幫助進行解釋

這是為了讓接收方根據有關知識和經驗幫助理解信息。例如①病史:根據有關(臨床)知識獲得幫助診斷的信息,可能的話,給發送方反饋信息;②信號和圖象:使用關于信號和圖象特征的知識,如頻率分布、概率與時間的函數關系等。第三十二頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五實際上,信息的度量問題始終是信息科學的重點,只有解決了信息的度量問題才能對信息進行定量及定性分析,才能透過現象探索信息運動的規律。第三十三頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五2信息處理的關鍵“數字化”是進行信息處理的關鍵之一。

舉例:在日常生活中,郵局要求寫信人必須用阿拉伯數字填寫“郵政編碼”,以便郵局的自動分檢機通過識別數字進行信函分檢,提高分檢信函的速度;超市商品上的“條形碼”,也是一種數字信號,以便工作人員手持條碼識別器對商品進行識別,提高計費速度; 在計算機內部,所有的文字、符號、圖像等數據都必須轉化為二進制數據,也就是說,一切計算機的數據都必須進行“數字化”。第三十四頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五在醫學領域中數據的“數字化”

在醫學領域中,許多物理量都是模擬變量,例如心電信號、腦電信號、中醫的脈象數據,甚至于血壓、體溫等。為了便于計算機處理這些物理量,通常采用“采樣”的方法,運用相應的“傳感器”按照要求每秒采樣若干次,這一過程也就是連續數據的“離散化處理”,然后將采樣所得的這些物理量按一定的要求進行“數值化”,用這些離散的數值數據近似地表示原先的連續變量。經過這樣“離散化”、“數值化”處理過的數據便能使用計算機進行進一步的處理。第三十五頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五在醫學領域中數據的“規范化”

在醫學領域中,在處理醫學領域中的文字、符號、圖像、聲音等信息時,除了“數字化”之外,還將涉及到數據的‘規范化’問題。例:臨床病歷的格式、用詞的習慣等必須規范化,不能一個醫生一個樣;中藥的名稱、穴位的名稱。第三十六頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五2DatainComputersasummaryofthedifferenttypesofcarriersthattransportinformation:(1)整數:分離數字(如單位時間的心臟早搏數,或在顯微鏡下觀察樣本的白細胞數)。(2)實數:可測變量(如體溫或血壓,也可以是生物信號和醫學圖象)。

(3)代碼:一個觀察資料(如疼痛或腫脹)。

(4)文本:自然語言(例如病史的文字記錄或者病人監護中事件記錄的文件)。

注:*從整數到自然語言誤差率逐漸增大

第三十七頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五Amostimportantissuerelatedtothedocumentationofdatainacomputeristhecompletenessandreliabilityofthefourdifferenttypesofdata.(計算機記錄數據的一個重要問題是四種不同類型數據的完整性和可靠性。)Forinstance,isamanuallymeasuredbloodpressureasreliableasabloodpressuremeasuredbyatransducer?Willadiseasecodegivenbyoneclinicianbesimilartotheonegivenbyanother?第三十八頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五不完整的數據可以導致不確定性。在病歷中,有時會弄不清數據的缺失究竟是因為醫生認為是無關數據還是因為遺漏記錄。在給病人治療的過程中,通常只有異常情況才被記錄。因而,如果病人記錄中沒有某些數據,則意味著沒有相關的異常情況或者無法采集相關數據。多數情況下,只有治療這些病人的醫生才能區分到底是這些數據不重要還是這些數據不完全。然而,收集在計算機中的病人記錄也可供那些非直接治療和負責病人的醫生使用,所以在這些記錄中必須注明哪些數據不相干,哪些數據確實沒有采集。第7章中將詳細討論如何在不過度增加醫生負擔的情況下獲得完整的數據。

2.1Completeness(完整性)第三十九頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五

準確性是指處理過程中避免錯誤的能力,或者一項測量對于某一標準或真值的一致程度(韋氏大詞典中的定義)。前者通常被稱為正確性(correctness),后者可稱為一致性(Conformity)。

2.2Accuracy(準確性

)第四十頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五

1.準確性

準確性是關于數據中錯誤率的量度。最早的錯誤來自數據采集,或來自觀察和測量。測量血壓時我們用千帕或毫米汞柱來表示,我們清楚這實際只是一種對真值的估計,顯然存在固有的不準確性。觀測值也會因為讀數或者測量的錯誤而偏離真值。誤差可分為系統誤差和隨機誤差。

測量血壓時用綁帶將傳感器綁在胳膊上,所以實際測量的壓力是綁帶的壓力而非動脈的真正壓力。綁帶中測定的壓力只能是動脈壓力的一種近似,實際的血壓通常要比綁帶中的壓力小,這種偏離稱為系統誤差。如果血壓計的刻度不準也會造成系統誤差。

血壓的變化以及讀數的變化意味著兩次相繼的測量不可能給出完全相同的結果。這種誤差稱為隨機誤差。

一種特別的誤差是讀數誤差,比如讀取血壓計汞柱高度的誤差。這既可以是系統誤差,也可以是統計誤差。

第四十一頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五2.一致性

一致性是指數據記錄是否遵照標準或分類體系(classificationsystem)。當對記錄病人數據使用分類和編碼系統時,必須根據分類體系的規則及定義來選擇編號。比如,將一個病人的精神狀態僅僅按照松弛、正常和緊張三個檔次的分類系統來劃分,很可能將該病人劃入錯誤的類別而造成誤差。因為病人的精神狀態也許并不匹配這一類別。換句話說,醫生并沒有按照系統分類的標準對病人進行劃分。第四十二頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五2.3Coding(編碼)在給數據編碼時,通常是先對數據作出解釋,然后再給數據指定一個代碼。解釋上的誤差是編碼所固有的誤差。一方面數據的編碼限制了自由表達,但另一方面則強制規定了術語的規范性,這對不直接接觸病人的醫生分析數據是極端重要的。對醫學數據進行編碼時,醫生會經常感到有限表達類別的束縛。但對數據區分過細也會令人困擾,對正確性形成錯誤印象。如果編碼的區分對于使用目標來說過于詳細,也會引起誤導。應避免不必要的繁瑣第四十三頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五2.4FreeText(自由文本)

自由文本(即自然語言)可以讓人充分自由地描述細節。但自由語言實質上是非標準化的,因此計算機處理非常困難。自由文本可以看作是觀測者對所觀測現象的個人解釋,如果其他人需要使用這些自由文本數據,就必須閱讀這些文字,作出解釋,然后根據自己的解釋在頭腦中重構這些醫學對象。因而,從語義上講,自由文本因為結構化不夠,往往可以有多種解釋。這類解釋上的誤差是不能用計算機處理的方式予以消除的

第四十四頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五Conclusions

Inconclusion,severalimportantrulescanbephrased,partlybasedontheinformationpresentedabove,forthedocumentationofpatientdataincomputers:

(根據前面的討論,這里強調幾點用計算機記錄病人數據的重要準則。)

1.Datashouldbeacquiredasclosetothesourceofthedataaspossible.(采集數據時應盡可能地接近數據源)2.Datashouldberecordedbyobeyingstrictrulesofstandardization.(數據記錄應嚴格遵循標準化原則)3.Theoriginaldatashouldbestored,andifpossible,humaninterpretationsshouldbestoredonlyiftherawdatatheyarebasedonarealsostored.(應盡可能保存原始數據,保存人為解釋必須同時保存原始數據)

第四十五頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五4.Codingofdatashouldbedoneonlyifthereisnootherwaytopresentthedata,anditshouldpreferablybedonebythepersonmakingtheobservation.(只有在沒有其他表達途徑的情況下,才選擇對數據的編碼。編碼最好由數據的直接觀測者提供。)5.Foralldataentered,thereshouldpreferablybeanon-linefeedbacktotheusertosignalpossibledeviationsfromwhatshouldbeexpected.(對于所有錄入的數據,最好向用戶發送在線反饋以確認是否存在與原含義的偏離)第四十六頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五6.Personswhoenterthedatashouldideallybenefitfromthisdataentry,eitherbecausetheywillusethedatalateronorbecauseitwillimprovethequalityoftheirwork.(數據的錄入者是錄入數據的最大受益者,因為他們不僅可以在以后應用這些數據,而且可以改善他們的工作)7.Authentication(addingthecoder'snameandsignature)andtimestampingofdataimprovesthedataquality.(身份認證(保留數據錄入者的姓名和簽字)和時間戳的使用有助于保證數據質量)第四十七頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五第二節

醫學信息工程基礎

第四十八頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五醫學信息工程學

Engineeringofmedicalinformatics

以醫學信息為研究對象,

以醫學信息運動規律及應用方法為研究內容,

以現代計算機為主要工具,

以解決醫學信息各種問題為研究目標一門新興學科、交叉學科第四十九頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五醫學信息工程學

供體學科——計算機科學受體學科——醫學科學

研究范圍——覆蓋了醫藥衛生領域的所有對象

醫學信息學的一個重要組成部分第五十頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五醫學信息學“醫學”是一門以保護和增進人類健康、預防和治療疾病為研究內容的學科。“信息學”是一門以對人類有用的數據——信息作為研究對象,以信息的本質特性和信息運動的規律作為研究內容,以揭示信息及其信息運動的特性和規律為目標的一門學科。“信息學”本身就是一門新興的邊緣學科,它是哲學、數學、物理學、控制論、系統論、人工智能以及計算機科學等學科領域互相滲透互相結合的產物。第五十一頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五醫學信息學“醫學信息學”(medicalinformatics)是一門應用現代計算機技術處理與人類健康密切相關的醫療衛生領域中所產生的和不斷變化的信息的學科。具體定義:“醫學信息學”是一門以醫學信息為主要研究對象,以醫學信息的運動規律及應用方法為主要研究內容,以現代計算機為主要工具,以解決醫藥工作人員在處理信息過程中的各種問題為主要研究目標的一門新興的邊緣交叉學科。簡而言之,醫學信息學是一門介于醫學與信息學之間的交叉學科。第五十二頁,共六十頁,編輯于2023年,星期五“醫學信息學”的功能“醫學信息學”,它的供體學科是計算機科學,它的受體學科是醫學科學。延伸醫藥工作人員

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