智能醫(yī)學工程學科評估
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智能醫(yī)學工程學科評估范文第1篇
目前，我國開設工科專業(yè)的本科高校有1003所，占本科高校總數的90%；高等工程教育的本科在校生達到371萬人，研究生47萬人[2]。但是，我國工程教育仍存在不少問題，主要體現在：人才培養(yǎng)模式單一，多樣性和適用性欠缺；工程性缺失和實踐教學薄弱問題長期未得到解決；評價體系導向重論文、輕設計、缺實踐；對學生的創(chuàng)新教育和創(chuàng)業(yè)訓練重視與投入不足；產學研合作不到位，企業(yè)不重視人才培養(yǎng)全過程的參與[3]。工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)需要產學研合作教育。當前，我國工科大學生創(chuàng)新實踐能力從總體上看顯得比較低，表現在有些學生缺乏創(chuàng)新實踐的理念和愿望，缺少創(chuàng)新實踐能力的毅力與意志；有些學生有創(chuàng)新實踐意識但不能很好利用，有創(chuàng)新實踐熱情但創(chuàng)新實踐能力不夠；有些學生雖有創(chuàng)新實踐靈感但缺乏創(chuàng)新實踐技能等。每年畢業(yè)生招聘會上反饋的信息表明，有些畢業(yè)生專業(yè)技能、創(chuàng)新能力和實踐能力等與用人單位的要求還存在不少差距，企業(yè)很難招收到需要的高素質人才來承擔企業(yè)繼續(xù)發(fā)展的重任，出現了學生“就業(yè)難”和企業(yè)“人才荒”的兩難境地。工科院校應正視現狀、分析原因，從教育理念、課程體系、教師素質、實踐教育、課外科技實踐、社會實踐等多方面入手，構建有利于工科大學生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)模式［4］。生物醫(yī)學工程是一門實踐性很強的學科，動手與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)對生物醫(yī)學工程專業(yè)人才培養(yǎng)來說顯得尤為重要。而生物醫(yī)學工程專業(yè)雖然已成長和發(fā)展了幾十年，但是，由于其本身“新興學科”與“交叉學科”的特點，并隨著科學技術的進步與發(fā)展，對生物醫(yī)學工程學科的認識及基本定義都還在不斷地創(chuàng)新、調整、補充和完善，特別是社會上對這個專業(yè)的認識和接受程度還不高，不大清楚這個學科的性質、作用和地位，相關的產業(yè)部門認識也較模糊。高等教育人才的培養(yǎng)，不僅要適應科學的進步，更要滿足社會對人才的需求。當前，數字化醫(yī)療技術正在蓬勃發(fā)展中，相關的醫(yī)療器械、醫(yī)療技術服務產業(yè)也在迅速壯大。珠江三角洲、長江三角洲及京津環(huán)渤海灣三大區(qū)域已成為本土三大醫(yī)療器械產業(yè)聚集區(qū)。據不完全統計，三大區(qū)域醫(yī)療器械總產值之和及其銷售額之和均占全國總量的80%以上。因此，如何結合學科的創(chuàng)新與發(fā)展，充分利用產業(yè)成長及壯大的時機，培養(yǎng)滿足社會需求的人才，是擺在生物醫(yī)學工程教育者面前的當務之急[5]。為了提高本科生的實踐和創(chuàng)新能力，在生物醫(yī)學工程專業(yè)中，實踐教學在培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新能力方面是十分重要的，具有不可替代的作用。工程實踐能力與創(chuàng)新能力更是教學改革的核心目標。工程實踐能力和創(chuàng)新能力是知識經濟社會對優(yōu)秀工程技術人員素質的要求，是現代企業(yè)應對全球經濟一體化、參與國際競爭的需要，也是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要，同時也是建設創(chuàng)新型國家與科教興國發(fā)展戰(zhàn)略的需要。實踐是實現、發(fā)展、創(chuàng)新知識的源泉，是檢驗真知的標準，也是深刻認識、理解、學習知識和技術的最好課堂與老師。人們根據經驗總結出一句格言：聽到的會忘掉，看到的能記住，只有親自做過的才會真正明白，并深深地刻在記憶中。只有親歷親為，才能深刻理解、掌握、運用事物的本質、原理、規(guī)律，并有新的發(fā)現和發(fā)展。過去高等學校培養(yǎng)的畢業(yè)生雖然掌握了一定的知識和技術，但與企業(yè)工程師相比，他們在綜合素質、實踐與創(chuàng)新能力方面存在著很大的差距。經驗告訴我們：知識≠能力，兩者之間有一個傳動的鏈條叫做實踐，即應用知識解決工程問題。因此要培養(yǎng)未來的卓越工程師，提高工程師教育質量，充分開發(fā)學生的實踐與創(chuàng)新能力就必須要按照其成長的特點和規(guī)律改革教育體系和教學模式，讓工程師教育回歸工程。
2引進荷蘭特色化教學模式DCL培養(yǎng)生物醫(yī)學工程專業(yè)學生實踐與創(chuàng)新能力
東北大學中荷生物醫(yī)學與信息工程學院在對生物醫(yī)學工程專業(yè)實施國際化教學的過程中，結合教學實踐，以培養(yǎng)滿足社會需求的、“用得上、留得住、干得好”的實用創(chuàng)新型生物醫(yī)學工程專業(yè)人才為目標，從培養(yǎng)模式、專業(yè)課程設置、實踐教學、本科生導師制等多個方面，深入開展了教學改革與嘗試，并成功探索出“以項目為中心的課程設計”本土化實踐教學方法，取得了較好的效果。“以項目為中心的課程設計”是一種開展“學習+研究”的教學模式，引進了合作方荷蘭埃因霍溫科技大學DesignCenteredLearning(DCL)教學模式，基于問題進行研究、面向實踐探索學習，在教學中研究、在研究中教學，把學生的科技能力培訓列入教學計劃，校企合作，發(fā)揮資源優(yōu)勢。它是以學生為主體、教師為主導，以學為中心，采取學生分組合作、查閱資料、調查研究、討論、交流等方式學習設計方法的課程。以培養(yǎng)能力為宗旨，以項目為載體，基于問題研究，以課題研究和問題解決為核心，學思結合、知行合一的教學活動，注重方案設計、過程訓練，激發(fā)學生科學研究興趣，培養(yǎng)學生自主學習能力、團隊協作能力，以及提出問題、分析問題、解決問題的能力，讓學生提前了解企業(yè)運作機制，為學生就業(yè)乃至創(chuàng)業(yè)搭建一個良好的平臺。
3DCL在研究中教學，在教學中研究——以“老年人摔倒測試”案例教學過程為例
3.1案例的選擇和設計——整合各類知識、解決實際問題
“老年人摔倒檢測”是本科生第6學期進行的DCL項目。這個案例針對當今老齡化社會的熱點問題——獨居老人的健康智能監(jiān)護，在生物醫(yī)學工程專業(yè)領域是非常有實際意義和研究價值的課題。當今獨居老人逐年增多，老人的健康問題已經成為一個社會問題。摔倒是威脅老年人健康的一個惡性殺手。如何利用生物醫(yī)學工程的專業(yè)知識，研發(fā)可以對老年人行為動作進行實時監(jiān)控的儀器設備，設計有效的摔倒檢測的算法，能夠在老人發(fā)生摔倒危險的第一時間，通知家屬和社區(qū)醫(yī)院，從而最大程度的減輕傷害，正是這個課題需要解決的關鍵問題。而這個課題也是在學生已經學習了信號與系統和數字信號處理兩門前序課程的基礎上展開的，讓學生們能夠直接理論聯系實際，學以致用，對知識有更加感性的認識。總之，從案例的選擇和設計上，首先變以教為主為以學習研究為主[6]。教師根據教學和科研經驗，提煉出能夠涵蓋本課程主要知識內容的項目或研究設計課題。選擇提煉項目的原則是項目知識化、知識問題化、問題層次化。然后成立由中外教師和企業(yè)專家組成的教學小組，編寫該案例的教案、提煉項目、講授工程案例，選擇可以引導學生對此項目和問題開展自主學習、合作探索研究的問題作為主要教學任務和目標。
3.2案例進行過程中——提高團隊協作精神、自主學習能力
教師通過案例描述的形式提供給學生信息，通常是這樣的描述：介紹一些簡單的關鍵詞、主要目標（可以是簡單的建議），并給出案例方面的一些暗示。學生需要在小組里（最多不超過8人）完成這個案例。為此，他們需要在助教的協助下每周進行一次會議，每個案例持續(xù)10周。與傳統課程不同的是助教的職責是作為一名觀察者為學生提供改善方案的建議，而不是傳統意義上單純地傳授知識。在每次會議期間，學生需要確認自己欠缺的知識、明確自學作業(yè)中自己需要完成的任務。每個學生都需要做這些任務并且需要在下次會議中向整個小組匯報自己做的結果。除了專業(yè)知識部分的任務，學生還會討論到各自的進步，如由于在小組里擔任討論組長、會議記錄秘書和板書等角色而學會的相應技巧。總的來說，DCL主要是鼓勵學生自主學習，鼓勵組員之間進行團隊合作，鼓勵學生獨立思考如何組建實驗、如何做報告、如何開展一次有效的會議以及如何成為領導者[7]。
3.3案例完成效果考核方式——顛覆死記硬背的傳統方式、改善被動抄襲的學習態(tài)度
教學模式、目標改變了，成績考核方式也改變了——小組、教師評價學習研究成果。因此評價學生的學習研究成果時要用新的方法來評價。要從學習知識轉向學習能力轉變，從關注結果向過程與結果并重轉變。要重點考核自學能力、研究能力、實踐能力、創(chuàng)新能力、學習研究的態(tài)度和學習研究的成果。小組和教師要結合個人在項目中完成任務的情況、工作量的大小、難易程度、貢獻大小、自主學習與研究的態(tài)度、創(chuàng)新等情況給出該門課程的成績。值得注意的是教學觀念轉變的體現標準是：只要經過學習和研究學會了知識，收獲了能力，不看成果和貢獻大小，都在合格以上。考核評價方法的改革，就是要解放學生，讓其輕松快樂地學習，使學習成為一種有趣的研究活動。就“老年人摔倒檢測”這個案例來說，最終的考核結果來源于多個方面，包括指導教師根據平時學生的表現、每周的自學報告、會議記錄、會議日程完成的情況給定的分數，小組中期答辯的分數，期末答辯時評委根據小組儀器設備展示以及PPT講述情況給定的分數，其他小組評價的分數，組員之間互評的分數等多個方面，從不同維度對學生成績進行評估，使考核方式脫離傳統，更加科學合理，更有效地調動學生們的積極性[8]。實踐表明，這門課程很受學生喜愛，“老年人摔倒檢測”這個案例也取得了比預期更好的成效。學生們普遍反映，對前序的信號與系統和數字信號處理的課程理論知識的理解更加深入，而對怎么分工合作完成項目也有了初步的了解，對未來的工作或者繼續(xù)深造都有很多益處。
4實踐效果
經過多年的中外校企合作、學研產醫(yī)結合，利用教學資源和優(yōu)勢，實施以項目為載體、基于問題的研究，學研一體，在研究中教學，在教學中研究的DCL教學改革，使教學得到了真正意義上的回歸，變以教為中心為以學為中心，學生回歸了學習的主體地位，教師變成了主導的角色。把學習和研究集合于項目之中，學習知識與收獲能力共生并進，用新的考核評價方式評價學生的學習，減輕了學生的學習負擔，使學習變成了一種積極快樂的研究活動。東北大學中荷生物醫(yī)學與信息工程學院本科生大學4年中除基本實驗實踐類課程外，主持并實際參與的項目案例達10余項，共計2400余學時，學生的英語能力、動手能力及創(chuàng)新能力得到顯著提高。幾年來本科生的就業(yè)率達到100%。在實習與實訓考核中，絕大多數學生被東軟集團一類的企業(yè)納入人才儲備庫。這種研究型的教學模式的優(yōu)勢越來越凸顯，正在改變著教學的水平和質量，也在改變著教師的教學觀念，同時也改變著學生的學習觀。
5結語
智能醫(yī)學工程學科評估范文第2篇
關鍵詞：大數據；海量存儲；數據挖掘；標本庫；醫(yī)學生物信息；數據挖掘
隨著信息技術在醫(yī)學臨床和科研中的應用，臨床醫(yī)學、生物學、信息學發(fā)生了一次交叉融合， 這種以生物大數據信息是未來生物醫(yī)學研究發(fā)展的核心點。這種以海量、高維度、數據變量復雜、為特征的數據結構， 需要我們在傳統的醫(yī)學基礎之上集數學、統計學、工程學、計算機信息科學的交叉綜合、理論和實驗相結合，建立新的新方法和手段。使得我們的臨床醫(yī)學模式從經驗醫(yī)學進一步向循證醫(yī)學轉變，無序醫(yī)療向著有序醫(yī)療發(fā)展，醫(yī)學研究也會進入從發(fā)現、研究、驗證、應用到再發(fā)現、再研究、再驗證、再應用的迭代式良性循環(huán)過程中。
1實現大數據的大價值是醫(yī)學信息建設的新目標
信息化時代各行業(yè)信息數據量呈現指數上升，醫(yī)療行業(yè)的數據信息增長更快。經研究表明，未來10年醫(yī)學數據將高爆式地增長，其增長來源于醫(yī)院醫(yī)療信息運行數據的積累、新的臨床信息系統的嵌入（如電子病例系統）、新醫(yī)療診療設備接入等。隨著醫(yī)學的進步以生物芯片為代表的高通量生物技術的飛速發(fā)展，基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學的信息也會涌入醫(yī)學生物信息領域。這種大量高速增長的數據被稱之為海量數據或者大數據（big data）。大數據的特點是海量、高維度、數據變量復雜、分析處理復雜。
隨著信息技術在醫(yī)學臨床和科研中的應用，臨床醫(yī)學、生物學、信息學發(fā)生了一次交叉融合，形成了生物醫(yī)學信息學（Biomedical Informatics）。這種以生物大數據信息是未來生物醫(yī)學研究發(fā)展的核心點。我們可以看到，生物醫(yī)學領域的大數據時代正在來臨，其發(fā)展將促使我們盡快構建一個實時、便捷、全方位的醫(yī)學生物信息挖掘和應用系統。在醫(yī)學信息研究方面，我國還主要處在對醫(yī)療流程的信息化管理、質量控制等初級階段，尚未開展面對"大數據"挖掘的系統研究與應用，但這種研究與挖掘應用必將成為生物醫(yī)藥科學技術發(fā)展的趨勢。大數據時代的到來，既對臨床醫(yī)生、研究人員、醫(yī)院管理者、醫(yī)療監(jiān)管機構等都提出了巨大的挑戰(zhàn)，也為生物醫(yī)學研究帶來了前所未有的機遇。生物醫(yī)學領域里科學研究的一個重要發(fā)展趨勢就是數據驅動。以前進行實驗研究的目的是獲得結論或者是提出一種新的假設，大數據技術通過對海量數據的研究來探索其中的規(guī)律，可以直接提出假設或得出可靠的結論。
當前，以臨床醫(yī)療信息為基礎的計算機信息系統可擴展到多個相聯的信息系統，包括：電子病例系統、隨訪信息管理系統、實驗室信息管理系統、生物信息分析系統、基因組學數據庫系統、藥物臨床試驗信息系統等，在醫(yī)學科研與臨床應用之間架起了一道不可或缺的橋梁。收集大數據、整合大數據、處理和分析大數據，形成價值密度高、利用價值高的數據資源體系，實現"大數據"的"大價值"，是醫(yī)學信息建設的新目標。
2大數據挖掘將盤活醫(yī)學生物信息資產
醫(yī)學生物信息的大數據包括醫(yī)療對象以及與醫(yī)療對象相關的信息特征集合，生物標本以及與生物標本信息相關的特征集合，這些大數據集帶有自己的、潛在的、未被揭示的規(guī)律趨勢特征，這才是醫(yī)學生物信息價值的核心所在。這些醫(yī)學生物信息是我們進行用于人類健康研究價值的資產，研究、分析、挖掘海量醫(yī)學生物信息就是盤活人類健康研究的資產。數據挖掘，也稱知識發(fā)現，是盤活這些寶貴的醫(yī)學生物信息資產的有力工具。
大數據的挖掘和應用不同于傳統的采樣分析法，它有自身的一些獨特特點，如：①大數據挖掘分析與事物相關的所有數據，而非少量數據樣本，研究的樣本數量趨近于總體數量；②大數據挖掘追求的是效率和趨勢，而非絕對的準確性；③大數據挖掘更多關注事物的相關關系而非因果關系，這種信息與信息之間的相關關系會提醒我們某件事情正在發(fā)生。
同時，從數據中發(fā)現價值的實踐也由來已久。橫跨數據庫技術、統計學和機器學習等交叉學科和技術的數據挖掘是大數據分析的基礎，傳統的數據分析實踐是無法適應大數據的發(fā)展的。
近年來，數據挖掘引起了信息產業(yè)界的極大關注。其主要原因是，由業(yè)務系統產生的大量數據，迫切需要將這些數據轉換成有用的信息和知識，并廣泛使用于業(yè)務中。獲取的信息和知識可以廣泛用于各種實踐應用，包括商務管理、生產控制、市場分析、工程設計和科學探索等領域。數據挖掘利用了來自如下一些領域的思想和方法：統計學、人工智能、模式識別、機器學習等。數據挖掘的很多算法都采用了以上領域中的理論算法、建模技術和學習理論等。數據挖掘也迅速地接納了來自其他領域的思想，這些領域包括最優(yōu)化技術、進化計算、信息論、信號處理、可視化和信息檢索技術等。數據挖掘也需要數據庫系統提供有效的存儲、索引和查詢處理得支持。源于高性能并行計算的技術在處理海量數據集方面常常是也重要的。分布式計算技術也能有效地幫助處理海量數據，并且當數據不能集中到一起處理時更是至關重要的[2]。
醫(yī)學生物信息的數據挖掘應用比較廣泛，醫(yī)學樣本庫領域的應用就是其中的一個實例。通過建立臨床醫(yī)學樣本信息篩選和偵測交互信息平臺來建立協作樣本庫和虛擬樣本庫。建立樣本庫協作單位的協作機制、嚴格的樣本篩選策略（根據研究項目協議和國家地方相關標準診斷、歸轉標準[5-7]）、應答式的標本收集機制、樣本區(qū)域內（研究機構、轉化中心、醫(yī)院）權利共享機制，以建立全新模式、響應一致、反應迅速、整齊劃一的樣本收集研究管理的體系。建設樣本從標篩選、采集、管理策略運轉的實例，是以一個研究中心結合4～5個醫(yī)院以及4～5個樣本篩選醫(yī)院，建立研究臨床醫(yī)學轉化知識發(fā)現和研究驗證系統信息平臺和建立臨床醫(yī)學樣本信息篩選和偵測交互信息平臺的基礎。
醫(yī)學生物信息的數據挖掘應用的另一個實例是醫(yī)學科研。生物醫(yī)藥領域里科學研究的一個重要發(fā)展趨勢就是數據驅動。以前進行實驗研究的目的是獲得結論或者是提出一種新的假設，而現在通過對海量數據的研究來探索其中的規(guī)律，可以直接提出假設或得出可靠的結論[8]。另一方面，必須清楚的是，大數據作用與價值的重點在于能夠引導和啟發(fā)科研者的創(chuàng)新思維、并輔助決策。簡單而言，若是處理一個問題，通常人能夠想到一種方法，而大數據能夠提供若干種參考方法，將解決問題的思路拓寬、拓廣、拓深。當然我們需要在學科知識的結合上下內功，不能單純依靠智能挖掘技術及工具就能解決大數據的應用問題，實際上我們還要有熟悉掌握和運用智能挖掘技術及工具的業(yè)務技術人才，才能在浩瀚的信息資源中遨游，才能真正利用好醫(yī)學信息這個巨大的資產。
3挖掘和利用醫(yī)學生物信息的技術方法
醫(yī)學科學的第三次革命需要在傳統的醫(yī)學基礎之上集數學、統計學、工程學、計算機信息科學的交叉綜合、理論和實驗相結合，建立新的新方法和手段。目前，我國醫(yī)院信息系統存在著許多問題，集中體現在：醫(yī)學生物信息內容缺失、信息標準化程度低以及發(fā)展目標不明確等問題上。我們建設目的①堅持醫(yī)療一線的工作需要，②堅守醫(yī)學大數據信息資源的理念，③做好大數據收儲分析的準備工作。 大數據時代醫(yī)院該如何挖掘和利用醫(yī)學生物信息？我們通過與國內外有關數據挖掘的技術專家的合作，總結了醫(yī)學生物信息的挖掘和利用的一些方法。
3.1數據集成（多種數據源可以組合在一起） 把不同來源、格式、特點性質的數據在邏輯上或物理上有機地集中，從而為醫(yī)院和研究機構提供局部的或全面的數據共享。
3.2數據選擇（從數據庫中提取與分析任務相關的數據） 根據確定的數據分析對象，抽象出在數據分析中所需要的特征信息，然后選擇合適的信息收集方法，將收集到的信息存入數據庫。對于海量數據，選擇一個合適的數據存儲和管理的數據倉庫是至關重要的。
3.3數據規(guī)約 數據挖掘時往往數據量非常大，在大量數據上進行挖掘分析需要很長的時間，數據歸約技術可以用來得到數據集的歸約表示，它小得多但仍然接近于保持原數據的完整性，數據挖掘的結果與歸約前結果相同或幾乎相同。
3.4數據清理（消除噪音或不一致數據） 在數據庫中的數據有一些是不完整的（有些感興趣的屬性缺少屬性值）、含噪聲的（包含錯誤的屬性值），并且是不一致的（同樣的信息不同的表示方式），因此需要進行數據清理，將完整、正確、一致的數據信息存入數據庫中，否則會影響數據挖掘的結果。
3.5數據變換（數據變換或統一成適合挖掘的形式；如，通過匯總或聚集操作等） 通過平滑聚集、數據概化、規(guī)范化等方式將數據轉換成適用于數據挖掘的形式。對于有些實數型數據，通過概念分層和數據的離散化來轉換數據也是重要的一步。
3.6模型運算（使用智能化的算法提取數據模式） 根據數據庫中的數據信息，選擇合適的分析工具，應用統計方法、事例推理、決策樹、規(guī)則推理、模糊集、神經網絡、遺傳算法等方法處理信息，得出有用的分析信息。通過對數據的挖掘，①可以發(fā)現數據的歷史規(guī)律，對過去進行總結；②可以根據數據對未來進行預測，研究者可以根據預測對未來行情趨勢做出預判，并作出相關決策。
3.7模型評估 根據某種興趣度度量，識別提供知識的真正有趣的模式。
3.8知識表示。（使用可視化和知識表示技術，向用戶提供挖掘的知識） 將數據挖掘所得到的分析信息以可視化的方式呈現給用戶，或作為新的知識存放在知識庫中，供其他應用程序使用。使用各種圖表、三維地圖、動態(tài)模擬以及相關的動畫技術使原本枯燥乏味的數據變得生動起來。數據可視化把數據以更加直觀的形態(tài)展現出來，使人們對相關數據做到一目了然。經過上面幾步我們就把原先認為毫無價值的數據變成了信息，最后演變?yōu)橛袃r值的知識。
對于醫(yī)學生物信息挖掘系統的建設者（這里包括醫(yī)院科研部門和信息部門）來說，數據挖掘項目不因該是一個普通的IT項目，不能依照原來信息項目模式建設，更不能理解成為是個管理工具，在項目各個階段，數據信息每一次挖掘、演繹、分析是建設者和研究者全程參與的藝術性結合。目前對于各行業(yè)、各類典型問題的數據挖掘應用，還缺乏標桿模式作為參考。數據挖掘工作更像一個年輕醫(yī)師，需要通過不斷嘗試來積累經驗，面對如潮水般涌來的海量數據，她必將成為了生物醫(yī)學研究的支柱技術之一。
綜上所述，在今后的發(fā)展中計算機硬件性能的巨幅提升和數據庫技術的飛速發(fā)展，使得企業(yè)級大數據量的計算成為現實，數據挖掘涉及的數據量會更大。數據挖掘工具也將越來越強大，匯合的挖掘算法越來越多，并將逐步實現算法的自動選擇和參數自動調優(yōu)，數據挖掘各類算法的巨大潛力將得到充分發(fā)揮。
我們設想在不久的將來，生物信息大數據的應用將會改變著醫(yī)學臨床實踐。臨床醫(yī)學模式從經驗醫(yī)學進一步向循證醫(yī)學轉變，無序醫(yī)療向著有序醫(yī)療進一步發(fā)展，醫(yī)學研究也會進入從發(fā)現、研究、驗證、應用到再發(fā)現、再研究、再驗證、再應用的迭代式良性循環(huán)過程中。古老的醫(yī)學走到了今天，已經發(fā)展成為多學科、多領域結合交匯的領域，生物信息科學、計算機科學和計算應用數學的介入為大數據信息時代開創(chuàng)了新的前景，未來數據資源將會成為極具研究價值的醫(yī)學資產，而且我國又是一個醫(yī)學研究資源豐富的大國，我們有理由相信，我們的醫(yī)學研究者會通過醫(yī)學生物信息的挖掘和利用，在醫(yī)學的研究和發(fā)展中為廣大人民的健康事業(yè)做出更多貢獻。
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智能醫(yī)學工程學科評估范文第3篇
(一)背景及意義
二十一世紀我國將面臨人口眾多、交通擁擠、醫(yī)院容量有限,以及由于獨生子政策導致的日益嚴重的人口老齡化等一系列嚴重的社會問題,遠程醫(yī)療技術的發(fā)展可望為我們提供一個緩解上述問題的有效途徑。最簡單的遠程醫(yī)療形式是通過PSTN(公共電話網絡)進行心電(ECGs)的遠程解釋,但目前的遠程醫(yī)療技術研究與試驗則是伴隨當前IT技術的發(fā)展而發(fā)展的一個范圍更加廣泛,意義更加深遠的新興領域。它是現代通訊技術和計算機與現代醫(yī)學相結合的產物,它利用電子通訊及多媒體技術實現遠距離醫(yī)學檢測,監(jiān)護,咨詢,急救,保健,診斷,治療,以及遠距離教育和管理等等。遠程醫(yī)療旨在通過提供一種管理良好、高效和跨越時空障礙的全新醫(yī)療保健服務模式,最終達到共享醫(yī)療保健資源,降低醫(yī)療保健費用,提高醫(yī)療效率和質量的目的。另外,在戰(zhàn)場救護,交通等意外事故危重病人的緊急處理等方面,遠程醫(yī)療技術也有很大的應用價值!廣義地講,遠程醫(yī)療是指醫(yī)護人員利用通訊和電子技術來跨越時空障礙、向人們提供醫(yī)療保健服務。根據不同的應用,遠程醫(yī)療又可分類為遠程監(jiān)護,遠程治療,遠程會診和遠程教育等等。
(二)發(fā)展過程
最早的遠程醫(yī)療雛形可以追溯到1905年Einthoven等人利用電話線進行的心電圖數據傳輸實驗。但真正具有一定實用價值的遠程醫(yī)療系統在50年代才開始出現,該系統可以通過電話線和專用線傳送簡單的醫(yī)學數據。而在70~80年代遠程醫(yī)療開始利用電視系統傳輸醫(yī)學圖像,即以遠程放射醫(yī)學(Tele-radiology)為主。隨著現代微電子學、通訊技術、計算機及網絡技術的發(fā)展,在90年代人們開始實踐與評估該系統在遠程醫(yī)療咨詢、遠程教育、遠程專家會診等多方面的應用。近幾年來,隨著醫(yī)用數字影象設備如CT、MRI、B超以及DSA等的迅速普及,促使越來越多的醫(yī)院采用數字圖像存儲通訊系統(PACS,PictureArchivingandCommunicationSystem),逐步實現醫(yī)院的無膠片管理,為普及遠程醫(yī)療奠定了良好基礎。當前,遠程醫(yī)療系統技術的技術支持有:交互視頻影像設備(interactivevideo),高分辨監(jiān)視器(high-resolutionmonitors),計算機網絡(computernetworks),蜂窩電話(cellulartelephones),高速開關系統(high-speedswitchsystems),以及以光纖和衛(wèi)星通信為核心的信息高速公路等。需要說明的是,在目前的中國,由于網絡的普及面仍然十分有限,在一些中小縣城市,既缺少高水平的醫(yī)療專家又缺少足夠帶寬的信息網絡,患者的經濟能力也十分有限。在這種背景下,基于電話線的遠程醫(yī)療服務在一定程度上滿足了當前的需求,顯示出了一定的發(fā)展空間,值得國內的醫(yī)療電子企業(yè)重視。
(三)適宜范圍和初步的臨床效果
遠程醫(yī)療技術(Tele-medicine)最大的作用在于它對農村和不發(fā)達國家的那些得不到良好服務的人群提供健康護理服務。在這些地方,合格醫(yī)生的缺乏是一個很大的問題。其他需要遠程醫(yī)療的地方包括:邊遠的兵站,需要保密的地方,出院后病人的監(jiān)護,家庭監(jiān)護,病人教育,醫(yī)學教育等。有些醫(yī)學部門,如放射學(radiology),病理學(pathology)和心臟病學(cardiology),他們需要高保真的電子醫(yī)務數據和圖像為診斷服務,因而特別適合于采用遠程醫(yī)療。隨著遠程醫(yī)療技術的成熟,它能夠提供服務的醫(yī)學部門和范圍也會隨之相應地增加。比如,以下這些領域的遠程醫(yī)療實踐正在逐步增多:矯形外科學(orthopedics),皮膚病學(dermatology),精神病學(psychiatry),腫瘤學(oncology),神經病學(neurology),兒科學(pediatrics),產科學(obstetrics),風濕病學(rheumatology),血液學(hematology),耳咽喉科學(otolaryngology),眼科學(ophthalmol-ogy),泌尿科學(urology),外科(surgery)等。總的來說,有關報告顯示,遠程醫(yī)療提供了醫(yī)生與遠端之間的可靠的高質量的數據和音頻視頻通信。通過將遠程醫(yī)療和直接的醫(yī)生診斷相比較發(fā)現,二者沒有大的差異。這些初步的結果說明,遠程醫(yī)療提供了與醫(yī)院相當的服務質量。目前,遠程醫(yī)療已被成功地用于直接的病人監(jiān)護,它明顯地改進了醫(yī)生的診斷能力和對病人的處理選擇。遠程醫(yī)療在臨床醫(yī)學中的作用已被完全證實,它的使用情況已經超過了立法和行政部門的步伐。因此,在未來健康監(jiān)護工業(yè)的發(fā)展策略中,遠程醫(yī)療應是一個不可忽略的因素。一個重要的目標是實現兩個“所有”:方便地實現所有的醫(yī)學服務和面向所有的地方。
(四)遠程醫(yī)療系統與信息技術
很顯然,遠程醫(yī)療(Tele-medicine)應當有許多不同的系統和技術要求(分級的)。但大致可分為兩類:實時的(RealTime,RT)和先收集后處理的(store-and-forward,SAF)。對于RT交互模式,病人與現場醫(yī)生或護理人員一起在遠處,專家在醫(yī)學中心。對于SAF模式,所有相關的信息(數據、圖形、圖像等)用電子方式傳到專家處,在這里,專家的反應不必是立即的。在大多數情況下,幾小時或幾天后才能收到專家的報告。一種理想的遠程醫(yī)療系統當然是同時具備RT和SAF兩種模式,但顯然這種復合模式意味著顯著增加的費用。例如,一個理想的RT-SAF組合,需要在急診室內或附近有一個基站,并在遠處有多個對病人實施治療計劃的地方,那里帶有診斷室或移動的監(jiān)護單元。基站需要有控制系統或工作站、在線的醫(yī)學數據庫、視頻相機和監(jiān)護儀、微型耳機和話筒以及圖形圖像輸入設備。在遠端,需要有完全可移動的視頻相機和監(jiān)護儀、各種診斷設備、圖形圖像輸入設備、PC或工作站等。如上所述,當前的技術可以使得遠程醫(yī)療系統具有可靠的高質量的數據和視頻-音頻通信(在醫(yī)學中心的醫(yī)生和遠端病人之間),能夠提供與到醫(yī)院就診相當的服務。隨著遠程醫(yī)療的范圍和廣度的擴展,需要進一步關注的技術和臨床問題包括:傳輸的圖像、視頻信息的知覺質量以及其他臨床完善性所要求的程序;當前技術能夠提供的檢查的透徹性,以及遠程醫(yī)療服務和當前臨床常規(guī)檢查的有機結合問題等。遠程醫(yī)療當中的一個重要技術成份是通信系統,它的基本的傳輸介質是銅質電纜、光導纖維,微波中繼,衛(wèi)星轉發(fā)。一個混合的網絡可能是,衛(wèi)星傳送用于很遠距離的情況,光纖用于視頻圖像,銅電纜傳數據、信號和控制信息。RT、SAF兩種模式的通信要求都可以預測。RT模式要求短時間內傳送大量的信息,它強調的重點是傳輸、交換和交互的時間。它的決定性因素是容許能力(傳輸速率和帶寬)。而SAF模式則對傳輸速率和帶寬的要求不大。只要能將整塊的數據傳送就行。一般的多媒體遠程醫(yī)療系統應具有獲取、傳輸、處理和顯示圖像、圖形、語音、文字和生理信息的功能。按照遠程醫(yī)療系統的組成劃分,它一般由三個部分構成:用戶終端設備,醫(yī)療中心終端設備和聯系中心與用戶的通訊信息網絡。不同的遠程醫(yī)療應用,對通訊系統和系統終端設計又有不同的要求。相應的設備費用也依要求的不同而變動較大。
(五)相關的有待解決的技術問題
仍然有待解決的,與遠程醫(yī)療全面、廣泛地實施有關的關鍵技術問題包括:數碼醫(yī)院的建立,目前有些醫(yī)院己有醫(yī)院信息系統(HIS)和圖像歸檔與通信系統(PACS—picturearchivingandcommunicationsystem)和DICOM(Digitalimagingandcommuni-cationsinmedicine)。醫(yī)院現有的這些系統是遠程醫(yī)療的重要組成部分,它們的擴展是建立遠程醫(yī)療系統的一個有利條件。此外,還需要建立標準的醫(yī)學信息庫;開發(fā)功能可靠、操作方便的終端設備•以及接口技術問題,因為遠程醫(yī)療系統涉及多種醫(yī)療設備與通訊系統的連接,建立通用的標準接口將會減少系統建立時的復雜程度和節(jié)省費用;系統加密問題,以確保醫(yī)療數據在通訊網絡傳輸中的安全性,維護病人的隱私權;家庭以及偏遠地區(qū)的寬頻通訊問題,初期通訊網絡的鋪建應考慮到遠程醫(yī)療的用途。目前,有關研究主要集中在:(1)人-機接口和通訊網絡的研究,主要解決各種信息的有效上網和傳送;(2)傳感器技術的研究,目標在于研制有源、無線和小型的換能器,實現生理信號的方便而可靠、準確而無損的測量;(3)各種先進的數據與圖像壓縮方法的研究,在盡可能減低有用信息丟失的同時,達到盡可能高的壓縮率,最終實現遠程醫(yī)療數據與圖形圖像信息的的高效傳輸;(4)醫(yī)學信息與數據傳輸安全問題的研究,為相應的立法等提供技術保證。
二、醫(yī)學成像技術與三維醫(yī)學圖像處理
(一)醫(yī)學成像技術
1895年德國物理學家倫琴發(fā)現了X射線,并被應用于醫(yī)學,產生了以X光照片為標志的醫(yī)學影象學。此后的整個20世紀可以說是醫(yī)學成像的盛世。面對各種紛紛涌現的眾多成像模式,我們不僅要問:這些成像技術各有何特點?它們的發(fā)展前景又如何呢?到目前為止出現的所有成像方法,幾乎都與核或電磁有關。如果從利用的電磁波的頻率高低上對醫(yī)學成像模式進行分類,在靜態(tài)場領域有電生理成像,低頻領域有阻抗CT,高頻領域有微波CT,光領域有光學CT,在更高的頻率領域有X線CT。其中X線CT早已進入實用的階段。此外還有利用磁場相互作用機制的磁共振成像技術(MRI)。加上最近受到重視的一些功能成像方法,如功能磁共振成(fMRI)和正電子發(fā)射斷層掃描技術(PositronEmissionTomography,PET)等,如此眾多的醫(yī)學影象手段提供了大量的有關病人的各種信息,包括形態(tài)的和功能的、靜態(tài)的和動態(tài)的等,被廣泛應用于診斷和治療,成為現代化中必不可少的手段和工具。
1•電阻抗斷層成像技術
電阻抗斷層成像技術(ElectricalImpedanceTomography,EIT)是近些年來興起的一項醫(yī)學成像技術。其基本思想是利用人體組織的電特性差異形成人體內部的圖像。它通過體表電極向人體送入一交流電流,在體表不同部位測量產生的電壓值,由此重檢一幅電極位置平面的人體組織電特性圖像。這種圖像不僅包含了解剖學信息,更為重要的是,某些組織和器官的電特性隨其功能狀態(tài)而改變,因此圖像也包含了功能信息在內。此外加上對人體幾乎無創(chuàng)傷、廉價、操作簡便等優(yōu)點,EIT受到了日益廣泛的關注。但由于受到數據采集系統和算法等因素的限制,目前該技術并不十分成熟,基本處于實驗室階段。EIT技術根據測量目標的不同可以分為兩類:靜態(tài)EIT和動態(tài)EIT。靜態(tài)EIT以測量對象內部電阻(導)率的分布為成像目標;而動態(tài)EIT則是測量對象內部的電阻(導)率的相對變化量的分布為成像目標。由于動態(tài)EIT技術只需反映阻抗的相對變化量,相應地,其算法簡便、快速,可以實時成像,而且系統對具體目標形狀有較高的魯棒性。雖然由于假設條件難以滿足、推導過程不嚴格等缺點使得動態(tài)EIT的成像質量不高,但由于其對人體形狀和電極擺放位置的適應性強、能反映變化的信息等優(yōu)于靜態(tài)EIT的這些優(yōu)點,它已被用來進行臨床研究。相信隨著算法的改進和成像質量的提高,動態(tài)EIT有望在臨床上發(fā)揮更大的作用。
2•電生理成像技術
電生理成像技術指基于體表電磁信號的觀測,進行的體內電活動情況成像的技術。具體有心電磁和腦電磁問題兩大類。但兩類問題在技術上是密切相關的,它們分別是利用測量得到的心電圖(Electrocardiogram,ECG)和腦電圖(Electroen-cephalogram,EEG)來研究人體的功能。這里以腦電為例,其中又可以分為兩個層次,一為腦電源反演,一為成像。在成像方面,人們希望能從頭皮上獲得的空間分辨率較低的電位分布推算出皮層表面上空間分辨率較高的腦電電位分布,因也稱為高分辨率EEG成像。人們相繼發(fā)展了等效源方法(Sidmanetal,1992;Yao,2000),有限電阻網絡法(楊福生等,1999),和球諧譜分析方法(Yao,1995)。腦電源反演就是利用測得的頭皮電位,推算顱骨內腦電活動源的空間位置的一項技術。其具體方法有非線性優(yōu)化算法和子空間分解算法。在這些方法中,大都是以某一時刻的電位觀測值為已知信息,唯有子空間分解算法是直接建立在一段觀測記錄之上,從而較好地同時利用了觀測記錄中的時間和空間信息,因而受到了廣泛的重視(Mosher,1992;堯德中,2000)。電生理成像技術與其它的醫(yī)學成像技術如CT、MRI等相比,具有其不可替代的獨特功能。它檢測的是生物體的自發(fā)(或誘發(fā))的功能信息,是一種真正的非損傷性的成像技術,且可以進行長期檢測,而fMRI等只能檢測誘發(fā)的間接的功能信息。另外一個優(yōu)點就是它具有很高的時間分辨率。目前的一個重要發(fā)展方向是,電生理成像技術與其它影像技術相結合(如EEG與fMRI結合),實現優(yōu)勢互補,以得到兩“高”(高時間分辨率和高空間分辨率)的結果,幫助研究人員進行更精確的分析和判斷。
3•微波CT
微波CT可以說是一種比較新的成像模式,它是1978年才被提出來的。它的基本原理是:利用電磁波的傳輸特性,通過測定透過身體的電磁波來重建體內圖像。微波CT大體可以分為兩大類:被動測定型和主動測定型。被動測定型也可以稱為無源型,利用的是由生物體發(fā)出的屬于微波范圍的那一部分電磁波,如人體熱輻射等,最終獲得熱圖像(因此,類似的還有紅外成像);主動測定型也叫有源型,是用外部入射微波照射生物體,然后利用透過微波和反射微波重構圖像,獲得的是形態(tài)圖像。微波CT作為一種醫(yī)學成像模式,它的主要特點是,同X-CT相比更容易查出癌變組織;與超聲相比更有利于肺的診斷;不存在電離輻射的危險性。微波CT需要解決的最大問題是如何提高空間分辨率。要想提高分辨率,必須縮短波長,提高頻率,但波長愈短其在體內的衰減愈大。同時,微波在介質中傳播時產生的衍射和散射會造成重建圖像的模糊。所以提高微波CT的圖像分辨率是一件極為困難的工作。隨著技術的進步和圖像分辨率的提高,微波CT將很有希望成為新一代的醫(yī)學成像手段。
4•光學CT
光學CT也將是21世紀的重要研究領域。其基本思路是將光輸入待測組織,測量其輸出,重建該組織。由于人體對可見光是屏蔽的,但對紅外或紅外波段的光有一定的穿透能力,利用它進行斷層成像。光學CT大致可以分為內稟(Intrinsic)光學成像、光學相干層析成像、光子遷移技術成像等幾種。內稟信號指的是,由組織活動(如神經元活動)引起的有關物質成分、運動狀態(tài)的改變而導致起光學特性發(fā)生變化,而這種變化在與某些特定波長的光量子相互作用后得到的包含了這些特性的光信號。通過成像儀器探測到這些光信號的某一時間間隔內的空間分布,進而重建組織圖像。無損傷內稟光學成像方法近年來正加緊研究,以期用于人腦功能的研究。光學相干層析成像,即將光學相干剖析術(OCT)用于成像,它是采用低相干的近紅外光作為光源,采用特制干涉儀完成光的相干選通,這樣接收到的信號就只包含尺度相應于相干長度的一薄層生物組織的信息。若同時加以掃描,就能得到三維剖析圖像。OCT技術從提出至今雖然只有短短幾年的時間,但已表現出極為誘人的應用前景。目前它已在視網膜及黃斑疾病的早期診斷,皮膚、腸、胚胎檢測等領域發(fā)揮出巨大的作用。這種技術已成為國內外在生物光學方面的一個活躍點。利用靈敏的探測器和適當的重檢算法,就可以確定測量組織的光學特性。通過檢測組織的光學特性,可用于腫瘤診斷、代謝狀態(tài)動態(tài)監(jiān)護、藥物分析及光動力學治療等場合。光子遷移技術成像(PhotonMigrationImaging,PMI)利用的是在紅光和近紅外光譜區(qū),生物組織的某些不同成分對于光的散射和吸收表現出不同特性,而且在不同生理狀態(tài)下的組織光學參數也不大相同。高頻調控的正弦入射光經組織傳播后,由于吸收和散射延遲了光子行程時間,引起了相位和光子能量密度的變化,顯著和精確的相位變化體現了吸收的變化。光學方法正處于迅速發(fā)展之中,一方面,與XCT、MRI等其它成像方法相比,光學CT具有價格低廉、運行安全,另一方面,它體積小重量輕,特征信號容易獲得,技術發(fā)展成熟。光學CT還有一個吸引人的優(yōu)勢是,它在空間分辨力和時間分辨力這兩個基本的成像性能上可以說是首屈一指,目前已達約5mm的物方象素和每秒25幀以上的視頻速度。因而可以預料,光學CT會在醫(yī)學研究和臨床等方面發(fā)揮越來越大的作用。
5•正電子發(fā)射斷層掃描技術
正電子發(fā)射斷層掃描技術(PositronEmissionTomography,PET)作為一種傳統的核醫(yī)學成像技術,它的歷史可以追溯到1932年,在那一年CarlAnderson在研究宇宙射線所拍的云室照片時發(fā)現了β+的存在;此后不久ErnestLawrence發(fā)明了可發(fā)射β+核素的回旋加速器,這些是實施PET的兩個不可缺少的前提條件。PET的成像原理是,將由發(fā)射正電子β+的核素標記的藥物由靜脈注入人體,隨血液循環(huán)至全身。正電子與人體內的電子相遇并湮滅產生兩個背對背的γ光子,這對具有確定能量的光子可以穿透人體,被體外的探測器接收,從而得到正電子在體內的三維密度分布及這種分布隨時間變化的信息。PET的標記藥物很豐富,且這些核素的半衰期都很短,病人所受到的輻射劑量可以說是微乎其微,并可在短期內進行重復測量。盡管PET具有近乎無損的測量、三維動態(tài)成像、定量檢測化學物質分布及實現真正的功能成像等獨特的優(yōu)點,但早期由于對短壽命核素認識的不足及探測技術缺乏等原因,直到1976年第一臺全身(whole-body)PET才正式投入市場并應用于臨床。此后PET才真正開始進入了一個蓬勃發(fā)展的時期。目前全世界已有上百家的PET中心,利用PET進行臨床醫(yī)學、基礎醫(yī)學、腦科學等方面的研究。在臨床方面,主要用于診斷神經類疾病、心臟疾病、癌癥等,也可輔助設計治療方案和評估藥物療效,并可用于探討一些神經類疾病的發(fā)病機制。因為各種精神類疾病,如癲癇、精神分裂癥、癡呆等,以及腦腫瘤、腦血管病等,都將引起血流、葡萄糖和氧代謝的異常,PET即可通過測量這些生理參數來診斷疾病。同時,PET的獨特優(yōu)點也給神經科學提供了觀測手段,被越來越多地用來研究人類的學習、思維、記憶等的生理機制,幫助人類進一步了解自身。因為給正常人不同的刺激(如光、語言等)或讓其進行不同的活動(如記憶、學習、喜怒哀樂等),也將引起不同腦區(qū)域的血流和代謝的變化,進而幫助研究腦的功能。相信在不遠的將來,隨著PET技術的進一步成熟,PET將會成為診斷和研究上不可缺少的工具。
6•X-線成像技術
X-線成像技術可以說是在醫(yī)院當中應用的最傳統、最廣泛的一種醫(yī)學影象技術。X-線圖像建立在當X-線透過人體時,各種臟器與組織對X-線的不同吸收程度的基礎上,因而接收端將得到不同強度的射線,傳統的做法是將之記錄在膠片上得到X膠片。隨著電子技術的發(fā)展,這種傳統方法的弊端日趨突顯出來。當X-線圖像一旦形成,其圖像質量便不能做進一步改善;不便于計算機處理,也不便于存儲、傳輸和共享等。在評價20世紀X成像技術時,多數資深專家均認為影像的數字化是最新、最熱門及最重要的進展。數字化成像可以利用大容量磁、光盤存儲技術,以數字化的電子方式存儲、管理、傳送、處理、顯示醫(yī)學影象及相關信息,使臨床醫(yī)學徹底擺脫對傳統硬拷貝技術的依賴,真正實現X-攝影的無膠片化。目前采用的直接數字化X-線影象的方法主要有兩種:直接X-線影象探測儀(DirectRadiographyDetector,DRD)和平板探測儀(FlatPanelDetector,FPD)。DRD最早由Sterling公司申請專利,現已進入商品化階段。FPD由Trexell公司研制成功。這兩項技術的發(fā)展方向均是設法進一步提高分辨率和實時性。數字影像可以說是伴隨著計算機技術的發(fā)展應運而生。1981年第15屆國際放射醫(yī)學會議上首次展出了數字放射新產品。進入90年代中后期,國外已經推出了多種新型的數字化X-線影象裝置;傳統X-線裝置中的X-線乳腺影像設備也已數字化。到目前為止,市場上的數字化的X-線影像設備已占70%以上。可以預期,數字化的X-線影像設備將逐步成為市場的主宰,并將使21世紀的X-線診斷發(fā)生令人矚目的變化。
7•磁共振成像(MRI)
在磁共振成像(MagneticResonanceImaging,MRI)領域,自從1946年哈佛大學的E•M•Purcell和斯坦福大學的F•Bloch發(fā)現了核磁共振現象并因此獲得1952年諾貝爾物理獎起,直到70年代初,它一直沿著高分辨核磁共振波譜學的方向發(fā)展,成為化學、生物學等領域研究分子結構不可缺少的分析工具。1972年R•Damadian注冊了第一個關于核磁共振成像的專利,提出了磁共振成像的思想,并指出可以用磁共振成像儀掃描人體檢查疾病。1982年MRI掃描儀開始應用于臨床。由于質子(1H)結構簡單,磁性較強,是構成水、脂肪和碳水化合物的基本成分,所以目前醫(yī)學上主要利用質子(1H)進行MRI成像。其成像主要利用磁共振原理,以一定寬度的射頻脈沖磁場使具有磁性核的原子產生共振激發(fā);被激發(fā)的原子核的退激時間的長短反映了磁性核周圍的環(huán)境情況。通過測量生物組織退激過程中磁化強度的變化,即可獲取反映內部結構的圖像。磁共振成像由于其空間分辨率高、對人體危害性小、又能提供大量的解剖結構信息等優(yōu)點而被廣泛應用于臨床診斷。隨著技術的發(fā)展和需求的提高,動態(tài)成像或功能成像是未來世紀MRI的研究方向(functionalMRI,fMRI)。一個成功的應用是用外面的造影劑或內生的血氧度相關效應(BOLD)描述視覺皮層的活動。BOLD的成像原理是基于血紅蛋白的磁化率隨脫氧過程而急劇變化。在靜脈血管內脫氧血紅蛋白濃度發(fā)生變化時,會在血管周圍引起磁場畸變,而這種變化可以被探測記錄下來。在功能神經科學研究領域中,BOLD成像有很多優(yōu)點。這類研究完全非侵入性,產生的圖像數據與解剖結構的數據是完全配準的。BOLD技術已經發(fā)展得比較好,它在解釋大腦在正常和病理狀態(tài)的功能方面很有前途。迄今為止,fMRI雖然只有短短幾年的歷史,但理論與實驗都已取得了許多有重要意義的結果。它的最大優(yōu)點是無損傷(不用外源介質),可以直接進行反復的非侵入性的功能測量。與同樣屬于功能成像的PET相比,fMRI則是更新的技術,成像速度比PET快,而且提供了更好的空間分辨率。fMRI未來的發(fā)展方向是,一要進一步加強對fMRI信號的實質的認識和理解,這是基本的前提。另一方面,從實驗設備的硬件和軟件的結合上進一步提高靈敏度和分辨率(包括時間分辨率和空間分辨率),這是核磁共振現象的本質決定的一個永恒的研究主題。除了以上與電磁或射線相關的成像技術外,還有基于超聲波的多種結構、組織和功能的成像技術,這里不再詳述。
(二)三維醫(yī)學圖像處理
醫(yī)學圖像處理是指對已獲得的圖像作進一步的處理,其目的或者是使不夠清晰的圖像復原,或者是為了突出圖像中的某些特征信息,或者是對圖像做模式分類等。隨著技術的發(fā)展,醫(yī)學圖像的處理已開始從二維轉向了三維,以求從中獲得更多的有用信息。三維醫(yī)學圖像分析所包含的研究問題很廣,目前主要有:圖像的分割、邊緣檢測、多模式圖像和數據的配準(Registration)和融合(Fusion)、虛擬現實技術、圖像的快速重建和顯示、圖像處理算法性能評估、信息集成(Informationintegration)和傳輸技術等。所有這些的研究都可以集中到如下兩個方面:
1•圖像的融合和可視化
醫(yī)學影象技術的發(fā)展為臨床診斷和治療提供了包括解剖圖像和功能圖像在內的多種圖像模式。臨床上通常需要將同一個病人的多種成像結果結合起來進行分析,以提高醫(yī)學診斷和治療水平。比如在放射治療中,CT掃描可以用于計算放射劑量的分布,而MRI可以很好地定位病灶區(qū)域的輪廓。常規(guī)的方法(如將幾張圖像膠片掛在燈箱上)使醫(yī)生很難對幾幅不同的圖像進行定量分析,首先要解決的這幾幅圖像的嚴格對準問題。所謂醫(yī)學圖像配準與融合,就是通過尋找某種空間變換,用計算機圖像處理技術使各種影象模式統一在一個公共坐標系里,融合成一個新的影象模式顯示在計算機屏幕上,使多幅圖像的對應點達到空間位置和解剖結構上的完全一致,并突出顯示病灶或感興趣部位,幫助醫(yī)生進行臨床診斷,制定放射治療計劃和評價等。近年來醫(yī)學圖像配準和融合技術的研究和應用日趨受到醫(yī)學界和工程界的重視。對醫(yī)學圖像匹配方法的分類可以有多種不同的標準。1993年,VandenElsen等人對醫(yī)學圖像匹配的方法進行了分類,歸納出了多達七種分類標準。一般的匹配方法的實現步驟為:特征提取;特征配對;選取圖象之間的幾何變換、確定參數;執(zhí)行變換。基于特征點選取的不同,匹配算法可以分為兩種:基于外部特征的圖像配準方法和基于內部特征的圖像配準方法。基于外部特征的圖像配準通常是在研究對象上設置一些標志點(如采用螺絲植入骨頭方法固定立體定位框架等),使這些標志點在不同的影象模式中均有顯示,然后以這些共同的標準點為標準對圖像進行配準。這種配準方法因為不受圖像畸變等因素的影響,所以精度很高,可達1~2mm,可以作為評估基于內部特征的圖像配準方法的標準。但其植入式的特點會給患者帶來一定的痛苦,一般僅限于手術室使用。目前的研究集中在基于內部特征的圖像配準方法上,這種方法一般是用圖像分割方法提取醫(yī)學圖像中相對運動較小的解剖結構,如點(血管分叉點等)、2D輪廓線、3D曲面等。用這些提取出來的特征對之間的位置變化和變形來確定圖像之間的變換和配準。配準的精度取決于圖像分割的準確性。這種方法優(yōu)點之一就是其回溯性,即以前獲取的圖像(沒有外標記點)也可以用內部特征點進行匹配。目前,基于內部特征的圖像配準方法比較成熟并已廣泛應用于臨床。但目前大多數模糊動態(tài)圖像的精確分割和特征提取仍是一個尚未完全解決的問題。最近又發(fā)展了一種直接利用所謂的基于體素相似性的配準方法,又稱為相關性方法,它是直接利用不同成像模式的灰度信息的統計特性進行全局最優(yōu)化匹配,不需要進行分割和特征提取。因此這種方法一般都較為穩(wěn)定,并能獲得相當準確的結果。但是它的缺點是對圖像中的噪聲信號敏感,計算量巨大。在目前出現的各種相關性算法,如互相關法(correlation)、聯合熵法(jointentropy)、相對熵法(relativeentropy)等算法當中,臨床評估的結果是相對熵法(又稱為互信息法,mutualinformation)是最精確的。醫(yī)學影像的三維重建和可視化也是一個值得關注的問題。常規(guī)影像如CT、MRI等得到的均為組織的二維切片,醫(yī)生很難直接利用它們進行分析、診斷和治療。三維醫(yī)學圖像的重建將有助于觀察復雜結構的立體形態(tài);有利于醫(yī)生制定放射治療計劃;有助于神經外科手術的實施;有助于對不同治療方案進行評估等。對三維圖像重建算法的研究,近幾年來國內外學者進行了許多探討。目前通用的做法是,先從切片圖像中提取出物體輪廓信息,重建三維結構,再由計算機圖形學中的光線跟蹤法(RayTracing),根據一定的光照模型和給定的觀察角度、光源強度和方位來模擬自然景物光照效果,計算物體表面各點的灰度值,最終構成一幅近似自然景物的三維組織或器官圖像。目前各種各樣的圖像所涉及的數據量越來越大,各種算法也越來越復雜,所以處理時間也較長,而用戶則希望實時、快速地得到圖像處理結果,及時用于診斷與治療。因此,醫(yī)學圖像處理的加速也是一個主要的研究方向。為了提高系統的運行速度,當然有許多方法可以考慮。除了算法上的改進外,應用多處理器進行醫(yī)學圖像處理與分析的加速是一種不錯的方法。在有些情況下可以直接利用DSP進行加速。
2•基于影象的計算機輔助治療方法及系統
發(fā)展各種醫(yī)學影象的最終目的就是為了更細致的了解人體的結構和功能,輔助醫(yī)生對病人做出診斷和治療,提高人類的生活質量。目前以此為目標的研究主要有:基于影象的三維放療計劃系統、立體外科手術仿真系統、醫(yī)學中的虛擬現實系統等。在過去的放射治療時,先有醫(yī)生根據CT或MRI膠片上的定位標志點來計算病灶的三維坐標,然后根據病灶位置和形狀布置焦點,經計算機計算出等劑量線,在燈箱上用打印輸出的劑量線與膠片上的病灶進行對比,如不吻合則重新規(guī)劃焦點。反復重復直到滿意為止。最后計算出每個焦點的治療時間。總的說來這個過程很不方便,而且可能會引起很大的誤差。目前臨床上開始采用的三維放射治療計劃系統則大大方便了腫瘤醫(yī)師的工作。在整個治療計劃的計算機化過程中,可以說是涉及到了三維醫(yī)學圖像處理的各個環(huán)節(jié),如圖像配準與融合、輪廓提取、三維重建等。三維放療計劃系統的推出不僅提高了醫(yī)生的工作效率,而且精度大大提高,是以后腫瘤治療中心制定放療計劃的常規(guī)工具。今后放射治療的方向是適形放射治療(ConformalRadiotherapy,CR)。該方法通過旋轉照射或靜態(tài)多射野照射,使得高劑量區(qū)劑量分布的形狀在三維上與靶區(qū)(病灶)的實際形狀一致,同時盡可能地降低靶區(qū)周圍的健康組織和重要器官(如脊髓)的照射量,從而大大提高治療效果。CR由于能夠調整射野內的射線強度分布,故又稱為調強放療(Intensity-modulationRadiotherapy,IMRT)。調強算法根據醫(yī)生指定的限制因素計算每個射野的最接近醫(yī)生要求的強度分布,是一個典型的多參數優(yōu)化問題。1989年,英國科學家S•Webb首次提出采用模擬退火法求解最佳強度分布。此后各種調強算法可以說是層出不窮,成為當今放療中的一個熱點。隨著多葉準直器技術(Multiple-LeafCollimator,MLC)的發(fā)展,醫(yī)生可望給出單次腫瘤致死劑量,起到外科手術的效果。虛擬現實(VirtualReality,VR)就是力求部分或全部地用一個計算機合成的人工環(huán)境代替一個現實世界的真實環(huán)境,讓使用者在這個三維環(huán)境中實時漫游和交互操作。VR是綜合人機界面、圖形學、傳感技術、高性能計算機和網絡等的一門新興學科,涉及學科面廣且發(fā)展十分迅速。VR在醫(yī)學領域的應用前景非常廣泛,Rosen認為,VR將構成最終實用的手術模擬器。隨著醫(yī)學成像可視化和虛擬現實技術的發(fā)展,科學家們已經有可能建立起一個具有部分人體特性的虛擬人體。由美國國家醫(yī)學圖書館(NLM)發(fā)起的可視人計劃(VisibleHumanProjects,VHP)正是基于這樣的目的。虛擬人體可以提供模擬的診斷、治療、計算機成像、內窺鏡手術等等。例如在內窺鏡手術中,外科醫(yī)生通過觀察電視屏幕來操作插入病人體內的手術器械。虛擬環(huán)境技術可大大改善這種手術過程。事實上,虛擬內窺鏡系統(Virtualendoscopy)是目前發(fā)展比較快的一個方面。
三、網絡化醫(yī)學儀器人才的培養(yǎng)
生物醫(yī)學工程專業(yè)的范疇很廣,各高校的側重點各不相同。我校本學科專業(yè)與其它高校相比具有明顯的時代特色。我們一向以電子學、計算機科學為支撐平臺,強調與生物醫(yī)學、醫(yī)療儀器相結合,在醫(yī)療儀器的智能控制、管理方面有很強的優(yōu)勢。隨著以上醫(yī)學信息技術的發(fā)展,我們提出了依拓本校的優(yōu)勢專業(yè)如通信、計算機、自動控制、儀器測試等,在我校生物醫(yī)學工程學科培養(yǎng)網絡化、智能化醫(yī)學儀器方向人才的設想。
(一)培養(yǎng)網絡化醫(yī)學儀器人才的依據
計算機及網絡技術飛速發(fā)展,世界正進入一個數字化的時代。在醫(yī)療領域,數字診斷設備也逐漸成為一種新標準,被越來越多的醫(yī)院和用戶所接受。各大廠商相繼推出數字X光機、CT、B超等,在一些發(fā)達國家,已經取代常規(guī)設備成為臨床診斷的主流。醫(yī)療設備已經到了一個更新換代的時期。而DICOM標準的制訂,則使醫(yī)療信息實現了網絡模式的資源共享和遠程傳輸。無疑,數字化、網絡化將是21世紀醫(yī)學發(fā)展的主流。而遠程醫(yī)療系統則以其迅猛的發(fā)展勢頭為人們勾畫出了一幅“讓每一位醫(yī)生都成為專家,讓每一位患者都能請得到專家”的美好前景。社會的需求為高等院校的人才培養(yǎng)提出了新的要求,同時具有醫(yī)學知識和網絡技能的復合型人才將會受到社會的廣泛青睞。“網絡化醫(yī)學儀器”作為本學科領域出現的新方向,在國內外沒有現成的模式可以借鑒,為此我們提出了以下建設計劃。
