生物医学工程概论-(3)

9.生物医学信息处理生物医学信号一般都是伴随着噪声和干扰信号，如心电、肌电信号总是伴随着因肢体动作和精神紧张等带来的假象，且常有较强的工频干扰；诱发脑电信号总是伴随着较强的自发脑电信号；超声回波信号中往往伴随其他反射杂波。此外，信号中的无用成分亦视为检测中的干扰。生物医学信息处理技术即是研究从被检测的湮没在干扰和噪声中的生物医学信号中提取有用的生物医学信息的方法。这些方法包括强噪声背景下微弱生理信号动态提取、多道生理信号的同步观察与处理、生理信号的时间——频率表示、自适应处理、人工神经网络和混沌与分形理论的应用、医学专家系统等。生物医学信息处理技术已经在生物医学测量、医学图像和医学仪器等领域得到广泛应用。例如，累加平均技术已成功地用于诱发脑电、希氏束电和心室晚电位等微弱信号地提取；在心电和脑电地体表检测中采用计算机进行多道信号地同步观察与处理，并推求原始信号源的活动（所谓逆问题）；在生理信号的数据压缩中开始引入人工神经网络方法；在医药学特别是中国传统医学中的医学专家系统已在发挥实际效益。生物医学信息处理技术的研究领域广泛，但大多尚处在发展之中，并存在大量前沿性课题，均需加强系统的、深入的研究，扩大其实用价值。生物系统建模是对生物的细胞、器官和整体各层次的行为、参与及其关系建立数学模型的工作。生物系统仿真是利用电子计算机求解生物系统的数学模型以分析和预测各种条件生物运行机制和状态的工作。10.生理系统建模与仿真生物体是十分复杂的系统，即使最简单的红细胞也包含物理、化学等约2000种代谢反应，而大脑的复杂性就更是无法比拟的了。研究这种复杂的生物系统需要十分复杂的实验，而对于如天上、水下、缺氧和其他危险条件下的生物系统研究，其实验往往难以进行。生物系统建模与仿真可以将生物系统简化为数学模型并对此模型进行计算机分析，从而代替实际的复杂、长期、昂贵乃至无法实现的实验，大大提高研究效率和定量性，并可研究认为施加控制条件以影响生物系统运行过程。生物系统建模与仿真可用于鉴别人体参数的异常以进行疾病诊断、糖尿病等疾病的预报、血压等参数的自适应控制。学习目的•了解模型及其建立方法•了解一些仿真方法•了解建模和仿真在生理系统中的应用传统生理学的研究方法它是一门实验科学，主要通过两种实验来完成。•动物实验：采用动物模型来研究人体•临床实验：在人体上进行直接测量和实验动物模型的局限性•动物与人体生理差异大，可信度有限•实验动物有个体差异，需要大量重复实验来克服•动物实验技术和手段限制受极端条件限制，实验周期长•动物实验成本昂贵临床实验的局限性•个体差异大，需要大量重复实验•实验技术和手段限制受极端条件限制，实验周期长•实验成本昂贵•伦理道德的限制：许多实验不能直接在人体上进行第三种方法——建模与仿真能弥补传统实验方法的不足，是为了研究、分析生理系统而建立的一个与真实系统具有某种相似性的模型，然后利用这一模型对生理系统进行一系列实验，这种在模型上进行实验的过程就称为仿真。心脏模型的计算机仿真膝关节模型的计算机仿真模型及仿真的实例原型（Prototype）和模型（Model）•原型：人们在现实世界里关心、研究或者从事生产、管理的实际对象。在科技领域中常用系统（System）、过程（Process）来表示。•模型：为了某个特定目的将原型的某部分信息减缩、提炼而构造的原型替代物。常见的原型•系统：生命系统、生理系统、生态系统、循环系统、机械系统、电力系统、社会经济系统•过程：消化过程、呼吸过程、钢铁冶炼过程、导弹飞行过程、化学反应过程、污染扩散过程、生产销售过程、计划决策过程系统•由相互制约的各个成分排列和连结而成的，具有一定功能的整体。系统功能的表现在一定条件下，系统功能由其行为来表现。系统的行为取决于：•成分或分系统的特性•成分间联络的结构•系统的输入信号系统的图形及内部构成系统可以表示为一个输入-输出装置。H1H2H3x1x2x3y1y2输入输出系统H分系统相互联系系统的符号表示x1x2x3y1y2H构造模型具有目的性模型不是原型原封不动的复制品，原型有各个方面和各种层次的特征，而模型只要求反映与某种目的有关的那些方面和层次。因此，一个原型，为了不同的目的可以有许多不同的模型。航模模型CFD仿真模型飞机电学模型计算机模型教学模型力学模型心脏模型的分类模型物质模型理想模型直观模型物理模型思维模型符号模型数学模型直观模型指那些供展览、学习等用的实物模型，以及玩具、照片等，通常是把原型的尺寸按比例缩小或放大，主要追求外观的逼真，这类模型的效果是一目了然的。心脏模型车模实例物理模型主要指科技工作者为了一定研究目的，根据相似原理构造的模型（实物模型），它不仅可以显示原型的外形或者某些特征，而且可以用来进行模拟实验，间接地研究原型中某些物理规律。物理模型举例•波浪水箱中的舰艇模型：模拟波浪冲击下舰艇的航行性能•风洞中的飞机模型：试验飞机在气流中的空气动力学特性•人体模型：汽车撞击实验•地震模拟装置•核爆炸反应模拟设备原理图（相似性原理）物理模型实例1.微通道阵列仿毛细血管网络实例2.人工心脏实例3.电子耳蜗实例4.视觉假体与生理系统研究相关的物理模型的分类•几何相似模型•力学相似模型•生理特性相似模型•等效电路模型几何相似模型按照真实系统的尺度构造比例而建立的物理模型，强调模型与原型的几何形态上的相似性。几何相似模型实例主动脉血管模型：采用将尸体的主动脉取下后灌注硅橡胶，并在大约13.3kPa的生理压强下进行铸型，先造成主动脉弓的阳模，然后再用此阳模铸型而构造出与人体主动脉几何尺度相似的模型。力学相似模型-如血液循环动力学模型血液循环动力学是循环系统的一个重要规律，为了研究这种流动中的力学特性，在构造模型时着重于与原型在动力学特性上的相似性，如血液所受的力，速度和加速度与活体情况相似。因为模型材料与血管不同，故若要保证其力学方面的相似性，则往往牺牲其几何方面的相似性。生理特性相似模型此时，既不追求几何形态上的相似，亦不追求动力学上的相似，而是以模拟出的生理特性为评判标准。生理特性相似模型实例当建立主动脉瓣膜时，将以其所给出的主动脉血压波型是否与生理波形相似为标准而构造其物理模型。等效电路模型因为许多系统的动态特性都可用一个等效电路来描述，故亦可用模拟电路作为系统的一个模型。等效电路模型实例在循环系统中，常常将血流阻尼等效为电阻，血流惯性等效为电感，血管弹性等效为电容，血压等效为电压，而血流等效为电流。物理模型研究中应注意的问题注意验证原型与模型间的相似关系，以确定模拟实验结果的可靠性。物理模型研究的优缺点•优点：直观、形象化、易于理解，可多次反复实验；对于所要进行测量的物理量也有明确的意义；可以进行一些利用原型无法完成的实验，如极端条件下的反应•缺点：成本高、时间长、应用范围有限，不灵活思维模型指通过人们对原型的反复认识，将获取的知识以经验形式直接储存于人脑中，从而可以根据思维或者直觉作出相应的决策。符号模型在一些约定或假设下借助与专门的符号，线条等，按一定形式组合起来描述原型。实例•地图•电路图•化学结构式重庆大学地图（A区）符号模型的特点•简明•方便•目的性强数学模型由数字、字母或者其它数学符号组成的，描述现实对象数量规律的数学公式、图形或算法。数学模型的优点•成本低•时间短•重复性高•灵活性强利用模型进行模拟实验的操作叫仿真，也可以叫模拟仿真的定义•物理仿真•数学仿真仿真的分类数学仿真主要指运用数字式计算机的计算机仿真（ComputerSimulation）。它根据实际系统或过程的特性，按照一定的数学规律用计算机程序语言模拟实际运行状况，并依据大量模拟结果对系统或过程进行定量分析。仿真的优点•可实现时空的伸缩•可实现极端条件下的实验•可作为预研手段为真实系统运行奠定基础•成本低廉11.医学图像技术医学图像技术包括医学成像技术、医学图像处理技术、医学图像的应用。医学成像技术是把生物体中有关的信息以图像形式提取并显示出来。医学图像处理技术是对已获得的图像进行分析、识别、分割、解释、分类以及三维重建与显示等处理，目的是增强或提取特征信息。成像与图像处理技术有时是结合成一体的。医生的梦想：看到“看不到”的•微小的•内部的•生理的•无创•无痛•安全患者的梦想主要内容•医学成像系统（MedicalImagingSystem）–图像形成的过程–成像机理、成像设备、成像系统分析•医学图像处理与分析（MedicalImageProcessingandAnalysis）–对已获得的图像，采用各种算法进一步处理–增强、特征提取、模式分类、分割、识别等•医学图像应用研究（MedicalApplication）–临床–基础医学医学成像基础图x.xx医学成像系统模型发射装置源电路源控制检测电路检测装置控制计算机人机接口控制总线数字化转换数字化处理数字化存储显示装置人体现代医学成像系统模型电磁波谱主要医学成像系统•投影X射线成像–数字减影（DigitalSubtractionAngiography）•X射线计算机断层成像（X-CT:X-rayComputedTomography）•磁共振成像（MRI:MagneticResonanceImaging）•放射性核素成像（SPECTandPET）•超声成像（UltrasonicImaging）•……主要医学成像系统医学成像的作用医学图像在临床诊断中的应用•提高临床诊断的水平•实现治疗中的监护，提高治疗中的有效性•外科手术的规划•图像的计算机管理医学图像研究所涉及的领域•物理学•电子科学与技术•计算机科学与技术•材料科学与技术•精密机械•……成像系统发展模式•随着某种物理现象发现之后出现–X投影成像•依赖于高速运算的计算机的出现–X断层成像：原理Radon变换•与军事技术研究突破密切相关–超声与声纳、雷达–核医学与核反应技术X-CT的发展历程•1917–奥地利数学家Radon：从投影重建图像的原理•1920-50–美国物理学家A.M.Cormack：可行性证明、试验研究、仿真•1972–G.N.Housfield：装置和断层成像结果XCT特点：与投影成像比较•能鉴别处较小的衰减系数差，对软组织的分辨能力高；•可获得任意部位的断层图像，并可重建三维图像；•可精确测定组织的衰减系数，有利于组织性质判断；XCT特点：与MRI等成像比较•分辨率高；•骨组织与软组织的分辨能力较强•软组织之间的分辨能力差•对人体有一定的辐射•只给出解剖结构信息，几乎无功能信息核磁共振现象的发现•1946年Stanford大学的FelixBloch及哈佛大学EdwardPurcell各自发现核磁共振现象，并因此于1952获得诺贝尔奖。•1950~1970，NMR发展成为物理与化学的重要分析仪器。•1977年，RaymondDamadian示范全身MRI。•1987—美国GE公司的Dr.CharlesDumoulin完成核磁共振血管影像法（MRA），不需使用对比剂便可得到血液流动的影像。MRI走向临床•1991—RichardErnst因其在脉冲Fourier转换NMR及MRI的成就而获得诺贝尔化学奖。•1993—开发出功能MRI(fMRI)，用于观察人脑各部位的功能。•2003年诺贝尔生理学或医学奖授予现年74岁的美国科学家保罗·劳特布尔和现年70岁的英国科学家彼得·曼斯菲尔德，以表彰他们在核磁共振成像技术领域的突破性成就。MRI的突出优点•基于核磁共振，无高能（X－Ray）辐射，故安全、对人体无创•可以对人体组织作出形态和功能的诊断；–fMRI：磁共振功能成像•提供精细的解剖结构信息–MRI分辨率可达0.5mm；•获取人体的三维图像数据较容易–直接产生三维数据，无需重建MRI完成于80年代，对医学成像产生意义深远的影响核磁共振成像（MRI）原理•将人体置入一个强磁场中；•对人体施加一个一定频率的交变射频场，使被探测的质子共振并向外辐射能量；•在人体周围的接收线圈中就会有感应电势产生；•接收到电信号经过计算机处理后，得到人体的断层图像；•图像灰度代表磁共振信