信息技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用

王鴻雁

（赤峰學(xué)院 物理與電子信息工程系，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

信息技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用

王鴻雁

（赤峰學(xué)院 物理與電子信息工程系，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

信息技術(shù)的發(fā)展對(duì)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的檢測(cè)、處理以及數(shù)字圖像信號(hào)的處理幾個(gè)方面發(fā)揮著重要的作用.本文闡述了信息技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程兩門學(xué)科在理論體系上的聯(lián)系，并分別從這兩個(gè)學(xué)科的前沿展望了基于信息技術(shù)發(fā)展所帶來(lái)的醫(yī)療領(lǐng)域的輝煌前景.

信號(hào)檢測(cè)；生物傳感器；信號(hào)處理；小波變換；圖像信號(hào)處理

生物醫(yī)學(xué)工程(Biomedical-Engineering)是一門新興的邊緣學(xué)科，它綜合工程學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的理論和方法，在各層次上研究人體系統(tǒng)的狀態(tài)變化，并運(yùn)用工程技術(shù)手段去控制這類變化，其目的是解決醫(yī)學(xué)中的有關(guān)問(wèn)題，保障人類健康，為疾病的預(yù)防、診斷、治療和康復(fù)服務(wù).近些年來(lái)信息技術(shù)的迅速發(fā)展為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了豐富的研究方式、方法和手段.例如在生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的檢測(cè)中傳感器發(fā)揮著重要作用，而在信息技術(shù)中常用的信號(hào)分析和處理方法也廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的分析處理中.本文主要從信息技術(shù)發(fā)展的角度介紹這門交叉學(xué)科的現(xiàn)狀和發(fā)展.具體的應(yīng)用體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的檢測(cè)

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)是對(duì)生物體中包含生命現(xiàn)象、狀態(tài)、性質(zhì)、變量和成份等信息的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和量化的技術(shù).生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的研究，是根據(jù)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)，對(duì)所采集到的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)進(jìn)行分析、解釋、分類、顯示、存貯和傳輸，其研究目的一是對(duì)生物體系結(jié)構(gòu)與功能的研究，二是協(xié)助對(duì)疾病進(jìn)行診斷和治療.生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科研究中的一個(gè)先導(dǎo)技術(shù)，由于研究者所站的立場(chǎng)、目的以及采用的檢測(cè)方法不同，使生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)的分類呈現(xiàn)多樣化.

生物信號(hào)一般可以分成電信號(hào)和非電信號(hào)，如心電、肌電、腦電等屬于電信號(hào)；其它如體溫、血壓、呼吸、血流量、脈博、心音等屬于非電信號(hào)，非電信號(hào)又可分為：①機(jī)械量，如振動(dòng)(心音、脈搏、心沖擊、Korotkov音等)、壓力(血壓、氣血和消化道內(nèi)壓等)、力(心肌張力等)；②熱學(xué)量，如體溫；③光學(xué)量，如光透射性(光電脈波、血氧飽和度等)；④化學(xué)量，如血液的pH值、血?dú)?、呼吸氣體等.如從處理的維數(shù)來(lái)看，可以分成一維信號(hào)和二維信號(hào)，如體溫、血壓、呼吸、血流量、脈博、心音等屬于一維信號(hào)；而腦電圖、心電圖、肌電圖、x光片、超聲圖片、CT圖片、核磁共振(Mm)圖像等則屬于二維信號(hào).

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)是對(duì)生物體中包含生命現(xiàn)象、狀態(tài)、性質(zhì)、變量和成份等信息的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和量化的技術(shù).生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的研究，是根據(jù)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)，對(duì)所采集到的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)進(jìn)行分析、解釋、分類、顯示、存貯和傳輸，其研究目的一是對(duì)生物體系結(jié)構(gòu)與功能的研究，二是協(xié)助對(duì)疾病進(jìn)行診斷和治療.生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科研究中的一個(gè)先導(dǎo)技術(shù)，由于研究者所站的立場(chǎng)、目的以及采用的檢測(cè)方法不同，使生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)的分類呈現(xiàn)多樣化，具體介紹如下：①無(wú)創(chuàng)檢測(cè)、微創(chuàng)檢測(cè)、有創(chuàng)檢測(cè)；②在體檢測(cè)、離體檢測(cè)；③直接檢測(cè)、間接檢測(cè)；④非接觸檢測(cè)、體表檢測(cè)、體內(nèi)檢測(cè)；⑤生物電檢測(cè)、生物非電量檢測(cè)；⑥形態(tài)檢測(cè)、功能檢測(cè)；⑦處于拘束狀態(tài)下的生物體檢測(cè)、處于自然狀態(tài)下的生物體檢測(cè)；⑧透射法檢測(cè)、反射法檢測(cè)；⑨一維信號(hào)檢測(cè)、多維信號(hào)檢測(cè)；⑩遙感法檢測(cè)、多維信號(hào)檢測(cè)；一次量檢測(cè)、二次量分析檢測(cè)；分子級(jí)檢測(cè)、細(xì)胞級(jí)檢測(cè)、系統(tǒng)級(jí)檢測(cè).

由于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的上述特點(diǎn)和檢測(cè)方法，使其成為傳感器技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域.

在生物醫(yī)學(xué)工程上常用的傳感器除了常用的壓力、心音、溫度、液位報(bào)警等類型外，近幾十年來(lái)生物傳感器技術(shù)有了迅速的發(fā)展.生物傳感器(biosensor)是對(duì)生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的儀器.是由固定化的生物敏感材料作識(shí)別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)）與適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器（如氧電極、光敏管、場(chǎng)效應(yīng)管、壓電晶體等等）及信號(hào)放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng).生物傳感器具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能.通過(guò)將待測(cè)物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入生物活性材料，經(jīng)分子識(shí)別，發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的信息繼而被相應(yīng)的物理或化學(xué)換能器轉(zhuǎn)變成可定量和可處理的電信號(hào)，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，便可知道待測(cè)物濃度.

生物傳感器有如下特點(diǎn)：

（1）采用固定化生物活性物質(zhì)作催化劑，價(jià)值昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用，克服了過(guò)去酶法分析試劑費(fèi)用高和化學(xué)分析繁瑣復(fù)雜的缺點(diǎn).

（2）專一性強(qiáng)，只對(duì)特定的底物起反應(yīng)，而且不受顏色、濁度的影響.

英國(guó)新馬克思主義學(xué)派的代表人物之一胡格維爾特的《發(fā)展社會(huì)學(xué)》一書，在對(duì)社會(huì)進(jìn)化過(guò)程中的不同階段及各階段中社會(huì)系統(tǒng)的功能差異進(jìn)行了分析的同時(shí)，提出了發(fā)展理論的研究框架，胡格維爾特將結(jié)構(gòu)功能主義下靜態(tài)的單一社會(huì)分化和整合的發(fā)展視為作為“過(guò)程”的發(fā)展，將人類社會(huì)視為相互聯(lián)系和作用的整體更大范圍內(nèi)的發(fā)展視為“互動(dòng)”的發(fā)展，而將某種文化取向和社會(huì)關(guān)系下的主體行動(dòng)則視為作為“行動(dòng)”的發(fā)展。結(jié)合胡格維爾特的理論框架筆者認(rèn)為對(duì)于現(xiàn)有的關(guān)于社會(huì)組織的研究可以劃分為幾個(gè)類型。

（3）分析速度快，可以在一分鐘得到結(jié)果.

（4）準(zhǔn)確度高，一般相對(duì)誤差可以達(dá)到1%.

（5）操作系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析

（6）成本低，在連續(xù)使用時(shí)，每例測(cè)定僅需要幾分錢人民幣.

（7）有的生物傳感器能夠可靠地指示微生物培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)的供氧狀況和副產(chǎn)物的產(chǎn)生.

生物傳感器的種類：

（1）按照其感受器中所采用的生命物質(zhì)分類，可分為：微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、細(xì)胞傳感器、酶?jìng)鞲衅?、DNA傳感器等.

（3）按照生物敏感物質(zhì)相互作用的類型分類，可分為親和型和代謝型兩種.

隨著20世紀(jì)90年代開(kāi)啟的微流控技術(shù)的發(fā)展，目前生物傳感器微流控芯片成為重要的發(fā)展方向，為系統(tǒng)生物技術(shù)開(kāi)發(fā)藥物篩選與基因診斷等提供了新的前景.

2 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理方法

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理主要任務(wù)是：根據(jù)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)特點(diǎn)，應(yīng)用信息科學(xué)的基本理論和方法，研究如何從被干擾和噪聲淹沒(méi)的觀察記錄中提取各種生物醫(yī)學(xué)信號(hào)中所攜帶的信息，并對(duì)它們進(jìn)步分析、解釋和分類.生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)是微弱、噪聲大，所以濾波和靈敏度是生物醫(yī)學(xué)信號(hào)采集的關(guān)鍵.另外生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的隨機(jī)性強(qiáng)，它不但是隨機(jī)的，而且是非平穩(wěn)的.正是因?yàn)樯镝t(yī)學(xué)信號(hào)的這些特點(diǎn)，以傅里葉理論為基礎(chǔ)的小波變換方法成為生物醫(yī)學(xué)信號(hào)分析的有力工具.

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)中的心電(ECG)、腦電(EEG)、肌電(EMG)等電生理信號(hào)和體溫、血壓、呼吸等非電生理信號(hào)通常比較微弱，信噪比不高，采集心電信號(hào)易受到儀器、人體活動(dòng)的影響.利用小波變換能將原始心電信號(hào)分解為不同頻率的信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行重建，此方法能很好地消除心電信號(hào)中的基線漂移，抑制工頻干擾和肌電干擾，同時(shí)能夠獲得QT間期的精確值，為臨床診斷提供更準(zhǔn)確的依據(jù).心音信號(hào)具有非平穩(wěn)的時(shí)變特性，經(jīng)典譜分析方法難以揭示出心音信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，從而也就無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的臨床診斷.而小波變換通過(guò)對(duì)基波的平移、伸縮而形成一系列的小波，然后將其投影到由平移、伸縮小波構(gòu)成的信號(hào)空間中，在不同的頻率范圍和時(shí)間位置對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析.

小波變換的概念是由法國(guó)從事石油信號(hào)處理的工程師J.Morlet在1974年首先提出的，通過(guò)物理的直觀和信號(hào)處理的實(shí)際需要經(jīng)驗(yàn)地建立了反演公式，當(dāng)時(shí)未能得到數(shù)學(xué)家的認(rèn)可.正如1807年法國(guó)的熱學(xué)工程師J.B.J.Fourier提出任一函數(shù)都能展開(kāi)成三角函數(shù)的無(wú)窮級(jí)數(shù)的創(chuàng)新概念未能得到認(rèn)可一樣.幸運(yùn)的是，早在七十年代，A.Calderon表示定理的發(fā)現(xiàn)、Hardy空間的原子分解和無(wú)條件基的深入研究為小波變換的誕生做了理論上的準(zhǔn)備，而且J.O.Stromberg還構(gòu)造了歷史上非常類似于現(xiàn)在的小波基；1986年著名數(shù)學(xué)家Y.Meyer偶然構(gòu)造出一個(gè)真正的小波基，并與S.Mallat合作建立了構(gòu)造小波基的多尺度分析之后，小波分析才開(kāi)始蓬勃發(fā)展起來(lái)，其中比利時(shí)女?dāng)?shù)學(xué)家I.Daubechies撰寫的《小波十講（Ten Lectures on Wavelets）》對(duì)小波的普及起了重要的推動(dòng)作用.它與Fourier變換、視窗Fourier變換（Gabor變換）相比，這是一個(gè)時(shí)間和頻率的局網(wǎng)域變換，因而能有效的從信號(hào)中提取資訊，通過(guò)伸縮和平移等運(yùn)算功能對(duì)函數(shù)或信號(hào)進(jìn)行多尺度細(xì)化分析（Multiscale Analysis），解決了Fourier變換不能解決的許多困難問(wèn)題，從而小波變換被譽(yù)為“數(shù)學(xué)顯微鏡”，它是調(diào)和分析發(fā)展史上里程碑式的進(jìn)展.

小波(Wavelet)這一術(shù)語(yǔ)，顧名思義，“小波”就是小區(qū)域、長(zhǎng)度有限、均值為0的波形.所謂“小”是指它具有衰減性；而稱之為“波”則是指它的波動(dòng)性，其振幅正負(fù)相間的震蕩形式.與Fourier變換相比，小波變換是時(shí)間(空間)頻率的局部化分析，它通過(guò)伸縮平移運(yùn)算對(duì)信號(hào) (函數(shù))逐步進(jìn)行多尺度細(xì)化，最終達(dá)到高頻處時(shí)間細(xì)分，低頻處頻率細(xì)分，能自動(dòng)適應(yīng)時(shí)頻信號(hào)分析的要求，從而可聚焦到信號(hào)的任意細(xì)節(jié)，解決了Fourier變換的困難問(wèn)題，成為繼Fourier變換以來(lái)在科學(xué)方法上的重大突破.

小波分析的應(yīng)用是與小波分析的理論研究緊密地結(jié)合在一起的.現(xiàn)在，它已經(jīng)在科技信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域取得了令人矚目的成就.電子信息技術(shù)是六大高新技術(shù)中重要的一個(gè)領(lǐng)域，它的重要方面是圖象和信號(hào)處理.現(xiàn)今，信號(hào)處理已經(jīng)成為當(dāng)代科學(xué)技術(shù)工作的重要部分，信號(hào)處理的目的就是：準(zhǔn)確的分析、診斷、編碼壓縮和量化、快速傳遞或存儲(chǔ)、精確地重構(gòu)(或恢復(fù)).從數(shù)學(xué)地角度來(lái)看，信號(hào)與圖象處理可以統(tǒng)一看作是信號(hào)處理(圖象可以看作是二維信號(hào))，在小波分析的許多分析和應(yīng)用中，都可以歸結(jié)為信號(hào)處理問(wèn)題.現(xiàn)在，對(duì)于其性質(zhì)隨時(shí)間是穩(wěn)定不變的信號(hào)，處理的理想工具仍然是傅立葉分析.但是在實(shí)際應(yīng)用中的絕大多數(shù)信號(hào)是非穩(wěn)定的，而特別適用于非穩(wěn)定信號(hào)的工具就是小波分析.

小波分析理論在生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理中的應(yīng)用才剛剛起步，其應(yīng)用主要集中在信號(hào)特征提取方面.但小波理論為生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理提供了新的思路，隨著理論研究的日趨成熟、PACS的應(yīng)用、遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷的需要和家庭醫(yī)療保健的發(fā)展，在醫(yī)學(xué)信號(hào)分析、圖像增強(qiáng)、去噪、壓縮等方面提出更高的要求，小波分析將在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用.

3 醫(yī)學(xué)成像和圖像處理

通過(guò)數(shù)字圖像處理 (DigitalImageProcessing)技術(shù)用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行去除噪聲、增強(qiáng)、復(fù)原、分割、提取特征等處理.數(shù)字圖像處理的產(chǎn)生和迅速發(fā)展主要受三個(gè)因素的影響:一是計(jì)算機(jī)的發(fā)展;二是數(shù)學(xué)的發(fā)展 (特別是離散數(shù)學(xué)理論的創(chuàng)立和完善);三是廣泛的農(nóng)牧業(yè)、林業(yè)、環(huán)境、軍事、工業(yè)和醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用需求的增長(zhǎng).生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用主要有X射線、超聲、顯微圖像分析、計(jì)算機(jī)斷層攝像(即CT)分析和重建等.

小波變換具有良好的空間域及頻率域局部化特性，適合醫(yī)學(xué)圖像信號(hào)處理.目前，小波分析已成功地應(yīng)用于信號(hào)處理、圖像處理、語(yǔ)音與圖像編碼、語(yǔ)音識(shí)別與合成、多尺度邊緣提取和重建等科學(xué)領(lǐng)域.小波分析用于信號(hào)與圖象壓縮是小波分析應(yīng)用的一個(gè)重要方面.它的特點(diǎn)是壓縮比高，壓縮速度快，壓縮后能保持信號(hào)與圖象的特征不變，且在傳遞中可以抗干擾.基于小波分析的壓縮方法很多，比較成功的有小波包最好基方法，小波域紋理模型方法，小波變換零樹(shù)壓縮，小波變換向量壓縮等.

在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，隨著信息技術(shù)在通信、遠(yuǎn)程控制、微處理及模式識(shí)別等方面的不斷發(fā)展，必將為生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域帶來(lái)更大的發(fā)展空間，并由此使人們可以接受更高水平的醫(yī)療服務(wù).

〔1〕邢國(guó)泉.生物醫(yī)學(xué)信號(hào)研究概況[B].咸寧學(xué)院學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版)，2006，20（5）.

〔2〕李良成.小波變換在生物醫(yī)學(xué)信號(hào)中的應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息，2008，14（80）.

〔3〕http://baike.baidu.com/view/323786.htm?fr=ala0_1_1.

〔4〕http://baike.baidu.com/view/83268.htm?fr=ala0_1_1.

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