生物医学工程

null医学图形图像处理识别技术与医学信息分析医学图形图像处理识别技术与医学信息分析刘燕 E-Mail: lyan@mail.sysu.edu.cn Phone No. 87331856-811注意事项注意事项上课时间安排 每周二下午8—11节 405课室(上课) 实验机房 新教学楼一楼107-108（计算机中心机房） 重要参考教材 《生物医学信号数字处理技术及应用》 、《医学计算机与信息技术使用教程》 进度安排：《教学进度表》 第10至18周上理论及实验课，第18周考试目录内容目录内容 序 医学信息学简述 第一讲 医学信号处理概述 第二讲 医学图形信号的采集、存储与处理 第三讲 Mathlab 与图形信号的处理识别 第四讲 医学图像信号的采集、存储格式、处理方法 第五讲 Mathlab 、Vtk、Mtk与医学图像的处理 第六讲 医学信息挖掘 第七讲 用于教学的医学图片处理技术作业课程前序 ——医学信息学简述课程前序 ——医学信息学简述医学信息学 医学信息处理的目的 医学信息处理的 医学信号处理在医学信息处理流程中的位置 课程介绍的内容、教学要求和考核方法一、医学信息学一、医学信息学1. 什么是医学信息学？ 医学信息学（Medical Informatics）是信息技术和各医疗卫生科学等多门学科交叉的综合学科，从狭义上讲主要是指在信息学与相关学科的指导下，开展医药卫生方面信息的收集、整理、分析、报道及服务，以促进医药卫生事业的发展。 另外的一些定义： 医学信息科学是应用系统分析工具这一新技术（算法）来研究医学管理、过程控制、决策和对医学知识科学分析的科学。医学信息学_续1医学信息学_续12. 医学信息学研究的内容 ① 医药信息； ②医学专家系统； ③ 大系统理论与临床计算机仿真； ④医药信息工程与医院信息系统； ⑤远程医学等。医学信息学_续2医学信息学_续23. 医学、医学信息、医学信息学三者的关系 为了生命科学，医学工作者企望寻求和探索医学问题中蕴涵的医学信息； 医学信息学则是达成这种实现的桥梁，在医学信息学领域中从事信息技术工作的人员研究和开发挖掘和发现其中信息的方法与技术工具。医学信息医学医学信息学二、医学信息处理的目的二、医学信息处理的目的医学科学及其他科学在生命领域中的应用研究，首先的任务就是发现医学信息，并通过对信息的理解实现对疾病的诊治、创立新的医学理论。 在医疗过程，医生通过各种方法手段获取生命体信号的语法特征；对得到的各类医学数据，从定性和定量的角度进行比较分析，提取用于诊断和制定治疗方案的信息语义特征，从而为认知形成知识积累语用特征，这就是医学信息处理的目的。三、医学信息处理的流程三、医学信息处理的流程一个医疗过程是一个医学工程和医学科学结合的信息处理过程，其信息流动分为治疗、比较和认知的三个阶段，如图0-2所示。医学信息处理的流程_续1医学信息处理的流程_续1将医疗过程的信息流动按系统分析方法归理，则在医疗过程的信息处理流程为：图0-3医学信息处理的流程图四、医学信号处理在医学信息处理流程中的位置四、医学信号处理在医学信息处理流程中的位置1. 数据、信息、信号 几个个定义的比较： 信息是反映客观世界中各种事物的特征和变化并可以借助某种载体进行传递的有用的知识。 信号是携带客观物体（如人体）的状态或特征（status features）的载体（carrier）。 数据是信息在计算机中的载体和表达形式，是数字化的符号。医学信号处理在医学信息处理流程中的位置_续1医学信号处理在医学信息处理流程中的位置_续1通信技术领域中，数据、信息与信号这三者的区分为： 数据(Data)：传递(携带)信息的实体。 信息(Information)：是数据的内容或解释。 信号(Signal)：数据的物理量编码，数据以信号的形式传播。 例如：马这一客观实体。信息HORSE信号数据H 9881 O 9800 R 9891 S 9892 E 9878 马 7456二进制 ASCII 1001 39H 38H 1000 38H 0001 31H医学信号处理在医学信息处理流程中的位置_续2医学信号处理在医学信息处理流程中的位置_续2另一个例子： 数据37表示什么？但37℃→摄氏温度； 如果特指人的体温，那就是人体温的正常值； 如果是某病人高烧服药后1小时测量的，那37就包含了“该高烧病人用药1小时后体温转归正常”的信息。3737℃医学信号处理在医学信息处理流程中的位置_续3医学信号处理在医学信息处理流程中的位置_续3以面向医学的不同认知方法和技术来理解， 医学信号是某一医学客体的物理模型表现，即携带生物体的状态或特性的载体。 如上面例子提到的温度。 医学数据是赋以量纲的数字化了的物理量（医学信号）。 如上面例子提到的37℃。 医学信息是结合获取该信号（或数据）的物理背景和数理模型条件诠释的内容，也就是反映医学客体的状态特征或知识。 如上面例子提到的人体温的正常值；或者反映“该高烧病人用药1小时后体温转归正常”的信息。三者关系_续4三者关系_续4把三者放到一个医疗过程，可以用以下的图示表示它们的关系：在一个医疗过程，医生和病人的交互是信息采集的第一环节，医学信号的产生就发生在这一环节中。例如：当你严重咳嗽、发烧，医生给你诊病当时，会检查你的肺部。用听诊器听你的肺部有无锣音，→再根据需要进行X光透视，通过视觉来判断。 对于医生，根据听诊器的声音信号是清晰还是混浊初步判断正常还是异常；再根据是否干罗音还是湿罗音判断是炎症、痉挛还是有痰。续下一张医学信号处理在医学信息处理流程中的位置_续5医学信号处理在医学信息处理流程中的位置_续52. 医学信号处理的位置 在0-3示意图中，医学信号处理位于医学信息处理流程哪部分环节？起何种作用呢？生物信号→医学信号→数据（进入计算机）→信息在医学数据的基础上进行二次信息分析（数据挖掘）Go0-5图五、本课程介绍的内容、教学要求和考核的方法五、本课程介绍的内容、教学要求和考核的方法1. 本课程主要内容为医学图形图像处理技术、疾病信息分析挖掘。具体分为以下七讲： 第一讲 医学信号处理概述 介绍信号处理的基本概念、基本技术和流程，与医学信息挖掘分析的关系等。 第二讲 医学图形信号的采集、存储与处理 以胎儿监护的医疗活动作为背景，介绍一维生物医学信号（图形）的采集、存储格式、分析处理 第三讲 Mathlab 与图形信号的处理识别 介绍利用Mathlab软件工具对一维生物医学信号的分析处理技术，心电、肌电的实例剖析与仿真实验分析。本课程介绍的内容_续1本课程介绍的内容_续1第四讲 医学图像信号的采集、存储格式、处理方法 ①图像的格式，图像的获取与存储管理；②数字图形图像处理基础方法和实现工具；③图像分割基本方法与组织分类；④图形分析和识别的方法； 第五讲 Mathlab 、Vtk、Mtk与医学图像的处理 介绍Mathlab 、Vtk、Mtk工具，利用它们处理医学图像，提取特征信息 第六讲 医学信息挖掘 在计算机中实现医学图像的分析识别及诊疗信息挖掘，X片、CT片的实例剖析与仿真实验分析 第七讲 用于教学的医学图片处理技术 介绍利用Photoshop软件用于多媒体教学、医学网站等的医学图片制作和处理的技术方法。教学要求和考核的方法_续2教学要求和考核的方法_续22. 教学要求 （1）课堂介绍基础应用知识和基本的应用实例分析，课后要求同学查阅相关书籍资料以加深知识点的理解和认识； （2）安排适当的实验案例操作，以辅助理解基本方法的使用； （3）根据课程不同阶段知识点的介绍，结合专业需求，提出本专业的典型应用案例，并设计分析流程和加以讨论。 3. 考核的方法 综述、案例分析和设计第一讲 医学信号处理概述第一讲 医学信号处理概述生物医学信号及分类 医学信号处理系统 医学信号处理的原则 科学性、医疗性、真实性 课后阅读题目及问题 结合自身休习的专业，举一例子，说明医学信号、医学数据和医学信息的理解。尝试用某种信号分类法来说明你例子中的信号类型。一、生物医学信号及分类一、生物医学信号及分类1. 生物医学信号的定义 生物医学信号是携带生物体的状态或特性的信息载体。 它表现为以下一些形式： （1）生物电的 如神经细胞或心肌细胞的去极化电压； （2）声学的 如心脏瓣膜产生的声音； （3）化学的 如血液中的二氧化碳分压（pCO2）、血钾、血钠、血钙、碱性磷酸酶； （4）射线、电磁波、声波和核素标记等光学成像。生物医学信号及分类_续1生物医学信号及分类_续12. 生物医学信号的分类 (1)按信号的物理维数分： 一维信号：随时间变化的信号称为时变信号 如心电信号、心音信号、骨骼肌电信号、平滑肌（胃、肠、子宫、膀胱等）电信号、脑电信号。 例如：体表呼吸肌肌电信号生物医学信号及分类_续2生物医学信号及分类_续2二维信号：二维空间坐标的函数（平面图像）。 如肺部的X光平片、病理的切片图。 三维信号：三维空间坐标的函数（空间图像）。 如CT和核磁共振成像的图像序列。 四维信号：空间图像随时间变化。 如体内药物的浓度随部位及时间而变化，则药物浓度的信号就是一种四维信号。 通常我们把对一维信号的处理称为信号处理，对二维以上的信号处理称为图像处理。 信号处理 （图形） 图像处理Next 信号处理 （图形）信号处理 （图形）实时信号经预处理后，可得到适用于分析的信号从胎儿心搏信号提取出胎儿心率信号图像处理图像处理生物医学信号及分类_续3生物医学信号及分类_续3(2)按被探测信号的产生方式分 内源信号：被探测的信号是由人体发出的。 如心电、脑电、心音、语音、血压等。特点：探测对象是有源的，探测系统是无源的。 外源信号：被探测的信号是人体对外源信号的响应（投射、反射、折射或散射）。 如超声诊断仪、X射线仪处理的信号就是外源信号。特点：探测系统有源，人体无源。 感生信号：探测的信号是外源信号感生的内源信号。施感信号与感生信号的性质不同。 如诱发电位信号，施感信号可以是各种物理、化学的刺激，探测的是一种神经系统的电响应。特点：人体和探测系统皆是有源的。生物医学信号及分类_续4生物医学信号及分类_续4例: 视诱发电位(VEP)发出刺激信号(棋盘格光信号)和接收视诱发电位(使用电极接收脑皮质７区、８区的脑电位变化)；解决VEP信号微弱、干扰信号较之强的矛盾。生物医学信号及分类_续5生物医学信号及分类_续5(3)按能量的观点分 有限能量信号：一种非周期性信号，信号的平方对自变量（如时间）的积分是收敛的，即是一个有界量。 如指数衰减信号、动作电位信号、诱发电位信号等。 有限功率信号：是在时间或空间上无限延续，即对自变量的积分布收敛的一类信号。平均功率是有限的。 如脑电信号、心电信号、心音信号都是具有有限功率特性的生物医学信号。生物医学信号及分类_续6生物医学信号及分类_续6(4)按信号性质分 确定性信号：可用数学方程准确描述的信号。分线性与非线性。人体产生的信号多是非线性的信号。 非确定性信号分为随机信号和模糊信号。随机信号就是信号的特征参数（如振幅、频率或初相）是随机变化的。这是一类按统计学分布的信号。它可能产生一组细胞以某种程度的随机方式去极化，如肌细胞产生肌电图（EMG），皮质神经细胞产生脑电图（EEG）。确定性信号与非确定性信号图示确定性信号与非确定性信号图示信号波形 信号波形近似 波形仅发生 统计学特性 统计学特性 周期性重复 周期性重复 一次 不随时间变化 随时间变化周期性的 非周期性的 非周期性的 稳定的 非稳定的确定的 随机的 生物医学信号及分类_续7生物医学信号及分类_续73. 医学信号的特点 (1)信号微弱 一般是或m级； 如最强的心电信号微毫伏（m  ）级，特别弱的离子通道电流信号为皮安（pA，10-12A）级。 (2)超低频 如呼吸信号0.3Hz左右，胃电主频0.05Hz左右，心电主要成分<50Hz，心音高频分量为103Hz量级。 (3)信噪比低，对放大器要求严格。 (4)干扰信号与目标信号频带重叠 。 工频干扰强且在有效频带内，故滤除工频干扰的技术要求高；还有大多数生物医学电信号的频带也互相重叠，要适当选取自适应干扰对消技术。生物医学信号及分类_续8生物医学信号及分类_续8例如，从ECG表面电极获取人体体表呼吸肌（膈肌）的肌电信号（EMG），混有极强的人体心电信号(ECG)的干扰，从图可见到有规则的心电信号的干扰，此外还有来自于肌肉收缩的干扰、血液的流动等。生物医学信号及分类_续9生物医学信号及分类_续9选择Butterworth高通滤波器，设置下限截止频率为 100Hz，对肌电信号先进行数字滤波处理，下图是经滤波处理后的体表呼吸肌肌电信号效果。生物医学信号及分类_续10生物医学信号及分类_续104. 产生生物医学信号的系统的特点 生物医学信号源：产生生物医学信号的客体。 所有的生命体，包括从细胞到器官组织。 生物体是一个开放的、时变的、非线性，主要是确定性特征的系统。 5. 医学信号处理的目的 有效地获取和分析来自人体系统的信号；有效地提取信号的特征；寻求信号特征与系统状态（正常、病理）的关系；根据分析出的信号特征确定系统的状态，以便作出医学决策。二、医学信号处理系统二、医学信号处理系统医学信号处理系统分为硬件和软件两个部分。它通常包括以下子系统。 1. 人体子系统：产生医学信号。 2. 信号变换子系统：利用传感器将非电量转换为电量。要求该系统是非时变线性系统。 3. 模拟放大子系统：进行微弱信号放大。 4. 模数/数模转换子系统：完成模拟信号转换为数字信号，传递给计算机内存储和处理。 5. 计算机子系统：进行信号预处理、信号分析、信息特征提取及医学决策等。医学信号处理系统组成图示 医学信号处理系统组成图示