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)展對生物醫(yī)學(xué)信號的檢測、處理以及數(shù)字圖像信號的處理幾個方面發(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，并分別從這兩個學(xué)科的前沿展望了基于信息技術(shù)發(fā)展所帶來的醫(yī)療領(lǐng)域的輝煌前景.

信號檢測；生物傳感器；信號處理；小波變換；圖像信號處理

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)信號的檢測中傳感器發(fā)揮著重要作用，而在信息技術(shù)中常用的信號分析和處理方法也廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)信號的分析處理中.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)在以下幾個方面：

1 生物醫(yī)學(xué)信號的檢測

生物醫(yī)學(xué)信號檢測是對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進(jìn)行檢測和量化的技術(shù).生物醫(yī)學(xué)信號處理的研究，是根據(jù)生物醫(yī)學(xué)信號的特點，對所采集到的生物醫(yī)學(xué)信號進(jìn)行分析、解釋、分類、顯示、存貯和傳輸，其研究目的一是對生物體系結(jié)構(gòu)與功能的研究，二是協(xié)助對疾病進(jìn)行診斷和治療.生物醫(yī)學(xué)信號檢測技術(shù)是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科研究中的一個先導(dǎo)技術(shù)，由于研究者所站的立場、目的以及采用的檢測方法不同，使生物醫(yī)學(xué)信號的檢測技術(shù)的分類呈現(xiàn)多樣化.

生物信號一般可以分成電信號和非電信號，如心電、肌電、腦電等屬于電信號；其它如體溫、血壓、呼吸、血流量、脈博、心音等屬于非電信號，非電信號又可分為：①機械量，如振動(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、血氣、呼吸氣體等.如從處理的維數(shù)來看，可以分成一維信號和二維信號，如體溫、血壓、呼吸、血流量、脈博、心音等屬于一維信號；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.

生物醫(yī)學(xué)信號檢測是對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進(jìn)行檢測和量化的技術(shù).生物醫(yī)學(xué)信號處理的研究，是根據(jù)生物醫(yī)學(xué)信號的特點，對所采集到的生物醫(yī)學(xué)信號進(jìn)行分析、解釋、分類、顯示、存貯和傳輸，其研究目的一是對生物體系結(jié)構(gòu)與功能的研究，二是協(xié)助對疾病進(jìn)行診斷和治療.生物醫(yī)學(xué)信號檢測技術(shù)是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科研究中的一個先導(dǎo)技術(shù)，由于研究者所站的立場、目的以及采用的檢測方法不同，使生物醫(yī)學(xué)信號的檢測技術(shù)的分類呈現(xiàn)多樣化，具體介紹如下：①無創(chuàng)檢測、微創(chuàng)檢測、有創(chuàng)檢測；②在體檢測、離體檢測；③直接檢測、間接檢測；④非接觸檢測、體表檢測、體內(nèi)檢測；⑤生物電檢測、生物非電量檢測；⑥形態(tài)檢測、功能檢測；⑦處于拘束狀態(tài)下的生物體檢測、處于自然狀態(tài)下的生物體檢測；⑧透射法檢測、反射法檢測；⑨一維信號檢測、多維信號檢測；⑩遙感法檢測、多維信號檢測；一次量檢測、二次量分析檢測；分子級檢測、細(xì)胞級檢測、系統(tǒng)級檢測.

由于生物醫(yī)學(xué)信號的上述特點和檢測方法，使其成為傳感器技術(shù)的一個重要應(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、液位報警等類型外，近幾十年來生物傳感器技術(shù)有了迅速的發(fā)展.生物傳感器(biosensor)是對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行檢測的儀器.是由固定化的生物敏感材料作識別元件（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、場效應(yīng)管、壓電晶體等等）及信號放大裝置構(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.通過將待測物質(zhì)經(jīng)擴散作用進(jìn)入生物活性材料，經(jīng)分子識別，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，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，便可知道待測物濃度.

生物傳感器有如下特點：

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

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

英國新馬克思主義學(xué)派的代表人物之一胡格維爾特的《發(fā)展社會學(xué)》一書，在對社會進(jìn)化過程中的不同階段及各階段中社會系統(tǒng)的功能差異進(jìn)行了分析的同時，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)的單一社會分化和整合的發(fā)展視為作為“過程”的發(fā)展，將人類社會視為相互聯(lián)系和作用的整體更大范圍內(nèi)的發(fā)展視為“互動”的發(fā)展，而將某種文化取向和社會關(guān)系下的主體行動則視為作為“行動”的發(fā)展。結(jié)合胡格維爾特的理論框架筆者認(rèn)為對于現(xiàn)有的關(guān)于社會組織的研究可以劃分為幾個類型。

（3）分析速度快，可以在一分鐘得到結(jié)果.

（4）準(zhǔn)確度高，一般相對誤差可以達(dá)到1%.

（5）操作系統(tǒng)比較簡單，容易實現(xiàn)自動分析

（6）成本低，在連續(xù)使用時，每例測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、酶傳感器、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)信號處理方法

生物醫(yī)學(xué)信號處理主要任務(wù)是：根據(jù)生物醫(yī)學(xué)信號特點，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的觀察記錄中提取各種生物醫(yī)學(xué)信號中所攜帶的信息，并對它們進(jìn)步分析、解釋和分類.生物醫(yī)學(xué)信號的特點是微弱、噪聲大，所以濾波和靈敏度是生物醫(yī)學(xué)信號采集的關(guān)鍵.另外生物醫(yī)學(xué)信號的隨機性強，它不但是隨機的，而且是非平穩(wěn)的.正是因為生物醫(yī)學(xué)信號的這些特點，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)信號分析的有力工具.

生物醫(yī)學(xué)信號中的心電(ECG)、腦電(EEG)、肌電(EMG)等電生理信號和體溫、血壓、呼吸等非電生理信號通常比較微弱，信噪比不高，采集心電信號易受到儀器、人體活動的影響.利用小波變換能將原始心電信號分解為不同頻率的信號，然后對信號進(jìn)行重建，此方法能很好地消除心電信號中的基線漂移，抑制工頻干擾和肌電干擾，同時能夠獲得QT間期的精確值，為臨床診斷提供更準(zhǔn)確的依據(jù).心音信號具有非平穩(wěn)的時變特性，經(jīng)典譜分析方法難以揭示出心音信號的動態(tài)變化過程，從而也就無法進(jìn)行準(zhǔn)確的臨床診斷.而小波變換通過對基波的平移、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)成的信號空間中，在不同的頻率范圍和時間位置對信號進(jìn)行分析.

小波變換的概念是由法國從事石油信號處理的工程師J.Morlet在1974年首先提出的，通過物理的直觀和信號處理的實際需要經(jīng)驗地建立了反演公式，當(dāng)時未能得到數(shù)學(xué)家的認(rèn)可.正如1807年法國的熱學(xué)工程師J.B.J.Fourier提出任一函數(shù)都能展開成三角函數(shù)的無窮級數(shù)的創(chuàng)新概念未能得到認(rèn)可一樣.幸運的是，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，小波分析才開始蓬勃發(fā)展起來，其中比利時女?dāng)?shù)學(xué)家I.Daubechies撰寫的《小波十講（Ten Lectures on Wavelets）》對小波的普及起了重要的推動作用.它與Fourier變換、視窗Fourier變換（Gabor變換）相比，這是一個時間和頻率的局網(wǎng)域變換，因而能有效的從信號中提取資訊，通過伸縮和平移等運算功能對函數(shù)或信號進(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題，從而小波變換被譽為“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，顧名思義，“小波”就是小區(qū)域、長度有限、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，小波變換是時間(空間)頻率的局部化分析，它通過伸縮平移運算對信號 (函數(shù))逐步進(jìn)行多尺度細(xì)化，最終達(dá)到高頻處時間細(xì)分，低頻處頻率細(xì)分，能自動適應(yīng)時頻信號分析的要求，從而可聚焦到信號的任意細(xì)節(jié)，解決了Fourier變換的困難問題，成為繼Fourier變換以來在科學(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)中重要的一個領(lǐng)域，它的重要方面是圖象和信號處理.現(xiàn)今，信號處理已經(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、精確地重構(gòu)(或恢復(fù)).從數(shù)學(xué)地角度來看，信號與圖象處理可以統(tǒng)一看作是信號處理(圖象可以看作是二維信號)，在小波分析的許多分析和應(yīng)用中，都可以歸結(jié)為信號處理問題.現(xiàn)在，對于其性質(zhì)隨時間是穩(wěn)定不變的信號，處理的理想工具仍然是傅立葉分析.但是在實際應(yīng)用中的絕大多數(shù)信號是非穩(wěn)定的，而特別適用于非穩(wěn)定信號的工具就是小波分析.

小波分析理論在生物醫(yī)學(xué)信號處理中的應(yīng)用才剛剛起步，其應(yīng)用主要集中在信號特征提取方面.但小波理論為生物醫(yī)學(xué)信號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)信號分析、圖像增強、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

通過數(shù)字圖像處理 (DigitalImageProcessing)技術(shù)用計算機對圖像進(jìn)行去除噪聲、增強、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)展主要受三個因素的影響:一是計算機的發(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.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、計算機斷層攝像(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)圖像信號處理.目前，小波分析已成功地應(yīng)用于信號處理、圖像處理、語音與圖像編碼、語音識別與合成、多尺度邊緣提取和重建等科學(xué)領(lǐng)域.小波分析用于信號與圖象壓縮是小波分析應(yīng)用的一個重要方面.它的特點是壓縮比高，壓縮速度快，壓縮后能保持信號與圖象的特征不變，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，小波變換零樹壓縮，小波變換向量壓縮等.

在可以預(yù)見的未來，隨著信息技術(shù)在通信、遠(yuǎn)程控制、微處理及模式識別等方面的不斷發(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〕邢國泉.生物醫(yī)學(xué)信號研究概況[B].咸寧學(xué)院學(xué)報(醫(yī)學(xué)版)，2006，20（5）.

〔2〕李良成.小波變換在生物醫(yī)學(xué)信號中的應(yīng)用[J].中國醫(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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