云服務(wù)的醫(yī)用專家系統(tǒng)中紅外熱像關(guān)鍵技術(shù)研究-論文(共17頁)

1、項(xiàng)目名稱 云服務(wù)(fw)的醫(yī)用專家系統(tǒng)中紅外熱 像關(guān)鍵技術(shù)研究(ynji) 項(xiàng)目(xingm)負(fù)責(zé)人（簽名）_ _所在學(xué)校（蓋章）_1本項(xiàng)目研究意義及國內(nèi)外同類研究工作現(xiàn)狀（附主要參考文獻(xiàn)及出處）：醫(yī)用紅外熱像（Infrared Thermography, IRT）技術(shù)是一門新興的綜合性高新技術(shù)，具有靈敏精確、成像直觀、信息豐富、無創(chuàng)檢測、簡便經(jīng)濟(jì)等特性，受到國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注。紅外熱像儀自上世紀(jì)英國醫(yī)生將成果應(yīng)用于臨床以來，目前在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已取得了廣泛的應(yīng)用，包括醫(yī)學(xué)診斷、醫(yī)學(xué)治療以及大面積的醫(yī)學(xué)防疫等領(lǐng)域。1）醫(yī)學(xué)診斷方面根據(jù)人體的生理溫度基本規(guī)律，熱傳導(dǎo)及散熱現(xiàn)象，生理熱區(qū)、生理低溫區(qū)及

2、反應(yīng)性熱區(qū)、機(jī)體散熱的不均衡性，血管阻力、血液流量分配互補(bǔ)現(xiàn)象，以及腫瘤的Folkman-Michel理論、惡性腫瘤的低溫問題等，紅外診斷以其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷。從上世紀(jì)90年代開始，傅里葉變換紅外光譜方法(FT-IR)被應(yīng)用于腫瘤檢測。國內(nèi)外多個研究小組已經(jīng)對常見的人類腫瘤組織(如腸,胃,乳腺,膽囊,肺,肝,口腔等)進(jìn)行了光譜學(xué)特征研究1,2,15-17。目前，一般通過觀察和對比分析正常組織和腫瘤組織的多個譜學(xué)參數(shù)(如峰位、峰高、峰位差、峰高比等)的差異進(jìn)行分類判別。特別是軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院國家生物醫(yī)學(xué)分析中心以及軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院307醫(yī)院病理科在長期臨床實(shí)驗(yàn)中，在實(shí)驗(yàn)考察的波長范圍內(nèi)

3、發(fā)現(xiàn)人乳腺癌與良性病變組織在紅外光譜上存在明顯不同的特征，這些光譜特征與細(xì)胞發(fā)生癌變有關(guān)。從癌變組織與良性病變組織的紅外光譜特征出發(fā)，可以為乳腺癌的早期診斷提供有益的幫助。然而要想對光譜信息進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，需要依靠化學(xué)計(jì)量學(xué)方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，克服傳統(tǒng)鑒別方法的局限性、復(fù)雜性及主觀性。此外，在一些慢性病的檢測上，如腰椎間盤突出等3,10,18，紅外診斷也越來越凸顯出優(yōu)勢。2）醫(yī)學(xué)治療方面在國內(nèi)外研究的治療方法之中，中醫(yī)理療多用于治療慢性病，如風(fēng)濕病、頸椎病等，而且此類方法多與傳統(tǒng)中醫(yī)的針灸、推拿等結(jié)合。在使用理療設(shè)備發(fā)射光線照射病變部位后，通過移動紅外探測設(shè)備對病變組織進(jìn)行照射強(qiáng)度、時

4、間等的控制，最終達(dá)到最佳治療效果。此類的應(yīng)用諸如利用理療設(shè)備對穴位照射治療椎動脈型頸椎、利用理療設(shè)備輻照治療乙型肝炎肝纖維化4、紅外熱像觀察針刺合谷穴對面癱治療作用5等。3）醫(yī)學(xué)防疫方面在紅外技術(shù)理論中，有“黑體”的概念。黑體是理想化的輻射體，它吸收所有波長的輻射能量，但沒有能量的反射和透過，它是一種與入射輻射的波長和偏振方向、傳播方向無關(guān)的物體。在現(xiàn)實(shí)中絕對黑體并不存在，而主要是用于理論分析。如果某一物體在任何溫度下的光譜發(fā)射率是一個與波長無關(guān)的常數(shù)，該物體被稱為“灰體”。實(shí)際物體在某溫度下的輻射強(qiáng)度與波長的關(guān)系是不規(guī)則的，因此不是灰體。但在工程計(jì)算上為了方便起見，近似把它們都看作是灰體。人

5、體是一個天然的紅外輻射源，可被視為是灰體。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)皮膚溫度在3038。C之間時，以人體為灰體，套入相關(guān)公式計(jì)算出紅外測溫儀的工作波段應(yīng)該在814um，而這個波長范圍屬于大氣窗口，即紅外輻射熱能量并不被空氣所吸收，從而保證了紅外測量人體溫度的準(zhǔn)確性6。Hughes早在1985年就將用于工業(yè)的通過一定距離測量機(jī)器溫度的紅外測溫儀用于檢測人體溫度，并以腸溫作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對照，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在發(fā)熱患者、無發(fā)熱患者以及所有患者中的紅外測溫的診斷符合率分別為95、90和92，研究證明紅外用于測溫方法可行，并認(rèn)為隨著紅外技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，該技術(shù)將會成為常規(guī)的臨床應(yīng)用手段7,13-15。人們對紅外體溫檢測技術(shù)的更

6、進(jìn)一步的認(rèn)識是源于SARS，在“非典”以及2009年全球暴發(fā)的“甲型H1N1流感”期間，許多公共場所諸如機(jī)場、口岸、醫(yī)院均安裝有紅外熱成像儀或紅外點(diǎn)溫儀測量體溫，通過對體溫的監(jiān)測查找熱源，隔離患病人群或疑似病例，阻斷病源、防止傳播，這為疫情的控制發(fā)揮了重要作用。在與這些呼吸道病毒的防疫戰(zhàn)中，紅外技術(shù)以其獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值起到了重要的作用。深圳口岸為提高口岸傳染病檢出率曾在2007年8月2008年7月間使用紅外熱成像體溫監(jiān)測系統(tǒng)對入境人員進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，統(tǒng)計(jì)每月發(fā)熱病例的檢出率，紅外熱成像體溫監(jiān)測系統(tǒng)報(bào)警的準(zhǔn)確率、精確度，最終確認(rèn)該系統(tǒng)在口岸傳染病防疫中具有較好的應(yīng)用效果8-10,16-17。與現(xiàn)有的

7、醫(yī)學(xué)診斷X線、CT、MRI（核磁共振）、B超等成像技術(shù)相比，醫(yī)用紅外熱像技術(shù)還不為人們所熟悉，X線、CT、MRI、B超是針對解剖結(jié)構(gòu)的檢測，而紅外技術(shù)則是一種生理學(xué)檢測?；诩t外輻射原理，以人體為輻射源，采用先進(jìn)的紅外掃描技術(shù)，探測人體紅外輻射，經(jīng)過一系列信號處理，把不可見的體表溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢曅缘暮涂啥康募t外熱圖，與X線、CT、MRI、B超等結(jié)構(gòu)影像有著本質(zhì)的不同，醫(yī)用紅外熱像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)能與結(jié)構(gòu)多元信息的轉(zhuǎn)換和表達(dá)，為探索機(jī)能信息和結(jié)構(gòu)信息的內(nèi)在聯(lián)系開辟了新的途徑。醫(yī)用紅外熱像技術(shù)與傳統(tǒng)的檢測技術(shù)相比，存在很大的區(qū)別，如 REF _Ref384129377 h * MERGEFORM

8、AT 表 1所示。表 SEQ 表 * ARABIC 1：紅外熱像儀與傳統(tǒng)檢測儀的比較X線、CT、MRI、B超紅外熱像儀診斷性質(zhì)結(jié)構(gòu)影像學(xué)功能影像學(xué)診斷特點(diǎn)考察病變的組織結(jié)構(gòu)和機(jī)理考察病變的新陳代謝，血液循環(huán)狀況溫度改變以及神經(jīng)調(diào)節(jié)優(yōu)劣勢檢驗(yàn)快速，成本較低。對于病變的早期診斷不靈敏，個別檢查有損健康。無損檢查，對于病變部位的早期診斷優(yōu)勢明顯。診斷成本較高，單次采購較為昂貴。從表中可以看出，醫(yī)用紅外熱像技術(shù)對結(jié)構(gòu)成像技術(shù)的傳統(tǒng)檢測技術(shù)（X線、CT、MRI、B超）是一個很好的補(bǔ)充。許多基于結(jié)構(gòu)成像技術(shù)不能表現(xiàn)或晚于機(jī)能表現(xiàn)的異常信息，卻能通過紅外熱成像技術(shù)呈現(xiàn)。例如，在發(fā)現(xiàn)腫瘤方面，比CT、核磁共振

9、早發(fā)現(xiàn)612個月。和傳統(tǒng)檢測技術(shù)相比，醫(yī)用紅外熱像儀又是疼痛及軟組織損傷的唯一可查技術(shù)11-13。1976年我國首臺醫(yī)用紅外熱像儀試制成功，1979年姜宗橋發(fā)表了第一篇國產(chǎn)熱像儀臨床應(yīng)用的報(bào)道，表明我國醫(yī)用紅外熱像技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用的迫切性，然而由于部分關(guān)鍵技術(shù)僅由美國、以色列、法國等極少數(shù)國家掌握，我國的技術(shù)研究發(fā)展遇到瓶頸。目前國內(nèi)所用高端的三算子數(shù)字式近紅外診斷儀等醫(yī)用紅外熱像儀仍由國外進(jìn)口12。國產(chǎn)醫(yī)用紅外熱像儀在性能上也與國際水平有所差異，如 REF _Ref384129385 h * MERGEFORMAT 表 2。表 SEQ 表 * ARABIC 2：醫(yī)用熱紅外成像儀國內(nèi)外廠商數(shù)據(jù)

10、對比國際國內(nèi)主要生產(chǎn)廠商MedithermNEC上海維恩偉業(yè)紅外醫(yī)學(xué)科技公司重慶偉聯(lián)科技有限公司中電科技集團(tuán)紅外工程技術(shù)有限公司產(chǎn)品價(jià)格80-100萬人民幣50萬人民幣溫度分析功能0.010.08-0.05圖像顯示功能0.9-1.0mr1.5-1.0mr由于醫(yī)用紅外熱像儀單次采購成本昂貴，我國目前使用的醫(yī)用紅外熱像儀僅有200多臺?，F(xiàn)有的近1000家的三甲醫(yī)院，只有不到10%的比例有紅外熱像儀。因此，各醫(yī)院采用的檢測技術(shù)，還是以結(jié)構(gòu)性檢測為主，缺乏功能檢測手段。對于疾病的及早預(yù)防、及時發(fā)現(xiàn)及時跟蹤發(fā)展?fàn)顩r缺乏必要的檢測方式和技術(shù)支持。面對我國每年近億計(jì)的檢測數(shù)量需求，我國醫(yī)用紅外熱像儀還存在很

11、大的缺口，市場產(chǎn)品供求潛力巨大。因此，研究醫(yī)用紅外熱像的關(guān)鍵技術(shù)以及研發(fā)迫在眉睫。將醫(yī)用紅外熱像技術(shù)切實(shí)有效的應(yīng)用于實(shí)踐，降低成本惠及大眾群體，并結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展潮流，本研究提出基于云計(jì)算的醫(yī)用紅外熱像儀關(guān)鍵技術(shù)研究：1）使用云計(jì)算技術(shù)，減輕計(jì)算壓力，降低醫(yī)療成本醫(yī)用紅外熱像診斷、治療以及防疫所需用的計(jì)算量較為龐大，而云計(jì)算可以減輕計(jì)算壓力。同時，對于一家醫(yī)院來說，傳統(tǒng)上需要購買服務(wù)器、醫(yī)療設(shè)備等建立自己的IT體系，但醫(yī)院之間的信息共享與實(shí)時交流卻很難付諸實(shí)踐。而未來借助云平臺，通過IT技術(shù)與醫(yī)療技術(shù)的結(jié)合及創(chuàng)新型應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)以前很多無法實(shí)現(xiàn)的東西。通過區(qū)域醫(yī)療信息共享，為區(qū)域內(nèi)的臨

12、床用戶提供優(yōu)質(zhì)的臨床數(shù)據(jù)瀏覽與使用服務(wù)。另一方面，國內(nèi)優(yōu)勢醫(yī)療資源集中在大型醫(yī)院，資源分配極為不均。在云計(jì)算概念下，通過IT技術(shù)的創(chuàng)新型應(yīng)用，打造區(qū)域醫(yī)療信息系統(tǒng)平臺，連接基層醫(yī)院和三級甲等醫(yī)院的信息共享與遠(yuǎn)程診療成為可能，醫(yī)用紅外熱像診斷、治療以及防疫可以進(jìn)行大眾普及化的使用。2）構(gòu)建專家系統(tǒng)，提高醫(yī)用精度，惠及大眾群體醫(yī)學(xué)信息學(xué)是伴隨世界科技進(jìn)步與發(fā)展而脫穎而出的具有現(xiàn)實(shí)、使用和超前等性能的學(xué)科。由于信息存儲及利用方面受到人腦智能相對局限與簡單的約束或限制，就不可能具有極快的運(yùn)算速度、極強(qiáng)的記憶能力、極高的邏輯分析與判斷能力。專家系統(tǒng)是指運(yùn)用一個或多個專家提供的特殊領(lǐng)域知識進(jìn)行推理和判斷，

13、以求解那些需要專家才能解決的復(fù)雜問題的一種智能計(jì)算機(jī)程序。將醫(yī)用紅外熱像技術(shù)融入專家系統(tǒng)之中，可以有效提高紅外熱像技術(shù)的診斷、治療以及防疫的速度和精度，從而惠及大眾群體。參考文獻(xiàn)1沈世杰, 李清. 人乳腺癌組織的特征紅外光譜研究J. 光譜學(xué)與光譜分析, 2000, 20(1): 28-30.2楊子彬. 醫(yī)用熱像圖的理論基礎(chǔ)和臨床應(yīng)用J. 生物醫(yī)學(xué)工程研究, 2004, 22(3): 1-8.3李慶波, 楊麗敏, 凌曉鋒, 等. SIMCA 法在中紅外癌癥檢測技術(shù)中的應(yīng)用J. 光譜學(xué)與光譜分析, 2004, 24(4): 414-417.4王樂新, 趙志敏. 血液的紅外吸收光譜分析及應(yīng)用研究J.

14、 光譜學(xué)與光譜分析, 2002, 22(6): 980-982.5Folkman J.The role of angiongenesis in tumor growth. Seminars in Cancer Biology . 19926Folkman J.What is the evidence that tumors areangiogenesis dependent. Journal of National Cancer Institute . 19907Folkman J,Watson K,Ingber D.Induction of angiogenesis during the t

15、ransition from hyperlasia to neoplasia. Nature . 19898WU Jin-guang,XU Yi-zhuang,WENG Shi-fu,et al. Biopolymers(Biospectroscopy) . 20019王軍, 鄧方閣, 王剛, 等. 紅外熱成像在腰椎間盤突出癥診斷中的地位J. 臨床軍醫(yī)雜志, 2010, 38(1): 133-135.10張棟, 彭悅. 針刺合谷穴對面癱治療作用的紅外熱像觀察J. 中醫(yī)雜志, 1989, 30(5): 32-34.11懷智勇, 賈冬梅. 推拿結(jié)合紅外偏振光穴位照射治療椎動脈型頸椎病療效觀察J.

16、中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志, 2008, 23(2): 171-172.12李成東, 高良, 游國師, 等. 紅外溫針治療急性痛風(fēng)性關(guān)節(jié)發(fā)作 126 例J. 內(nèi)蒙古中醫(yī)藥, 2009, 27(12): 38-39.13楊景發(fā), 劉玉穎. 中紅外與短波紅光綜合治療儀的臨床應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)研究J. 紅外技術(shù), 2002, 24(3): 56-58.14黃彤文, 劉春芳, 徐媛, 等. 深圳口岸紅外熱成像體溫監(jiān)測結(jié)果分析J. 中國國境衛(wèi)生檢疫雜志, 2009, 32(4): 253-255.15鄧方閣, 鄧秀芳, 鐘南山. 紅外技術(shù)及其在發(fā)熱測溫中的應(yīng)用J. 中華生物醫(yī)學(xué)工程雜志, 2010 (2): 174-17

17、6.16Hughes WT,Patterson GG,Thornton D,et al.Detection of fever with infrared thermometry:a feasibility study.J Infect Dis,1985,152:301-306.17Shenep JL,Adair JR,Hughes WY,et al.Infrared,thermistor,and glass-mercury thermometry for measurement of body temperature in children with cancer.Clin Pediatr (

18、Phila),1991,30:36-41.18薛淑磊, 王振輝, 王振鐸. PB 數(shù)據(jù)庫圖像存儲技術(shù)研究J. 電腦知識與技術(shù): 學(xué)術(shù)交流, 2008 (3): 1320-1323.2主要研究內(nèi)容、目標(biāo)、方案和進(jìn)度及擬解決的關(guān)鍵問題：研究內(nèi)容：為使用云計(jì)算技術(shù)，減輕計(jì)算壓力，降低醫(yī)療成本以及構(gòu)建專家系統(tǒng)，提高醫(yī)用精度，惠及大眾群體，本研究擬采用下圖解決方案開展研究。病人或疑似病人通過紅外探測器拍攝圖片，并將圖片信息通過用戶終端傳遞至社區(qū)、城鎮(zhèn)、城市醫(yī)療點(diǎn)，社區(qū)、城鎮(zhèn)、城市醫(yī)療點(diǎn)將病人或疑似病人信息傳至云服務(wù)器，并進(jìn)行專家系統(tǒng)診斷，最終給病人診斷結(jié)果或治療、防疫建議，病人治愈后的治療案例同樣傳至云

19、服務(wù)器以充實(shí)專家系統(tǒng)。整個系統(tǒng)工作流程如 REF _Ref384129421 h * MERGEFORMAT 圖 1所示。圖 SEQ 圖 * ARABIC 1系統(tǒng)工作總體流程在這其中，通過紅外探測器的成像技術(shù)，將成像結(jié)果傳輸?shù)接脩艚K端，用戶終端將數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的處理傳輸?shù)接脩艚K端，醫(yī)療點(diǎn)將數(shù)據(jù)經(jīng)過圖像數(shù)據(jù)存儲、醫(yī)生的處理等簡單操作，將數(shù)據(jù)傳遞至云服務(wù)器，通過專家系統(tǒng)的圖像模式識別與模式匹配，并在專家系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行相關(guān)檢索形成診斷、醫(yī)療或防疫建議，將建議結(jié)果傳遞給醫(yī)生，由醫(yī)生最終做出診斷、治療或防疫的建議。具體的數(shù)據(jù)處理流程如 REF _Ref384129421 h REF _Ref384129443

20、 h 圖 2所示。圖 SEQ 圖 * ARABIC 2數(shù)據(jù)處理流程研究目標(biāo)基于云計(jì)算技術(shù)，將系統(tǒng)的專家系統(tǒng)、診療判斷等軟件處理模塊置于云端，提供信息的集中處理模式。以“云信息平臺”為核心的應(yīng)用模式，具有信息的分析、處理、比對、判斷和推理等功能，簡化了對單臺醫(yī)用紅外熱像儀的數(shù)據(jù)分散處理能力的需求，從而降低單臺設(shè)備的購置成本。方案和進(jìn)度具體的方案及進(jìn)度如 REF _Ref384316364 h 圖 3所示圖 SEQ 圖 * ARABIC 3項(xiàng)目實(shí)施方案擬研究的主要問題1）紅外探測系統(tǒng)在硬件方面，本課題以紅外熱像儀為基礎(chǔ)，通過云臺以及設(shè)計(jì)完成的控制終端，對熱像儀進(jìn)行控制，控制終端以及云臺都與Inte

21、rnet相連實(shí)現(xiàn)最終的控制指令，具體如 REF _Ref384129453 h 圖 4所示，控制內(nèi)容有四個方面：由控制終端發(fā)送指令，控制熱像儀的機(jī)械運(yùn)動，以調(diào)整到熱像儀的最佳成像視角；由云臺以及控制終端測算相關(guān)數(shù)據(jù)，以構(gòu)成成像的最佳參數(shù)控制；有控制終端發(fā)送指令，進(jìn)行拍攝；拍攝結(jié)果，由控制終端進(jìn)行與云臺以及Internet通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。圖 SEQ 圖 * ARABIC 4紅外熱像儀的工作流程在此系統(tǒng)中，紅外熱像儀是關(guān)鍵的探測設(shè)備，紅外熱像儀是通過非接觸探測紅外能量（熱量），并將其轉(zhuǎn)換為電信號，進(jìn)而在顯示器上生成熱圖像和溫度值，并可以對溫度值進(jìn)行計(jì)算的一種檢測設(shè)備。醫(yī)用紅外熱像儀的硬件部分主

22、要由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測器、熱圖采集與預(yù)處理電路以及圖像顯示和處理等模塊組成，其中紅外探測器是整個紅外成像系統(tǒng)的關(guān)鍵。本研究中采用的是TAU2 640非制冷紅外探測儀（已購置），其技術(shù)指標(biāo)如表3所示。表 SEQ 表 * ARABIC 3： TAU2 640非制冷紅外探測儀技術(shù)指標(biāo)參數(shù)技術(shù)指標(biāo)探測器類型非制冷氧化釩長波紅外探測儀tau640像素640512像源尺寸17微米（tau640，tau336）；25微米（tau320）光譜范圍7.5- 13.5mNETD值輸出模擬視頻NTSC和PAL可選Quark64030赫茲（NTSC）；25赫茲（PAL）；9hz美國出口型（出廠設(shè)置）數(shù)字視頻8或14位

23、LVDS；8或14位并行CMOS；8bit BT. 656TAU2 640非制冷紅外探測儀采用的成像技術(shù)與照相機(jī)類似，由非晶硅電阻輻射計(jì)通過微橋結(jié)構(gòu)連接到硅讀出集成電路， 將光信號轉(zhuǎn)換為表征熱輻射的圖像電信號。即用鏡頭將目標(biāo)成像在焦平面上成像， 其每一個像元一一對應(yīng)視場中的場元，成像時相當(dāng)于“凝視”景物?？朔藱C(jī)械掃描的速度慢、復(fù)雜性高、可靠性差的缺點(diǎn)。TAU2 640非制冷紅外探測儀不需要制冷，因此不需要制冷劑和高壓氣體或斯特林循環(huán)制冷裝置。這使得本研究中的醫(yī)用紅外熱像儀不僅具有性價(jià)比高、體積小、質(zhì)量小、功耗小、整機(jī)工作壽命長和便于攜帶等優(yōu)勢，還不存在保養(yǎng)和維修等問題，更便于產(chǎn)品的推廣使用。

24、2）紅外診斷關(guān)鍵技術(shù)a)圖像數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化存儲圖像的結(jié)構(gòu)化存儲是紅外診斷技術(shù)的前提，本課題擬以采用結(jié)構(gòu)化存儲的數(shù)據(jù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲以及傳輸。具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表4所示。表 4： 結(jié)構(gòu)化存儲的圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲數(shù)據(jù)名稱存儲數(shù)據(jù)內(nèi)容數(shù)據(jù)來源圖像采集數(shù)據(jù)溫度數(shù)據(jù)紅外熱像儀測試者信息個人信息醫(yī)保中心數(shù)據(jù)庫診斷信息醫(yī)療診斷、防疫建議醫(yī)生診斷、專家系統(tǒng)診斷其他諸如日期等信息系統(tǒng)自動生成圖像采集的數(shù)據(jù)主要是紅外圖像，為了保證圖像文件數(shù)據(jù)的安全, 采用數(shù)據(jù)庫的BLOB字段來存儲這些數(shù)據(jù)，并支持查詢時顯示和文件復(fù)原，利用PB 編程語言O(shè)racle9i數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)，結(jié)合本系統(tǒng)的需求，對圖像選取、圖像存儲、圖像顯示等技術(shù)

25、進(jìn)行研究分析后可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫圖像字段的存儲和檢索。當(dāng)圖像文件存儲在數(shù)據(jù)庫中以后，就可以刪除在用戶終端硬盤上原來的臨時文件，不需要復(fù)雜的二進(jìn)制文件管理，且數(shù)據(jù)庫可以存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，對數(shù)據(jù)的共享非常方便。同時，由于圖像存儲在數(shù)據(jù)庫后，數(shù)據(jù)的管理由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)完成， 因此數(shù)據(jù)的安全性相對比較高。圖像采集數(shù)據(jù)由紅外熱像儀利用相關(guān)的紅外成像技術(shù)生成, 紅外成像技術(shù)是一種輻射信息探測技術(shù)，利用某種特殊的電子裝置，將物體的熱分布轉(zhuǎn)化為可視圖像，并且以灰度級或偽彩色顯示出來，從而得到被測目標(biāo)的溫度分布場。紅外成像系統(tǒng)一般是被動地接收物體的紅外輻射而成像的，用圖像的灰度表征物體的溫度場分布。由于物體熱平衡的

26、原因和根據(jù)普朗克定律，紅外圖像局部相鄰具有較高的空間灰度相關(guān)性，人體熱圖如 REF _Ref384129463 h 圖 5所示。圖 SEQ 圖 * ARABIC 5人體熱圖由于人眼的彩色敏感細(xì)胞能分辨出幾千種彩色色調(diào)和亮度，但是對黑白灰度級卻不敏感。熱成像系統(tǒng)所產(chǎn)生的紅外圖像為黑白灰度級圖像，灰度值動態(tài)范圍不大。因此，人眼很難從這些灰度級中獲得豐富的信息。為了更直觀地增強(qiáng)顯示圖像的層次，提高人眼分辨能力，對系統(tǒng)所攝取的圖像進(jìn)行偽彩色處理，從而達(dá)到圖像增強(qiáng)的效果，使圖像信息更加豐富。在彩虹編碼的基礎(chǔ)上，結(jié)合醫(yī)用紅外熱像系統(tǒng)對圖像特征檢測的要求和對偽彩色編碼處理的算法研究，使得不同的圖像和不同的區(qū)

27、域因溫度的不同而顯示不同的色彩，并且紅外圖像層次分明、色彩清晰。彩虹編碼的人體熱圖如 REF _Ref384129471 h 圖 6所示。圖 SEQ 圖 * ARABIC 6彩虹編碼的人體熱圖測試者信息則是由醫(yī)保中心數(shù)據(jù)庫通過云臺提供；診斷信息包含醫(yī)療診斷以及防疫建議，包含兩方面信息：一是醫(yī)生診斷建議，二是由專家系統(tǒng)通過特征提取、圖像檢索以及圖像模式匹配與模式識別得到；其他諸如日期等信息則是由系統(tǒng)自動生成。b)特征提取特征提取是計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理中的一個概念，指的是使用計(jì)算機(jī)提取圖像信息，決定每個圖像的點(diǎn)是否屬于一個圖像特征。特征提取的結(jié)果是把圖像上的點(diǎn)分為不同的子集，這些子集往往屬于孤立的

28、點(diǎn)、連續(xù)的曲線或者連續(xù)的區(qū)域。在特征提取之前先對圖像進(jìn)行分割，提取感興趣區(qū)域進(jìn)行相關(guān)處理。圖像分割是圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的基礎(chǔ)性工作。圖像分割方法的數(shù)量非常多，其中，能量最小化方法在過去30年引起學(xué)者們的廣泛關(guān)注，形成一大流派。能量最小化方法的基本步驟為： 設(shè)計(jì)一個目標(biāo)函數(shù)(能量函數(shù))，其最小值對應(yīng)最優(yōu)解，常用的兩個約束是數(shù)據(jù)和先驗(yàn)知識。數(shù)據(jù)約束限制了理想解應(yīng)該和真實(shí)數(shù)據(jù)盡量接近；先驗(yàn)約束要求理想解的形式應(yīng)該和先驗(yàn)知識保持一致；最小化目標(biāo)函數(shù)，大多數(shù)感興趣的能量函數(shù)是非凸的，有多個極小值，導(dǎo)致多數(shù)方法只能找到逼近解，因此，最小化過程通常比較困難。應(yīng)該說，合適的編碼問題的約束形成能量函數(shù)和找

29、到一個好的最小化方法是同等重要的，因?yàn)槿魏我徊匠鲥e都會造成分割的失效。能量最小化方法的顯著優(yōu)點(diǎn)有：給出了分割的統(tǒng)一框架, 用標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化方法可以求解；提供了明確的思路來編碼要解決問題的約束；由于最小化能量函數(shù)和MRF的最大后驗(yàn)估計(jì)是等效的，從貝葉斯統(tǒng)計(jì)角度也可以求證能量最小化方法的正確性。能量最小化方法有多種分類方法，包括全局和局部方法、確定性和隨機(jī)性方法、連續(xù)性和離散性方法等。常采用全局和局部的分類方法，常見的全局能量最小化方法包括模擬退火方法、動態(tài)規(guī)劃方法和圖論方法等；局部能量最小化方法包括變分方法和ICM(Iterated conditional modes)方法等。模擬退火方法代表了一類隨

30、機(jī)優(yōu)化方法；動態(tài)規(guī)劃是一個多步?jīng)Q策過程，通過把一個N步過程轉(zhuǎn)化為N個單步過程實(shí)現(xiàn)將全局最優(yōu)轉(zhuǎn)化為局部最優(yōu)之和；圖論方法的主要思想是將圖像映射成加權(quán)圖,把圖像像素看作圖的頂點(diǎn)，鄰接像素之間的關(guān)系看作圖的邊，鄰接像素之間的相似性看作邊的權(quán)值，根據(jù)邊的權(quán)值設(shè)計(jì)能量函數(shù)，通過最小化能量函數(shù)完成對圖的分割，從而實(shí)現(xiàn)圖像分割；變分方法是幾何活動輪廓模型(Geometry active contour model) 的能量最小化方法；ICM 方法是基于確定性貪婪策略來尋優(yōu)的能量最小化方法20。針對分割結(jié)果進(jìn)行相關(guān)的特征提取，本研究擬提出了以下方法: 首先應(yīng)用歸一化分割( Normalized cut , N

31、cut)方法進(jìn)行圖像的分割，提取感興趣區(qū)域；然后對提取的感興趣區(qū)域進(jìn)行特征提取構(gòu)成特征空間，接著用圖像檢索以及模式匹配與模式識別進(jìn)行分類診斷，得出診斷結(jié)果。Ncut準(zhǔn)則是一種無監(jiān)督圖像分割技術(shù)，它不需要初始化，并具有3個主要的特點(diǎn)：（1）它將圖像分割問題轉(zhuǎn)換為圖的劃分問題；（2）它是一個全局準(zhǔn)則；（3）它同時最大化不同組之間的不相似性和同一組內(nèi)的相似性?；驹硎牵簩τ谝粋€給定的圖G=(V,E)，假設(shè)將其分為兩個不相交的部分A與B,AB=V, 這兩個部分不相似程度可以定義為原先連接兩部分而現(xiàn)在被刪去的所有邊的權(quán)的綜合, 定義為圖的一個割：式中w ( i, j ) 即連接點(diǎn)i 和點(diǎn)j 的邊的權(quán),

32、 它表示兩點(diǎn)之間的相似程度。一幅圖的最優(yōu)二分法即是使cut 的值最小，但由于割直接與割中邊的數(shù)目成比例，因此最小割通常并非就是最優(yōu)割19，因此還需要在研究中進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化。c)圖像檢索本研究擬使用基于內(nèi)容的圖像檢索技術(shù)進(jìn)行圖像檢索，基于內(nèi)容的圖像檢索技術(shù)是指直接根據(jù)描述媒體對象圖像內(nèi)容的各種特征進(jìn)行檢索，它能從數(shù)據(jù)庫中查找到具有指定特征或含有特定內(nèi)容的圖像( 包括視頻片段)，它區(qū)別于傳統(tǒng)的基于關(guān)鍵字的檢索手段，融合了圖像理解、模式識別等技術(shù)。在Internet環(huán)境下實(shí)現(xiàn)一個基于內(nèi)容檢索的圖像數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)可分為兩個部分：圖像特征索引的創(chuàng)建和圖像檢索。一般來說，圖像特征的分析和索引的創(chuàng)建是

33、在服務(wù)器端離線完成的，其主要功能包括圖像入庫前的預(yù)處理、圖像的內(nèi)容特征的提取與分析、圖像特征描述的編碼和存儲。對于圖像的檢索，其主要的任務(wù)是將用戶感興趣的圖像實(shí)例提交給服務(wù)器，對其內(nèi)容的特征進(jìn)行提取和表示。然后調(diào)用圖像檢索引擎按一定的相似檢索方法進(jìn)行圖像之間的相似度計(jì)算，對查詢得到的相似圖像按它們的相似距離從小到大進(jìn)行排序，并將結(jié)果返回給用戶。這其中主要應(yīng)用三種檢索方式：基于顏色特征的圖像檢索：通過對圖像的彩虹編碼圖像進(jìn)行處理，可以將圖像處理為顏色圖像。顏色是物體表面的一種視覺特性，每種物體都有其特有的顏色特征, 如人們說到綠色往往是和樹木或草原相關(guān),談到藍(lán)色往往是和大?；蛩{(lán)天相關(guān)。同一類物體

34、往往有著相似的顏色特征, 因此可以根據(jù)顏色特征來區(qū)分物體，本研究擬采用直方圖來描述顏色特征。基于形狀特征的圖像檢索：形狀特征是描述圖像的關(guān)鍵要素之一，它可以較好地反映出區(qū)域的特征，因此該特征是CBIR技術(shù)中一個比較重要的可利用因素。在二維圖像空間中, 形狀通常被認(rèn)為是一條封閉的輪廓曲線所包圍的區(qū)域，所以對形狀的描述涉及到對輪廓邊界的描述以及對這個邊界所包圍區(qū)域的描述。目前的基于形狀檢索方法大多圍繞著從形狀的輪廓特征和形狀的區(qū)域特征建立圖像索引。形狀包括面積、連通性、環(huán)形性、偏心率、主軸方向等特征。基于紋理特征的圖像檢索: 紋理是指圖像像素灰度集或顏色的某種規(guī)律性變化。紋理特征主要包括粗糙度、方

35、向性、對比度以及規(guī)則性。基于紋理的檢索通常采用統(tǒng)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)方法以及頻譜分析方法進(jìn)行。d)圖像模式識別與模式匹配模式識別的基本原理是，將一個輸入模式與保存在系統(tǒng)中的多個標(biāo)準(zhǔn)模式相比較，找出最近似的標(biāo)準(zhǔn)模式，將該標(biāo)準(zhǔn)模式所代表的類名作為輸入模式的類名輸出。本研究在將獲取的圖像信息經(jīng)過特征提取以后經(jīng)過圖像檢索使用模式識別算法進(jìn)行模式匹配，最終匹配得到相應(yīng)的專家系統(tǒng)里面的預(yù)存儲信息。本研究擬采用遺傳算法(Genetic Algorithm, 簡稱GA) 實(shí)現(xiàn)圖像的模式識別與匹配。遺傳算法是基于達(dá)爾文生物進(jìn)化論的自然選擇學(xué)說和群體遺傳學(xué)原理，借鑒自然界中自然選擇、適者生存的法則，在計(jì)算機(jī)中采用遺傳學(xué)中

36、的相應(yīng)名字和方法建立的一種算法。作為近幾年發(fā)展起來的一種隨機(jī)全局優(yōu)化算法，遺傳算法建立在自然選擇和種群遺傳基礎(chǔ)上，模擬自然界“物競天擇、適者生存”的進(jìn)化過程，在問題空間進(jìn)行全局并行、隨機(jī)的搜索優(yōu)化，使得種群成為全局最優(yōu)的收斂。GA實(shí)施中最關(guān)鍵的三點(diǎn)是: 定義編碼結(jié)構(gòu)、確定適應(yīng)度函數(shù)及定義遺傳算子。利用馬爾科夫理論，對采用實(shí)編碼的遺傳算法進(jìn)行全局收斂性分析，得出了在群體數(shù)為無窮大時能收斂到全局最優(yōu)解的結(jié)論。雖然其建立在群體規(guī)模無窮大基礎(chǔ)上, 但在規(guī)模有限時, 收斂到全局更優(yōu)點(diǎn)是可以達(dá)到的?；诖耍谶M(jìn)行遺傳算法設(shè)計(jì)時，個體染色體位串由分類器所有實(shí)數(shù)權(quán)值級聯(lián)構(gòu)成, 每個染色體可表示為(W1T,W2

37、T,W3T,W1T)型的實(shí)向量, 其中Wi(i=1，2，,M)為分類器的權(quán)值向量。這樣, 群體中的每一個個體就是一個分類器。分類器在測試樣本集中的判別率作為個體染色體的適應(yīng)值，其中使用Yik(i=1,2, N ) 表示第k次迭代時群體中的第i個個體21。3）云服務(wù)的醫(yī)用專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)是利用大量的某個領(lǐng)域?qū)＜业闹R和解決問題的方法來處理該領(lǐng)域的問題，是一個具有大量的專門知識與經(jīng)驗(yàn)的程序系統(tǒng)。利用人工智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，根據(jù)某領(lǐng)域?qū)＜姨峁┑闹R和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，以解決那些需要人類專家處理的復(fù)雜問題?；谠朴?jì)算的專家系統(tǒng)描述為：在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域里，運(yùn)行于一系列通過各種

38、網(wǎng)絡(luò)連接的、緊密合作的疾病狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分布式控制、資源共享、動態(tài)擴(kuò)展、遠(yuǎn)程調(diào)度、專家診斷等多項(xiàng)功能，同時考慮系統(tǒng)的并發(fā)性、分布性、可靠性、安全性、共享性、保密性與智能性等特性的開放系統(tǒng)。本研究擬引入多Agent技術(shù)，設(shè)計(jì)一個基于MAS的醫(yī)學(xué)診斷決策專家系統(tǒng)的分布式體系框架，并通過使用帶有用戶請求的Agent在地理上分散的各個專家診斷Agent之間診斷的方式，以提供一種透明的、實(shí)時的診斷服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的組織和管理，同時改進(jìn)傳統(tǒng)的合同網(wǎng)模型，設(shè)計(jì)了一種分布式的診斷任務(wù)分配機(jī)制，以此提高任務(wù)分配的效率，增加診斷結(jié)果的精確性。將MAS技術(shù)運(yùn)用于分布式診斷專家系統(tǒng)，主要是解決多專家系統(tǒng)

39、、多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集成過程中出現(xiàn)的分布式、多源異構(gòu)、共享、動態(tài)環(huán)境處理等集成問題。在解決這些問題的相關(guān)研究中，多Agent技術(shù)之所以能脫穎而出，是因?yàn)槠淠軌蜉^好地滿足數(shù)據(jù)集成處理過程中的自主性、智能性、交互性、反應(yīng)性、主動性、社會性等特征，把系統(tǒng)中一些細(xì)節(jié)隱藏起來，使系統(tǒng)具有較好的智能性、適應(yīng)性、可擴(kuò)展性，其具體優(yōu)勢體現(xiàn)在:自治性：由于各個Agent 是獨(dú)立自治的，因此他們具有各自獨(dú)立的知識庫，可以將不同平臺下的診斷異構(gòu)數(shù)據(jù)，通過其專用的知識庫轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的格式。因?yàn)樵诓煌腁gent之間，傳遞的是標(biāo)準(zhǔn)化后的診斷數(shù)據(jù)，而無須傳遞異構(gòu)的數(shù)據(jù)，因此易于實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)環(huán)境下的診斷專家系統(tǒng)的集成。效用最大化：這

40、也是多Agent 系統(tǒng)與一般分布式系統(tǒng)的最根本區(qū)別。在多Agent系統(tǒng)中可以存在多個Agent組同時為多個用戶提供服務(wù); 每個Agent 具有特定的知識和能力，通過管理Agent 的組織管理。當(dāng)多個專家節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行交互時，Agent能夠代表各節(jié)點(diǎn)以最大利益的方式進(jìn)行工作，即效用最大化，從而提高整個診斷數(shù)據(jù)協(xié)同處理的效率。動態(tài)處理：采用多Agent技術(shù)，主要是為了創(chuàng)造一個即插即用的運(yùn)行環(huán)境。在多Agent系統(tǒng)中，Agent之間的耦合關(guān)系非常松散。在這個環(huán)境中，診斷數(shù)據(jù)處理的相關(guān)節(jié)點(diǎn)可以隨時連入或離開系統(tǒng)，而不至于影響或中斷整個數(shù)據(jù)處理過程。這種即插即用的運(yùn)行環(huán)境，增加了分布式專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)協(xié)同處理

41、的靈活性和可擴(kuò)展性，減少了重新開發(fā)診斷專家系統(tǒng)相關(guān)集成系統(tǒng)的成本。同時這種動態(tài)加入和離開的工作模式，使各節(jié)點(diǎn)資源得到了充分的利用，從而有效地控制數(shù)據(jù)處理任務(wù)，提高診斷效率。透明性：由于分布式專家系統(tǒng)中各子專家系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)都是獨(dú)立的，其都已經(jīng)存在了各自的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，采用多Agent技術(shù)后，各節(jié)點(diǎn)不需要再為某一數(shù)據(jù)處理任務(wù)開發(fā)協(xié)同界面，Agent的協(xié)同對于節(jié)點(diǎn)是透明的，各節(jié)點(diǎn)只需要對自己所分配到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其它的協(xié)同處理由Agent自行處理。醫(yī)用紅外熱像儀不但能夠?qū)崟r顯示人體熱圖，還需要通過對正常機(jī)體和異常機(jī)體的熱圖像比較，協(xié)助醫(yī)生對是否異常、異常程度和異常發(fā)展能夠準(zhǔn)確識別和嚴(yán)格分析，如 REF

42、 _Ref384129488 h 圖 6。疾病監(jiān)測位置判斷時，添加子午線用于定位，如 REF _Ref384129503 h 圖 7、 REF _Ref384320535 h 圖 8。圖 SEQ 圖 * ARABIC 7局部受傷手熱圖圖 SEQ 圖 * ARABIC 8疾病監(jiān)測判斷圖專家系統(tǒng)需要知識庫來存放專家提供的知識，知識庫中知識的質(zhì)量和數(shù)量決定著專家系統(tǒng)的質(zhì)量水平。知識獲取是專家系統(tǒng)知識庫是否優(yōu)越的關(guān)鍵，針對醫(yī)用紅外熱像儀，需要采集大量的不同年齡、地區(qū)、性別、人體部位等各種不同類型正常、異常機(jī)體的病理熱像圖片。尤其是罕見病例、疑難雜癥等特殊情況下的疾病異常和異常程度發(fā)展的紅外熱圖像的積累

43、，更是醫(yī)療健康檢查、精確判斷病情甚至解決人類重大疫病的有效方法。只有通過對完備的知識庫中信息和規(guī)則的反復(fù)匹配，才能對當(dāng)前問題得出合理的推理，對醫(yī)生的病情判斷提供幫助。本系統(tǒng)利用用戶接口將圖像信息進(jìn)行傳遞，通過相應(yīng)的特征提取模塊將特征提取信息與云存儲模塊以及圖像檢索模塊進(jìn)行消息傳遞，圖像檢索結(jié)果與模式識別模塊進(jìn)行交互，最終利用云存儲的專家系統(tǒng)做出最佳抉擇，將最佳抉擇形成決策傳遞到用戶模塊，最終到達(dá)用戶手中，具體的信息傳遞及處理如 REF _Ref384129513 h 圖 9所示。圖 SEQ 圖 * ARABIC 9專家系統(tǒng)的信息處理過程擬解決的關(guān)鍵問題1、通過對非制冷紅外探測器的檢測方式設(shè)計(jì)，

44、提出紅外熱像的實(shí)時圖像獲取和矯正算法，并對獲取的圖像進(jìn)行結(jié)構(gòu)化存儲；2、通過對人體紅外熱圖像的特征分析，提出對該類紅外圖像的特征提取算法進(jìn)行改進(jìn)；3、通過對正常、異常機(jī)體等紅外熱圖像的比對，提出對圖像模式識別以及模式匹配算法的改進(jìn)；4、通過對各種不同類型、不同病情的異常情況發(fā)展階段等紅外熱圖像采集，對專家系統(tǒng)知識庫進(jìn)行創(chuàng)建和優(yōu)化，并搭建基于云計(jì)算的專家系統(tǒng)平臺。3與本項(xiàng)目有關(guān)的工作條件（包括研究工作基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)條件等）申請人所在的單位有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室5個，省級重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室2個，相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)備配套齊全。其中嵌入式實(shí)驗(yàn)室可用于傳感器、物聯(lián)網(wǎng)方向的實(shí)驗(yàn)和設(shè)備設(shè)計(jì)，圖像與微波光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室可用于開展圖像處理、模式識別以及微波光子學(xué)相關(guān)的研究。近年來已承擔(dān)多項(xiàng)研發(fā)工作并有多項(xiàng)研究成果獲獎。已購買項(xiàng)目實(shí)施所需的軟件開發(fā)、硬件設(shè)計(jì)的基本設(shè)備和商