低成本健康专题
编者按
本专题由中国科学院深圳先进技术研究院王磊、吕建成两位专家组织，主要介绍了低成本健康海云工程、以及低成本健康领域的重要研究和相关产学研资讯，包括低成本信息检测、移动医疗芯片设计、内照射放疗机器人研究、人体传感网络等重要研究进展。欢迎各位品读。
本期客座编辑
王磊 研究员
中国科学院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所副所长、医疗机器人与微创手术器械研究中心主任
主要研究方向为围绕人体传感器网络，聚焦在医用可穿戴设备、手术机器人中的先进AI方法与微器件创新，在生物医学工程转化研究与学科建设方面有丰富的工作经验。
吕建成 研究员
中国科学院深圳先进技术研究院副院长
主要研究方向为精密机械结构设计、产品开发。
文章列表
2012, 1(2):4-9.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201207001
摘要:
改善中国农村社区的医疗保健并促进健康权益在今天的中国是至关重要的。中国科学院在提供先进的技术解决方案中起着主导作用。精心制作的综合诊断终端和云计算平台已经产生了显著的社会影响并培育了国内低成本的医疗保健行业。
改善中国农村社区的医疗保健并促进健康权益在今天的中国是至关重要的。中国科学院在提供先进的技术解决方案中起着主导作用。精心制作的综合诊断终端和云计算平台已经产生了显著的社会影响并培育了国内低成本的医疗保健行业。
2012, 1(2):10-12.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201207002
摘要:
我国的医疗卫生事业是构建社会主义和谐社会和建设新农村的重要组成部分。从社会角度讲,“看病贵”的问题不只是中国有，也是世界各国所面临的难题，不同之处在于“看病贵”是对个人，还是对政府或社会而言。事实证明，投入不足固然难解困局，但单纯靠加大资金投入也同样是解决不了这场危机的。本课题组认识到，上述理念是事关整个医疗卫生体制改革的全局性大问题，非一时能成为可具操作性的方针政策。而眼下面临的则是将要对农村基层实施具体装备部署的现实问题。因此，本课题将力求在以上述指导思想为纲的前提下，紧密结合现有实际情况进行分析研究。
我国的医疗卫生事业是构建社会主义和谐社会和建设新农村的重要组成部分。从社会角度讲,“看病贵”的问题不只是中国有，也是世界各国所面临的难题，不同之处在于“看病贵”是对个人，还是对政府或社会而言。事实证明，投入不足固然难解困局，但单纯靠加大资金投入也同样是解决不了这场危机的。本课题组认识到，上述理念是事关整个医疗卫生体制改革的全局性大问题，非一时能成为可具操作性的方针政策。而眼下面临的则是将要对农村基层实施具体装备部署的现实问题。因此，本课题将力求在以上述指导思想为纲的前提下，紧密结合现有实际情况进行分析研究。
2012, 1(2):13-19.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201207003
摘要:
重症监护病房中的病人身体状况通常很不稳定，常出现各种需要医护人员介入治疗的紧急状况。由于医疗资源有限，医护人员可能无法及时发现并处理这些紧急状况，给病人的存活率带来严重的负面影响。如果可以预测这些紧急状况的发生，并及时通知相关医护人员，将大大提高病人的存活率。常见重症监护病房紧急状况包括突然死亡、败血症、肺部感染、急性低血压、以及器官衰竭等。紧急状况预警建模主要采用病人的长时间生命体征监测数据，预测在一定时间之后发生某种紧急状况的可能性。预警模型所采用的监测数据分为静态数据、事件数据和时间序列数据等三类。静态数据具有容易采集、但预测准确性偏低的特点。事件数据或时间序列数据、以及多种类型数据的混合数据对于紧急状况预警模型的预测性能的提高有重要作用，将会获得更广泛的应用。
重症监护病房中的病人身体状况通常很不稳定，常出现各种需要医护人员介入治疗的紧急状况。由于医疗资源有限，医护人员可能无法及时发现并处理这些紧急状况，给病人的存活率带来严重的负面影响。如果可以预测这些紧急状况的发生，并及时通知相关医护人员，将大大提高病人的存活率。常见重症监护病房紧急状况包括突然死亡、败血症、肺部感染、急性低血压、以及器官衰竭等。紧急状况预警建模主要采用病人的长时间生命体征监测数据，预测在一定时间之后发生某种紧急状况的可能性。预警模型所采用的监测数据分为静态数据、事件数据和时间序列数据等三类。静态数据具有容易采集、但预测准确性偏低的特点。事件数据或时间序列数据、以及多种类型数据的混合数据对于紧急状况预警模型的预测性能的提高有重要作用，将会获得更广泛的应用。
2012, 1(2):20-25.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201207004
摘要:
便携式医疗仪器与无线通信技术以及网络技术的结合，使移动医疗成为可能。考虑到移动生理参数监测设备的特殊应用条件，面向移动医疗的芯片设计面临低功耗、低频率和低噪声的挑战。本文设计的SoC芯片采用低频率、低噪声、低功耗（三低）的设计方案，主要研究四个方面的内容，即全差分模拟前端、电源管理、人体近端无线通信、数字信号协处理器和系统集成。
便携式医疗仪器与无线通信技术以及网络技术的结合，使移动医疗成为可能。考虑到移动生理参数监测设备的特殊应用条件，面向移动医疗的芯片设计面临低功耗、低频率和低噪声的挑战。本文设计的SoC芯片采用低频率、低噪声、低功耗（三低）的设计方案，主要研究四个方面的内容，即全差分模拟前端、电源管理、人体近端无线通信、数字信号协处理器和系统集成。
2012, 1(2):26-30.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201207005
摘要:
在最近几十年，人们对低成本、非接触和普适方法测量生理信息（心率、心率变异性、血氧饱和度等）产生了浓厚的兴趣。传统的临床测量生理信息的方法包括Ag/AgCl电极测量心率和心率变异性，二氧化碳分析仪测量呼吸率状态，脉搏血氧饱和度仪测量血氧饱和度。这些方法虽然可以获得完美的信号，但是他们价格昂贵、使用麻烦、不方便。基于光体积描述记成像技术检测生理信息提供了一个人体生理健康检测的新方法。血流速度、血流量和血压可间接地评估血容量，反过来，血容量间接反映了这些生理参数的变换。光在人体组织的反射或透射可以得到血容量的变化。使用电脑摄像头或手机摄像头扑捉的人体皮肤表面成像，通过对成像光信号的处理和分析，获得一些生理信息，如心率、呼吸率、心率变异性和血氧饱和度等。在本文中，我们回顾使用光体积描述记成像技术在非接触健康检测领域里的最新发展，论述面临的挑战和将来的发展方向。
在最近几十年，人们对低成本、非接触和普适方法测量生理信息（心率、心率变异性、血氧饱和度等）产生了浓厚的兴趣。传统的临床测量生理信息的方法包括Ag/AgCl电极测量心率和心率变异性，二氧化碳分析仪测量呼吸率状态，脉搏血氧饱和度仪测量血氧饱和度。这些方法虽然可以获得完美的信号，但是他们价格昂贵、使用麻烦、不方便。基于光体积描述记成像技术检测生理信息提供了一个人体生理健康检测的新方法。血流速度、血流量和血压可间接地评估血容量，反过来，血容量间接反映了这些生理参数的变换。光在人体组织的反射或透射可以得到血容量的变化。使用电脑摄像头或手机摄像头扑捉的人体皮肤表面成像，通过对成像光信号的处理和分析，获得一些生理信息，如心率、呼吸率、心率变异性和血氧饱和度等。在本文中，我们回顾使用光体积描述记成像技术在非接触健康检测领域里的最新发展，论述面临的挑战和将来的发展方向。
2012, 1(2):31-34.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201207006
摘要:
人体传感网络集生物医学工程技术和无线传感器网络于一体，具有微型化、低功耗、操作简单及使用安全等特点，可以实时低负荷地对人体进行生理信息和运动信息的监测，本文主要介绍人体传感网络及在健康监护方面的应用，如人体姿态获取、跌倒监测、康复训练等。基于自主研发的人体传感器网络，对偏瘫患者进行步态分析，临床试验证明其步态与正常人比较有显著差异。
人体传感网络集生物医学工程技术和无线传感器网络于一体，具有微型化、低功耗、操作简单及使用安全等特点，可以实时低负荷地对人体进行生理信息和运动信息的监测，本文主要介绍人体传感网络及在健康监护方面的应用，如人体姿态获取、跌倒监测、康复训练等。基于自主研发的人体传感器网络，对偏瘫患者进行步态分析，临床试验证明其步态与正常人比较有显著差异。
2012, 1(2):35-39.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201207007
摘要:
医疗机器人是国内外医疗技术研究的热门前沿，有着潜在的广阔市场需求。内照射放疗机器人，综合了内照射放疗技术和图像引导治疗技术，是医疗机器人的典型代表。文章首先介绍近距离放疗技术、图像引导治疗技术，然后讨论内照射放疗机器人系统，最后对内照射放疗机器人的研究进行总结和展望。
医疗机器人是国内外医疗技术研究的热门前沿，有着潜在的广阔市场需求。内照射放疗机器人，综合了内照射放疗技术和图像引导治疗技术，是医疗机器人的典型代表。文章首先介绍近距离放疗技术、图像引导治疗技术，然后讨论内照射放疗机器人系统，最后对内照射放疗机器人的研究进行总结和展望。
2012, 1(2):40-45.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201207008
摘要:
开放标准的肿瘤信息系统在不断发展，以此应对现代肿瘤临床试验带来的挑战。本文提出面向服务的软件范例，用于衍生临床试验信息管理系统，支持多机构协同肿瘤研究。提出的方案将临床试验（元）模型和基于WSRF(Web Services Resource Framework)的面向服务体系结构(Service-Oriented Architecture, SOA)相结合，并且应用早期临床试验进行评估。尽管主要目的是针对肿瘤研究，但也适用于具有相似信息模型的其它领域。
开放标准的肿瘤信息系统在不断发展，以此应对现代肿瘤临床试验带来的挑战。本文提出面向服务的软件范例，用于衍生临床试验信息管理系统，支持多机构协同肿瘤研究。提出的方案将临床试验（元）模型和基于WSRF(Web Services Resource Framework)的面向服务体系结构(Service-Oriented Architecture, SOA)相结合，并且应用早期临床试验进行评估。尽管主要目的是针对肿瘤研究，但也适用于具有相似信息模型的其它领域。
2012, 1(2):46-49.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201207009
摘要:
近年来快速发展的微流控技术为单细胞基因诊断的基础研究提供了一个有力的平台,微流控芯片具有样品和试剂低消耗、快速实时、大量样本平行处理等优点，还可以使分析过程自动化、防止污染以及完成自动高效的重复实验。本文主要介绍一种用于高通量单细胞基因表达水平分析的微流控芯片技术平台。芯片集成了单细胞捕获、裂解、纯化、逆转录等生物样品处理单元，通过内置气动微阀实现细胞反应腔的独立寻址，从而实现单细胞处理与分析整个过程的自动化操控。实验结果显示了此平台可以实现基因表达水平稳定性的评估，具有应用于肿瘤早期诊断领域的潜力。
近年来快速发展的微流控技术为单细胞基因诊断的基础研究提供了一个有力的平台,微流控芯片具有样品和试剂低消耗、快速实时、大量样本平行处理等优点，还可以使分析过程自动化、防止污染以及完成自动高效的重复实验。本文主要介绍一种用于高通量单细胞基因表达水平分析的微流控芯片技术平台。芯片集成了单细胞捕获、裂解、纯化、逆转录等生物样品处理单元，通过内置气动微阀实现细胞反应腔的独立寻址，从而实现单细胞处理与分析整个过程的自动化操控。实验结果显示了此平台可以实现基因表达水平稳定性的评估，具有应用于肿瘤早期诊断领域的潜力。
2012, 1(2):50-54.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201207010
摘要:
本文采用了一种基于链码的匹配技术来完成心血管的提取和重建，我们通过基于知识的计算机高级视觉技术，利用链码理论对已获取的血管中轴和轮廓线进行编码，从而建立起其间的对应关系，并用于后期的三维重建。我们首先对模式识别中链码的串匹配算法作一个简要介绍，并详细分析讨论了其中的关键难点：编码、代价函数、归一化的链间距离，使其能够适用于我们的工作。我们分别用仿真数据和实际心血管图象进行实验，并使用标准公式进行评估。结果表明我们方法的正确性，并给出了初步重建的结果。
本文采用了一种基于链码的匹配技术来完成心血管的提取和重建，我们通过基于知识的计算机高级视觉技术，利用链码理论对已获取的血管中轴和轮廓线进行编码，从而建立起其间的对应关系，并用于后期的三维重建。我们首先对模式识别中链码的串匹配算法作一个简要介绍，并详细分析讨论了其中的关键难点：编码、代价函数、归一化的链间距离，使其能够适用于我们的工作。我们分别用仿真数据和实际心血管图象进行实验，并使用标准公式进行评估。结果表明我们方法的正确性，并给出了初步重建的结果。
2012, 1(2):55-60.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201207011
摘要:
胸部放射治疗计划的一个先决条件就是精确建模胸部器官的呼吸运动。虽然4D成像技术的出现使得呼吸过程中肺部能够可视化，但获得不同呼吸阶段体素的精确对应依然是一个充满挑战的难题。本文主要研究肺部放射治疗中的弹性配准问题，采用基于全变差（Total Variation, TV）正则化的快速自由形变（Fast Free-form Deformable, FFD）模型弹性配准方法处理胸部器官运动的不连续性。我们将配准问题建模为求解一个包含图像相似性测度与光滑性测度的能量泛函的最小值，通过变分法，将该能量泛函极小化问题转化为求解对应的Euler-Largange偏微分方程，利用有限差分法、三线性插值、牛顿迭代法，迭代求解出偏移场。我们在胸部二维CT影像、肺部三维CT影像、腹部三维MRI影像上对所提算法进行了验证，结果表明该算法在处理器官不连续性运动的配准方面比传统的最小二乘化优化算法以及基于2范数正则化的算法更具有优越性。该算法结合了TV norm保持图像边缘的能力以及FFD自由度高这两个优点，精度高、速度快、且全自动。随着现代4D放射治疗的影响日益增大，该方法能够在以后的临床中发挥作用。
胸部放射治疗计划的一个先决条件就是精确建模胸部器官的呼吸运动。虽然4D成像技术的出现使得呼吸过程中肺部能够可视化，但获得不同呼吸阶段体素的精确对应依然是一个充满挑战的难题。本文主要研究肺部放射治疗中的弹性配准问题，采用基于全变差（Total Variation, TV）正则化的快速自由形变（Fast Free-form Deformable, FFD）模型弹性配准方法处理胸部器官运动的不连续性。我们将配准问题建模为求解一个包含图像相似性测度与光滑性测度的能量泛函的最小值，通过变分法，将该能量泛函极小化问题转化为求解对应的Euler-Largange偏微分方程，利用有限差分法、三线性插值、牛顿迭代法，迭代求解出偏移场。我们在胸部二维CT影像、肺部三维CT影像、腹部三维MRI影像上对所提算法进行了验证，结果表明该算法在处理器官不连续性运动的配准方面比传统的最小二乘化优化算法以及基于2范数正则化的算法更具有优越性。该算法结合了TV norm保持图像边缘的能力以及FFD自由度高这两个优点，精度高、速度快、且全自动。随着现代4D放射治疗的影响日益增大，该方法能够在以后的临床中发挥作用。
2012, 1(2):61-64.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201207012
摘要:
本文针对OCT图像噪声的特点，考虑一般的鞍点结构，提出一种原始-对偶算法，对OCT图像进行降噪处理。在对散斑噪声模型取对数处理之后，结合加性噪声的特点，采用原始-对偶结构提出算法，运算较为简单，容易编程实现，文中实验与均值滤波、半软阈值方法进行比较，结果表明，该算法在有效去除噪声的同时较好地保留了OCT图像中的重要细节信息，使图像的细节部分清晰。该算法可有效地去除OCT图像散斑噪声，提高图像的质量，同时文章建立的一般模型可推广到图像分割、目标识别和运动估计等图像处理领域。
本文针对OCT图像噪声的特点，考虑一般的鞍点结构，提出一种原始-对偶算法，对OCT图像进行降噪处理。在对散斑噪声模型取对数处理之后，结合加性噪声的特点，采用原始-对偶结构提出算法，运算较为简单，容易编程实现，文中实验与均值滤波、半软阈值方法进行比较，结果表明，该算法在有效去除噪声的同时较好地保留了OCT图像中的重要细节信息，使图像的细节部分清晰。该算法可有效地去除OCT图像散斑噪声，提高图像的质量，同时文章建立的一般模型可推广到图像分割、目标识别和运动估计等图像处理领域。
2012, 1(2):65-68.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201207013
摘要:
50/60赫兹电源线引起的电磁干是生理测量中的一个主要问题。使用嵌入式的常规方法即费时又需要大量的计算。在本文中，我们开发了一个基于硬件加速的数字滤波器。与ASIC编入一个可重构的快速傅立叶变换（FFT）的单位，有版权的ARM7TDMI IP hardcore和几个外围IP模块的设计实施。与其他方法相比，这种设计实现了在低频率范围，适合生理信号以及精确的结果。我们的方法明显比传统方法快。仿真和应用结果验证了该方法的准确性和效率。
50/60赫兹电源线引起的电磁干是生理测量中的一个主要问题。使用嵌入式的常规方法即费时又需要大量的计算。在本文中，我们开发了一个基于硬件加速的数字滤波器。与ASIC编入一个可重构的快速傅立叶变换（FFT）的单位，有版权的ARM7TDMI IP hardcore和几个外围IP模块的设计实施。与其他方法相比，这种设计实现了在低频率范围，适合生理信号以及精确的结果。我们的方法明显比传统方法快。仿真和应用结果验证了该方法的准确性和效率。
