1、現代醫療中信息技術的應用和發展趨勢信息技術學院江依法jiang-主要內容，理工學思維的哲學基礎，數學的重要性，計算機思維，中國的醫學發展簡史，信息技術的發展簡史，現代醫療中的信息技術，未來展望一、理工學思維的哲學基礎唯物論辯證法世界是物質的（試圖證明上帝的存在）物質是運動的（刻舟求劍？）運動是有規律的（不可知論）規律是可以認識的（認知科學）卡爾波普爾(1902-1994 )的科學哲學 卡爾波普爾（1902-1994，Sir Karl Raimund Popper），猶太人，20世紀最著名的哲學家之一。1902年7月28日生于奧地利，1994年9月17日逝于英國倫敦。批判理性主義的創始人。他認為

2、經驗觀察必須以一定理論為指導，但理論本身又是可證偽的，因此應對之采取批判的態度。可證偽性是科學的不可缺少的特征，科學的增長是通過猜想和反駁發展的，理論不能被證實，只能被證偽，因而其理論又被稱為證偽主義。例子：印度天才數學家拉馬努金的1887年12月22日生于印度南方坦焦爾區的埃羅德，1920年4月26日卒于馬德拉斯附近。他經常宣稱夢中娜瑪卡爾女神給他啟示，一早醒來就能寫下半打子極為夸張的公式。他獨立發現了30004000個公式 。 1700萬位是正確的工學的任務工學是指工程學科的總稱。包含：儀器儀表，能源動力，電氣信息，交通運輸，海洋工程，輕工紡織，航空航天，力學， 生物工程，農業工程，林業工

3、程，公安技術，植物生產，地礦，材料，機械，食品 武器，土建，水利，測繪，環境與安全，化工與制藥等專業。工學學士 bachelor of engineering =B.E. 怎么辦？理工學思維的哲學基礎模型化思維modelA: 實物模型器物模具青銅產品人呢？理工學思維的哲學基礎模型化思維A: 抽象模型數學模型數學模型1數學模型21/mfaC2mE理工科學研究建立模型，分析模型智能運輸系統（Intelligent Transport System,簡稱ITS） 科學研究的過程就是建模的過程人口模型科學研究的過程就是建模的過程科學研究的過程就是建模的過程1903年12月28日，在匈牙利首都布達佩斯誕

4、生了一位神童，他就是約翰馮諾依曼（John Von Neumann）。他開創了現代計算機理論，計算機體系結構，沿用至今，而且他早在40年代就已預見到計算機建模和仿真技術對當代計算機將產生的意義深遠的影響。“科學并不是試圖去說明、去解釋什么，科學主要的是建立模型”對比中世紀歐洲學者的因果論：為什么要下雨？是為了澆灌莊稼。為什么要澆灌莊稼？是為了使人類有食物。為什么要使人類有食物？是為了使人類生存。人類為什么要生存？是為了一心一意地侍奉上帝。科學創造的過程就是建模的過程伽利略提出要以一種關于自然現象的定量描述，取代一切不可捉摸、主觀隨意的玄妙 “理論”。自由落體的位移公式：模型的分析過程仿真(si

5、mulation)利用模型復現實際系統中發生的本質過程，并通過對系統模型的實驗來研究存在的或設計中的系統，又稱模擬。這里所指的模型包括物理的和數學的，靜態的和動態的，連續的和離散的各種模型。所指的系統也很廣泛,包括電氣、機械、化工、水力、熱力等系統,也包括社會、經濟、生態、管理等系統。當所研究的系統造價昂貴、實驗的危險性大或需要很長的時間才能了解系統參數變化所引起的后果時，仿真是一種特別有效的研究手段。仿真的重要工具是計算機，仿真與數值計算、求解方法的區別在于它首先是一種實驗技術。仿真的過程包括建立仿真模型和進行仿真實驗兩個主要步驟。 Dynamical Model of QT-RRSynch

6、ronization of RR-QT Heart Rate (/s)QT interval (s)t = 300sParameters Fitting24h ResultsThe Index of QT/RR(HF)ResultsRR-QT Dynamics have Circadian rhythm.KP and KD have no relationship with heart rate or LF/HF.KP is high related with QT/RR (HF).The KD reflects the hysteresis of RR-QT, its underlying

7、mechanism is still unknow.中醫藥理論中的模型中醫理論（黃帝內經）陰陽五行學說（陰陽五行模型）應用五行模型研究五臟的關系中藥理論（神農本草）君臣佐使模型組方原則中的應用張仲景傷寒雜病論中的麻黃湯君：麻黃發汗解表、宣肺平喘臣：桂枝助麻黃佐：杏仁降利肺氣使：甘草調和諸藥二、數學的重要性-在于建立數學模型道可道非恒道道德經高斯：數學為“科學之母”。愛因斯坦：“數學定律越和現實有關，它們越不確實；若它們越是確定的話，它們和現實越不會有關。”真理是否只能由數學模型來說明？數學的重要性 數學的三大特點 第一：抽象性。第二：精確性。第三：應用的極端廣泛性。信息科學中的數據、信息、知識

8、Data:Information:樹、馬Knowledge系統3棵樹匹馬抽象現代數學的各個分支數量 結構空間 變化 基礎與哲學 離散數學：對理論計算機科學最有用處的數學領域之總稱，包含有可計算理論、計算復雜性理論及信息論。應用數學 ：應用數學思考將抽象的數學工具運用在解答科學、工商業及其他領域上之現實問題。應用數學中的一重要領域為統計學，它利用機率論為其工具并允許對含有機會成分的現象進行描述、分析與預測。大部份的實驗、測量及觀察研究需要統計對其資料的分析。數值分析研究如何有效地用電腦的方法解決大量因太大而不可能以人類的演算能力算出的數學問題；它亦包含了對計算中舍入誤差或其他來源的誤差之研究。數

9、學與計算機科學計算機科學是第二次工業革命第一次工業革命是以蒸汽機的出現代替人的勞動，第二次工業革命是以計算機的出現取代人的智力活動，第三次工業革命可是計算機科學與通訊技術的結合將人類的時空改變？計算機科學是數學巢里孵化出來的杜鵑計算機科學的奠基者圖靈（ A.M.Turing,1912-1954）和馮諾伊曼都是數學家。數學與計算機科學計算機科學也推動了數學的發展可計算性理論圖靈機計算機的發展成為三大科學研究方法之一理論分析實驗手段數值計算和模擬數學與計算機科學烏拉姆 （Stanislaw Marein Ulam，19091984 ）美國數學家。提出過這樣的問題： (1) 在三維空間給定一條封閉的

10、曲線和現狀固定的剛體，問剛體能否通過曲線？可以通過嘗試解決問題。(2)在五維空間給定一條封閉的曲線和現狀固定的剛體，問剛體能否通過曲線？只能放到計算機上考慮，并進行投影。數學與計算機科學機器是否有智能？圖靈在1950年mind雜志上發表了一篇文章：Computing Machinery and Intelligence。提出了人工智能(AI)的概念 人工智能(AI)在醫學上的應用臨床醫療診斷神經網絡技術中醫學專家系統醫學影像診斷三、培養計算機思維不能局限于某一具體應用。不能局限于某一程序語言。計算機科學的本質應該是培養計算機思維。(1) 計算機是一個工具，不可能完全代替人的智能。(2) 明白計

11、算機工作的基本原理。(3) 能充分利用計算機解決實際問題。四、中國的醫學發展簡史古代醫學中醫（四大經典）一、黃帝內經戰國秦漢時期基本內容：1，強調整體觀念：人與天地自然是統一的 人體自身是統一的 人的身心是統一的 人與社會是統一的 2，重視臟腑經絡3，運用陰陽五行學說貢獻：奠定了中醫學理論基礎建立中醫理論模型黃帝內經素問靈蘭秘典論第八篇黃帝問曰：愿聞十二臟之相使，貴賤何如？ 岐伯對曰：悉乎哉問也。請遂言之！心者，君主之官也，神明出焉。肺者，相傅之官，治節出焉。肝者，將軍之官，謀慮出焉。膽者，中正之官，決斷出焉。膻中者，臣使之官，喜樂出焉。脾胃者，食廩之官，五味出焉。大腸者，傳道之官，變化出焉。

12、小腸者，受盛之官，化物出焉。腎者，作強之官，伎巧出焉。三焦者，決瀆之官，水道出焉。膀胱者，州都之官，津液藏焉，氣化則能出矣。凡此十二官者，不得相失也。 故主明則下安，以此養生則壽，歿世不殆，以為天下則大昌。主不明則十二官危，使道閉塞而不通，形乃大傷，以此養生則殃，以為天下者，其宗大危，戒之戒之。 至道在微，變化無窮，孰知其原。窘乎哉，消者瞿瞿，孰知其要。閔閔之當，孰者為良。恍惚之數，生于毫厘，毫厘之數，起于度量，千之萬之，可以益大，推之大之，其形乃制。 黃帝曰：善哉，余聞精光之道，大圣之業，而宣明大道，非齊戒擇吉日不敢受也。黃帝乃擇吉日良兆，而藏靈蘭之室，以傳保焉。古代醫學中醫（四大經典）二、

13、難經作者與成書：漢代主要內容與成就：（1）提出了“獨取寸口” 診脈法（2）發展了內經的經絡學說（3）發展了內經的“命門”“三焦”學說古代醫學中醫（四大經典）三、神農本草經作者與成書：東漢內容與成就：1，創藥物的三品分類法2，記述了藥物學理論（重點）：3，記載了臨床用藥原則和服藥方法4，論述藥物的功效主治 影響：奠定中藥學的基礎。我國現存最早的一部藥物學重要典籍，是對藥物學的第一次總結。古代醫學中醫（四大經典）四、傷寒雜病論作者與成書年代：張仲景 東漢內容與成就：1，提出了辨證論治范例（難點）： 以六經論治傷寒，以臟腑論治雜病2，對方劑學的貢獻：嚴謹的組方原則；創制了多種方劑的劑型。記載大量有效

14、方劑影響：奠定中醫臨床醫學的基礎。其確立的辨證論治的原則一直指導著后世醫家的臨床實踐。理法方藥體系和辨證論治原則一、理法方藥體系的內容和特點基本理論診治法則方劑配伍藥物規范二、辨證論治原則的基本精神金元四大家 劉完素認為疾病多因火熱而起，在治療上多運用寒涼藥物，固此稱之為寒涼派。張從正認為治病應著重驅邪，“邪去而正安。”在治療方面豐富和發展了汗、吐、下三法，世稱攻下派。李杲認為“人以胃氣為本”，在治療上長于溫補脾胃，因而稱之為補土派。朱震亨認為“陽常有余、陰常不足”，善用“滋陰降火”的治則，世稱養陰派。 中醫科學化思潮（世紀末世紀初）1、代表人物丁福保，他最早提出中醫科學化的口號，又是主張中醫

15、科學化的激進派。陸淵雷 ，激烈倡導中醫科學化。 譚次仲、施今墨、時逸人、何云鶴、楊醫亞、葉橘泉、梁乃津 2、中醫科學化學術思想要點以科學方式整理中醫 中醫經驗可貴，理論不科學。最主要的代表人物是陸淵雷和譚次仲1949年以來，中西醫并存西醫為主西醫是什么？化學藥品病理（強調實驗）中西醫統一的可能性？優劣之分？五、信息技術的發展簡史第一次：語言的使用 第二次：文字的創造 第三次：印刷術的發明 第四次：電報、廣播、電視的發明和普及應用 第五次：計算機的普及應用及計算機與現代通信技術的結合 計算機的發展1946年,第一臺電子數字積分計算器(ENIAC)在美國建造完成。 1947年,美國計算器協會(AC

16、M)成立。 1947年,英國完成了第一個存儲真空管O 1948貝爾電話公司研制成半導體。 1949年,英國建造完成“延遲存儲電子自動計算器”(EDSAC) 1950年,“自動化”一詞第一次用于汽車工業。 1951年,美國麻省理工學院制成磁心 1952年,第一臺“儲存程序計算器”誕生。 1952年,第一臺大型計算機系統IBM701宣布建造完成。 1952年,第一臺符號語言翻譯機發明成功。 1954年,第一臺半導體計算機由貝爾電話公司研制成功。 1954年,第一臺通用數據處理機IBM650誕生。 1955年,第一臺利用磁心的大型計算機IBM705建造完成。 1956年,IBM公司推出科學704計算

17、機。 1957年,程序設計語言FORTRAN問世。 1959年,第一臺小型科學計算器IBM620研制成功。 1960年,數據處理系統IBM1401研制成功。 1961年,程序設計語言COBOL問世。 1961年,第一臺分系統計算機由麻省理工學院設計完成。 1963年,BASIC語言問世。 1964年,第三代計算機IBM360系列制成。 1965年,美國數字設備公司推出第一臺小型機PDP-8。 1969年,IBM公司研制成功90列卡片機和系統-3計算機系統。 1970年,IBM系統1370計算機系列制成。 1971年,伊利諾大學設計完成伊利阿克IV巨型計算機。 1971年,第一臺微處理機4004

18、由英特爾公司研制成功。 1972年,微處理機基片開始大量生產銷售。 1973年,第一片軟磁盤由IBM公司研制成功。 1975年,ATARI-8800微電腦問世。 1977年,柯莫道爾公司宣稱全組合微電腦PET-2001研制成功。 1977年,TRS-80微電腦誕生。 1977年,蘋果-II型微電腦 1978年,磁泡存儲器第二次用于商用計算機。 1979年,夏普公司宣布制成第一臺手提式微電腦。 1982年,微電腦開始普及，大量進入學校和家庭。 1984年,日本計算機產業著手研制第五代計算機-具有人工智能的計算機。 六、現代醫療中的信息技術醫學輔助診療醫學智能服務醫學通訊服務電子病歷醫院管理醫學研

19、究數據庫新藥開發數字圖像處理的應用實例醫學超聲圖像處理胎兒超聲圖像重建（圖像的三維重建）數字圖像處理的應用實例核磁共振成像（MRI)核磁共振圖像的擴散算法和神經纖維追蹤數字圖像處理的應用實例線斷層掃描成像(CT)數字化虛擬人數字圖像處理的應用實例顯微鏡圖像系統Mamography 乳房攝影發現有早期小腫瘤指紋識別FS88型指紋識別器數字圖像處理的應用實例紅細胞自動計數系統電子病歷電子病歷（EMR,Electronic Medical Record）也叫計算機化的病案系統或稱基于計算機的病人記錄（CPR,Computer-Based Patient Record）。用電子設備（計算機、健康卡等）

20、保存、管理、傳輸和重現的數字化的病人的醫療記錄，取代手寫紙張病歷。內容包括紙張病歷的所有信息。美國國立醫學研究所將定義為：EMR是基于一個特定系統的電子化病人記錄， 該系統提供用戶訪問完整準確的數據、警示、提示和臨床決策支持系統的能力。遠程醫療遠程醫療是指通過計算機技術、通信技術與多媒體技術，同醫療技術相結合，旨在提高診斷與醫療水平、降低醫療開支、滿足廣大人民群眾保健需求的一項全新的醫療服務。目前，遠程醫療技術已經從最初的電視監護、電話遠程診斷發展到利用高速網絡進行數字、圖像、語音的綜合傳輸，并且實現了實時的語音和高清晰圖像的交流，為現代醫學的應用提供了更廣闊的發展空間。國外在這一領域的發展已

21、有40多年的歷史，而我國只在最近幾年才得到重視和發展。A. CompensationPerformanceex: reaching, feeding.B. Training Passive:Limitation Active (Robotic Therapy) :RecoveryB. Training - PassiveMaintain Functional ROM, stiffnessex: Continuous Passive Motion (CPM) B. Training Active (1)with resistanceStrength, Endurance ROM, Velocit

22、yNorthwestern University Mechanical Engineering Dept. Laboratory for Intelligent Mechanical Systems B. Training Active (2)With TargetMotor controlMIT-MANUSRobotic Therapy on Motor Impairment and Recovery in Chronic Stroke. 1998B. Training Active (2)Massachusetts Institute of Technology (MIT) Departm

23、ent of Mechanical Engineering & Department of Brain and Cognitive Sciences. 1994Motion Capture VICONMotion Capture Data + 3D Model+Open VRex:Close VRVR + Robotic Therapy (1)Physical Medicine and Rehabilitation,Mechanical & Biomedical Engineering,Northwestern University VR + Robotic Therapy (2)IEEE-U

24、SA and the Human Factors and Ergonomics Society Robotic Arm for Stroke Victims Doctors and Engineers Develop Virtual-Reality Recovery for Stroke Victims. 2005VR + Robotic Therapy (3)Hocoma - Armeo 2006 MAIN RESEARCH AREASQuantum Calculations Organic reactions Materials Processes Chemoinformatics Mol

25、ecular Graphs Data Mining Spectral Simulation Structural Elucidation Molecular Similarity and DiversityBioactive Molecules and Drug Design PPGs, Rutin, Quercetin, : Action Mechanism Saccharide-Saccharide Interaction Rational Structure Generation Anti-HIV Drug Design Anti-Cancer Drug Design Virtual H

26、igh Throughput Screening RNA Target Drug Design Non-Linear Methods Applied to QSAR/QSPR ANNs and Applications in QSPR SVM and Applications to QSAR/QSPR Genetic AlgorithmsBTheoretical Study of Reaction Mechanism Geometries of transition states obtained from ab initio calculation Imaginary frequency:

27、338.98cm1 for axial attack TS, 383.37cm1 for equatorial attack TS B.T. Fan, A. Barbu and J.P. Doucet, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2., 1997, pp1937-1941. G. Klopman, M.H. Tu and B.T. Fan, Theor. Chem. Acc., 1999,102,33-38.O. Sprandio, B. T. Fan , K. Zakrzewska, Z.J. Jia , R.L. Zheng, A. Panaye, J.P.

28、 Doucet, N. Elefassi, SAR and QSAR Environ. Research., 2002, 13, 243-260.Kun Gao, Bo Tao Fan, Nadia El Fassi, Krystyna Zakrzewska, Zhongjian Jia, Ronglian Zheng, Annick Panaye, and Jean-Pierre Doucet , QSAR & Comb. Sci., 2003, 22, 18-28. P.F. Xu, S. Li, T.J. Lu, C.C. Wu, B.T. Fan, G. Golfis, submitt

29、ed to JACS.Molecular Graph Handling Ring Perception;Detection of Constitutionally Equivalent Sites;Automorphism;Homomorphism;Isomorphism;Pattern Recognition;Graphic Index;Canonic Numbering;Relative Symmetry; RING PERCEPTIONCALCULATION OF SR NUMBER (nR)IN SSSR Elimination TechniqueThis technique conc

30、erns the successive removal of reducible nodes from a block according certain criteria, which decreases rapidly the number of nodes involved in next searching step of the smallest rings, and saves considerably the CPU time.Strategy of Spectral SimulationSIRS-SS: Substructure/Subspectra correlation4

31、subdatabases: .Small molecules; .Particular fragments;.Atom focused FRELs; .Bond focused FRELsPedicularisBioactive Natural Substances and Drug DesignABGeneral PPG StructureInhibition of oxidative hemolysis in erythrocytes Inhibition of auto-oxidation of linoleic acidScavenging effects on superoxide anion Function of anti-radicalRepair DNA bases damaged by hydroxy radicalsE=E4-(E1+E3)=18.36kcal/molEa=E4-(E2+E3) =1.62kcal/molD(N-O)=2.8FAST REPAIR OF DAM