绪论补充__医学信息学与脑科学

《绪论补充__医学信息学与脑科学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《绪论补充__医学信息学与脑科学（46页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、Brief Introduction of Medical Informatics and Brain Science医学信息学与脑科学介绍医学信息学w现代计算机科学和信息技术的飞速发展已给生物医学领域给予 了有力的支持。医学信息学、生物信息学与生物、生理、药理 一样，已是二十一世纪从事医药研究和医学临床工作不可缺少 的工具之一。医学信息学与生物信息学在国外已经步入成熟期 ，由此产生崭新的研究成果使生命科学在近年有了飞速的发展 ，特别是基因工程的突破性进展方面成效显著。各种生物医学 信息的提取、处理和管理使医学研究与临床诊断、治疗有了崭 新的手段。特别对人类脑计划研究有着重大的影响。如果没有

2、医学信息学的智能决策系统的支持，目前使用的几乎所有的先 进设备和技术都是无助的。医学信息学是一门综合性较强的多学科交叉的科学，它的 特点是以计算机、信息技术、电子学、物理学、人工智能等结 合生物医学医学、分子生物学、数学、工程等学科为一体的学 科。医学信息学的概念w医学信息学是一门全新的科学，它利用计算机技术、 信息技术和系统分析工具去开发医学信息与生物信息 的处理程序、算法以实施医学知识的管理、信息处理 和信息过程的控制、实现医学领域的决策支持和医学 知识的分析，实现基因与蛋白质科学以及脑信息学的 分析研究。 w医学信息学研究的内容包括理论和实践两部分，它们 既基于医疗卫生的知识和经验，来源

3、于医学信息处理 、信息传输、利用的实践，又基于分子生物学的基因 和蛋白质的分析研究、脑科学信息的研究。医学信息 学它涉及医学信息与生物信息的存储、获取和医药信 息的利用，它是一个新型的多学科交叉的领域，没有 已定义的技能集、教育途径、工作范围描述。医学信息学的起源w起源于计算机科学和信息科学在医学和生命科学领域中的应用 。信息学的核心是控制论基础上的信息处理和应用。它包括决 策支持系统和各种分析系统。在这个基础上形成了医学信息、 生物信息学、医学计算机应用、医学计算机科学的各种应用分 支：卫生信息学、护理信息学、口腔信息学；医学信息传输及 远程医疗、医学数据处理和储存检索、医学信息处理算法模型

4、 、临床信息学、疾病信息模型；医学决策理论与应用、医学知 识库基础的人工智能系统、医院管理信息学、药市管理信息学 ；整合各学科基础上，在生物医学方面形成的新型学科有：计 算成像技术，生物信息学数据库和计算生物学、脑机接口技 术等，神经信息学与中医信息学。其中生物信息学技术和计算生物学用计算机和信息技术对人 基因组计划的实施起到了关键的作用，为分子生物学的发展起 到了举足轻重的作用。脑机接口技术是利用计算机技术提取 、识别、处理、控制人脑的活动，它将为脑认知和脑的思维活 动研究提供有力的支持。神经信息学和中医信息学是人类脑计 划的一个重要组成部分。医学信息学的研究领域w数据与信息领域：医学计算机

5、应用教学;信息技术的 医学应用研究;医学数据和信息发生与提取研究；医 学信息获取与传输、通信。 w计算机医学数据的处理领域： 医学数据处理；数据 库管理与开发；远程医学网络的集成。 w病人数据信息领域：医学信息编码与分类；病案记录 ；生物医学信号分析；医学成像模型研究；医学图像 处理与分析研究。 w患者为中心的信息系统：医疗保健管理与服务传递； 临床业务管理；临床保障支持系统；护理信息系统。 w基于医学知识库的决策支持：决策支持方法；临床决 策支持系统；医学知识获取的策略；临床决策支持预 测工具研究。w组织机构的信息系统：医药卫生信息系统开发建模；医院 临床信息系统的使用；医院信息系统的技术选

6、择和实施；卫生 事业信息资源研究。 w医学信息处理的方法学：逻辑操作模型研究；生物统计方 法；生物信号处理方法；图像处理方法；模式识别研究；决策 支持建模；基于计算机的病案结构化；临床信息系统的评估方 法研究。 w信息系统方法学：医疗卫生领域的人机接口技术；信息 系统的投资与利益；医学信息系统的安全；医疗卫生领域的信 息学和远程信息学标准研究；医学信息系统项目管理。 w生物信息学：基因和蛋白序列数据库；序列比较、分析；结 构预测；计算机引物设计；生物芯片信息数据库。 w医学信息学专业教育：医学信息学的教育和培训；国际范 围内的医学信息学的发展方向、技术和问题研究；医学信息学 模拟教学系统研究等

7、。w基于网络环境应用：远程保健或医疗的传递和实施； 远程在线检测系统；远程或网上医院策略和方法；远 程数据采集；远程医疗和网上医院的行业标准和医学 伦理学；网上医疗的电子商务系统及安全性。 w全球性医药卫生数据挖掘:数据挖掘模型和算法的研究 ；分布式数据库的开发与数据挖掘；基于INTERNET的 生物医学数据挖掘方法或模型； w以疾病为中心的信息模型：各种疾病的信息与控制模 型；疾病治疗的信息模型；环境对人体的生理参数作 用的信息模型等。 w脑科学相关:计算机脑机接口的研究；脑认知等神经 信息的提取、存储、分析；脑认知信息数据库的建立 和分析；特征认知的识别以及脑功能的信息学研究。人类脑计划与

8、神经信息学w人类脑计划与神经信息学的缘起曼哈顿计划、阿波罗登月计划和人类基 因组计划是划时代的三大科学工程，它们给 整个人类社会带来了深远的影响。人类基因 组计划是生物实验结果和信息学的完美结合 ，人类基因库将为人类健康、疾病诊断、药 物开发、生态平衡和生物学研究作出不可估 量的贡献。许多科学家认为，在人类基因组 计划之后应该是人类蛋白质组计划和人类脑 计划。w人类脑计划包括神经科学和信息学相互结合的研究， 其核心内容是神经信息学。 w脑科学和信息学是当今国际科学研究的两大热点，神 经信息学是这两大学科相结合的新兴的边缘学科。其 目标是利用现代化信息工具，使神经科学家和信息学 家能够将脑的结构

9、和功能研究结果联系起来，建立神 经信息学数据库和有关神经系统所有数据的全球知识 管理系统，将不同层次有关脑的研究数据进行检索、 比较、分析、整合、建模和仿真，绘制出脑功能、结 构和神经网络图谱，从而解决目前神经科学所面临的 海量数据问题，从基因到行为各个水平加深对大脑的 理解。w人脑的复杂性远远超出了我们目前的认识能力，传统 的细胞生物学等的实验室研究对于解决人脑对复杂信 息的获取、处理与加工及高级认知功能的机制非常有 限。神经信息学工具和数据库的应用，使得我们可能 从有限的实验数据中找出神经信息获取、处理和整合 的规律和法则，提出在各种刺激条件下，脑内信息加 工的数学模型的实验假设和用计算机

10、模拟脑内神经信 息网络。可以说，人类脑计划近20年的发展历程处处 将与神经信息学紧密相连。 脑科学研究的意义w由于人脑的结构和功能极其复杂，需要从分子、细胞 、系统、全脑和行为等不同层次进行研究和整合，才 有可能揭示其奥秘。为此，世界各国投入了大量的人 力和财力进行专门研究，美国把九十年代最后十年定 为“脑的十年”，欧洲确定了“脑的二十年研究计划”， 日本将21世纪视为“脑科学世纪”，脑科学的研究热潮 遍布全球。科学家们提出了“认识脑、保护脑、创造 脑”三大目标，人们相信脑科学的研究成果将为人类 更好地了解自己、保护自己、防治脑疾病和开发大脑 潜能等方面做出重要的贡献，“了解大脑、认识自身”

11、是21世纪的科学面临的最大挑战。人类脑计划w人类脑计划概述 w人类脑计划的基本概念始于 20 世纪 80 年代早期。 在美国国防部资助下，美国国立卫生研究院（NIH） 与美国国家自然科学基金会（NSF）的神经科学家、 计算机科学家与预研项目的负责人参加会议，集中讨 论了“利用新的计算机技术建立脑的数据库或模型”这 个议题。1992 年成立了“人类脑计划”联邦协调委员 会，1993 年发布了“人类脑计划：第一期可行性研究 ”的第一个项目。1997 年人类脑计划在美国正式启动 。2001 年 10 月，我国科学家赴瑞典参加了人类脑 计划的第四次工作会议，成为参加此计划的第 20 个 成员国。人类脑

12、计划的主要研究内容和研 究方法w脑是生物体内结构和功能最复杂的组织，人 脑内有神经细胞上千亿，它们以超过 1014个 神经突触互相联结，组成极其复杂的大脑神 经网络，是接受外界信号、产生感觉、形成 意识、进行逻辑思维、发出指令产生行为的 指挥部。 w人脑是极为精巧和完善的信息处理系统，是 人体内外环境信息获得、存储、处理、加工 和整合的中枢。人脑的结构和功能极其复杂 ，需要从不同的层次进行研究，对神经网络 和全脑功能的研究成为近几年神经信息学研 究的重点。w目前大脑神经网络的研究还仅限于对个别或 局部的重要的神经网络，还没有全面系统的 人脑研究计划。w要深入了解脑的功能需要像人类基因组计划 那

13、样，首先从启动人类神经组计划入手，对 人脑全部 1000 亿个神经元及其组成的神经网 络结构进行全面的计测，建立系统完整的神 经数据库。核心是神经信息学研究。神经信息学的研究方法w 神经与生理信息检测 w神经信息包括微观神经电生理信息:离子通道 水平、细胞水平和细胞群水平、宏观电生理 信息（脑电（磁）、心电（磁）、阻抗等） 以及与神经活动相关的宏观代谢信息:血氧、 血糖、新陈代谢、血压、体温等的计量测定 。 w一般以脑电为基础，结合微观神经电生理、 单细胞电位、膜片钳技术和多参数生理信息 采集的分析，在此基础上进一步向离子通道 水平、基因水平拓展，并结合神经活动代谢 功能（fMRI、PET等）

14、信息进行综合研究，形 成系统的神经信息研究体系。w脑功能成像技术是 20 世纪 80 年代出现的成 像技术，主要包括正电子发射断层成像（PET ）、单光子发射断层成像（SPECT）、功能 核磁共振成像（fMRI）、核磁共振波谱脑磁 图（MEG）、光学成像和脑电图（包括诱发 电位和脑电地形图）等。与结构成像不同， 功能成像所得到的是反映机体功能的信息。脑功能成像技术w从功能成像所得到的信息来看，PET、SPECT 和 fMRI所得到的是反映脑功能的三维断层图 像；脑磁图和脑电图所得到的是反映脑电和 脑磁信号变化规律的时间谱；光学成像所得 到的是局部大脑皮层表面的二维图像，所反 映的是大脑皮层对光

15、的吸收、反射或散射等 特性。 w脑功能成像的数据处理是指 PET、PECT 和 fMRI等三维断层功能图像的处理，即如何从 这些图像中获得所需的功能信息。 神经信息学电子网络w人类脑计划的研究目的就是利用神经信息学 工具和电子网络进行全球性科研协作，最终 建立起有关所有神经系统知识的管理系统。w目前，欧美工作组的成员已建立了各自的神 经信息学电子网络工作平台，并且正在制定 统一的数据格式和工作指南。建立神经信息 学电子网络主要用于为神经信息学工作人员 提供信息采集、加工、整理的网上合作平台 。w神经信息学电子网络建设是一项系统工程， 必须以一定的理论为基础。包括人工智能、 复杂科学和信息的不确

16、定性、不对称性研究 等。信息收集、加工、整理的根本目的在于 从网络海量信息中获取必要的知识。将网络 中无序的、散在的神经科学领域信息和数据 转换为有序地、系统的神经科学知识是一个 高度智能化的复杂的知识挖掘过程。w当前主要研究内容：w1. 脑电的源定位和信息处理新技术研究 2. ERP + fMRI +PET的模型与方法研究 3. 知觉信息的处理与神经网络控制的机制 4. 学习与记忆过程的信息处理与脑认知动力学和 5. 神经电生理与神经芯片研究 6. 返回抑制与碰撞检测的认知神经心理学研究 7. 神经系统退行性疾病依据8. 脑疾病的动物模型与预测控制技术研究9. 失眠与睡眠的机理、及药物与信息调控技术研究10.计算机主动视觉相关问题的原理性研究 11.脑与神经信息的分子机制研究12.对神经网络和全脑功能的研究成为近几年神经信 息 学研究的重点。 海量数据处理w1970年至2000年的30年间，美国神经科学学 会的会员人数增长了30倍，2000年达到28， 000人左右，每年年会的论文增长了近100倍 ，2000年已达到15，000篇左右，遍布神经 科学研究的各个领