计算机与医药信息学课件

《计算机与医药信息学课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机与医药信息学课件（56页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第1章 计算机与医药信息学 Computer & Medical Informatics,医药信息技术课程建设小组出品,第1章 计算机与医药信息学,计算机概述,循证医学与医药信息技术,医药信息与医药信息学,医药信息素养,1.1 计算机概述 计算机的起源 计算机的发展过程 计算机的分类 计算机科学的发展趋势 计算机在医药学中的应用,计算机的起源,计算工具最初的珠算算盘，发展到计算尺，到机械计算机，再到电动计算机等,1. 最早的计算工具,算筹 ：世界上最古老的计算工具 ，类型有竹筹、木筹、铁筹、玉筹和牙筹 。计算的时候摆成纵式和横式两种数字，按照纵横相间的原则表示任何自然数，从而进行加、减、乘、除

2、、开方以及其他的代数计算 算盘：制作简单、价格低廉、运算方便，配以易学易记的珠算口决等优点，长盛不衰。 1573年，我国徐心鲁写了第一本系统介绍珠算算法的书 ，1592年程大位又写了直指算法统宗等，这都加速了算盘的推广，使珠算流传到了很多国家,玻璃算筹,象牙算筹 （陕西旬阳出土）,算筹的摆法及简单运算,2. 计算器的发明,17世纪法国大思想家帕斯卡的父亲曾担任税务局长，当时的币制不是十进制，在计算上非常麻烦。帕斯卡为了协助父亲，利用齿轮原理，发明了第一台可以执行加减运算的计算器。后来，德国数学家莱布尼兹加以改良，发明了可以做乘除运算的计算器,3. 电子计算机的问世,1946年2月15日，世界上

3、第一台通用电子数字计算机埃尼阿克（ENIAC）在美国研制成功，由1.8万个电子管组成，重量达30多吨，占地有两三间教室般大，运算速度为每秒5 000次加法运算,机械式加法机,ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer ),重大事件： 1906年，美国人Lee De Forest发明电子管，为电子计算机的发展奠定了基础 1924年2月，IBM公司成立，从此一个具有划时代意义的公司诞生 1937年，英国剑桥大学的Alan M.Turing（19121954年）出版了他的论文，并提出了被后人称之为“图灵机”的数学模型,所谓的图灵机就是指一个

4、抽象的机器，它有一条无限长的纸带，纸带分成了一个一个的小方格，每个方格有不同的颜色。有一个机器头在纸带上移来移去。机器头有一组内部状态，还有一些固定的程序。在每个时刻，机器头都要从当前纸带上读入一个方格信息，然后结合自己的内部状态查找程序表，根据程序输出信息到纸带方格上，并转换自己的内部状态，然后进行移动。,计算机的发展过程,大型主机阶段：20世纪4050年代。先后经历了电子管数字计算机、晶体管数字计算机、集成电路数字计算机和大规模集成电路数字计算机的发展历程 小型计算机阶段：20世纪6070年代 。满足中小企业事业单位的信息处理要求 微型计算机阶段：20世纪7080年代。 1976年美国苹果

5、公司成立，1977年就推出了Apple II计算机，大获成功。1981年IBM推出IBM-PC，此后它经历了若干代的演进，占领了个人计算机市场,计算机的历史只有短短60多年，但它的发展之迅速，普及之广泛，对整个社会和科学技术影响之深远，是任何学科所不及的 。计算机的发展可以分为以下几个阶段：,客户机/服务器阶段：即C/S阶段。 1964年IBM与美国航空公司建立了第一个全球联机订票系统，标志着计算机进入了客户机/服务器阶段，这种模式至今仍在大量使用 Internet阶段：也称互联网、因特网、网际网阶段。互联网即广域网、局域网及单机按照一定的通信协议组成的国际计算机网络。、“网络即是计算机” ，

6、当带宽瓶颈被进一步“撬开”时，所有的应用、网络服务，甚至操作系统都不需要被安装到PC上，PC的计算能力变得越来越不重要，重要的是连接所有计算资源的纽带网络 云计算时代：“云”就是计算机群，每一群包括了几十万台、甚至上百万台计算机。云计算被视为“革命性的计算模型”，是软件业的未来模式，企业与个人用户无需再投入昂贵的硬件购置成本，只需要通过互联网来购买租赁计算力,计算机的分类,服务器：能通过网络，对外提供服务，其高性能主要表现在高速度的运算能力、长时间的可靠运行、强大的外部数据吞吐能力等方面 ，是网络的节点，在网络中起到举足轻重的作用 工作站：主要面向专业应用领域，具备强大的数据运算与图形、图像处

7、理能力，属于一种高档的微机 台式机：非常流行的微型计算机，相同价位台式机的性能相对比笔记本电脑要强 笔记本电脑：小型、可携带的个人计算机 ，也称手提电脑或膝上型电脑（港台地区则称之为笔记型电脑），分为商务型、时尚型、多媒体应用、特殊用途等 4类 手持设备：种类较多，如PDA、智能手机、3G手机、EeePC等，其特点是体积小,计算机分类的方法有很多种 ，下面从实际应用的角度，以硬件为标志对计算机进行分类 ：,通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大 嵌入式计算机系统将计算机嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制，技术发展方向是与对象

8、系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性,嵌入式计算机系统与通用计算机系统 的区别：,嵌入式计算机系统则走的是单芯片化道路，迅速地将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代,计算机科学的发展趋势,量子计算机 ：一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置 利用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态，使信息沿着聚合物移动，从而进行运算 数据用量子位存储。由于量子叠加效应，一个量子位可以是0或1，也可以既存储0，又存储1 能够实行量子并行计算，其运算速度可能比目前个人计算机的Pentium 芯片快10亿倍,提高计算机的性能的途

9、径有两个：一是提高器件速度，二是并行处理,1. 从计算机的性能变化方向来预测,量子计算机中的量子位,2007年D-Wave公司宣传的量子计算机,2007年英国哥伦比亚公司推出的量子计算机雏形,光子计算机 ：即全光数字计算机，以光子代替电子，光互连代替导线互连，光硬件代替计算机中的电子硬件，光运算代替电运算 光计算机的“无导线计算机”信息传递平行通道密度极大。一枚直径5分硬币大小的棱镜，它的通过能力超过全世界现有电话电缆的许多倍 超高速电子计算机只能在低温下工作，而光计算机在室温下即可开展工作 光计算机还具有与人脑相似的容错性 世界上第一台光计算机已由欧共体的英国、法国、比利时、德国、意大利的7

10、0多名科学家研制成功，其运算速度比电子计算机快1 000倍,分子计算机 ：遗传物质DNA分子是一条双螺长链，链上布满了“珍珠”，即核苷酸。DNA分子计算机就是用这些“珍珠”的排列来表示各种信息。DNA计算机的工作原理是以瞬间发生的化学反应为基础，通过和酶的相互作用，将反应过程进行分子编码，对问题以新的DNA编码形式加以解答 最大的优点在于其惊人的存储容量和运算速度。1m3的DNA溶液，可存储1万亿亿的二进制数据。十几个小时的DNA计算，相当于所有计算机问世以来的总运算量 DNA计算机的功能之所以强大，就在于每个链本身就是一个微型处理器,纳米计算机 ：目前计算机使用的硅芯片已经到达其物理极限，体

11、积无法再小，通电和断电的频率无法再提高，耗电量也无法再减少。解决这个问题的途径是研制“纳米晶体管”，并用这种纳米晶体管来制作纳米计算机。据估计纳米计算机的运算速度将是现在的硅芯片计算机的1.5万倍，而且耗费的能量也要减少很多。应用纳米技术研制的计算机内存芯片，其体积不过数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之一,近年来更明显的趋势是，网络化与向各个领域的渗透，即在广度上的发展开拓。国外称这种趋势为普适计算（Pervasive Computing）或叫无处不在的计算,2. 从计算机应用的广度来预测,随着物联网概念的提出，计算机应用的广度无疑宽大得难以想象 。物联网就是物物相连的互联网，它是通

12、过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信,计算机从应用的深度方向发展，也就是向信息的智能化发展。自从1956年提出“人工智能”以来，计算机在智能化方向迈进的步伐不尽人意。计算机“思维”的方式与人类思维方式有很大区别，人机之间的间隔还不小。人类还很难以自然的方式（如语言、手势、表情等）与计算机打交道,3. 从计算机应用的深度来预测,计算机在医药学中的应用,医院信息系统 ：采集、管理医院各类信息，实现信息共享的计算机网络系统，包括医院信息管理系统、临床信息系统、办公自动化系统、医院网站等 。代表性的建设

13、项目有卫生部医院管理研究所主持开发的“中国医院信息系统”和解放军总后勤部卫生部主持开发的军队HIS系统,计算机已经开始向医药卫生领域的各个角落进行渗透，其主要应用如下：,远程医疗 ：远程医疗是指利用计算网络进行远程医疗监护、远程协同会诊、远程协同手术和治疗等 远程医疗的一个发展方向是利用人工智能技术通过自动远程医疗实现先进的治疗，如：在自动远程治疗过程中，通过比较病人的实时数据和历史数据，可在合理范围内自动调节关键药物剂量 机器人手术是远程医疗发展的另一个方向。目前，通过使用可消除人手正常抖动的操纵杆，医生能够进行本地机器人手术，从而帮助外科医生更精确地进行精密手术,医学决策支持系统 ：医学决

14、策支持系统是将医学知识应用到某一患者的特定问题上，在管理学、运筹学、控制论和行为科学的指导下，以计算机技术、仿真技术和信息技术为手段，建立的具有决策智能的人机交互系统 医学专家系统就是一种典型的医学决策支持系统，是国内计算机医学应用最活跃的领域之一。与医学相关的专家系统可以依其功能分为诊断、治疗或监测（Monitor）之用 。如MYCIN传染性疾病的鉴别诊断系统可经由一连串的交谈式数据输入来协助诊断感染性疾病并建议用以治疗此病的抗生素种类及剂量 80年代末期，出现了几个具有庞大知识库与人机交互界面友好的、并可在PC或Macintosh等个人计算机上运行的医学诊断专家系统，其中犹他大学的Ilia

15、d（Warner，1985年）以大型医院信息系统中的决策模块为雏型发展出来的。据估计，仅仅为了搜集及转化医学知识，研究人员在Iliad上已花费了约10 000工时，至今每天仍有46位各科的主管医生在犹他大学的知识工程室中不断地改进及扩张其知识库,计算机辅助药物研究 ：以计算机为工具，充分利用有关药物及其生物大分子靶标的知识，通过理论模拟、计算和预测，来指导和辅助新型药物分子的设计和发现，以缩短药物的开发周期 ，如：虚拟高通量筛选 技术。美国千年药物公司模建了ACE-2（血管紧张素转换酶2）的三维结构，据此设计了ACE-2抑制剂，仅用不到两年的时间，就发现了一个药物，进入I期临床研究，而用传统方

16、法发现这样的药物一般要花费10年或更多的时间 。计算机辅助药物设计技术已应用于中药及其复方的研究,智能化医疗仪器的研制 ：目前已有各类智能化医疗仪器获得应用，如电子温度计、电子血压计、心电功能监护仪、生化分析仪、电子计算机断层扫描仪（CT）、核磁共振仪（NMR）、正电子发射成像（PET）、单光子发射成像（SPECT）和刀等。智能化医疗仪器的研制已开始迈向移动、便携、网络化、系统化模式，各种面向特殊人群的智能化医疗系统、健康照护系统陆续研制成功。如：研究人员正试验使用医疗人工智能和传感器网络，开发一个系统，帮助老年痴呆患者过上更幸福、健康和安全的生活,医学图像分析 ：医学图像分析是用计算机对医学图像进行自动处理、特征抽取和分类的技术。分析的主要对象是人体细胞涂片图像、人体各部位的X射线照片和超声图像。近年来，在这一领域又掀起了新的研究热潮，主要研究方向有图像分割、图像校准（Registration）、结构分析、运动分析，及近年来出现的图像引导手术（Image Guided Surgery）等 。目前，三维生物医学图像重建与显示已经开始在临床工作中得到普