智能医疗技术前沿与应用

前言

智能医疗在疾病诊断与预防方面的应用，侧重于通过智能技术并结合现代生物学原理的深入知识，推动医疗技术进步，从而在各个层面改善人类健康。其内容涵盖从基础概念（如信号与图像处理）到高级知识（如组织工程、虚拟与智能仪器、超大规模集成电路及嵌入式系统）的各个方面。该领域可为学生和青年研究人员提供指导，帮助他们掌握信号/图像处理和智能技术的基础知识。智能医疗是多种现代与传统方法和技术的结合，旨在为人类服务，带来更好的生计。医疗保健被视为社会最重要的需求之一。世界人口持续增长，新兴城市不断涌现，传统的疾病诊断与治疗方式已无法满足所有公民的医疗服务需求。因此，医院管理亟需充分且创新的解决方案，以智能且高效的方式为所有人提供服务。过去几十年中，医疗领域已取得诸多进展，但仍需要更高效、更先进的技术干预，以实现更好的成果。

智能医疗通过手机、远程医疗、物联网等方式将患者与医院网络连接起来。已设计并实施了各种举措和应用，以促进人们对人类健康和福祉的认知，其中包括可穿戴设备、健身手环和健康评估应用程序。此类设备和应用的智能化体现在它们不仅能提供监测功能，还能提供建议性解决方案，但从医疗和技术的角度来看，仍需加强参数涵盖并提高准确性，以便后续医生和医疗专业人员能够利用这些设备采集和存储的数据进行疾病诊断和治疗，从而提供更优的个性化解决方案。

更好的连接性是智能医疗服务的基石，可被视为智能医疗推动者，因为通过无障碍通信，患者可以轻松地与相关部门沟通，同时医疗专业人员能够收集更多患者健康数据。物联网和人工智能（AI）使市民和医疗专业人员能够通过向医生提供实时数据，来维护并提取有价值的洞察。人工智能可用于X光、CT扫描、磁共振成像等数据的分析。此类技术干预有助于医疗咨询，同时带来诸多益处。

通过高效使用减少人力需求，从而缩短治疗时间并节省费用。

本书通过涵盖生物医学工程领域的各个方面，提供了跨学科方法的完美结合。本书涉及该领域的多种技术概念、新兴技术、实际医疗应用以及其他多种多样的技术性跨学科理念。书中系统地介绍了面向医疗对象的技术与设备，并从不同角度针对疾病诊断与预防进行了阐述。

主要功能

• 探讨了如何在实际医疗应用中使用新的先进技术以提高患者安全
• 研究了医疗数据（如信号和图像）在诊断中的应用
• 涵盖了无线通信设备（如传感器网络、射频识别、无线体域网和可穿戴传感器）在医疗环境中的使用情况

快速老龄化进程以及医疗技术的迅猛发展和剧烈变革，凸显了构建智能高效医疗系统的重要性。各种技术如数据分析、嵌入式系统、可穿戴和植入式医疗设备，为社会提供了挽救生命的医疗服务，实现了许多危及生命疾病的无创治疗，并使得早期检测、疾病诊断和预防以及持续治疗成为可能。辅助医疗已成为当今世界老龄化人口的迫切需求。它能够改善老年人的功能状况，提高其灵活性和独立性，保障老年人的尊严和自主性。当前的技术主要集中在残疾人群体，但应同时适用于老年人和残疾人群。在骨缺损重建方面，过去几十年来护理标准不断提升，推动了假体技术中新植入物的发展。骨组织和植入物的质量在骨缺损重建过程中起着重要作用。骨缺损修复和形态构建中若使用质量较差的骨植入物，后期可能会引发问题。模式识别在疾病诊断中至关重要，有助于确定实际病因并实现精确治疗。机器学习是用于构建适当模型的一种技术，该模型能够根据输入组合预测输出结果。帕金森病（PD）的识别对于该疾病的治疗和管理是一项关键任务。通过采用机器学习的分类与降维算法，可使其具备从以往事件中学习的能力。心血管自主功能评估与分析通常通过心率变异性功率谱分析来实现。目前最常用的HRV分析方法是快速傅里叶变换和自回归，而其他新兴技术如小波变换和三角回归谱也正在被应用。
HRV分析是评估和动态变化心脏自主功能的一种便捷方法。拖拉机座椅的平移振动可能对驾驶员健康造成严重问题。特别是拖拉机驾驶员会受到两种类型的振动影响：一种是由轮胎和地形引起的低频振动，另一种是由发动机、齿轮和附件引起的高频振动。考虑到这两个因素，操作员座椅的设计成为一个关键方面，在设计和控制振动暴露时需要更多生物力学和人因方面的考虑，以提供舒适性和健康相关安全问题的保障。近年来，熵度量与评估在 biomedical 领域引起了越来越多的关注。该技术具有捕捉生理特征中关键独特特征的潜力。基于短时程脑电图的癫痫发作检测中的脑电图（EEG）信号熵分析已成为研究重点。基于模糊熵的癫痫发作检测能够实时追踪癫痫活动，并同时为临床实践提供及时反馈。目前市场上已有大量辅助设备可供视障人士使用，以改善其独立生活和社会参与能力。但大多数系统在具备某些优势的同时，也存在一些限制其能力的缺点。其中一些问题可通过障碍物检测来解决，从而提高其移动能力的灵活性。这种障碍物检测将为视障人士提供物理反馈。近年来，采用可逆逻辑方法的阵列乘法器设计因其发热量低和低功耗能力而受到关注。由于可逆逻辑门在空闲状态下的功耗极低，并且可以实现任何布尔函数，因此成为电路设计者的首选。在当前十年中，针对脑瘫的治疗策略在各种神经元疾病的干预和管理方面受到了广泛关注。因此，全世界都在重视其应对当代问题的能力和价值。本章的目的是突出该领域在正确诊断和干预方面的理论、研究与开发进展。磁性纳米颗粒是近年来癌症检测以及癌症介导的药物递送中最受关注的趋势之一。正电子发射断层扫描、磁共振成像及其他技术通过利用不同类型纳米颗粒的巨大潜力，在癌症检测与治疗以及靶向药物递送中发挥着重要作用。