信息融合技術及其在醫(yī)學領域中的應用

王國棟，李業(yè)芹，秦紅勇

1.日照市中醫(yī)醫(yī)院 設備科，山東 日照 276800；

2.山東大學 控制科學與工程學院，山東 濟南 250061

信息融合技術及其在醫(yī)學領域中的應用

王國棟1，李業(yè)芹1，秦紅勇2

1.日照市中醫(yī)醫(yī)院 設備科，山東 日照 276800；

2.山東大學 控制科學與工程學院，山東 濟南 250061

信息融合是現代信息處理領域新的一個崛起的研究方向，它是針對系統(tǒng)中單個傳感器性能不足這一問題而展開的一種信息處理方法。本文系統(tǒng)地介紹了信息融合的內涵、結構模型、算法以及在醫(yī)學領域中的應用，并對信息融合技術未來的研究發(fā)展方向做了總結。

信息融合技術；結構模型；傳感器；醫(yī)學圖像融合

0 前言

現代信息具有形式的多樣性、信息數量的巨大性、信息關系的復雜性以及信息處理的及時性等特征。信息融合的概念正是在基于這種信息綜合處理的需求中產生的。

信息融合技術開始于20世紀70年代，早期稱為多源相關、多傳感器混合和數據融合，并最早應用于軍事領域[1]。目前，信息融合的應用領域已經從軍事滲透到其他各個領域。主要應用領域有移動機器人、醫(yī)療監(jiān)護與診斷、智能交通、智能制造、智能檢測、目標識別、現代化管理以及刑偵等。可以說信息融合技術已經滲透到現代信息社會的各個角落，它的重要性越來越突出。

1 信息融合的概念和原理

1.1 信息融合的定義

目前，信息融合的定義有多種，可以從兩方面來理解，即從軍事應用角度的信息融合和非軍事角度的信息融合。其實質就是針對多維信息進行關聯(lián)或綜合分析，進而選取適當的融合模式和處理算法，用以提高信息的質量，為知識提取奠定基礎。

1.2 信息融合的原理

多傳感器信息融合的基本思想源于人類的多源信息綜合處理系統(tǒng)。對人類而言，人類利用多種感覺器官（眼、耳、鼻、舌、身等）來認識外界的事物，并且本能地具有將多種感官所獲得的信息綜合起來的能力，以準確地識別環(huán)境或物體的狀態(tài)，并進而引導下一步的動作。即使人體處于復雜多變的環(huán)境下，各種感覺信息含有一定的不確定性、矛盾或錯誤的成份，人類也可以將各種信息綜合起來，并使這些信息相互補充、印證，從而完整而及時地處理具有不同功能的多種感覺器官所獲得的信息[2-3]。

在多傳感器信息融合系統(tǒng)中，融合由傳感（Sense）、通信（Communication）和融合（Fusion）3個過程來完成，其基本原理是對人類的多源信息綜合處理功能的一種模擬和擴充。

2 信息融合的結構模型和算法

2.1 信息融合的結構模型

按照各傳感器信息處理的程度，信息融合的結構模型分為集中式、分布式、混合式；按照數據抽象層次可以分為數據層融合、特征層融合、決策層融合。

2.2 數據融合的主要算法

信息融合的研究內容極其豐富，涉及的基礎理論也非常廣泛，其算法種類繁多，可以分為經典方法和現代方法。經典方法中有兩種：估計方法和統(tǒng)計方法。現代方法也可分為兩種：信息論方法和人工智能方法。聚類分析、模版法和熵理論等屬于前者；模糊邏輯、產生式規(guī)則、神經網絡、遺傳算法、模糊積分理論和支持向量機等屬于后者。其中，貝葉斯估計、D-S證據推理、模糊理論、神經網絡占整個信息融合算法的85%[4]。

3 信息融合在醫(yī)學領域中的應用

信息融合在醫(yī)學領域的應用有兩個方面：一是利用多種醫(yī)療設備，如CT、MRI、監(jiān)護儀等，通過傳感器采集人體圖像和生物電信號，經過信息融合提高探測效果；另一方面是根據病人狀況變化的各種基本信息，決定護理、診斷、治療的方案[3]。

3.1 醫(yī)學圖像融合的應用

隨著醫(yī)學影像工程的不斷發(fā)展，出現了很多先進的成像設備，這為臨床診斷提供了多種模態(tài)的醫(yī)學圖像，如X射線、超聲、CT、MRI、數字減影等。這些圖像提供了關于病變組織或器官的解剖或功能信息，但由于成像設備和成像原理不同，各類圖像又具有其各自的特點,如CT圖像具有較強的空間分辨率和幾何特性，對骨骼成像非常清晰，可為病灶定位提供良好的參照，但對軟組織的對比度則較低；MRI可清晰反映軟組織、器官、血管等的解剖結構，有利于病灶范圍確定，但對鈣化點不敏感，且受到磁干擾會發(fā)生幾何失真。由此可見，不同成像技術對人體同一解剖結構所得到的形態(tài)和功能信息是互為差異、互為補充的，因此，對不同影像信息進行適當的集成便成為臨床醫(yī)生診斷和治療疾病的迫切需要[5]。

3.2 醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)中的應用

醫(yī)學信息的多模式監(jiān)護技術開始在臨床中得到更多的重視。它將兩種以上的監(jiān)測參量結合起來，利用各自的優(yōu)點，彌補相互的不足，以計算機聯(lián)合時頻分析的方法代替醫(yī)生人工綜合方式，克服了醫(yī)生人工推理和綜合判定帶來的主觀性影響，可以提高診斷效率和可靠性。目前，信息融合技術在醫(yī)療監(jiān)護方面的應用有：神經手術監(jiān)護、重癥監(jiān)護病房、創(chuàng)傷評估與監(jiān)護、社區(qū)醫(yī)療服務等[6]。

4 信息融合未來發(fā)展方向

信息融合技術涉及傳感器技術、數據處理、網絡通信、人工智能等相關技術，作為一門新興的技術，雖然在技術理論上還需不斷完善，但是其應用能力已經受了實踐的考驗。未來主要的研究方向應包括以下幾方面：① 多傳感器信息融合統(tǒng)一理論模型建立；② 信息融合中數據庫和知識庫技術研究；③ 多傳感器信息融合系統(tǒng)的工程實現；④ 信息融合系統(tǒng)的性能測試與評估。

5 小結

信息融合技術作為一種新的現代信息處理技術，綜合了多門學科的理論和方法，尚處在不斷的發(fā)展和完善過程中，正在得到越來越多的關注。隨著工業(yè)大系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展和未來信息戰(zhàn)的需求，以及相關學科的不斷發(fā)展，信息融合技術將會得到更深入的理論研究，它將擁有更廣闊的應用前景。

[1] 李娟,李甦,李斯娜,等.多傳感器數據融合技術綜述[J].云南大學學報(自然科學版),2008,30(2):241-246．

[2] 哈鐵軍,陳昌海,孫晉科.多源信息融合在醫(yī)學領域的應用研究[J].醫(yī)學信息,2007,20(5):706-709．

[3] Hall DL.AN INTRODUCTION TO MULTI-SENSOR DATA FUSION[J].IEEE,1997,85(1):6-23．

[4] 呂漫麗,孫靈芳.多傳感器信息融合技術[J].自動化技術與應用,2008,27(2):79-82．

[5] 王夢倩,邵波,岳建華.醫(yī)學圖像融合的應用與展望[J].醫(yī)療設備信息,2007,22(5):48-50．

[6] 陳鵬慧,吳寶明.信息融合技術及其在醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)中的應用[J].國外醫(yī)學生物醫(yī)學工程分冊,2002,25(6):249-252．

Information Fusion Technology and Its Application in Medical Field

WANG Guo-dong1, LI Ye-qin1, QIN Hong-yong2
1.Equipment Department, Rizhao Traditional Chinese Medical Hospital, Rizao Shandong 276800, China;
2. Control Science and Engineering College, Shandong University, Jinan Shandong 250061, China

Information fusion is a new research direction in modern information processing field. It is used to solve the unsatisfactory performance for a single sensor in a system. This paper introduces the connotation, structure model, algorithms and applications of information fusion in medical field systematically, and summarizes the future development direction of the information fusion technology.

information fusion technology; structure model; sensor; medical image fusion

TP14

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.09.040

1674-1633(2012)09-0131-02

2011-01-21

作者郵箱：zyywgd@163.com