云服务的医用专家系统中红外热像关键技术研究-论文(共17页)

1、项目名称 云服务(fw)的医用专家系统中红外热 像关键技术研究(ynji) 项目(xingm)负责人（签名）_ _所在学校（盖章）_1本项目研究意义及国内外同类研究工作现状（附主要参考文献及出处）：医用红外热像（Infrared Thermography, IRT）技术是一门新兴的综合性高新技术，具有灵敏精确、成像直观、信息丰富、无创检测、简便经济等特性，受到国内外学者的普遍关注。红外热像仪自上世纪英国医生将成果应用于临床以来，目前在医学领域已取得了广泛的应用，包括医学诊断、医学治疗以及大面积的医学防疫等领域。1）医学诊断方面根据人体的生理温度基本规律，热传导及散热现象，生理热区、生理低温区及

2、反应性热区、机体散热的不均衡性，血管阻力、血液流量分配互补现象，以及肿瘤的Folkman-Michel理论、恶性肿瘤的低温问题等，红外诊断以其得天独厚的优势被应用于医学诊断。从上世纪90年代开始，傅里叶变换红外光谱方法(FT-IR)被应用于肿瘤检测。国内外多个研究小组已经对常见的人类肿瘤组织(如肠,胃,乳腺,胆囊,肺,肝,口腔等)进行了光谱学特征研究1,2,15-17。目前，一般通过观察和对比分析正常组织和肿瘤组织的多个谱学参数(如峰位、峰高、峰位差、峰高比等)的差异进行分类判别。特别是军事医学科学院国家生物医学分析中心以及军事医学科学院307医院病理科在长期临床实验中，在实验考察的波长范围内

3、发现人乳腺癌与良性病变组织在红外光谱上存在明显不同的特征，这些光谱特征与细胞发生癌变有关。从癌变组织与良性病变组织的红外光谱特征出发，可以为乳腺癌的早期诊断提供有益的帮助。然而要想对光谱信息进行深入系统的研究，需要依靠化学计量学方法和计算机技术相结合，克服传统鉴别方法的局限性、复杂性及主观性。此外，在一些慢性病的检测上，如腰椎间盘突出等3,10,18，红外诊断也越来越凸显出优势。2）医学治疗方面在国内外研究的治疗方法之中，中医理疗多用于治疗慢性病，如风湿病、颈椎病等，而且此类方法多与传统中医的针灸、推拿等结合。在使用理疗设备发射光线照射病变部位后，通过移动红外探测设备对病变组织进行照射强度、时

4、间等的控制，最终达到最佳治疗效果。此类的应用诸如利用理疗设备对穴位照射治疗椎动脉型颈椎、利用理疗设备辐照治疗乙型肝炎肝纤维化4、红外热像观察针刺合谷穴对面瘫治疗作用5等。3）医学防疫方面在红外技术理论中，有“黑体”的概念。黑体是理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，但没有能量的反射和透过，它是一种与入射辐射的波长和偏振方向、传播方向无关的物体。在现实中绝对黑体并不存在，而主要是用于理论分析。如果某一物体在任何温度下的光谱发射率是一个与波长无关的常数，该物体被称为“灰体”。实际物体在某温度下的辐射强度与波长的关系是不规则的，因此不是灰体。但在工程计算上为了方便起见，近似把它们都看作是灰体。人

5、体是一个天然的红外辐射源，可被视为是灰体。研究发现，当皮肤温度在3038。C之间时，以人体为灰体，套入相关公式计算出红外测温仪的工作波段应该在814um，而这个波长范围属于大气窗口，即红外辐射热能量并不被空气所吸收，从而保证了红外测量人体温度的准确性6。Hughes早在1985年就将用于工业的通过一定距离测量机器温度的红外测温仪用于检测人体温度，并以肠温作为标准进行对照，结果发现在发热患者、无发热患者以及所有患者中的红外测温的诊断符合率分别为95、90和92，研究证明红外用于测温方法可行，并认为随着红外技术的进一步发展，该技术将会成为常规的临床应用手段7,13-15。人们对红外体温检测技术的更

6、进一步的认识是源于SARS，在“非典”以及2009年全球暴发的“甲型H1N1流感”期间，许多公共场所诸如机场、口岸、医院均安装有红外热成像仪或红外点温仪测量体温，通过对体温的监测查找热源，隔离患病人群或疑似病例，阻断病源、防止传播，这为疫情的控制发挥了重要作用。在与这些呼吸道病毒的防疫战中，红外技术以其独特的应用价值起到了重要的作用。深圳口岸为提高口岸传染病检出率曾在2007年8月2008年7月间使用红外热成像体温监测系统对入境人员进行数据监测，统计每月发热病例的检出率，红外热成像体温监测系统报警的准确率、精确度，最终确认该系统在口岸传染病防疫中具有较好的应用效果8-10,16-17。与现有的

7、医学诊断X线、CT、MRI（核磁共振）、B超等成像技术相比，医用红外热像技术还不为人们所熟悉，X线、CT、MRI、B超是针对解剖结构的检测，而红外技术则是一种生理学检测。基于红外辐射原理，以人体为辐射源，采用先进的红外扫描技术，探测人体红外辐射，经过一系列信号处理，把不可见的体表温度变化转变为可视性的和可定量的红外热图，与X线、CT、MRI、B超等结构影像有着本质的不同，医用红外热像技术可以实现机能与结构多元信息的转换和表达，为探索机能信息和结构信息的内在联系开辟了新的途径。医用红外热像技术与传统的检测技术相比，存在很大的区别，如 REF _Ref384129377 h * MERGEFORM

8、AT 表 1所示。表 SEQ 表 * ARABIC 1：红外热像仪与传统检测仪的比较X线、CT、MRI、B超红外热像仪诊断性质结构影像学功能影像学诊断特点考察病变的组织结构和机理考察病变的新陈代谢，血液循环状况温度改变以及神经调节优劣势检验快速，成本较低。对于病变的早期诊断不灵敏，个别检查有损健康。无损检查，对于病变部位的早期诊断优势明显。诊断成本较高，单次采购较为昂贵。从表中可以看出，医用红外热像技术对结构成像技术的传统检测技术（X线、CT、MRI、B超）是一个很好的补充。许多基于结构成像技术不能表现或晚于机能表现的异常信息，却能通过红外热成像技术呈现。例如，在发现肿瘤方面，比CT、核磁共振

9、早发现612个月。和传统检测技术相比，医用红外热像仪又是疼痛及软组织损伤的唯一可查技术11-13。1976年我国首台医用红外热像仪试制成功，1979年姜宗桥发表了第一篇国产热像仪临床应用的报道，表明我国医用红外热像技术的开发和应用的迫切性，然而由于部分关键技术仅由美国、以色列、法国等极少数国家掌握，我国的技术研究发展遇到瓶颈。目前国内所用高端的三算子数字式近红外诊断仪等医用红外热像仪仍由国外进口12。国产医用红外热像仪在性能上也与国际水平有所差异，如 REF _Ref384129385 h * MERGEFORMAT 表 2。表 SEQ 表 * ARABIC 2：医用热红外成像仪国内外厂商数据

10、对比国际国内主要生产厂商MedithermNEC上海维恩伟业红外医学科技公司重庆伟联科技有限公司中电科技集团红外工程技术有限公司产品价格80-100万人民币50万人民币温度分析功能0.010.08-0.05图像显示功能0.9-1.0mr1.5-1.0mr由于医用红外热像仪单次采购成本昂贵，我国目前使用的医用红外热像仪仅有200多台。现有的近1000家的三甲医院，只有不到10%的比例有红外热像仪。因此，各医院采用的检测技术，还是以结构性检测为主，缺乏功能检测手段。对于疾病的及早预防、及时发现及时跟踪发展状况缺乏必要的检测方式和技术支持。面对我国每年近亿计的检测数量需求，我国医用红外热像仪还存在很

11、大的缺口，市场产品供求潜力巨大。因此，研究医用红外热像的关键技术以及研发迫在眉睫。将医用红外热像技术切实有效的应用于实践，降低成本惠及大众群体，并结合现代计算机技术的发展潮流，本研究提出基于云计算的医用红外热像仪关键技术研究：1）使用云计算技术，减轻计算压力，降低医疗成本医用红外热像诊断、治疗以及防疫所需用的计算量较为庞大，而云计算可以减轻计算压力。同时，对于一家医院来说，传统上需要购买服务器、医疗设备等建立自己的IT体系，但医院之间的信息共享与实时交流却很难付诸实践。而未来借助云平台，通过IT技术与医疗技术的结合及创新型应用，可以实现以前很多无法实现的东西。通过区域医疗信息共享，为区域内的临

12、床用户提供优质的临床数据浏览与使用服务。另一方面，国内优势医疗资源集中在大型医院，资源分配极为不均。在云计算概念下，通过IT技术的创新型应用，打造区域医疗信息系统平台，连接基层医院和三级甲等医院的信息共享与远程诊疗成为可能，医用红外热像诊断、治疗以及防疫可以进行大众普及化的使用。2）构建专家系统，提高医用精度，惠及大众群体医学信息学是伴随世界科技进步与发展而脱颖而出的具有现实、使用和超前等性能的学科。由于信息存储及利用方面受到人脑智能相对局限与简单的约束或限制，就不可能具有极快的运算速度、极强的记忆能力、极高的逻辑分析与判断能力。专家系统是指运用一个或多个专家提供的特殊领域知识进行推理和判断，

13、以求解那些需要专家才能解决的复杂问题的一种智能计算机程序。将医用红外热像技术融入专家系统之中，可以有效提高红外热像技术的诊断、治疗以及防疫的速度和精度，从而惠及大众群体。参考文献1沈世杰, 李清. 人乳腺癌组织的特征红外光谱研究J. 光谱学与光谱分析, 2000, 20(1): 28-30.2杨子彬. 医用热像图的理论基础和临床应用J. 生物医学工程研究, 2004, 22(3): 1-8.3李庆波, 杨丽敏, 凌晓锋, 等. SIMCA 法在中红外癌症检测技术中的应用J. 光谱学与光谱分析, 2004, 24(4): 414-417.4王乐新, 赵志敏. 血液的红外吸收光谱分析及应用研究J.

14、 光谱学与光谱分析, 2002, 22(6): 980-982.5Folkman J.The role of angiongenesis in tumor growth. Seminars in Cancer Biology . 19926Folkman J.What is the evidence that tumors areangiogenesis dependent. Journal of National Cancer Institute . 19907Folkman J,Watson K,Ingber D.Induction of angiogenesis during the t

15、ransition from hyperlasia to neoplasia. Nature . 19898WU Jin-guang,XU Yi-zhuang,WENG Shi-fu,et al. Biopolymers(Biospectroscopy) . 20019王军, 邓方阁, 王刚, 等. 红外热成像在腰椎间盘突出症诊断中的地位J. 临床军医杂志, 2010, 38(1): 133-135.10张栋, 彭悦. 针刺合谷穴对面瘫治疗作用的红外热像观察J. 中医杂志, 1989, 30(5): 32-34.11怀智勇, 贾冬梅. 推拿结合红外偏振光穴位照射治疗椎动脉型颈椎病疗效观察J.

16、中国康复医学杂志, 2008, 23(2): 171-172.12李成东, 高良, 游国师, 等. 红外温针治疗急性痛风性关节发作 126 例J. 内蒙古中医药, 2009, 27(12): 38-39.13杨景发, 刘玉颖. 中红外与短波红光综合治疗仪的临床应用与实验研究J. 红外技术, 2002, 24(3): 56-58.14黄彤文, 刘春芳, 徐媛, 等. 深圳口岸红外热成像体温监测结果分析J. 中国国境卫生检疫杂志, 2009, 32(4): 253-255.15邓方阁, 邓秀芳, 钟南山. 红外技术及其在发热测温中的应用J. 中华生物医学工程杂志, 2010 (2): 174-17

17、6.16Hughes WT,Patterson GG,Thornton D,et al.Detection of fever with infrared thermometry:a feasibility study.J Infect Dis,1985,152:301-306.17Shenep JL,Adair JR,Hughes WY,et al.Infrared,thermistor,and glass-mercury thermometry for measurement of body temperature in children with cancer.Clin Pediatr (

18、Phila),1991,30:36-41.18薛淑磊, 王振辉, 王振铎. PB 数据库图像存储技术研究J. 电脑知识与技术: 学术交流, 2008 (3): 1320-1323.2主要研究内容、目标、方案和进度及拟解决的关键问题：研究内容：为使用云计算技术，减轻计算压力，降低医疗成本以及构建专家系统，提高医用精度，惠及大众群体，本研究拟采用下图解决方案开展研究。病人或疑似病人通过红外探测器拍摄图片，并将图片信息通过用户终端传递至社区、城镇、城市医疗点，社区、城镇、城市医疗点将病人或疑似病人信息传至云服务器，并进行专家系统诊断，最终给病人诊断结果或治疗、防疫建议，病人治愈后的治疗案例同样传至云

19、服务器以充实专家系统。整个系统工作流程如 REF _Ref384129421 h * MERGEFORMAT 图 1所示。图 SEQ 图 * ARABIC 1系统工作总体流程在这其中，通过红外探测器的成像技术，将成像结果传输到用户终端，用户终端将数据经过一定的处理传输到用户终端，医疗点将数据经过图像数据存储、医生的处理等简单操作，将数据传递至云服务器，通过专家系统的图像模式识别与模式匹配，并在专家系统内进行相关检索形成诊断、医疗或防疫建议，将建议结果传递给医生，由医生最终做出诊断、治疗或防疫的建议。具体的数据处理流程如 REF _Ref384129421 h REF _Ref384129443

20、 h 图 2所示。图 SEQ 图 * ARABIC 2数据处理流程研究目标基于云计算技术，将系统的专家系统、诊疗判断等软件处理模块置于云端，提供信息的集中处理模式。以“云信息平台”为核心的应用模式，具有信息的分析、处理、比对、判断和推理等功能，简化了对单台医用红外热像仪的数据分散处理能力的需求，从而降低单台设备的购置成本。方案和进度具体的方案及进度如 REF _Ref384316364 h 图 3所示图 SEQ 图 * ARABIC 3项目实施方案拟研究的主要问题1）红外探测系统在硬件方面，本课题以红外热像仪为基础，通过云台以及设计完成的控制终端，对热像仪进行控制，控制终端以及云台都与Inte

21、rnet相连实现最终的控制指令，具体如 REF _Ref384129453 h 图 4所示，控制内容有四个方面：由控制终端发送指令，控制热像仪的机械运动，以调整到热像仪的最佳成像视角；由云台以及控制终端测算相关数据，以构成成像的最佳参数控制；有控制终端发送指令，进行拍摄；拍摄结果，由控制终端进行与云台以及Internet通讯，实现数据传输。图 SEQ 图 * ARABIC 4红外热像仪的工作流程在此系统中，红外热像仪是关键的探测设备，红外热像仪是通过非接触探测红外能量（热量），并将其转换为电信号，进而在显示器上生成热图像和温度值，并可以对温度值进行计算的一种检测设备。医用红外热像仪的硬件部分主

22、要由光学系统、红外探测器、热图采集与预处理电路以及图像显示和处理等模块组成，其中红外探测器是整个红外成像系统的关键。本研究中采用的是TAU2 640非制冷红外探测仪（已购置），其技术指标如表3所示。表 SEQ 表 * ARABIC 3： TAU2 640非制冷红外探测仪技术指标参数技术指标探测器类型非制冷氧化钒长波红外探测仪tau640像素640512像源尺寸17微米（tau640，tau336）；25微米（tau320）光谱范围7.5- 13.5mNETD值输出模拟视频NTSC和PAL可选Quark64030赫兹（NTSC）；25赫兹（PAL）；9hz美国出口型（出厂设置）数字视频8或14位

23、LVDS；8或14位并行CMOS；8bit BT. 656TAU2 640非制冷红外探测仪采用的成像技术与照相机类似，由非晶硅电阻辐射计通过微桥结构连接到硅读出集成电路， 将光信号转换为表征热辐射的图像电信号。即用镜头将目标成像在焦平面上成像， 其每一个像元一一对应视场中的场元，成像时相当于“凝视”景物。克服了机械扫描的速度慢、复杂性高、可靠性差的缺点。TAU2 640非制冷红外探测仪不需要制冷，因此不需要制冷剂和高压气体或斯特林循环制冷装置。这使得本研究中的医用红外热像仪不仅具有性价比高、体积小、质量小、功耗小、整机工作寿命长和便于携带等优势，还不存在保养和维修等问题，更便于产品的推广使用。

24、2）红外诊断关键技术a)图像数据的结构化存储图像的结构化存储是红外诊断技术的前提，本课题拟以采用结构化存储的数据来进行数据存储以及传输。具体的数据结构如表4所示。表 4： 结构化存储的图像数据结构存储数据名称存储数据内容数据来源图像采集数据温度数据红外热像仪测试者信息个人信息医保中心数据库诊断信息医疗诊断、防疫建议医生诊断、专家系统诊断其他诸如日期等信息系统自动生成图像采集的数据主要是红外图像，为了保证图像文件数据的安全, 采用数据库的BLOB字段来存储这些数据，并支持查询时显示和文件复原，利用PB 编程语言Oracle9i数据库存储技术，结合本系统的需求，对图像选取、图像存储、图像显示等技术

25、进行研究分析后可以实现数据库图像字段的存储和检索。当图像文件存储在数据库中以后，就可以删除在用户终端硬盘上原来的临时文件，不需要复杂的二进制文件管理，且数据库可以存储在数据库服务器上，对数据的共享非常方便。同时，由于图像存储在数据库后，数据的管理由数据库系统完成， 因此数据的安全性相对比较高。图像采集数据由红外热像仪利用相关的红外成像技术生成, 红外成像技术是一种辐射信息探测技术，利用某种特殊的电子装置，将物体的热分布转化为可视图像，并且以灰度级或伪彩色显示出来，从而得到被测目标的温度分布场。红外成像系统一般是被动地接收物体的红外辐射而成像的，用图像的灰度表征物体的温度场分布。由于物体热平衡的

26、原因和根据普朗克定律，红外图像局部相邻具有较高的空间灰度相关性，人体热图如 REF _Ref384129463 h 图 5所示。图 SEQ 图 * ARABIC 5人体热图由于人眼的彩色敏感细胞能分辨出几千种彩色色调和亮度，但是对黑白灰度级却不敏感。热成像系统所产生的红外图像为黑白灰度级图像，灰度值动态范围不大。因此，人眼很难从这些灰度级中获得丰富的信息。为了更直观地增强显示图像的层次，提高人眼分辨能力，对系统所摄取的图像进行伪彩色处理，从而达到图像增强的效果，使图像信息更加丰富。在彩虹编码的基础上，结合医用红外热像系统对图像特征检测的要求和对伪彩色编码处理的算法研究，使得不同的图像和不同的区

27、域因温度的不同而显示不同的色彩，并且红外图像层次分明、色彩清晰。彩虹编码的人体热图如 REF _Ref384129471 h 图 6所示。图 SEQ 图 * ARABIC 6彩虹编码的人体热图测试者信息则是由医保中心数据库通过云台提供；诊断信息包含医疗诊断以及防疫建议，包含两方面信息：一是医生诊断建议，二是由专家系统通过特征提取、图像检索以及图像模式匹配与模式识别得到；其他诸如日期等信息则是由系统自动生成。b)特征提取特征提取是计算机视觉和图像处理中的一个概念，指的是使用计算机提取图像信息，决定每个图像的点是否属于一个图像特征。特征提取的结果是把图像上的点分为不同的子集，这些子集往往属于孤立的

28、点、连续的曲线或者连续的区域。在特征提取之前先对图像进行分割，提取感兴趣区域进行相关处理。图像分割是图像处理与计算机视觉领域的基础性工作。图像分割方法的数量非常多，其中，能量最小化方法在过去30年引起学者们的广泛关注，形成一大流派。能量最小化方法的基本步骤为： 设计一个目标函数(能量函数)，其最小值对应最优解，常用的两个约束是数据和先验知识。数据约束限制了理想解应该和真实数据尽量接近；先验约束要求理想解的形式应该和先验知识保持一致；最小化目标函数，大多数感兴趣的能量函数是非凸的，有多个极小值，导致多数方法只能找到逼近解，因此，最小化过程通常比较困难。应该说，合适的编码问题的约束形成能量函数和找

29、到一个好的最小化方法是同等重要的，因为任何一步出错都会造成分割的失效。能量最小化方法的显著优点有：给出了分割的统一框架, 用标准优化方法可以求解；提供了明确的思路来编码要解决问题的约束；由于最小化能量函数和MRF的最大后验估计是等效的，从贝叶斯统计角度也可以求证能量最小化方法的正确性。能量最小化方法有多种分类方法，包括全局和局部方法、确定性和随机性方法、连续性和离散性方法等。常采用全局和局部的分类方法，常见的全局能量最小化方法包括模拟退火方法、动态规划方法和图论方法等；局部能量最小化方法包括变分方法和ICM(Iterated conditional modes)方法等。模拟退火方法代表了一类随

30、机优化方法；动态规划是一个多步决策过程，通过把一个N步过程转化为N个单步过程实现将全局最优转化为局部最优之和；图论方法的主要思想是将图像映射成加权图,把图像像素看作图的顶点，邻接像素之间的关系看作图的边，邻接像素之间的相似性看作边的权值，根据边的权值设计能量函数，通过最小化能量函数完成对图的分割，从而实现图像分割；变分方法是几何活动轮廓模型(Geometry active contour model) 的能量最小化方法；ICM 方法是基于确定性贪婪策略来寻优的能量最小化方法20。针对分割结果进行相关的特征提取，本研究拟提出了以下方法: 首先应用归一化分割( Normalized cut , N

31、cut)方法进行图像的分割，提取感兴趣区域；然后对提取的感兴趣区域进行特征提取构成特征空间，接着用图像检索以及模式匹配与模式识别进行分类诊断，得出诊断结果。Ncut准则是一种无监督图像分割技术，它不需要初始化，并具有3个主要的特点：（1）它将图像分割问题转换为图的划分问题；（2）它是一个全局准则；（3）它同时最大化不同组之间的不相似性和同一组内的相似性。基本原理是：对于一个给定的图G=(V,E)，假设将其分为两个不相交的部分A与B,AB=V, 这两个部分不相似程度可以定义为原先连接两部分而现在被删去的所有边的权的综合, 定义为图的一个割：式中w ( i, j ) 即连接点i 和点j 的边的权,

32、 它表示两点之间的相似程度。一幅图的最优二分法即是使cut 的值最小，但由于割直接与割中边的数目成比例，因此最小割通常并非就是最优割19，因此还需要在研究中进行相关的优化。c)图像检索本研究拟使用基于内容的图像检索技术进行图像检索，基于内容的图像检索技术是指直接根据描述媒体对象图像内容的各种特征进行检索，它能从数据库中查找到具有指定特征或含有特定内容的图像( 包括视频片段)，它区别于传统的基于关键字的检索手段，融合了图像理解、模式识别等技术。在Internet环境下实现一个基于内容检索的图像数据库系统的框架结构可分为两个部分：图像特征索引的创建和图像检索。一般来说，图像特征的分析和索引的创建是

33、在服务器端离线完成的，其主要功能包括图像入库前的预处理、图像的内容特征的提取与分析、图像特征描述的编码和存储。对于图像的检索，其主要的任务是将用户感兴趣的图像实例提交给服务器，对其内容的特征进行提取和表示。然后调用图像检索引擎按一定的相似检索方法进行图像之间的相似度计算，对查询得到的相似图像按它们的相似距离从小到大进行排序，并将结果返回给用户。这其中主要应用三种检索方式：基于颜色特征的图像检索：通过对图像的彩虹编码图像进行处理，可以将图像处理为颜色图像。颜色是物体表面的一种视觉特性，每种物体都有其特有的颜色特征, 如人们说到绿色往往是和树木或草原相关,谈到蓝色往往是和大海或蓝天相关。同一类物体

34、往往有着相似的颜色特征, 因此可以根据颜色特征来区分物体，本研究拟采用直方图来描述颜色特征。基于形状特征的图像检索：形状特征是描述图像的关键要素之一，它可以较好地反映出区域的特征，因此该特征是CBIR技术中一个比较重要的可利用因素。在二维图像空间中, 形状通常被认为是一条封闭的轮廓曲线所包围的区域，所以对形状的描述涉及到对轮廓边界的描述以及对这个边界所包围区域的描述。目前的基于形状检索方法大多围绕着从形状的轮廓特征和形状的区域特征建立图像索引。形状包括面积、连通性、环形性、偏心率、主轴方向等特征。基于纹理特征的图像检索: 纹理是指图像像素灰度集或颜色的某种规律性变化。纹理特征主要包括粗糙度、方

35、向性、对比度以及规则性。基于纹理的检索通常采用统计方法、结构方法以及频谱分析方法进行。d)图像模式识别与模式匹配模式识别的基本原理是，将一个输入模式与保存在系统中的多个标准模式相比较，找出最近似的标准模式，将该标准模式所代表的类名作为输入模式的类名输出。本研究在将获取的图像信息经过特征提取以后经过图像检索使用模式识别算法进行模式匹配，最终匹配得到相应的专家系统里面的预存储信息。本研究拟采用遗传算法(Genetic Algorithm, 简称GA) 实现图像的模式识别与匹配。遗传算法是基于达尔文生物进化论的自然选择学说和群体遗传学原理，借鉴自然界中自然选择、适者生存的法则，在计算机中采用遗传学中

36、的相应名字和方法建立的一种算法。作为近几年发展起来的一种随机全局优化算法，遗传算法建立在自然选择和种群遗传基础上，模拟自然界“物竞天择、适者生存”的进化过程，在问题空间进行全局并行、随机的搜索优化，使得种群成为全局最优的收敛。GA实施中最关键的三点是: 定义编码结构、确定适应度函数及定义遗传算子。利用马尔科夫理论，对采用实编码的遗传算法进行全局收敛性分析，得出了在群体数为无穷大时能收敛到全局最优解的结论。虽然其建立在群体规模无穷大基础上, 但在规模有限时, 收敛到全局更优点是可以达到的。基于此，在进行遗传算法设计时，个体染色体位串由分类器所有实数权值级联构成, 每个染色体可表示为(W1T,W2

37、T,W3T,W1T)型的实向量, 其中Wi(i=1，2，,M)为分类器的权值向量。这样, 群体中的每一个个体就是一个分类器。分类器在测试样本集中的判别率作为个体染色体的适应值，其中使用Yik(i=1,2, N ) 表示第k次迭代时群体中的第i个个体21。3）云服务的医用专家系统专家系统是利用大量的某个领域专家的知识和解决问题的方法来处理该领域的问题，是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统。利用人工智能技术和计算机应用技术，根据某领域专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以解决那些需要人类专家处理的复杂问题。基于云计算的专家系统描述为：在医学领域里，运行于一系列通过各种

38、网络连接的、紧密合作的疾病状态监测与诊断系统，实现分布式控制、资源共享、动态扩展、远程调度、专家诊断等多项功能，同时考虑系统的并发性、分布性、可靠性、安全性、共享性、保密性与智能性等特性的开放系统。本研究拟引入多Agent技术，设计一个基于MAS的医学诊断决策专家系统的分布式体系框架，并通过使用带有用户请求的Agent在地理上分散的各个专家诊断Agent之间诊断的方式，以提供一种透明的、实时的诊断服务，实现对整个系统的组织和管理，同时改进传统的合同网模型，设计了一种分布式的诊断任务分配机制，以此提高任务分配的效率，增加诊断结果的精确性。将MAS技术运用于分布式诊断专家系统，主要是解决多专家系统

39、、多实验数据集成过程中出现的分布式、多源异构、共享、动态环境处理等集成问题。在解决这些问题的相关研究中，多Agent技术之所以能脱颖而出，是因为其能够较好地满足数据集成处理过程中的自主性、智能性、交互性、反应性、主动性、社会性等特征，把系统中一些细节隐藏起来，使系统具有较好的智能性、适应性、可扩展性，其具体优势体现在:自治性：由于各个Agent 是独立自治的，因此他们具有各自独立的知识库，可以将不同平台下的诊断异构数据，通过其专用的知识库转换成统一的格式。因为在不同的Agent之间，传递的是标准化后的诊断数据，而无须传递异构的数据，因此易于实现异构数据环境下的诊断专家系统的集成。效用最大化：这

40、也是多Agent 系统与一般分布式系统的最根本区别。在多Agent系统中可以存在多个Agent组同时为多个用户提供服务; 每个Agent 具有特定的知识和能力，通过管理Agent 的组织管理。当多个专家节点之间进行交互时，Agent能够代表各节点以最大利益的方式进行工作，即效用最大化，从而提高整个诊断数据协同处理的效率。动态处理：采用多Agent技术，主要是为了创造一个即插即用的运行环境。在多Agent系统中，Agent之间的耦合关系非常松散。在这个环境中，诊断数据处理的相关节点可以随时连入或离开系统，而不至于影响或中断整个数据处理过程。这种即插即用的运行环境，增加了分布式专家系统数据协同处理

41、的灵活性和可扩展性，减少了重新开发诊断专家系统相关集成系统的成本。同时这种动态加入和离开的工作模式，使各节点资源得到了充分的利用，从而有效地控制数据处理任务，提高诊断效率。透明性：由于分布式专家系统中各子专家系统节点都是独立的，其都已经存在了各自的业务应用系统，采用多Agent技术后，各节点不需要再为某一数据处理任务开发协同界面，Agent的协同对于节点是透明的，各节点只需要对自己所分配到的数据进行处理，其它的协同处理由Agent自行处理。医用红外热像仪不但能够实时显示人体热图，还需要通过对正常机体和异常机体的热图像比较，协助医生对是否异常、异常程度和异常发展能够准确识别和严格分析，如 REF

42、 _Ref384129488 h 图 6。疾病监测位置判断时，添加子午线用于定位，如 REF _Ref384129503 h 图 7、 REF _Ref384320535 h 图 8。图 SEQ 图 * ARABIC 7局部受伤手热图图 SEQ 图 * ARABIC 8疾病监测判断图专家系统需要知识库来存放专家提供的知识，知识库中知识的质量和数量决定着专家系统的质量水平。知识获取是专家系统知识库是否优越的关键，针对医用红外热像仪，需要采集大量的不同年龄、地区、性别、人体部位等各种不同类型正常、异常机体的病理热像图片。尤其是罕见病例、疑难杂症等特殊情况下的疾病异常和异常程度发展的红外热图像的积累

43、，更是医疗健康检查、精确判断病情甚至解决人类重大疫病的有效方法。只有通过对完备的知识库中信息和规则的反复匹配，才能对当前问题得出合理的推理，对医生的病情判断提供帮助。本系统利用用户接口将图像信息进行传递，通过相应的特征提取模块将特征提取信息与云存储模块以及图像检索模块进行消息传递，图像检索结果与模式识别模块进行交互，最终利用云存储的专家系统做出最佳抉择，将最佳抉择形成决策传递到用户模块，最终到达用户手中，具体的信息传递及处理如 REF _Ref384129513 h 图 9所示。图 SEQ 图 * ARABIC 9专家系统的信息处理过程拟解决的关键问题1、通过对非制冷红外探测器的检测方式设计，

44、提出红外热像的实时图像获取和矫正算法，并对获取的图像进行结构化存储；2、通过对人体红外热图像的特征分析，提出对该类红外图像的特征提取算法进行改进；3、通过对正常、异常机体等红外热图像的比对，提出对图像模式识别以及模式匹配算法的改进；4、通过对各种不同类型、不同病情的异常情况发展阶段等红外热图像采集，对专家系统知识库进行创建和优化，并搭建基于云计算的专家系统平台。3与本项目有关的工作条件（包括研究工作基础、实验条件等）申请人所在的单位有相关的实验室5个，省级重点学科实验室2个，相关的基础设备配套齐全。其中嵌入式实验室可用于传感器、物联网方向的实验和设备设计，图像与微波光子学实验室可用于开展图像处理、模式识别以及微波光子学相关的研究。近年来已承担多项研发工作并有多项研究成果获奖。已购买项目实施所需的软件开发、硬件设计的基本设备和商