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【第三十期】大工技述:BMELAB生物医学工程实验室将医学信息技术的理论与应用相结合

2018-05-29  点击:[]

生物医学工程是一门由理、工、医相结合的边缘学科,是多种工程学科向生物医学渗透的产物。它是运用现代自然科学和工程技术的原理和方法,从工程学的角度,在多层次上研究人体的结构、功能及其相互关系,揭示其生命现象,为防病、治病提供新的技术手段的一门综合性、高技术的学科。

根据国家和社会在医学和健康方面的发展需求,基于生物医学工程专业学科特点,邱天爽教授于2001年建立了BMELAB生物医学工程实验室。BMELAB属于研究性实验室,但并非仅仅做理论研究,而是采用基础理论与应用实践相结合的模式,旨在攻克各类问题中的关键核心技术。实验室依据面向学科前沿与面向经济建设相结合的理念,采用信息技术与医学问题相结合的方法,解决面临的理论与技术问题,提高学生的基础研究与工程实践能力。

 

图1 医学信息检测技术应用举例

我校电子信息与电气工程学部邱天爽教授曾在中国科学院大连化学物理研究所从事信号检测与处理方面的研究工作多年,承担我国第一台光多通道分析仪的研制和多项中科院重点军工项目的研究工作。其主要研究方向为非平稳、非高斯统计信号处理与应用,特别是射频与通信信号处理和生物医学信号处理。近10余年来,在邱教授带领下,BMELAB获得国家自然科学基金资助13项;其他各类项目20余项;发表论文250余篇,其中SCI/EI检索约200篇;申请国家发明专利20余项,授权10余项;出版著作教材10余部;获得省部级科学技术一、二、三等奖9项。BMELAB人员由指导教师邱老师、无线电监测顾问、医学顾问、博士后、博士生、硕士生与创新计划本科生组成,目前已毕业博士31人,已毕业硕士99人。近年来,BMELAB主要的研究方向为:

一、以循环相关熵为代表的非平稳、非高斯统计信号处理理论与方法研究

信号处理的核心工作是滤除无用信号、保留有用信号或从信号中提取有用信息。在无线电监测中,同频带中多个信号互相干扰会严重影响正常的信号传输,例如航空管理信道被非法占用,会严重危害到飞行器和乘客的安全;在医疗诊断中,孕妇和胎儿的心电信号互相干扰,如何准确地从母体中提取、分离胎儿心电信号,是一项很有意义的工作;诸如此类问题还有很多。因此,非线性、非高斯、非平稳信号处理是具有重要科学意义、社会意义和潜在经济价值的研究领域。2012年,BMELAB实验室提出了基于分数低阶循环平稳和分数低阶循环统计量的概念与参数估计方法,对于非高斯,非平稳信号具有重要意义。2016年以来,BMELAB实验室又提出了循环相关熵的概念与相应的信号处理理论方法,进一步提升了算法的性能。

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图2 射频信号分析处理流程图

以基础理论为依据,实验室突破了复杂电磁环境中强背景噪声和同频带干扰下信号淹没、特征难以提取的难题,利用循环相关熵理论,从频域、循环频率域抑制背景噪声和同频带干扰,并最终提取微弱信号,进一步改善了信号参数估计与目标定位的技术水平。实验室还创建了射频信号噪声消除与抑制系统,该系统可广泛应用于雷达、卫星、军用通信,无线电管理部门、通信运营商、广播台等领域。

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图3 射频信号噪声消除与抑制系统 

二、以医学信号和图像处理为核心的生物医学工程技术研究

针对诸如监护仪等传统医学检测设备成本较高,不适于家庭使用的问题,团队开发了包含硬件与手机端APP的检测系统,可用于家庭健康日常实时监测;以及包含跌倒状态信号的硬件采集和跌倒状态的实时监测的系统,可用于老年人居家状态的实时监测。

图4 老年人居家状态检测报警系统

实验室还与大连市中山医院合作,研究基于膝关节摆动信号无创辅助诊断技术。这种技术无需对膝关节切口,比关节镜手段更适合进行膝关节治疗效果的定期监测复查以及康复情况的评估。还完成了先进的非接触生理信息监测技术研究,避免了传统生理参数检测手段的复杂操作连接和人体的姿态较高限制所造成的不适感。

此外,实验室还与企事业单位合作完成了基于深度学习的诱发电位分类与检测研究、脉搏波信号特征提取与人体状态关系研究、可变形人体头部图谱构建、基于PET/CT图像处理技术的辅助肺癌放疗研究、人体全身CT图像的自动器官分割技术、甲状腺超声影像分析与辅助诊断研究、超声引导的介入式手术导航系统研究。

图4 可变形人体头部图谱变形情况 

三、以同频干扰和脉冲噪声抑制为特点的无线电监测信号参数估计与目标定位技术研究

BMELAB针对“黑鸟”系统自带软件操作复杂,不具有扩展性等问题,对“黑鸟”接收机软件进行二次开发。本系统以频点监测、频段扫描处理两种任务模式为基础,根据实际任务需求,实现对各类处理功能模块的灵活调用和组合,从而形成各类灵活、自动化的处理流程,满足各类监测任务的需要。现阶段该系统已交付无线电监测部门,投入日常监测使用。后续可进行全国推广,提高“黑鸟”设备利用率。

此外实验室还完成了在复杂电磁环境无线电监测中信号参数估计与目标定位研究、无线电信号调制识别与参数估计系统、短波与伪多普勒定位技术研究、航空发动机润滑油金属磨粒监测技术研究、海防雷达目标自动识别与动态仿真技术研究。在基于飞机散射的民航干扰定位技术研究上获得两项软件著作权,两件受理专利,发表论文五篇。

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图5 无线电监测                    图6 无线电信号调制识别

 

教授简介:

邱天爽,大连理工大学电子信息与电气工程学部教授,博士生导师。现任中国电子学会高级会员,中国生物医学工程学会高级会员,全国信号处理学会专业委员会委员,医学神经工程学会专业委员会委员。     

近年来主要从事非平稳、非高斯统计信号处理与应用的科研工作,特别是射频与通信信号处理和生物医学信号处理。作为项目负责人主持完成国家自然科学基金项目10余项,其他国家级和省部级项目多项。曾获中国科学院、教育部和辽宁省政府科学技术奖9项。在国内外重要学术期刊和学术会议上发表论文约250篇。其中有约150篇被SCI和EI检索。出版著作教材(含译著)12本。

 

编辑排版:刘  涛

责任编辑:蔡  琳

文字作者:徐紫薇

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