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1、醫學資訊學Medical Informatics,第一章 醫學資訊學簡介,參考文獻李友專等，簡明醫學資訊學，合記圖書，2002J.H.van Bemmel and M.A.Musen(Editors),Handbook of Medical Informatics,Bohn Stafleu van Loghum,1997.,What is Medical Informatics?,Medical informatics or Health informatics It is the intersection of information science,medicine and health
2、care.It deals with the resources,devices and methods required to optimize the acquisition,storage,retrieval and use of information in health and biomedicine.Health informatics tools include not only computers but also clinical guidelines,formal medical terminologies,and information and communication
3、 systems.,What is Medical Informatics?,Subdomains of(bio)medical or health care informaticsclinical informaticsnursing informaticsimaging informaticsconsumer health informaticspublic health informaticsdental informaticsclinical research informaticsbioinformatics and pharmacy informatics.,Aspects of
4、Medical Informatics,Architectures for electronic medical records and other health information systems used for billing,scheduling or research Decision support systems(DSS)in healthcare Standards(e.g.DICOM,HL7)and integration profiles(e.g.Integrating the Healthcare Enterprise)to facilitate the exchan
5、ge of information between healthcare information systems-these specifically define the means to exchange data,not the content,Controlled medical vocabularies(CMVs)such as the Standardized Nomenclature of Medicine,Clinical Terms(SNOMED-CT),Logical Observation Identifiers Names and Codes(LOINC),OpenGA
6、LEN Common Reference Model or the highly complex UMLS-used to allow a standard,accurate exchange of data content between systems and providers Use of hand-held or portable devices to assist providers with data entry/retrieval or medical decision-making,醫學資訊學,醫學資訊學係指資訊科技於醫學、健康照護、以及公共醫療方面的應用目的在提供醫師及護理
7、人員對於一般醫療行為之支援，包括直接支援病人醫療上的資訊科技應用臨床資訊系統臨床路徑支援系統診斷支援系統,1-1簡介,人類在採取行動之前通常會先思考與推理。這樣的原則不僅適用於日常生活，也適用於科學活動。推理對病患照顧與醫學研究都非常重要。而推理思考則仰賴對向現實世界的觀察與專家所提供的知識。電腦可以儲存資料與知識，這是電腦可以協助人類推理的原因。,1-1簡介,資訊在解讀資料與決策訂定(decision making)上扮演關鍵角色。圖1.1顯示，藉由觀察病人或一些檢查，臨床醫師 可以取得資料。經由解讀與推理這些資料，可以產生資訊，而這些資訊則是臨床醫師採取進一步行動的依據。,圖1.1,1-2
8、診斷治療循環,人類的大部分活動，都可以歸類為三個階段：觀察（observation）推理（reasoning）行動（action）這三個階段所扮演的角色，不僅見於日常生活，同時對病人照護處置與醫學研究也十分重要。,表1.1 人類活動三階斷,1-2診斷治療循環,在健康照護的領域中，這三個階段又可以稱為診斷治療循環。觀察（observation）診斷（diagnosis）治療（therapy）病人敘述他的病史，臨床醫師收集資料（包括理學檢查、實驗室檢查與影像檢查的結果），作出診斷，而後開立處方或提供其他治療。,圖1.2 診斷治療循環,1-2診斷治療循環,醫療照護與科學研究不同之處在於：科學研究主要
9、解決一般性的問題，而醫療照護則對面對個體化的病人。病人的問題通常無法完全依照一般性的原則來處理。臨床醫師在治療病人時，應盡可能根據科學研究結果，但也必需留意每一個病人都可能有其獨特的問題。在醫療執業中，前敘人類活動的三個步驟會週期性地循環執行。,1-2.1觀察（Observation）,在觀察階段，首先要擷取資料，尤其是能夠提供相關資訊的資料，有了資訊就可減低生病原因的不確定性。這種不確定性的減低可以來自病史（病歷分析），或是從病人身上收集來的生化、生理數據；如理學檢查，血液分析，或生理訊號紀錄，如心電圖（ECG），呼吸功能檢查（spirograms）。醫學資訊學上一個重要的挑戰就是協助醫師解
10、讀得自病人的資料。,1-2.1觀察（Observation）,病人的資料經常得自不同的管道，它們通常具有互補性且可以加強彼此的可信度，適於協助醫師作出可信賴的診斷（如缺血性心臟病病人的病史，運動心電圖、冠狀動脈攝影與心臟超音波）。有時候醫院提供了太多的資料，我們稱做資料的重複性（Redundancy）。在診斷治療的循環中，醫師在每一個週期都是嘗試降低對疾病的不確定性，瞭解病人病程的實際狀況。,1-2.1觀察（Observation）,因此，第一步驟通常是取得病人的病史，然後安排一些較低費用的檢查（如理學檢查或實驗室檢查），如有需要再進一步安排較昂貴或侵入性的檢查，如核磁共振掃描（MRI），或心
11、導管檢查（Cardiac catheterization）。使用各種不同的方法獲取病人資料並加以分析，可以讓臨床醫師對病人的病情有概略的認識。醫學資訊學主要的目的是要讓臨床醫師取得必需的資料並提供決策支援的方法，如此能夠讓診斷治療的循環進行的更有效率，同時兼顧醫療品質與減少病人的不方便。,1-2.2診斷（Diagnosis）,臨床醫師下診斷前須經過思考的程序，這正是電腦可以協助醫師診斷的關鍵。不過這只限於可以結構化並同時具有客觀性的診斷流程；亦即這一部份需仰賴科學化，結構化的方法。臨床醫師通常並不察覺有那些東西是他不知道的。電腦表列的資料對臨床醫師沒有察覺的部分可能產生提示作用。例如電腦可以協
12、助臨床醫師自文獻中找尋所需的資訊。,1-2.2診斷（Diagnosis）,臨床醫師對病人與其所下之診斷必須擔負任，電腦永遠無法替代醫師在作出診斷時所擔負的責任。下診斷過程中客觀性、科學性部分，則可交由電腦代勞。個別性、特殊性的問題不能也不應給機器處理。在作出診斷的過程中永遠包含某種程度主觀的部分，這些部分無法一般化交給電腦處理。,1-2.3治療（Therapy）,治療階段所需的臨床知識與經驗不同於診斷階段。治療通常是一實際之行動，它受決策的所影響大於理論。治療通常取決於診斷的結果，與決策分析（Decision analysis）所預測之預後(prognosis)。治療的準備工作與監測可以利用電
13、腦來協助。例如在投予藥物時，可利用電腦來計算用量，可能的藥物交互作用（Drug-drug interaction）與給藥禁忌（Contraindication），也可用電腦監測（monitoring）重症病患或施行放射治療。,1-2.3治療（Therapy）,電腦也可用來分析得自眾多病人的資料以作出某些結論（圖1.1）。這類分析見於流行病學（epidemiology）、健康服務研究、決策分析、或醫學研究，並稱為資料挖掘（Data mining），此外電腦也用於評估不同治療方式的結果，例如對照試驗（Controlled trials）。,1-3資訊處理,1-3.1支援人類思考,臨床醫師也未必能全
14、盤瞭解疾病的本質，以及疾病的發生原因。臨床醫師通常基於知識、經驗，以及在健康照護領域下所建立的理論及模型來作出決策，雖然他對這些基礎可能並非完全瞭解。如果沒有這些經由醫學研究產生的理論及模型，現代醫學根本就無法存在。,1-3.1支援人類思考,在醫學資訊學的領域哩，我們嘗試制定規則、尋找定律，或建構模型使我們能夠更清楚資訊處理的本質這些模型是電腦可執行的，而其目的則是希望能用來做病人照護。使用研究結果來衡量真實世界事件(如醫療)，必須了解該模型的可能性與限制。,1-3.2在健康照護領域的發展,在醫療照護中引入電腦的同時，健康照護的花費成長也過快，超過社會所能接受的程度。如圖1.3，西方世界的國家
15、在健康照護上的支出已佔 6%12%的國民生產毛額（GDP）。電腦被引入此一領域，以控制與穩定醫療支出的成長。其中有一項措施是藉由提供醫師與護士電腦，來強化基層醫療的功能。,圖1.3,1-3.2在健康照護領域的發展,以電腦為基礎的合作照護（shared care）、病人資料的電子交換、專家遠距會診系統、決策支援系統、新的協定（protocols）及計畫性醫療（managed care）都有助於合作的進行。這些結果都會改變臨床醫師的責任與各種健康照護提供者所扮演的角色。它同時也改變了病人自身的責任。如果病人自己有電腦的輔助，將能夠更適切地照顧自己。電子病歷上的資料正逐漸被用於評估醫療照護的提供狀況
16、與品質。,1-4電腦應用之系統化分類,圖1.4將電腦在醫療照護的應用上分成六個層次。在圖中較低層次的應用，對人員參與的依賴性較低，而一般化（generalization）的程度較高。圖1.4中較高層代表複雜性較高的電腦應用，因此較依賴人員參與。第一層應用的主要功能是溝通（communication）與通訊（telematics）。原則上，在這一層的時間是真實時間（real time）。,圖1.4,1-4電腦應用之系統化分類,第二層，時間基本上是被陳結的。在這一層的資料被貯存電腦的記憶體內，無法立即離開電腦，資料在這一層通常會保持原狀，不會被處理、轉換格式或解讀。第三層，不僅時間被暫時凍結，資料
17、也會因近一步處理而發生改變。這個階層是進行自動化資料處理的階層。資料在這個階層處理完畢後可能被送至第二層貯存，也可能被送往第四層進行解讀。,1-4電腦應用之系統化分類,第四層，人員的參與程度或人機互動遠大於較低的階層。在第四階層解讀後的資料，會被送至第五階層以協助治療或療程控制。第六階層，人員參與程度最深，在這個階層經由研發會產生新的發現，而這些新發現又會被較低階層所應用在這六層結構中的底下兩層負責的診斷治療循環中的第二階段醫-即作出診斷。第五階層則處理第三時期治療。,第一階層：溝通與通訊（Communication and Telematics）,最佳的結構化應用通常是使用電腦來作資料擷取（
18、data acquisition）與資料傳輸。這通常包含資料的編碼(coding)/解碼(decoding)程序，將資料轉換為標準格式或加密。電腦在資料的傳輸與溝通上，扮演越來越吃重的角色，這類程序被稱做遠距資訊（Telematics）。資料在被傳輸前，會貯存於暫存性的媒體上。,第一階層：溝通與通訊（Communication and Telematics）,實例加護病房電腦螢幕上心電圖、血壓等生理訊號的顯示。這類資料利用電極（electrodes）或傳導器（transducers）從病人身上擷取信號並放大，經數位化（digitized）後輸入電腦，再從終端機、雷射印表機或繪圖機輸出結果。醫院
19、內，經由區域網路（local area networks），將生化分析資料從檢驗部門傳至臨床部門，或將臨床醫師的處方箋傳至藥局。,第一階層：溝通與通訊（Communication and Telematics）,在一個區域醫療網，病人電子病歷之交換，或基層醫師與醫院間轉診單、出院病歷摘要的電子傳送。從偏遠地區醫院將X光影像傳至大學醫院作遠距會診；或將心電圖（ECG）從遠方傳至醫院之心臟科，並以電腦解讀。使用網際網路將資料從甲地傳至到乙地。在這個階層的系統發展上，我們較不會遇到基本的技術問題（除了資料的傳輸速度之外），或因資訊科技而受到限制，主要的困難是來自健康照護領域的問題本質。,第二階層：資
20、料的貯存與搜尋（Storage and Retrieval）,醫學資料庫的容量正快速成長，醫院中的醫院資訊系統，容量幾乎都會超過 100 gigabytes有時甚至會達到一個terabyte，其中的病人資料還不斷在更新（表1.1）。有些醫院中的資料庫包含超過100萬個病人資料。醫療影像貯存需要巨大的空間，而目前已有貯存媒體可以貯存上4張醫療影像（需經過壓縮）。目前已有標準規範自然影像如何從甲地傳送至乙地。,表1.1各式醫學影像之記憶容量,Nuclear Medical(NM)Magnetic Resonance Imaging(MRI)Ultrasound(US)Digital subt.An
21、giography(DSA)Digitized Electronic MicroscopyDigitized Color MicroscopyComputed Tomography(CT)Computed Radiography(CR)Direct Radiography(DR)Digitized X-RaysDigital Mammography,128 X 128 X 12256 X 256 X 12512 X 512 X 8(24)512 X 512 X 8512 X 512 X 8512 X 512 X 24512 X 512 X 122048 X 2048 X 122048 X 20
22、48 X 122048 X 2048 X 124000 X 5000 X 12,30-606020-23015-4011402224,1-285-604-100.260.7920161616160,Modality,Row X Col X bits,#of images/Exams,M byte/Exams,第二階層：資料的貯存與搜尋（Storage and Retrieval）,應用範例醫院、臨床部門或基層醫療貯存病人資料，以統計為目的之資料庫。後勤部門（ancillary departments）的資料庫則可以協助醫院內衛材、藥品存庫之管控。,第二階層：資料的貯存與搜尋（Storage a
23、nd Retrieval）,有些機構提供資料庫或系統給醫謢人員使用。這些資料可以提供病人照護或研究的相關知識。例如美國國家醫學圖書館（NLM）提供之MEDLINE、藥物資訊之國家資料庫、貯存診斷碼之國際性資料庫如國際疾病分類碼（International Classification of Diseases-ICD）或SNOMED（Systematized Nomenclature of Human and Veterinary Medicine）。,第二階層：資料的貯存與搜尋（Storage and Retrieval）,越來越多醫療影像系統以數位化形式(DICOM)傳遞影像，而電腦記憶體的
24、容量不斷增加，價格不斷下降，這些趨勢使醫療影像系統(PACS)逐漸平民化，而廣受放射部門所採用。很多國家中，國家型資料庫被應用為管理或規劃衛生政策；或用來監控醫療品質，評估上市藥品的狀況。這個層次的電腦應用與工業、銀行、貿易或交通並無本質上的不同。,第二階層：資料的貯存與搜尋（Storage and Retrieval）,社會上的各個領域都用資料庫管理系統或標準來編碼、壓縮、貯存資料、訊號與影像。健康照護在這一方面並無例外。主要的不同在於醫療資料的多樣性，與這些資料有著廣泛的使用者。在這個層次的應用，較複雜的是資料間的交互關聯，以及貯存這些資料的目的之繁雜與多樣性。這是建構資料庫時要考量的重點
25、。,第三階層：資料處理與自動化（Processing and Automation）,這個階層是較具智慧性的應用，如實驗室中訊號的擷取與處理。要設計此一階層的系統，需要大量的醫學相關知識。應用實例大部分實驗室中血液或尿液的檢查都是高度的自動化。分析儀器大多與電腦直接連線，分析結果（資料）可以直接被電腦擷取，並進一步加以處理，例如品管分析或報告產生。,第三階層：資料處理與自動化（Processing and Automation）,手術房或加護病房內具診斷功能分析之訊號處理。例如量取運動心電圖上之ST波過低（ST depression）或腦波之頻譜分析（electroenceph-alogram
26、）。通常檢測儀器與處理資料的電腦之間有緊密的結合。利用電腦來作放射治療的計畫擬定與劑量計算，是本階層電腦應用的另一個實例。放射腫瘤科的醫師是最後決策的決定者，本階層電腦應用，是為上面的兩階層預作準備。,第三階層：資料處理與自動化（Processing and Automation）,醫療影像是本階層的另一重要應用，如電腦斷層掃描（computer tomography,CT）、核磁共振掃描（magnetic resonance images,MRI）、正子攝影（positron emission tomography,PET）、核子醫學（nuclear medicine,NM）、超音波（ult
27、rasound,US），沒有電腦的強大運算能力，這些造影技術幾乎不可能存在。在這個階層，電腦科技、數學、物理與生物學的複雜性都遠大於第一、二階層。必需對於人體器官或系統的生理學與病理學有徹底瞭解才能針對問題提出解決方案。,第四階層：診斷與決策（Diagnosis and Decision Making）,視覺影像與狀況的辨識，是作出決策或採取行動的先決條件。不管是人腦或電腦，辨識都需要足夠的知識與經驗，而且資料本身要正確、完整、不模糊。在這方面的最大挑戰是如何將醫學知識標準化以支援決策。在這個階層使用的方法與圖形辨識（pattern recognition）及推理(reasoning)技術有關
28、。,第四階層：診斷與決策（Diagnosis and Decision Making）,實例心電圖的自動判讀、診斷：心電圖的自動判讀是利用電腦作決策支援最成功的實例之，它可以完全自動進行，不需人員操作。不過診治醫師仍需負最後的責任，他們必需在電腦判讀結果上簽字，表示同意該項結果。有很多決策支援系統（decision-support systems）被發展來協助臨床醫師作出正確診斷。有一個早期發展的系統被用來做腹痛的鑑別診斷。臨床醫師輸入病人的徵候（signs）與症狀（symptoms），電腦根據機率函數列出可能的疾病，供臨床醫師選擇。,第四階層：診斷與決策（Diagnosis and Deci
29、sion Making）,在這個階層，使用電腦會遭遇到無可避免的困難。因為是這個階層的工作大多為典型的人類行為，例如對病患做出診斷。如果我們要使用電腦來進行這些工作，一定要先訂出統一的決策標準與模型。在圖形辨識、影像處理、決策支援系統上，完全自動化系統所能扮演的角色有限。通常我們看到的系統是協助診斷，而非完全獨立操作。此階層的系統是與診斷治療循環中的診斷有關。,第五階層：治療與控制（Treatment Control）,在這個階層裡，只有少數應用對病患照顧有直接影響。不管是注射藥物或進行手術，基本上仍是仰賴人員操作的行為。例子：重症病患的體液平衡（fluid balance）需仔細監測。研究者
30、發展出可以根據體液進出狀況來自動調整輸液的電腦演算法則（algorithms）。自動迴饋系統也被應用於抗凝血劑治療或施打胰島素。根據藥物動力（pharmacokinetic）發展出來的藥物施打法則應會更為完美。,第五階層：治療與控制（Treatment Control）,在放射治療（radiotheraphy）中，儀器通常根據在第三階層所得的計算結果，利用電腦自動調節、校正。藥物處方可與電子病歷及決策支援系統結合，以監測可能的藥物交互作用（drug-drug-interaction）或禁忌（contraindications）。對高血壓、糖尿病等慢性疾病有些成功應用的例子。電子病歷（compu
31、ter-based patient records）中的資料，亦可應用於決策支援。例如，有些系統可以整合電子病歷的資料，對臨床醫師的治療方針提出評論。這種系統稱為評論系統（Critiquing system）。,第五階層：治療與控制（Treatment Control）,當心臟節律器（pacemaker）晶片上的小電腦，偵測出無心跳或心律不整時，它會開始激發病人心跳。因為治療與控制的流程相當複雜，因此在本階需要很多人為的參與，本階層與診斷治療循環中的第三階段治療有關。只有可以一般化、結構化的流程，如一些純粹物理性或生化性的流程，才有可能採用自動迴饋機制。,第六階層：研究與發展（Research
32、 and Development）,人類最具創造性的工作-科學研究研究各種流程、作出一般化的描述、發展並評估模型與運算法則、以及發展處理系統等，這些都是醫學資訊學研究的目標。醫學資訊學是實驗科學（使用數學、物理學等工具）也是應用科學（使用資訊學工具）。如果不能定義出模型，就無法設計電腦程式。這些模型包括醫學資料的電子交換（第一階層），醫療影像的3D呈現（3-D reconstruction，第三階層），心電圖之自動判讀或腹痛之鑑別診斷（第四階層）以及治療方針之評論系統（第五階層）,第六階層：研究與發展（Research and Development）,實例發展與驗證（validation）電
33、子病歷及病患資料共享的各種不同模型。利用電腦分析流行病學調查所得到的各種資料，例如使用資料庫管理系統（database management systems）、統計學方法、試算表（spreadsheet）、及圖形表示來做比較。心臟肌肉去極化（depolarization）之電腦模型。這類模型可以增進我們對心臟功能的瞭解，也是改進心電圖解讀的基礎。,第六階層：研究與發展（Research and Development）,循環之神經性或內分泌控制系統模型。這類模型使我們可以研究不同系統的控制機制與交互作用。電腦模型可以驗證我們的假說，並為活體實驗預作準備。利用已知的病患資料，來發展或評估有關訊號
34、，例如：影像之圖形辨識(pattern recognition)模型。利用虛擬實境（virtual reality）來訓練或協助醫師從事低侵入性手術。,第六階層：研究與發展（Research and Development）,特別在這個階層，我們要牢記，模型只是真實世界的縮影，它只有在我們事先定義的範圍內，才是有效的。這個階層所產生的系統，在應用到較低階層之前，應徹底評估它的限制與可能性並且詳細紀錄，它絕對不能應用到事先定義的領域之外。,第二章 醫學資料收集,2-1 介紹,我們現在處於一個被稱為通信年代的時代中，短期間內，手提式收音機、衛視電視、行動電話、多媒體個人電腦和網際網路等皆變成熟悉的
35、術語，所有這些媒體的目的是從一個組織到另一個組織傳送訊息。技術上來說，媒介之間所傳遞訊息的方式可以是不同的（例如：單向或雙向）。有時傳送者與接收者是整合於同一裝置內，有時則是分開。,2-1 介紹,我們首先要對傳送者、接收者和傳輸途徑的一般的情形繪一個草圖，將病人和醫師或護士之間，及病人的資料、醫學的影像或生物訊號交換的情形做介紹。除了在第一章中，被分類在層次一中資料獲得和傳輸的處理之外，也應該瞭解所有的資料在醫療照護方面之來源或傳送者（通常指病人）和接收者（照護供給者）。沒有傳輸的話，資料將不會到達接收者而且也不可能被解釋出。,2-2 傳送者、途徑和接收者,在任何的傳送者（S）和接收者（R）之
36、間總是有必須通過的傳輸途徑（T）（圖2.1）。這個途徑可能或長或短，也可能有一些延遲或即時的。以地下電纜或衛星傳輸的為例，傳輸途徑的部份是轉換器。轉換器主要的功能為接收訊息並將之轉換為適合進一步處理之格式。訊息（s）可能經由傳輸時被扭曲（圖2.1），或被一些干擾或雜訊（n）所毀壞，導致成為雜音和訊號所組成的混合體（m）。,圖2.1,2-2 傳送者、途徑和接收者,我們假定干擾是添加進去的，混合體m是訊息s加上雜訊n的總和：m=s+n環境噪音即為重疊干擾之例，舉例來說，臨床醫生的診間或街道的聲音，病人和臨床醫生的交談聲音，或由活動的肌肉產生的雜音等。例如，在病人移動期間作心電圖，這些重疊的干擾將會
37、被一起記錄下來。一般而言，變數 m、s 和 n 是以時間作變化的訊號。,2-2 傳送者、途徑和接收者,傳送者S也可能隨時間變化的影像，例如，心音圖藉由心臟或瓣膜檢查時被記錄。如果我們一般化那些不同的情形，傳送者S、途徑T和接收者R被包括，我們能辨別S，R，T的五個不同的配置，如下分別描述之。,2-2 傳送者、途徑和接收者,1.S R這是一個單向傳輸的情形，傳送者和接收者兩者已知，且接收者只對訊息本身感興趣而不需在傳送途徑上，例如心臟的聽診器（傳送者S是心臟；訊息s 是被心瓣膜和心雜音閉鎖所產生聽得見的聲音，舉例來說，被混亂的或湧回之血流引起的；n 可能是腔室之呼吸或雜音；R是聽診器或麥克風加上
38、檢查時臨床醫生的耳朵；T是心臟和轉換器之間的胸部和空氣。）,2-2 傳送者、途徑和接收者,另外的一個例子是ECG（S是腦皮層裡的那些去極化的神經元；s 是被衡量過的神經叢的去極化波的總數；n 是來自於環境、活動的肌肉甚至是ECG之電的干擾；R是電極、放大器和浮凸槽記錄設備；而T是組織、皮膚和介於皮膚和電極之間的電極膠體）的記錄事項。2.S R這是一個雙向性的配置。,2-2 傳送者、途徑和接收者,在這裡，傳送者和接收者也已知，而且接收者只對被傳送者傳輸的訊息感興趣。如以病人和臨床醫生之間的交談為例，拿出病歷（S是病人所聽到的和回答臨床醫生的問題；s 是交談的話；n 是從外部造成的雜音導致字句被誤
39、解；R是臨床醫生聽到和問問題兩者；而T世界於病人和臨床醫生的耳朵之間的途徑）的期間。,2-2 傳送者、途徑和接收者,更進一步的例子，在於管理來自電極電刺激的神經或肌肉的回應（S是細胞或肌肉測知刺激和產生回應，s 是電的神經細胞或肌肉回應；n 是來自相鄰的細胞或肌肉束的干擾；R是為電及管理刺激和接受回應，而T是在細胞或肌肉和電極的尖端之間的途徑）。3.S R在這種情形，傳送者和接收者是一個裝置。,2-2 傳送者、途徑和接收者,在典型的情形，我們對於藉由傳送者和接收者的組合而在訊號傳送和接收之間的訊息感到興趣，以超音波（ultrasound）為例是壓電（piezoelectric）陣列來產生（也就
40、是所謂的扇形掃描器）從組織交界所接收到的回聲（S是晶體發射超音波進入周圍的組織之內；s 是晶體產生的幾百萬赫之超音波；n 是從其他的組織所接收的扭曲反射；R是產生超音波的晶體但現在正在接收回音；而T是相同的晶體介於經那些由組織的晶體和回到相同的晶體之間的途徑）。,2-2 傳送者、途徑和接收者,4.S？這是在學術的情況下而接收者是不呈現的，不去注意，或沒有正確轉換器。舉例來說，在症狀不被臨床醫生發現的環境之下，或只是正在任意地發生或者疾病是無症狀的（例如，心臟產生無法偵測的期外收縮（extrasystole）。,2-2 傳送者、途徑和接收者,5.？R這是症狀被測知為醫學裡的典型情形，但是症狀的因
41、素仍然未知。舉例來說，在血液化學中，誤差值可能沒有辦法追蹤導致誤差的器官之可能性。在醫學裡，多數的例子是可以跟這五種情形來比較。,2-2 傳送者、途徑和接收者,例1：超音波（Ultrasound）在醫療照護的許多領域裡超音波是被用來做診斷目的，如神經學、心臟學、內科和產科學。超音波是訊號或1、2或甚至8MHZ頻率的波前s，視需要而決定。超音波向我們感興趣的器官發射。在產科學情況中，全部或部分的胎兒（例如，胎兒的心臟或顱骨）接受超音波。那些被收到的回音是訊號和雜音的混合體，最初的訊號 s 已經被通過的組織轉換到訊號 s*。,2-2 傳送者、途徑和接收者,接收轉換器只檢測反射訊號。在這情況下，SR
42、，被 s*載運的信息是組織結構資訊，成為一個延遲的與部分較低幅的電波。而所收到的反射訊號常為影像訊號，提供了有用的資訊。例如，胎兒位置、食道腫瘤、或腦部組織的不對稱（如，內出血造成的不對稱）。目前，超音波訊號已逐步被數位化，可由電腦來計算相關參數或處理成更好的影像品質，例如血流的速率。,2-2 傳送者、途徑和接收者,例2：醫學造影（Imaging）造影對於醫療診斷上非常重要。以心臟科為例，當我們探討血液充填心室為時間的函數時，我們注射不能被輻射穿透的液體（radiopaque fluid）至血管，經由血液輸送到心臟。X光是用來提供心室大小的訊號 s，X光向胸部發射且穿過它，而接收到的訊號 s*
43、為組織密度的資訊。該組織為介於X光管（S）和感測裝置（R）之間的人體部分，R是攝影感光乳劑或光子倍加器（photonmultiplier）。,2-2 傳送者、途徑和接收者,組織和體液使得原始訊號 s失真（或衰減），而這正好是我們感興趣的資訊。然而，重疊在 s*上的成分不止來自心臟的效應，也包括其他的組織的影響（如肺和肋骨等），使得s*成為混合體 m。在收到訊號（即影像）後，即可測量心室的面積，或者在兩正交或不平行影像上估計心室的體積（時間的函數）。通常這種情況可以量測心臟隨時間而變化的輸出。,2-2 傳送者、途徑和接收者,例3：無線傳輸（Wireless Transmission）在某些情況中
44、，需要在身體上裝置無線傳輸器(如Holter 監聽)，或植入轉換器(transducer)，甚至體內傳輸器（transmitter）（例如，測量顱內壓力）。,2-2 傳送者、途徑和接收者,例4：藉著自然語言傳輸（Transmission by Natural Language）在病人病歷被拿來使用的期間，訊息 s 來自自然語言（也就是它被說出來）。富有經驗的臨床醫生也能察覺非口述的訊息，例如肢體語言。接收者，也就是臨床醫生，有足夠的專業知識來發掘含在混合體 m中的訊息。,2-2 傳送者、途徑和接收者,然而在這情況下，干擾不只是來自環境加上的雜音，而且也是隱藏在自然語言後的真實意義。如果臨床醫生
45、沒有接受適當地訓練，他們無法在媒介(即語言)中找到有意義的訊息。這就是以電腦解譯自然語言是極端困難的原因，或許永遠無法完全成功。,2-2 傳送者、途徑和接收者,例5：生物訊號（Biosignals）每個活細胞、器官、或組織，產生身體內部的通信訊號，或是對外部世界傳達它的訊息。大體上，我們可將此視為產生輸出的生物過程。甚至，我們希望對此生物過程輸入訊號，以觀察它的回應。例如，觀察細胞被電極刺激的反應。,2-2 傳送者、途徑和接收者,生物訊號有不同的本質：例如，在電化學上，穿過細胞膜的細胞之去極化(由於離子流動)，如Ca+、Na+或Cl-。在呼吸方面，擴胸肌肉活動造成空氣流動與壓力。在生物化學上，
46、血氣值如PO2或PCO2。在荷爾蒙上，分娩時催產素（oxytocin）的釋放。,2-2 傳送者、途徑和接收者,在大多數的情況中，我們處理上述傳輸1或5的情形。如果 s 必須通過不同的組織才到達轉換器，則接收到的訊號是被極端的扭曲。例如胎兒的ECG訊號 s，在到達轉換器之前必須通過許多組織層（圖2.2）；此訊號在妊娠最初三個月內太弱而無法被檢測出來，而在分娩期間它被子宮和腹部的肌肉極度扭曲。另一方面，胎兒的ECG訊號又被母親的ECG訊號所混疊（通常遠大於胎兒的ECG）。胎兒的心搏間隔能夠透露在分娩時胎兒可能發生危險的訊息。,圖 2.2,2-3 知覺和轉換器,感知外部世界訊息的最重要器官是我們的眼
47、睛和耳朵，經由視網膜人類的眼睛能夠接收到每秒 3 百萬位元（位元訊息為最小的資訊單位）。視網膜有大約 10 億網膜桿體和1億錐體，這能夠使我們原則上，在白天辨識超過400,000離散影像點。如果我們了解許多電視攝影機只有很低的解析度的話，人類這種辨別圖片的能力給人印象深刻。高解析度的電腦可能有 1,620*1,280 影像點（大約 2,000,000 圖素），五倍於人纇眼睛的解析度（個人電腦螢幕通常有 640*480，1,024*768或更多的圖素點，表2.1）。,表2.1,表2.1感知（Senses）,視覺聽覺觸覺熱覺嗅覺味覺刺激電磁波機械式皮膚機械位置及時間上化學物質化學物質（3,8007
48、,600）式變形之溫度改變位置視網膜基底膜表皮表皮鼻腔 舌頭接受器1107 髮狀細胞壓力：熱：1104 11071107 數量椎狀細胞 1-3104 5105（白天，色彩）1108 痛覺：冷：3105 柱狀細胞 3105（夜間）4105 圖點辨別連接到中（1 to 2）106（1 to 2）104 1104 110421032103 樞神經的神經叢數量資料量31062-5 1042 1052 10310 to 10010,2-3 知覺和轉換器,電腦和人類在資訊處理方面，給人最深刻印象的差別是人類的大腦，以視網膜為起點從超過1百萬神經到皮層，而能夠完成平行的資訊處理。然而大多數的電腦是循序處理，
49、雖然以極端地高速率，只有在非常先進的計算工作下，例如在科學和技術上，我們才看得見平行的計算（例如，具有超過 50,000處理器的平行處理）。將神經元與電腦儲存訊息的最基本單位作比較是常有的嘗試，然而人腦如何儲存和處理訊息，仍舊是個謎，不論從神經生理學、認知心理學、和人腦研究的基礎研究中。,2-3 知覺和轉換器,在許多例子之中，我們的感官不能獲得我們感興趣的診斷資訊，我們已經看到幾個例子了:幾個MHz的超音波遠遠地高於我們能夠聽到（如，從大約 40 到 8,000 Hz，甚至16,000 Hz）的範圍。又如X光或紅外光的電磁波，是超過我們能看見的光譜之外。再者，我們對電流或磁場並無感（除了他們可
50、能刺激神經和肌肉，例如在心臟的去纖維顫動期間），且我們感覺體溫或壓力的方式是非常粗糙和不足以可靠的來獲得訊息，除了我們可能感覺某人的額頭而斷定某人高燒之外。,2-3 知覺和轉換器,上述那些情況中，我們使用轉換器（transducers）將機械或生物化學的變數轉變成一個電氣訊號。另一方面，並非所有傳達到我們感官的資料含有資訊。如果訊息能夠被接收端解釋，則資料就含有資訊，或如同我們所知，接收者與傳送者之間是協調一致且有充足的知識。獲取解釋所需的知識為醫學資訊學的研究（發生在層次 6，如第1章所討論）領域。,2-4 資訊方面,資訊只能存在於有資訊載體的情況下，資訊科學是一門使用符號和其組合（如語言）
