基于医学量子雷达的人体异常物质检测方法
【专利摘要】本发明公开一种人体异常物质的量子检测方法，主要解决现有医学CT扫描难以成像显示不明显病状部位的不足。其技术方案是：基于量子比特经过传输信道会发生状态改变的理论，将人体看成是量子比特的传输信道，则其量子态必与周围环境相互作用，使量子态密度算符发生改变；通过测量设备测量该量子比特，得到改变的量子态密度算符，并计算得到传输信道与测量信道级联的信道矩阵；将级联信道矩阵与已建立的各种样本所对应的信道矩阵数据库进行比对，给出人体内部异常物质的定性和定量分析数据，以及异常物质存在的位置，并在CT扫描图上给出标记。本发明可为医生的诊断提供一种直观的参考依据。
【专利说明】基于医学量子雷达的人体异常物质检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于量子信息学与医学多学科交叉的【技术领域】，特别涉及一种人体内异常 物质的纠缠检测方法，可用于对人体内部异常物质进行定性、定量、定位的检测分析，以及 将检测结果成像显示。为今后医生诊断病情提供一种可视化的理论分析依据。
【背景技术】
[0002] 在正常情况下，人体内游离的离子元素，如酶，蛋白质，血糖等各种物质的含量均 处于相对稳定的情况下。当这些物质的含量低于或高出指定界限时，就会出现异常，进而引 发一系列的病症。
[0003] 影响疾病的表现和演变的因素很多，同一类致病因素间也有质的区分，每个人接 受的致病因素的量不同，每个人的反应性也不同，疾病的表现也就不同。具体的来说，这些 致病因素，必将导致身体内部的化学物质含量出现异常。
[0004] 常规的核磁共振与CT技术，只能提供人体内部的直观影像图像，难以得知人体病 变部位是哪些化学物质出现异常。而且，对于人体内部不明显的病变症状，上述技术就更加 难以提供直观的影像图，检测不出哪里出现异常。比如说早期的癌症患者利用上述技术检 测，是不可能检测出其是具有癌变倾向的。
[0005] 微生物学的发展提供了许多检验方法，但这些方法也颇有问题。有些方法比较灵 敏但特异性却不高，也就是说把一部分没有患这种病的人也当成患这种病了；有些方法的 特异性虽高却不灵敏，以致一部分有病的人未被发现。灵敏性和特异性很难两全。
[0006] 现阶段，检验人体内部异常化学物质的各种方法在不同的应用需求中会受到许多 的限制。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于针对上述现有医学检测方法的不足，提供一种人体内部异常物 质的检测方法，以给出人体内部异常物质的定性和定量分析数据，以及异常物质存在的位 置并在CT扫描图上给出标记，为医生的诊断提供一种直观的参考依据。
[0008] 本发明是基于量子态经过传输信道会发生状态改变的理论而提出的，其技术方案 是这样实现的：
[0009] 一 ?医学量子雷达检测原理
[0010] 正常情况下，人体内的化学物质含量较为稳定，此时若将人体看成是量子的传输 信道，则量子态必与周围环境相互作用，量子态密度算符发生改变。而当传输信道不同时， 即人体内的化学物质含量发生变化时，量子态密度算符必然有所差异。而且不同的化学物 质，或是含量的不同，都会对量子态密度算符产生不同的改变。
[0011] 量子传输信道的信道属性依赖于信道的输入和输出以及描述输入和输出之间关 系的条件概率。但是，量子传输信道的特性受到量子物理学的约束，即信道受发射信号的量 子物理特性的强烈约束，这是由量子物理中不同于经典物理的特性所致。因此，即使是全同 信道，若输入的量子比特不同，也可能将一个无噪声的信道能会成为有噪声的信道，所以要 求对同一信道进行检测时，需输入相同的量子比特。
[0012] 量子传输信道的描述与经典信道的描述方式相同，但是描述信道特性的信道矩阵 与量子特性有关。量子信源通过测量信道后，记录下输入的量子比特，对准人体需要检测的 部位，从另一侧再通过测量信道，测出其变化过后的量子比特，进而可以得知输入前后的量 子态密度算符。
[0013] 根据前面测得的量子态密度算符，可以计算得到对应的信道矩阵。该信道矩阵与 之前已建立的各种标本所对应的信道矩阵数据库进行比对，即可定性、定量、定位的分析所 检测部位的化学物质是否出现异常。
[0014] 二?技术方案
[0015] 根据上述原理本发明提出的人体异常物质量子检测方法，包括如下步骤：
[0016] (1)通过患者的CT扫描图像，得到患者的横断层图库；
[0017] (2)对现有的医学标本进行检测，建立不同病症、不同化学物质和其不同含量的信 道矩阵数据库；
[0018] (3)以人体的正视图为基准，横向为X轴，纵向为Y轴，垂直于人体平面的方向为Z 轴，建立三维坐标系；
[0019] (4)由量子信源制备量子比特，得到对应的量子态密度算符P = {pi|i = l，2，? n}，n表示量子态密度算符中元素的个数；
[0020] (5)将量子比特输入给测量设备，得到输入量子态密度算符为 = {/4 I i = 1,2m}，并定义测量过程中所使用的测量算符集合为M = {mk I k = 1，2, --?!!}， 则<4 = ，<为mk的共轭转置；
[0021] (6)将人体看成传输信道，利用从输入测量设备中输出的量子比特，对患者的待检 测部位进行扫描；
[0022] (7)量子比特通过人体这个传输信道后，得到传输量子态密度算符为 Aut = …通过输出测量设备测定该量子比特，得到输出量子态密度算符为 P s，则P s = M P。^+，M+为M的共轭转置；
[0023] (8)由上述参数P in、P _及P s，得到传输信道的信道矩阵p。，以及输出测量信道 的信道矩阵Pm，并将传输信道和输出测量信道这两个信道级联，得到级联信道矩阵Pt ;
[0024] (9)将级联信道矩阵Pt与信道矩阵数据库进行比对，实现对人体内异常物质的定 性、定量分析：
[0025] (9a)在信道矩阵数据库中查找与级联信道矩阵Pt相匹配的信道矩阵；
[0026] (9b)根据查找到的信道矩阵，查看其所对应的化学物质及含量；
[0027] (9c)将上述得到的化学物质含量与正常数值范围相比较，判断该物质是否出现异 常，若化学物质含量不在正常数值范围之内，则为异常；
[0028] (10)记录异常位置在三维坐标系中的X轴向值和Z轴向值，并在当前CT图中标识 出该异常部位。
[0029] 本方法与现有的医学检测方法相比，具有以下优点：
[0030] 1.本方法由于根据检测引起人体病变的化学物质含量，判断检测部位是否出现异 常，并进行定位标识，可在核磁共振和CT扫描检测不出人体部位是否出现异常的情况下， 实现对人体异常部位的准确定位。
[0031] 2.本发明的实施只需患者躺在扫描床上，即可对该患者体内的异常化学物质做定 性、定量分析，无需对人体进行额外的二次伤害，较传统的医学检测方法更加方便、迅速、灵 敏。
[0032] 3.本发明只要建立好信道矩阵数据库，通过检测匹配，给出人体内部异常物质的 定性和定量分析数据，并在CT扫描图上标记出异常部位，为医生的诊断提供一种直观的参 考依据。
【专利附图】
【附图说明】
[0033] 图1是本发明提出的医学量子雷达检测方法的实现总流程图；
[0034] 图2是本发明中医学量子雷达扫描的子流程图。
【具体实施方式】
[0035] 以下结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0036] 参照图1，本发明的基于医学量子雷达的人体异常物质量子检测方法，其实现步骤 如下：
[0037] 步骤1，获取患者的横断层图库。
[0038] 本发明是在人体横断层图片的基础上，对异常部位进行定位标识，需要患者提前 准备好待检部位的横断层扫描图，通过患者的CT扫描图像，得到患者的横断层图库。
[0039] 步骤2,根据现有的医学标本库建立不同病症、不同化学物质和其不同含量的信道 矩阵数据库。
[0040] 2. 1)从现有的医学标本库中得到人体的正常样本，制备特定的量子比特对其进行 检测，得到正常人体对应的级联信道矩阵#，建立人体正常状况的信道矩阵数据子库1 ;
[0041] 2. 2)从现有的医学标本库中得到各种病情样本，对其进行检测，得到各种病情对 应的级联信道矩阵Pt2，建立各种病情的信道矩阵数据子库2 ;
[0042] 2. 3)从现有的医学标本库中得到人体内各种物质的样本，对其进行定性、定量检 测，得到各种物质对应的级联信道矩阵Pt3，建立不同物质不同含量的信道矩阵数据子库3 ;
[0043] 2. 4)由信道矩阵数据子库1、信道矩阵数据子库2和信道矩阵数据子库3构成总 的信道矩阵数据库P#。
[0044] 步骤3,以人体的正视图为基准，横向为X轴，纵向为Y轴，垂直于人体平面的方向 为Z轴，建立人体三维坐标系。
[0045] 步骤4,由量子信源制备特定的量子比特I的，计算得到对应的量子态密度算符： p ={// Ii = 1,2,--?!!} =|辦〈纠，其中，n表示量子态密度算符中元素的个数，p 1为量子态密度 算符的第i个元素。
[0046] 步骤5,将量子比特I的输入给测量设备，并定义测量过程中所使用的测量算符集 合为M = {mk I k = 1，2,…n}，计算得到输入量子态密度算符P in :
[0047] Pin= {pH \ 2'…n\，Piill=InX，
[0048] 其中，％+为mk的共轭转置；
[0049] 步骤6,将人体看成传输信道，利用从输入测量设备中输出的量子比特，对患者的 待检测部位进行扫描检测。
[0050] 参照图2,本步骤的具体实现如下：
[0051] 6. 1)从横断层图库中提取待检测部位的横断层图像，读取该横断层图像的像素分 辨率，用PIX*Pn表示，其中，PIX为横向分辨率，PH为纵向分辨率；
[0052] 6. 2)初始化X轴向值、Y轴向值、Z轴向值为0,根据扫描步进值的具体需求，确定
【权利要求】
1. 一种人体异常物质量子检测方法，包括如下步骤： (1) 通过患者的CT扫描图像，得到患者的横断层图库； (2) 对现有的医学标本进行检测，建立不同病症、不同化学物质和其不同含量的信道矩 阵数据库； (3) 以人体的正视图为基准，横向为X轴，纵向为Y轴，垂直于人体平面的方向为Z轴， 建立三维坐标系； (4) 由量子信源制备量子比特，得到对应的量子态密度算符P = (PiIi = 1，2，···η}， η表示量子态密度算符中元素的个数； (5) 将量子比特输入给测量设备，得到输入量子态密度算符为|i = l,2,…η}， 并定义测量过程中所使用的测量算符集合为M = {mk I k = 1，2,…η}，则A:, = 为mk的共轭转置； (6) 将人体看成传输信道，利用从输入测量设备中输出的量子比特，对患者的待检测部 位进行扫描； (7) 量子比特通过人体这个传输信道后，得到传输量子态密度算符为 Aut = Ij = I,2，···《}，通过输出测量设备测定该量子比特，得到输出量子态密度算符为 P s，则P s = M P _Μ+，M+为M的共轭转置； (8) 由上述参数P in、P _及P s，得到传输信道的信道矩阵ρ。，以及输出测量信道的信 道矩阵Pm，并将传输信道和输出测量信道这两个信道级联，得到级联信道矩阵P t ; (9) 将级联信道矩阵Pt与信道矩阵数据库进行比对，实现对人体内异常物质的定性、定 量分析： (9a)在信道矩阵数据库中查找与级联信道矩阵Pt相匹配的信道矩阵； (9b)根据查找到的信道矩阵，查看其所对应的化学物质及含量； (9c)将上述得到的化学物质含量与正常数值范围相比较，判断该物质是否出现异常， 若化学物质含量不在正常数值范围之内，则为异常； (10) 记录异常位置在三维坐标系中的X轴向值和Z轴向值，并在当前CT图中标识出该 异常部位。
2. 根据权利1所述的人体异常物质量子检测方法，其中所述步骤￠)中对人体进行扫 描，按如下步骤进行： (6. 1)从横断层图库中提取待检测部位的横断层图像，读取该横断层图像的像素分辨 率，用ΡΙΧ*ΡΠ表示，其中，PIX为横向分辨率，ΡΠ为纵向分辨率； (6. 2)初始化X轴向值、Y轴向值、Z轴向值为0,根据扫描步进值的具体需求，确定X 轴向的比例系I
, Z轴向的比例系i
，其中，X轴向步进 值为X轴向扫描一次需移动的距离，Z轴向步进值为Z轴向扫描一次需移动的距离； (6. 3)沿着X轴向扫描待检测部位，完成一次检测，计算级联信道矩阵Pt : Pt = Pc*Pm ； 其中，P。为人体传输信道矩阵，Pm为输出测量信道矩阵； (6. 4)将级联信道矩阵Pt与信道矩阵数据库进行比对，判断检测结果是否异常： (6. 4a)在信道矩阵数据库中查找与级联信道矩阵Pt相匹配的信道矩阵； (6. 4b)根据查找到的信道矩阵，查看其所对应的化学物质及含量； (6.4c)将查到的化学物质含量与正常数值范围相比较，若化学物质含量在正常数值 范围之内，则执行步骤￠. 5)，若化学物质含量在不正常数值范围之内，则为异常，执行步骤 (6. 6)； (6. 5)在X轴向上，按设定的X轴向步进值步进一次，继续扫描检测； (6. 6)记录当前位置的异常情况、X轴向值和Z轴向值，将X轴向变换为Z轴，延续Z轴 向值继续检测，完成一次Z轴向检测，再将级联信道矩阵Pt与信道矩阵数据库比对： (6.6a)若结果正常，在Z轴向上，按照设定的步进值步进一次，继续检测； (6.6b)若检测结果异常，记录当前位置的异常情况、X轴向值和Z轴向值，将Z轴向变 换为X轴，延续X轴向值继续检测，完成一次X轴向检测，返回步骤￠. 4)，如此交替重复，直 至将整个横断层图像遍历完为止。
3. 根据权利2所述的人体异常物质量子检测方法，其中所述（6.3)中的人体传输信道 矩阵P。，通过如下步骤构建： (6. 3a)设人体传输信道对量子比特的影响用E = Iej I j = 1，2,…η}算符表示，根据E 算符中的兀素ej，计算输入量子态密度算符Pin与传输量子态密度算符Ptjut之间对应的条 件概率p I j): PcO' I j) = Tr(^ej)； 其中，Tr表示矩阵的迹，乂表示输入量子态密度算符P in中的第i个元素； (6. 3b)由步骤（6. 3a)给出的条件概率p。(i I j)，构建人体传输信道的信道矩阵p。：
4. 根据权利2所述的人体异常物质量子检测方法，其中所述（6.3)中的输出测量信道 矩阵Pm，通过如下步骤构建： (6.3c)设输出测量设备所使用的测量算符集合为M= {mk|k= 1，2，···η}，根据测量算 符M中的兀素mk，计算传输量子态密度算符Prat与输出量子态密度算符Ps之间对应的条 件概率P m (j Ik): p Jj Ik) ^ Tr(pLl}h)： 其中，Tr表示矩阵的迹，AL表示传输量子态密度算符P wt中的第j个元素； (6.3d)由步骤（6.3c)给出的条件概率pm (j |k)，构建输出测量信道的信道矩阵pm:
【文档编号】A61B6/03GK104382610SQ201410613521
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月4日 优先权日:2014年11月4日
【发明者】聂敏, 任杰, 李旭, 王林飞, 杨光, 张美玲 申请人:西安邮电大学