生物医学测量基本特点

生物医学传感器和检测技术,主要内容：包括生物医学传感器原理和生物医学电子测量技术。其特点是从测量对象（生物体）本身的特点出发, 讨论生物医学电子测量的基本原理和相应的实现方法，技术。讨论生物信号直接测量和基于模型的测量。,先修基础：生理学，模，数电和计算机硬，软件技术等。学习目的：掌握生物医学测量基本概念，原理。正确制定实施方案。能自主进行设计和技术实现（传感器和电子系统）。目标：进行生物医学仪器的设计。,生物医学仪器发展简史：2500年前【黄帝内经】所述“九针”，最早医疗仪器，用于针灸术1816年听诊器现代：1895年德国物理学家伦琴（W.K.Roentgen)发现X射线，获得首届（1901）诺贝尔生理学与医学奖。,1903年荷兰生理学家爱因多芬(W.Einthoven)采用弦线电流计记录心电图，获得1924年诺贝尔生理学与医学奖。1924年脑电图1972年X-CT（X射线计算机断层扫描仪）,1973年，美国科学家劳特布尔(P.C.Lauterbur)和英国科学家曼斯菲尔德(P.Mansfield)研制临床核磁共振仪，获得2003年诺贝尔生理学与医学奖。其它：心脏起搏器，超声仪器等等。,第一章 生物医学测量基本特点,1.1 生物医学测量仪器组成生物医学测量仪器的种类愈来愈多生物医学测量仪器已经成为生物医学研究，诊断，治疗，自动监护等工作必不可少的工具。,生物医学测量仪器分三个主要部分：传感器和电极：解决信息获取。放大器和测量电路：实现信息的电子化。数据处理和显示：解决临床实际使用。发展：现代生物医学测量仪器包括诊断，治疗组成的完整的自动化系统。也包括基于网络的数据远程传输部分。,生物医学测量仪器示意图,传感器: 是把生理信息转换成可供测量电信号。电极:是传输生物电信号的传感器。传感器确定仪器原理及组成方案。生理参数可分为力、位移、速度、加速度、流体压力、流量、温度、时间、声、光、电、离子浓度等物理或化学量。,放大器及测量线路：是把传感器所获微弱信号加以转换、放大、调理，得到可以进一步处理的信号。数据处理和显示：一般用单片机，计算机等完成数字信号处理，模型和计算，数据的记录、贮存或显示。,从测量技术看，生物医学测量属于强噪声背景下低频微弱信号测量被测信号是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号。从信号本身到测量方式，都有它自己的特殊性。,1.2 人体测量的特点人体测量是以医学、生理学为基础的。生物医学测量的生理参数，有心电、脑电、肌电等各种生物电的电量参数，还有体温、血压、呼吸、血流量、脉搏、心音等非电量参数，生物医学被测量信号是生命系统的信息，与工程测量具有本质的不同。,心脏与心电图,监护仪的界面,超声心动图和心电图,康复训练中,手术室的监护设备,医生使用测量仪器,电子眼,人体测量的目的是诊断和治疗疾病，这一过程可以看作为控制系统。其模式有开环和闭环两种，如图所示。 例如安置在患者身上的心脏起搏器，早期的属于开环系统，现代的则是闭环控制系统。,诊断治疗系统两种控制模式,1.3 人体系统的控制模式生命现象最基本的特征，包括新陈代谢和兴奋性 引起生物体出现反应的各种环境变化称为刺激，受到刺激后产生兴奋的能力称为兴奋性。,感受细胞将所受刺激转变为生物电信号，生物电信号将信息传送到中枢神经系统，经过神经系统处理，仍然以生物电的形式将信息传送到机体各部分的效应细胞（如肌肉、腺体），激起它们所特有的功能活力,人体各种功能调节都可以认为是负反馈调节的自动控制系统可将神经，体液或自身调节中的调节部分（如反射中枢、内分泌腺等）看作是控制部分，将效应器官看作是受控部分。受控部分的状态或所产生的效应叫做输出变量,人体的运动与内环境稳态，依靠反馈对控制信息的纠正和调整而达到调节。 人体控制的负反馈模式,人体内环境稳态例如体温调节：当体内、外某些重大变动使体温升高时，体温变化的反馈信息将在下丘脑内与参考信息进行比较，由此产生“偏差信息”，使体温调节中枢发出的控制信息相应地发生改变，导致产热减少而散热加速，于是使体温下降。,1.4 人体生理信息的测量条件（一）常见生理参数的测量范围表1.4-1 常见生理信号的典型幅值和频率范围医学生理参数的强度都很微弱，如电压大多在微伏量级。频率范围都在低频段，甚至是直流信号。,（二）强噪声背景干扰: 来自外界，特别是电磁场噪声：被测对象和测量设备本身的随机噪声。其它：肌体的运动，其他未测生理参数的影响将被测信号淹没,（三）安全性限制为了获取人体信息或治疗，必须把仪器与人体紧密地连接在一起。 心脏导管检查，探头放入人体，仪器长期置在体内（如植入型心脏起搏器），替代人体器官，维持生命 人体测量的安全性是最终的测量限制性条件,安全方面的三点基本考虑 （1）测量中施加于人体的各种能量通过人体的电流、放射性射线、超声波、高频能量、加速粒子等。人体所承受的力、加速度和振动，以及声、光、放射性射线的作用，是有一定限度的。例如超声波给生物体加热、振荡、空化、氧化、还原、调节渗透压等物理和化学作用。,（2）测量的精确度和可靠性。 （3）测量中电防护,1.5 电流的生理效应和防护医学测量都有电流通过人体。必须采取有效方法防止电击。包括：1 电流的生理效应 2 宏电击与微电击 3 人体的阻抗及自然保护机理,1 电流的生理效应通过人体的低频电流（直流1KHz）对人体的作用有三个方面：产生焦耳热；刺激神经、肌肉等细胞；使离子、大分子等振动、运动、取向。,心脏：是电的最敏感器官,流过心脏电流产生期外收缩,电流增加,心脏活动可能完全停止。心脏发生纤颤是电击的严重后果,如不及时采取适当措施,心脏活动和血液循环就会停止。,根据动物实验得到引起纤颤的最小电流计算公式为： I-为引起心室纤颤的最小电流， K-为动物（或人）的体重系数， t-为电击时间。 结果：随着体重增加最小纤颤电流随之增加。,体外接触50Hz交流电的生理作用一般手指触及电源产生感觉阈,为500A,舌头的感觉阈更低一些。手紧握电源感觉阈为1mA。不超过5mA的电流并无危险,称为安全阈值。,电流超过1020mA,可使上肢强直收缩。如果紧握载流导体,已不可能摆脱。大电流用于治疗，例如心脏除颤或起搏。引起心室纤颤电流约为75mA,电流超过12A,可引起心脏收缩。,用交流电剌激： 男子感觉电流的平均值约为1.1mA。 女子感觉电流比男子为低,约为0.7mA。 电流频率增高，刺激作用减小不易引起兴奋，频率为60Hz时,感觉电流为1.1mA，频率增加至5kHz时,感觉电流则为7mA。,2 宏电击与微电击在整体下,由感知电流造成的电击称为宏电击,超过0.71.1mA的感知电流阈值,可能造成严重电击事故。 由感觉阈以下电流所造成的电击,称为微电击。例如, 20A的电流自起搏导管流入心脏就会产生危险。可使病人遭微电击而致死。,3 人体的阻抗及自然保护机理人体皮肤阻抗较高，对电击具有自然保护作用。人体的皮肤电阻,主要取决于上皮角质层。不同部位的皮肤,其电阻差别很大。干燥皮肤约为100300/cm2,潮湿的皮肤电阻只有干燥皮肤的百分之一。,汗腺分泌降低角质层电阻。人体每一肢体内的电阻约为200500,躯干内的电阻约为25100。肥胖病人脂肪层增厚,电阻稍多。一般以两肢体电阻为500作为电击时估算流过电流的标准。,1.6 生物医学测量与模型系统模型及其分类：分为三类，即：物理模型，数学模型和描述模型。物理模型：是一种简化的，类似实际生物系统的某些突出特征而设想的一种物理系统（类比）。,基本概念，人体测量是以生理学为基础的电子工程。测量目的是探索人体机制，科学研究；疾病的诊断治疗。为临床服务，为医生和患者服务。,例如肌肉的类比模型：用一个弹簧和一个阻尼器类比一束肌肉，其中弹簧类比肌肉的弹性特征，而阻尼器类比肌肉的摩擦现象。肌肉受外力f(t)作用,被拉伸，位移量为y， K为弹性系数， D为阻尼器系数。得到力学模型如图1(a)，数学表达式：,肌肉的模型：力学模型(a)； 电路模型(b),若以电阻类比阻尼系数，电感类比弹性系数，可以得到电路模型，如图1(b)所示。 其数学表达式：,两个物理模型微分方程相同，可以类比。用一个理想弹簧和一个阻尼器的组合类比肌肉的物理模型：力学模型 等效电路模型,数学模型：将实际物理系统上升为抽象的数学变量和函数关系。是对系统本质的精确描述。通常可以用微分方程，状态变量方程描述。