生物检测在临床应用运动医学生理医学研究等诸多领

1、医学资料1 医学资料2 生物检测在临床应用、运动医学、生理医学 研究等诸多领域中起着十分重要的作用。随着 科学技术的快速发展，涌现出大量的、新颖的 检测技术和检测设备。 生物医学检测技术是运用工程的方法去测量 生物体的形态、生理机能及其他状态变化的生 理参数。 第一章 生物医学检测系统的基本概念 医学资料3 把人和检测系统结合在一起考虑 1 、生命之间有高度的相关性； 2 、有很多重要的生理参数对测量装置是不容易 接近的； 3 、对生命体进行检测必须确保人身安全。 检测系统与被检测生物体之间存在复杂的互作 用 医学资料4 第一节 生物医学检测系统的组成 生物医学检测仪器分为两大类： 一、生物医

2、学检测仪器分类： 1、临床用的检测仪器：用于疾病的诊断、监 护。要求便于医护人员操作、使用，结构牢固 可靠。 2、医学研究用：要求较高的精度、分辨率，有 一些是介于二者之间。 医学资料5 二、生物医学检测系统对人体测量大致分类 1、活体测量（in vivo）：人体处于机能状态下的 临床检查或体内测量。 2、离体测量（in vitro）：处理血液、尿之类的标 本化验。 三、生物医学检测系统 生物医学检测系统包括信息的检测（采集）、 传播、存储、加工处理和监视读出。 医学资料6 医学资料7 在许多医学测量中，要求对某种形式的外部刺 激作出反应。用以产生提供刺激给被测对象的 设备是生物医学检测系统的

3、一个重要组成部分。 医学资料8 刺激可以是视觉、听觉、触觉。也可以是对神 经系统某些部位的电刺激。系统人体生理系统 要做出反应。 医学资料9 主要是人体的生理系统。它提供了系统要测量的各 种生理的物理量。医学上主要测量的有生物电位、 压力、流量、位移、速度、温度、化学浓度、阻抗 等。返回 医学资料10 传感器把来自生物体的能或信息转换成电的形式， 把电信号加到电子设备上。医用传感器转换的最 主要量包括温度、压力、流量、位移、速度和力 等非电量。 医学资料11 生物医学电极是直接感知人体生物电位的 元件。这是系统的采集部分。 医学资料12 将传感器输出的电信号进行放大、整理或作 其他变换的单元称

4、为信号调节器（或称为信 号处理器） 医学资料13 它把采集到并已转换成电信号的信息进行放大 整理或做其他变换以满足系统的功能需要。 医学资料14 将处理后的生物信息变为 可供人们直接观察的形式。 医学资料15 医学仪器对记录显示系统的要求是记录显示的效果 明显、清晰，便于观察和分析，正确反映输入信号 的变化情况，故障少、寿命长，与其他部分有较好 的连接。 医学资料16 记录与显示设备按其工作原理，可以分为三种： （1）直接描记式记录装置 直接记录各种生理参数随时间变化的模拟量。 （） 磁带记录器 （） 数字式显示器 医学资料17 可分为描笔偏转式和自动平衡式： 描笔偏转式记录器结构简单、成本低

5、，在心 电图机、脑电图机及心音图机中得到广泛使用。 自动平衡式记录器的缺点是结构复杂，频响 范围窄。优点是记录幅度大、精度高，可与计算 机连接。一般用于记录体温、血压、脉搏等监护 仪器上。 医学资料18 （2）磁带记录器 它在生理测量和病人监护中的应用日益增多。 其工作原理基本与磁带录音原理相同。按对被记 录信号的处理方法可分为模拟式和数字式两种。 把输入的被记信号按原样进行磁化记录的称 为模拟式磁带记录器，它类似一部录音机。 医学资料19 磁带记录装置的优点： 1）频率响应宽，记录的信息可以反复重放，便 于分析处理和保存。 2）信号失真度低，适宜于作准确测量。 3）一条磁带可同时记录多个生理

6、量适宜于长 间连续记录和大量资料存贮。 4）记录信息可擦除，可多次使用，成本低。 医学资料20 （3）数字式显示器 显示器接受信号处理后的信息，并以操作人 员所能感知的形式显示结果。显示形式可以是数 字的或图像的，也可以是连续的或离散的。多数 是依靠使用者的视觉，但也有采用听觉感知的办 法。数字式显示器是一种将信号以数字形式显示 供观察的器件，一般由计数器、译码器、驱动器 和数码管等组成。其中显示器分荧光数码管和液 晶显示两种。 医学资料21 从人体采得的信息具有二个特点： （1）信号很微弱，各种干扰很大，信噪比 低，有用信号淹没在强干扰背景中。 医学资料22 （2）需要用各种统计分析方法，对

7、信号进行叠 加、相关处理、频谱分析、直方图等数据处理。 医学资料23 数据传输：是异地诊断。 返回 医学资料24 把部分输出信号反馈到输入部分，以使系统按某一 方式工作，如控制刺激量的大小、控制传感器或仪 器系统中其他任何部分。控制和反馈可以是自动的 或手动的。 返回 医学资料25 信号源信号检测信号传输信号显示信号处理 被测物体 生物电极传 感器 中间变换装 置 显示、记录 装置 数据处理装置 血压 呼吸 体温 心跳 血 流 量 脉搏 位移 压力 成份 生 物 电 极 电阻传感器 电容传感器 电感传感器 光电传感器 磁电传感器 热电传感器 压电传感器 压电传感器 直 流 电 桥 交 流 电

8、桥 运算放大器 滤 波 器 阻抗变换器 调 制 器 电 流 表 光线示波器 笔式记录仪 磁带记录仪 电子示波器 电 压 表 电 流 表 频谱分析仪 电子计算机 数据处理器 典型生物医学检测系统的组成框图 医学资料26 第二节 生物医学检测系统的特殊性 医学仪器测量的主要目的： 是获得与临床诊断和治疗有关的人体生理参数。 医学测量与普通物理参数测量异同点： 它们的不同之处主要在于测量对象不同。普通物 理测量的被测对象是物（如设备、机器、化学物 品、工程系统、环境等），而医学测量的对象是 人体复杂的生理系统。 医学资料27 医学测量遇到的一些特殊问题： 一、被测值难以获得 对生命系统测量时，遇到的

9、最大困难是难以 获得被测值。 为了解决被测量不可接近的困难，必须采用 间接测量。 注意:在测量过程中应保持两个变量之间关 系不变，并且应在两者关系失效时及时对测量结 果加以修正。 医学资料28 二、数据的易变性 从人体测得的量是易变的，即使所有可控制 的因素都固定，但大多数被测参数还是随时间变 化，每次测量会有不同结果。在完全相同的条件 下，各次测量结果与正常值总会有偏差。因此， 生理量不能认为是严格的定值，而应该用统计的 或概率分布的方式来处理。 医学资料29 三、生理系统间的相互作用 人体各生理系统之间存在复杂的相互作用和 大量反馈环路。如对某系统中一部分进行刺激， 结果该系统的其他部分和

10、其他系统也会有反应。 甚至当打开反馈回路时，会出现旁系环路，而原 始反馈环路的某些性质依然存在，使因果关系很 难分清。如能了解一些生理系统之间互相关系， 则有利于做好生物医学测量系统和生理学系统之 间的结合工作。 医学资料30 四、传感器对测量状态的影响 由于传感器的存在，使任何形式的测量几乎 都受到不同程度的影响，表现为： 1、显著地改变了测量读数，特别是对活体的测 量。 2、影响另外系统的测量。 因此在设计生物医学测量系统时，必须尽力做到 使测量装置的影响减到最小。 医学资料31 五、能量的限制 生物医学测量，一种是依靠被测活体本身发 出的能量，例如生物电位测量；另一种是利用传 感器工作时

11、产生的能量作用于被测活体。当电流 流过人体组织时会产生热量，而对组织加热是一 种必须加以限制的现象。 此外，因为生理参数在人体内可用的能量有 限，所以在设计时应尽量避免生物医学测量系统 成为被测信号源的负载。 医学资料32 六、伪迹和干扰 在医学和生物学上，被测信号以外的任何信 号成分称为伪迹。生物医学测量系统中引起伪迹 和干扰的一个重要原因： 1、被测对象的移动而导致测量仪器移动。 2、测量仪器本机噪声、人体感应的交流干扰等。 医学资料33 七、安全性 在医学测量中，为了保证安全，必须做到： 1、必须保证不危及人体生命和损害正常功能。 2、不容许轻易地试验尚不可靠的测量方法。 3、生物医学测

12、量系统的设计要重视安全可靠。 4、生物医学测量不使被测者太疼痛、外伤或不 舒服。 5、设计医学仪器时还要考虑辐射、化学腐蚀、 毒物、有害气体、交叉感染等因素。 医学资料34 第三节 生物医学测量范围 为了正确地选择和使用医用检测仪器，使用 前应该清楚了解待测参数的指标范围。下表列出 了常用的生理参数的测量范围。这些指标在不同 的资料上的报道不尽相同。有时测量目的不同， 或被测试者处于不同状态，则对同一生理指标所 要求的范围也不相同。 医学资料35 参数幅 度 范 围频率范围（Hz） 心 电 皮肤电极 10V5mV(典型值1mV) 0.0580 心脏电极 10V5mV(典型值50mV) 0.05

13、80 胎儿心电 10V5mV(典型值10V)2100 脑 电 头皮电极 10200V(典型值50V) 0.5100 颅内电极 10100mV(典型值50V)0.5100 肌 肉 电 位 20V1mV105000（或102500） 细胞内电位 -100+200V(典型值100V)DC2000（或12000） 细胞外电位 -100+200V(典型值50V)DC1000（或11000） 视网膜电位 01mV(典型值100V)DC25（或0.05120） 眼 电 位 0.055mV(典型值100V)DC25 胃 电 位 0.055mV（典型值20mV）0.0520 平滑肌电位 0.5100mVDC1

14、医学资料36 第四节 生物医学检测系统的基本特征 为了评价一个检测系统性能的品质优劣，需 要有鉴别检测系统性能的定量标准。通常按照检 测系统对输入信号频率的响应，分为静态特性和 动态特性二大类。静态特性是扫描仪器对输入信 号为直流或很低频率时的性能。它表示系统在输 入量稳定时，系统输出和输入的关系。动态特性 则需要用微积分来描述。 医学资料37 Y 输出量； X 输入量； a0零位输出； a1系统的灵敏度，常用K表示； a2,a3 , ，an非线性项待定常数。 一、静态特性一、静态特性 通常，要求在静态情况下的输出输入关系 保持线性。实际上，其输出量和输入量之间的关 系(不考虑迟滞及蠕变效应

15、)可由下列方程式确定。 n nX aXaXaaY? 2 210 医学资料38 由上式可见，如果a0=0，表示静态特性通过原 点。 此时静态特性是由线性项(a1X)和非线性项 (a2X2，anXn)叠加而成，一般可分为以下四种 典型情况。 n n XaXaXaaY? 2 210 医学资料39 (a) 1、理想线性 XaY 1 ? 医学资料40 2、具有X奇次阶项的非线性 ? 5 5 3 31 XaXaXaY 医学资料41 3、具有X偶次阶项的非线性 ? 4 4 2 21 XaXaXaY 医学资料42 4、具有X奇、偶次阶项的非线性 ? 4 4 3 3 2 21 XaXaXaXaY 医学资料43

16、(a) (b) (c)(d) 由此可见， 除图(a)为理想线 性关系外，其余 均为非线性关系。 其中具有 X奇次 项的曲线图(b)， 在原点附近一定 范围内基本上是 线性特性。 医学资料44 系统的静态特性是在静态标准条件下测定的， 在标准工作状态下，利用一定精度等级的校准 设备，对系统进行往复循环测试，即可得到输 出输入数据。将这些数据列成表格，再画 出各被测量值(正行程和反行程)对应输出平均值 的连线，即为系统的静态校准曲线。 医学资料45 系统静态特性的主要指标有以下几点 ? 一、线性度(非线性误差) ? 二、灵敏度 ? 三、精确度(精度) ? 四、最小检测量和分辨率 ? 五、迟滞 ?

17、六、重复性 ? 七、零点漂移 ? 八、温漂 医学资料46 （一）线性度 (非线性误差) 在规定条件 下，系统校准 曲线与拟合直 线间最大偏差 与满量程(FS) 输出值的百分比称 为线性度. 医学资料47 用L代表线性度，则 Ymax校准曲线与拟合直线间的最大偏差； YF S系统满量程输出； 0max YYY SF ? ? %100 max ? ? ? ? SF L Y Y ? 医学资料48 由于定标曲线成线性的检测系统是理想系统 而实际的系统则往往是非线性的。因此常用实际 的定标曲线与理想直线的吻合程度，来作为衡量 实际检测系统的线性度。 由此可知，非线性误差是以一定的拟合直线 或理想直线为基

18、准直线算出来的。因而，基准直 线不同，所得线性度也不同。 医学资料49 拟合直线建立常用方法： 1、绝对法：把零点和满量程输出点连接的直线 作为理论拟合直线。 2、独立法：在实际测量点中取一条最佳直线， 使直线两侧的最大实测偏差基本相等作为拟合直线 医学资料50 3、端基点法：把实测平均曲线的起始点和最终 点的连线作为拟合直线。 4、平均选点法：把实测点按输入量的大小分为 前半部和后半部两组，并使两组的点数相等。分 别求出各自输入量和输出量的“平均点”，将其 连 成直线就得到拟合直线。 5、最小二乘法：采用最小二乘法原则求得最佳 拟合直线方程。以此作为理想直线。 医学资料51 两种常用的拟合基

19、准直线方法： 1、端基法 把传感器校准数据的零点输出平均值a0和满 量程输出平均值b0连成的直线a0b0作为系统特性 的拟合直线。 KXaY? 0 Y 输出量； X 输入量； a0Y轴上截距； K直线a 0b0的斜率。 医学资料52 2、最小二乘法 用最小二乘法原则拟合直线，可使拟合精度 最高。其计算方法如下： 令拟合直线方程为: 假定实际校准点有n个，在n个校准数据中，任一 个校准数据Y i与拟合直线上对应的理想值Y间线 差为： KXaY? 0 )( 0iii KXaY? 医学资料53 最小二乘法拟合直线的拟合原则就是使 为最小值，亦即使对K和a0的一阶偏导数等 于零，从而求出K和a0的表达

20、式。 ? ? ? n i i 1 2 ? ? ? n i i 1 2 0)(2 0 2 ? ? ? ? iiii XaKXY K 0) 1)(2 0 2 0 ? ? ? ? aKXY a iii 医学资料54 联立求解以上二式，可得： ? ? ? ? ? ? ? n i n i ii n i n i n i iiii XXn YXYXn K 11 22 111 )( ? ? ? ? ? ? ? n i n i ii n i n i n i n i iiiii XXn YXXYX a 11 22 1111 2 0 )( n校准点数。 医学资料55 通常采用差动测量方法来减小系统的非线性 误差。例

21、如，某位移测量系统特性方程式为： 另一个与之完全相同的位移测量系统，但是 它感受相反方向位移，则特性方程式为： 在差动输出情况下，其特性方程式可写成： ? 4 4 3 3 2 210 XaXaXaXaaY i ? 4 4 3 3 2 210 XaXaXaXaaY i ? 5 5 3 3121 (2XaXaXaYYY 医学资料56 可见采用此方法后，由于消除了X偶次项而 使非线性误差大大减小，灵敏度提高一倍，零点 偏移也消除了。因此差动式系统已得到广泛应 用。 医学资料57 二、灵敏度 灵敏度系统到达稳定时，输出量的变化量与 引起此变化的输入变化量之比。线性传感器校准 曲线的斜率就是静态灵敏度

22、K。其的计算方法为： X Y K ? ? ? 输入变化量 输出变化量 医学资料58 非线性传感器的灵敏度用dYdX表示，其数 值等于所对应的最小二乘法拟合直线的斜率。 医学资料59 三、精确度(精度) 说明精确度的指标有三个：精密度、正确度 和精确度。 1、精密度 它说明测量结果的分散性。即对某一稳定的 对象(被测量)由同一测量者用同一系统在相当短 的时间内连续重复测量多次(等精度测量)，其测 量结果的分散程度。愈小则说明测量愈精密(对 应随机误差)。 医学资料60 2、正确度 它说明测量结果偏离真值大小的程度，即示 值有规则偏离真值的程度。指所测值与真值的符 合程度(对应系统误差)。 3、精

23、确度 它含有精密度与正确度两者之和的意思，即 测量的综合优良程度。在最简单的场合下可取两 者的代数和，即。通常精确度是以测量 误差的相对值来表示的。 ? 医学资料61 系统精确度等级A系统在规定条件下，其允许 的最大绝对误差值相对于其测量范围的百分数。 它可以表示为 ： A测量范围内允许的最大绝对误差； YF S满量程输出。 系统精确度等级A以系列标准百分数值 (0.001， 0.005，0.02，0.05，1.5，2.5，4.0)分档。 它代表的误差指系统测量的最大允许误差。 %100? ? ? ? SF Y A A 医学资料62 四、最小检测量和分辨率 最小检测量指系统能确切反映被测量的最

24、低极 限量。 最小检测量愈小，表示系统检测微量的能力 愈高。由于系统的最小检测量易受噪声的影响， 所以一般用相当于噪声电子若干倍的被测量为 最小检测量。 医学资料63 C系数(一般取15)； N 噪声电平； K 传感器的灵敏度。 例如系统的噪声电平为0.2mV，灵敏度K为 5mVmmH20，若取C=2，根据上式计算得最小 检测量为0.08mmH2O。 数字式系统一般用分辨率表示，即输出数字 指示值最后一位数字所代表的输入量。 最小检测量： K CN M ? 医学资料64 五、迟滞 迟滞指在相同工作 条件下作全测量范围 校准时，在同一次校 准中对应同一输入量 的正行程和反行程其 输出值间的最大偏

25、差。其数值用最大偏差或最大 偏差的一半与满量程输出值的百分比表示。 医学资料65 %100 max ? ? ? ? SF H Y H ? %100 2 max ? ? ? ? SF H Y H ? H系统的迟滞； Hmax输出值在正反行程间最大偏差。 迟滞现象反映了系统机械结构和制造工艺上 的缺陷。 迟滞量： 或 医学资料66 六、重复性 重复必指在同一工 作条件下，输入量按 同一方向在全测量范 围内连续变动多次所 得特性曲线的不一致 性。 医学资料67 重复性在数值上用各测量值正、反行程标准 偏差最大值的两倍或三倍与满量程YF S的百分比 表示。 %100 32 ? ? ? ? SF k Y

26、 ? ? k表示重复性； 标准偏差。 当用贝塞尔公式计算标准偏差时，则有： 1 )( 2 1 ? ? ? ? ? n YY n i i ? Y i 测量值；n测量次数； 测量值的算术平均值； Y 医学资料68 重复性所反映的是测量结果偶然误差的大 小，而不表示与真值之间的差别。有时重复性 虽然很好，但可能远离真值。 医学资料69 七、零点漂移 零点漂移系统无输入信号（或输入值不变） 时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值 （或原指示值）。 %100 0 ? ? ? ? SF Y Y 零漂 Y0最大零点偏差(或相应偏差)； YF S满量程输出。 医学资料70 八、温漂 温漂温度变化时，系统输出

27、值的偏离程度。 一般以温度变化1输出最大偏差与满量程的百 分比来表示。 %100 max ? ? ? ? ? TY SF 温漂 max输出最大偏差； T温度变化范围； YF S满量程输出。 医学资料71 二、动态特性 动态特性指系统对于随时间变化的输入量的 响应特性。 系统所检测的非电量信号大多数是时间的函 数。为了使系统输出信号和输入信号随时问的变 化曲线一致或相近，我们要求系统不仅应有良好 的静态特性，而且还应具有良好的动态特性。系 统的动态特性是传感器的输出值能够真实地再现 变化着的输入量能力的反映。 医学资料72 （一）动态特性与静态特性区别 静态特性是它的输入不随时间变化。由于系 统

28、被认为是线性的，线性系统的频率不变性决定 了它的输出量也不随时间而变化。因此静态特性 的输入输出量之比是一个常数。而动态特性，由 于它的输入随时间变化，它的输出也随频率变化 而变化。是一个自变量为频率（输入频率）的函 数，这个函数称为传递函数。 医学资料73 （二）动态特性描述方法 1、动态特性的一般数学模型 检测系统可用一个常微分方程表示，输出信 号y(t)与输入信号x(t)的关系如下： ) t (xb dt dx b dt xd b dt xd b ) t (ya dt dy a dt yd a dt yd a 01 1m 1m 1m m m m 01 1n 1n 1n n n n ? ?

29、 ? ? ? ? ? ? ? ? 医学资料74 ) t (x)bDbDbDb( ) t (y)aDaDaDa( 01 1m 1m m m 01 1n 1n n n ? ? ? ? ? ? ? ? 引入微分算子： k k k dt ()d D? 将上式改写成： 医学资料75 01 1n 1n n n 01 1m 1m m m aDaDaDa bDbDbDb )D(x )D(y ? ? ? ? ? ? ? ? ? 当系统是线性时，an、an-1、a0和bm、bm-1、 b0都是不随信号输入量而变化的数。系统的 动态特性可用传递函数来描述： 医学资料76 当系统的输出量是正弦函数时，它的传递函 数称

30、为频率响应函数。其形式为： 01 1n 1n n n 01 1m 1m m m a)j (a)j (a)j (a b)j (b)j (b)j (b )j (x )j (y ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 医学资料77 1）零阶系统 仪器传递函数方程中除a0、b0外，其余所有 a、b均为零。 微分方程形式：k a b )j (x )j (y )D(x )D(y 0 0 ? ? ? ? K静态灵敏度 医学资料78 USC输出电压；USR输入电压； x 电刷位移。 例如，右图所示线性电 位器就是一个零阶传感 器。 设电位器的阻值沿 长度L是线性分布的，则输出电压USC和电刷位移 之间的关

31、系为。Kxx L U U SR SC ? 医学资料79 由上式可知，输出电压USC与位移x成正比， 它对任何频率输入均无时间滞后。实际上由于存 在寄生电容和电感，高频时会引起少量失真，影 响动态性能。 零阶仪器具有理想的动态特性，在任何频率 下，它的输出信号与输入信号成比例。在自动控 制理论中也称作比例环节。 医学资料80 用微分算子代入得：（D+1）y(t)=kx(t) k=b0/a0为静态灵敏度； =a1/a0 为时间常数 。 2）一阶系统 系统中包含一个储能元件的称为一阶系统。 它的传递函数方程可表示为： )()( )( 001 txbtya dt tdy a? dt d D ? 医学资

32、料81 频率传递函数： 其中相位角： =arctg(-) 1D k )D(X )D(y ? ? 运算传递函数： 2 () ()1 1 () y jkk e x jj ? ? ? ? ? ? ? 医学资料82 典型的一阶系统玻璃温度计 X(t)为输入被测物体的温度； Y(t)为输出温度计的示值。 q(t)热流量（单位时间内被 测物体输入温度计介质的热量）。 C温度计的热容量（温度计介 质温度升高1所需要的热量）。 由热学原理可知 ： dt ) t (dy C) t (q? 医学资料83 令=RC温度计时间常数，则(D+1)y(t)=x(t) 显然温度计是一阶系统。在自动控制理论中称一 阶系统为延时环节，或非周期环节。 热阻 ： ) t (q ) t (y) t (x R ? ? 将q(t)代入上式得： R ) t (y) t (x dt ) t (dy C ? ? 经整理后得： ) t (x) t (y dt ) t (dy RC? 医学资料84 3）二阶系统 二阶系统在生物医学检测系统中最常见，而 且有很多高阶系统也可以用等效的二阶系统来逼 近，因此分析二阶系统对很多仪器都有重要的价 值。 医学资料85 ) t (xb) t (ya dt ) t (dy a dt ) t (yd a 001