生物检测在临床应用、运动医学、生理医学研究等诸多领域ppt课件

1、 生物检测在临床运用、运动医学、生理医学研讨等诸多领域中起着非常重要的作用。随着科学技术的快速开展，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丈量生物体的形状、生理机能及其他形状变化的生理参数。第一章第一章 生物医学检测系统的根本概念生物医学检测系统的根本概念 把人和检测系统结合在一同思索把人和检测系统结合在一同思索1、生命之间有高度的相关性；、生命之间有高度的相关性；2、有很多重要的生理参数对丈量安装是不容易、有很多重要的生理参数对丈量安装是不容易接近的；接近的；3、对生命体进展检测必需确保人身平安。、对生命体进展检测必需确保人身平安。检测系统与被检测生物体

2、之间存在复杂的互作检测系统与被检测生物体之间存在复杂的互作用用 第一节第一节 生物医学检测系统的组成生物医学检测系统的组成生物医学检测仪器分为两大类：生物医学检测仪器分为两大类：一、生物医学检测仪器分类：一、生物医学检测仪器分类：1、临床用的检测仪器：用于疾病的诊断、监、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、运用，构造结实护。要求便于医护人员操作、运用，构造结实可靠。可靠。2、医学研讨用：要求较高的精度、分辨率，有、医学研讨用：要求较高的精度、分辨率，有一些是介于二者之间。一些是介于二者之间。二、生物医学检测系统对人体丈量大致分类1、活体丈量in vivo：人体处于机能

3、形状下的临床检查或体内丈量。2、离体丈量in vitro：处置血液、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、加工处置和监视读出。在许多医学丈量中，要求对某种方式的外部刺激作出反响。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一个重要组成部分。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响。主要是人体的生理系统。它提供了系统要丈量的各种生理的物理量。医学上主要丈量的有生物电位、压力、流量、位移、速度、温度、化学浓度、阻抗等。前往传感器把来自生物体的能或信息转换成电的方式，把电信号加到电子设备上。医

4、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。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。将传感器输出的电信号进展放大、整理或作其他变换的单元称为信号调理器或称为信号处置器它把采集到并已转换成电信号的信息进展放大整理或做其他变换以满足系统的功能需求。 将处置后的生物信息变为可供人们直接察看的方式。医学仪器对记录显示系统的要求是记录显示的效果明显、明晰，便于察看和分析，正确反映输入信号的变化情况，缺点少、寿命长，与其他部分有较好的衔接。记录与显示设备按其任务原理，可以分为三种：1直接描记式记录安装 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

5、式显示器可分为描笔偏转式和自动平衡式： 描笔偏转式记录器构造简单、本钱低，在心电图机、脑电图机及心音图机中得到广泛运用。 自动平衡式记录器的缺陷是构造复杂，频响范围窄。优点是记录幅度大、精度高，可与计算机衔接。普通用于记录体温、血压、脉搏等监护仪器上。2磁带记录器 它在生理丈量和病人监护中的运用日益增多。其任务原理根本与磁带录音原理一样。按对被记录信号的处置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展磁化记录的称为模拟式磁带记录器，它类似一部录音机。磁带记录安装的优点：1频率呼应宽，记录的信息可以反复重放，便于分析处置和保管。2信号失真度低，适宜于作准确丈量。3一条磁带可同时记录

6、多个生理量适宜于长间延续记录和大量资料存贮。4记录信息可擦除，可多次运用，本钱低。3数字式显示器 显示器接受信号处置后的信息，并以操作人员所能感知的方式显示结果。显示方式可以是数字的或图像的，也可以是延续的或离散的。多数是依托运用者的视觉，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方式显示供察看的器件，普通由计数器、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。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。2需求用各种统计分析方法，对信号进展叠加、相关处置、频谱分析、直方图等数据处置。数据传输：是异地诊断。前

7、往把部分输出信号反响到输入部分，以使系统按某一方式任务，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。控制和反响可以是自动的或手动的。前往 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 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

8、组成框图第二节第二节 生物医学检测系统的特殊性生物医学检测系统的特殊性 医学仪器丈量的主要目的：医学仪器丈量的主要目的：是获得与临床诊断和治疗有关的人体生理参是获得与临床诊断和治疗有关的人体生理参数。数。医学丈量与普通物理参数丈量异同点：医学丈量与普通物理参数丈量异同点：它们的不同之处主要在于丈量对象不同。普它们的不同之处主要在于丈量对象不同。普通物理丈量的被测对象是物如设备、机器、通物理丈量的被测对象是物如设备、机器、化学物品、工程系统、环境等，而医学丈化学物品、工程系统、环境等，而医学丈量的对象是人体复杂的生理系统。量的对象是人体复杂的生理系统。医学丈量遇到的一些特殊问题： 一、被测值难以

9、获得 对生命系统丈量时，遇到的最大困难是难以获得被测值。 为理处理被丈量不可接近的困难，必需采用间接丈量。 留意:在丈量过程中应坚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丈量结果加以修正。 二、数据的易变性 从人体测得的量是易变的，即使一切可控制的要素都固定，但大多数被测参数还是随时间变化，每次丈量会有不同结果。在完全一样的条件下，各次丈量结果与正常值总会有偏向。因此，生理量不能以为是严厉的定值，而应该用统计的或概率分布的方式来处置。 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响环路。如对某系统中一部分进展刺激，结果该系统的其他部分和其他系统也会有反响。

10、甚至当翻开反响回路时，会出现旁系环路，而原始反响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相互关系，那么有利于做好生物医学丈量系统和生理学系统之间的结合任务。 四、传感器对丈量形状的影响 由于传感器的存在，使任何方式的丈量几乎都遭到不同程度的影响，表现为：1、显著地改动了丈量读数，特别是对活体的测量。2、影响另外系统的丈量。因此在设计生物医学丈量系统时，必需尽力做到使丈量安装的影响减到最小。五、能量的限制 生物医学丈量，一种是依托被测活体本身发出的能量，例如生物电位丈量；另一种是利用传感器任务时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

11、种必需加以限制的景象。 此外，由于生理参数在人体内可用的能量有限，所以在设计时应尽量防止生物医学丈量系统成为被测信号源的负载。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。生物医学丈量系统中引起伪迹和干扰的一个重要缘由：1、被测对象的挪动而导致丈量仪器挪动。2、丈量仪器本机噪声、人体感应的交流干扰等。七、平安性 在医学丈量中，为了保证平安，必需做到：1、必需保证不危及人体生命和损害正常功能。2、不允许随便地实验尚不可靠的丈量方法。3、生物医学丈量系统的设计要注重平安可靠。4、生物医学丈量不使被测者太疼痛、外伤或不温馨。5、设计医学仪器时还要思索辐射、化学腐蚀、毒物、有害

12、气体、交叉感染等要素。第三节第三节 生物医学丈量范围生物医学丈量范围 为了正确地选择和运用医用检测仪器，为了正确地选择和运用医用检测仪器，运用运用前应该清楚了解待测参数的目的范围。下表前应该清楚了解待测参数的目的范围。下表列出列出了常用的生理参数的丈量范围。这些目的在了常用的生理参数的丈量范围。这些目的在不同不同的资料上的报道不尽一样。有时丈量目的不的资料上的报道不尽一样。有时丈量目的不同，同，或被测试者处于不同形状，那么对同终身理或被测试者处于不同形状，那么对同终身理目的所目的所要求的范围也不一样。要求的范围也不一样。 参 数 幅 度 范 围 频率范围（Hz） 心 电皮肤电极10V5mV(典

13、型值1mV) 0.0580心脏电极10V5mV(典型值50mV) 0.0580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）

14、0.0520 平滑肌电位0.5100mVDC1第四节 生物医学检测系统的根本特征 为了评价一个检测系统性能的质量优劣，需要有鉴别检测系统性能的定量规范。通常按照检测系统对输入信号频率的呼应，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。动态特性那么需求用微积分来描画。 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通常，要求在静态情况下的输出输入关输入关系系坚持线性。实践上，其输出量和输入量之

15、间的关坚持线性。实践上，其输出量和输入量之间的关系系(不思索迟滞及蠕变效应不思索迟滞及蠕变效应)可由以下方程式确定。可由以下方程式确定。 由上式可见，假设a0 =0 ，表示静态特性经过原点。此时静态特性是由线性项(a1X)和非线性项(a2X2，anXn)叠加而成，普通可分为以下四种典型情况。(a)1、理想线性 XaY1 2、具有X奇次阶项的非线性 3、具有X偶次阶项的非线性 44221XaXaXaY 4、具有X奇、偶次阶项的非线性 (a)(b)(c)(d) 由此可见，除图(a)为理想线性关系外，其他均为非线性关系。其中具有X奇次项的曲线图(b)，在原点附近一定范围内根本上是线性特性。 系统的静

16、态特性是在静态规范条件下测定的，在规范任务形状下，利用一定精度等级的校准设备，对系统进展往复循环测试，即可得到输出输入数据。将这些数据列成表格，再画出各被丈量值(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。 系统静态特性的主要目的有以下几点 一、线性度(非线性误差) 二、灵敏度 三、准确度(精度) 四、最小检丈量和分辨率 五、迟滞 六、反复性 七、零点漂移 八、温漂一线性度(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向与满量程(FS)输出值的百分比称为线性度.用L代表线性度，那么Ymax校准曲线与拟合直线间的最大偏向； YFS系统满量程输出；0maxYYYSF

17、 %100maxSFLYY 由于定标曲线成线性的检测系统是理想系统而实践的系统那么往往是非线性的。因此常用实践的定标曲线与理想直线的吻合程度，来作为衡量实践检测系统的线性度。 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准直线算出来的。因此，基准直线不同，所得线性度也不同。拟合直线建立常用方法： 1、绝对法：把零点和满量程输出点衔接的直线作为实际拟合直线。2、独立法：在实践丈量点中取一条最正确直线，使直线两侧的最大实测偏向根本相等作为拟合直线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。

18、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：采用最小二乘法原那么求得最正确拟合直线方程。以此作为理想直线。两种常用的拟合基准直线方法：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。KXaY0 Y输出量； X输入量； a0Y轴上截距； K直线a0b0的斜率。2、最小二乘法 用最小二乘法原那么拟合直线，可使拟合精度最高。其计算方法如下： 令拟合直线方程为:假定实践校准点有n个，在n个校准数据中，任一个校准数据Yi与拟合直线上对应的理想值Y间线差为： KXaY0 最小二乘法拟合直线的拟合原那么就是

19、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的表达式。 nii12 nii12 联立求解以上二式，可得：n校准点数。 通常采用差动丈量方法来减小系统的非线性误差。例如，某位移丈量系统特性方程式为： 另一个与之完全一样的位移丈量系统，但是它感受相反方向位移，那么特性方程式为： 在差动输出情况下，其特性方程式可写成： 44332210XaXaXaXaaYi 44332210XaXaXaXaaYi 5533121(2XaXaXaYYY 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。 二、灵敏度 灵敏度

20、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K。其的计算方法为：XYK输入变化量输出变化量 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。三、准确度(精度) 阐明准确度的目的有三个：精细度、正确度和准确度。 1、精细度 它阐明丈量结果的分散性。即对某一稳定的对象(被丈量)由同一丈量者用同一系统在相当短的时间内延续反复丈量多次(等精度丈量)，其测量结果的分散程度。愈小那么阐明丈量愈精细(对应随机误差)。 2、正确度 它阐明丈量结果偏离真值大小的程度，即示值有规那么偏离真值的程度。指所测值与真值的符合程度(

21、对应系统误差)。 3、准确度 它含有精细度与正确度两者之和的意思，即丈量的综合优良程度。在最简单的场所下可取两者的代数和，即 。通常准确度是以丈量误差的相对值来表示的。系统准确度等级A系统在规定条件下，其允许的最大绝对误差值相对于其丈量范围的百分数。它可以表示为 ：A丈量范围内允许的最大绝对误差；YFS满量程输出。 系统准确度等级A以系列规范百分数值(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丈量的最大允许误差。 %100SFYAA 四、最小检丈量和分辨率最小检丈量指系统能确切反映被丈量的最低极限量。 最小检丈量愈小，表示系统检测微量的才干愈高

22、。由于系统的最小检丈量易受噪声的影响，所以普通用相当于噪声电子假设干倍的被丈量为最小检丈量。 C系数(普通取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，假设取C=2，根据上式计算得最小检丈量为0.08mmH2O。 数字式系统普通用分辨率表示，即输出数字指示值最后一位数字所代表的输入量。 最小检丈量：KCNM 五、迟滞 迟滞指在一样任务条件下作全丈量范围校准时，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向。其数值用最大偏向或最大偏向的一半与满量程输出值的百分比表示。H系统的迟滞；Hmax输出值在正反行程间最大偏向。

23、迟滞景象反映了系统机械构造和制造工艺上的缺陷。迟滞量：或六、反复性反复必指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全丈量范围内延续变动多次所得特性曲线的不一致性。 反复性在数值上用各丈量值正、反行程规范偏向最大值的两倍或三倍与满量程YFS的百分比表示。%10032SFkY k表示反复性； 规范偏向。 当用贝塞尔公式计算规范偏向时，那么有：1)(21nYYnii Yi丈量值；n丈量次数； 丈量值的算术平均值； 反复性所反映的是丈量结果偶尔误差的大小，而不表示与真值之间的差别。有时反复性虽然很好，但能够远离真值。七、零点漂移零点漂移系统无输入信号或输入值不变时，每隔一段时间进展读数，其输出偏离零值或原

24、指示值。 Y0最大零点偏向(或相应偏向)； YFS满量程输出。八、温漂温漂温度变化时，系统输出值的偏离程度。普通以温度变化1输出最大偏向与满量程的百分比来表示。 max输出最大偏向； T温度变化范围； YFS满量程输出。二、动态特性动态特性指系统对于随时间变化的输入量的呼应特性。 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可以真实地再现变化着的输入量才干的反映。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。由于系统被以为是线性的，线性

25、系统的频率不变性决议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，这个函数称为传送函数。二动态特性描画方法 1、动态特性的普通数学模型 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：引入微分算子： kkkdt()dD 将上式改写成： 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送函数来描画： 当系统的输出量是正弦函数时，它的传送函数称为频率呼应函数。其方式为： 1零阶系统 仪器传

26、送函数方程中除a0、b0外，其他一切a、b均为零。微分方程方式：K静态灵敏度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，那么输出电压USC和电刷位移之间的关系为。KxxLUUSRSC 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。实践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。在自动控制实际中也称作比例环节。用微分算子 代入得：D+1y(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。它的传送函数方程可表示为： )()()(001txbtyadttdya dtdD 频率传送函数： 其中相位角： =arctg(-)运算传送函数：典型的一阶系统玻璃温度计 X(t)为输入被测物体