生物医学测量方法概述培训ppt课件

生物医学测量方法概生物医学测量方法概述述生物医学测量方法概述1v在生物医学工程的所有领域，包括生物力学、生物材料、生物医学电磁学、生理系统的建模与仿真等，都必须直接或间接应用到生物医学测量技术。2生物医学测量方法概述在生物医学工程的所有领域，包括生物力学、生物材料、生物医学电21 1 生物医学测量方法的分类生物医学测量方法的分类v测量的对象：涉及人体各个系统的形态与功能。v被测量（或信息）包括：v物理量生物电、光、声、热、压力、流量、速度、温度等;v化学量血气、代谢产物、呼吸气体、体液中的电解质等;v生物量酶活性、免疫、蛋白质等;v生理量如各种感觉（听觉，视觉，嗅觉，触觉，痛觉，味觉）以及生理活动信息等。3生物医学测量方法概述1 生物医学测量方法的分类测量的对象：涉及人体各个系统的形态3测量方法分量方法分类可按照不同途径，对生物医学测量方法进行分类可按照不同途径，对生物医学测量方法进行分类 v有创测量，Invasive Measurementv无创测量；non-invasive measurementv无线测量，wireless measurementv有线测量；wired measurementv直接测量，Direct measurementv间接测量；Indirect Measurement4生物医学测量方法概述测量方法分类可按照不同途径，对生物医学测量方法进行分类 有4v在体测量，in vivov离体测量；in virtov体表测量，Body Surfacev体内测量；Insidev单维测量，Single Variablev多维测量；Multi-dimension5生物医学测量方法概述在体测量，in vivo5生物医学测量方法概述5 v接触式测量，Touchedv非接触式测量；non-touchedv生物电测量，bio-electricityv非生物电测量；non-bioelecrticityv形态测量，morphological measurementv功能测量.Functional measurement6生物医学测量方法概述 接触式测量，Touched6生物医学测量方法概述6 为方便起见，下面讨论分类时主要按照：1）测量过程是否直接在生物活体上进行，分为离体测量和在体测量；2）根据被测量的性质分类，分为生物电测量和非生物电测量。7生物医学测量方法概述 为方便起见，下面讨论分类时主要按照：7生物医学测量方法概述71)1)离体测量与在体测量离体测量与在体测量A)离体测量(in vitro)v对离体的体液、尿、血、活体组织和病理标本之类的生物样品进行的测量。v优点：离体测量检测条件稳定性和准确度高，已广泛用于病理检查和生化分析中。B)在体测量(in vivo)v在人体和实验动物活体的原位对机体的结构与功能状态进行的测量。8生物医学测量方法概述1)离体测量与在体测量A)离体测量(in vitro)8生物8按照测量系统按照测量系统是否侵入机体内部是否侵入机体内部，在体测量又可分为：在体测量又可分为：A)无创测量：在体表测量，又称非侵入式测量，通常采用间接测量方法。v优点：无创测量不会造成机体的创伤，易被受试者接受；v问题：大部分方法的准确度和稳定性较差。9生物医学测量方法概述按照测量系统是否侵入机体内部，在体测量又可分为：9生物医学9B)有创测量：一般在体内测量，又称侵入式测量，通常采用直接测量的方法。v缺点：有创测量由于探测部分侵入机体，对机体会造成一定程度的创伤，给患者带来一定的痛苦，v优点：原理明确、方法可靠、测量数据精确，因此经常用于手术过程及术后的监测，以及作为无创测量方法的对照评估。10生物医学测量方法概述B)有创测量：一般在体内测量，又称侵入式测量，通常采用直接测10C）植入式测量v随着微电子技术的发展，已有许多测量装置可埋人人体内部进行植入式测量。v优点：采用植入式测量时，人体可处在无拘束的自然状态，测量结果准确，可进行实时、动态、长期监测，是生物医学测量发展的方向之一。11生物医学测量方法概述C）植入式测量11生物医学测量方法概述11D）微创测量技术v吸取有创测量和无创测量的优点，研究多种微创测量技术，是新的研究方向。12生物医学测量方法概述D）微创测量技术12生物医学测量方法概述122)2)生物电测量与非生物电测量生物电测量与非生物电测量v生物电测量对生物活体各部分的生物电位及电学特性(阻抗或导纳等)的测量。v生物电位活动是生物存活的重要生命体征（Vital Sign）。v人体不同部位的生物电，如心电（ECG）、脑电（EEG）、肌电（EMG）、神经电（Nerve Potential）、眼电（EOG）、细胞电（Cell Potential）及皮肤电（Skin Potential）等，均与相应器官的功能密切有关，是诊断这些器官疾病的重要手段。13生物医学测量方法概述2)生物电测量与非生物电测量生物电测量对生物活体各部分的13 v非生物电测量是除生物电量以外的各种生命现象、状态、性质和变量的测量。v生物体尤其是人体中的非生物电量之间，【包括物理量（压力、体温等），化学量（血气，电解质等），生物量（酶，蛋白质等），生理量（各种感觉信息）】存在着错综复杂而有序的联系，各种非生物电量也与生物电量一样是生命活动的表征，它们偏移正常范围会导致人体器官功能的失衡而引发各类病变。v非生物电量的测量涉及能量变换的问题。为测量、处理与记录方便起见，通常由各类换能器或传感器（Transducer,Sensor）将各种非生物电量转换为相关的电量后进行测量，这就是非电量的电测技术。14生物医学测量方法概述 非生物电测量是除生物电量以外的各种生命现象、状态、性质和14人体参数传感方法与技术生物电：心电(ECG)，脑电(EEG)，肌电(EMG)，眼电（EOG），胃电（EGG），皮肤电，细胞电宏电极(铜、铂，银、Ag/AgCl、液体)微电极(玻璃、金属)压力：血压，心内压，脑内压，胃内压，胸腔内压，肺泡内压，眼球内压金属应力计，半导体应变片，差动变压器，压电晶体流量与流速：血流，呼气及吸气的流量的流量，血液的出血速度，排尿速度铂电极，核磁共振，热敏电阻，电磁法，超声多普勒法，色素稀释法，热稀释法，同位素典型生理、生化参数在采用生物电测量及非生物电测量时所用的传感方法与技术 15生物医学测量方法概述人体参数传感方法与技术生物电：心电(ECG)，脑电(EEG)15变量与位移：心脏的位置，皮肤的厚度，皮下脂肪的厚度，肿瘤的位置应变片，半导体应变片，差动变压器，电气测微仪，可变电极电容，光电位计，光电管，光二极管，超声波法振动：心音，呼吸音，血管音，柯尔苛夫音，负颤音与测量压力传感器相同，另有可动线轮、电容微音器、磁应变振动子、光电管、光二极管、水银加速度计等时间：知觉时间，反应时间，脉波时间，传播时间,气吸气时间，脉波间隔用电子电路作计数器，同位素稀释法16生物医学测量方法概述变量与位移：心脏的位置，皮肤的厚度，皮下脂肪的厚度，肿瘤的位16温度：皮肤温度，直肠温度，口内温度，胃内温度，血液温度，呼气温度热敏电阻，电阻温度计，容量温度计，热电偶，光温度汁，红外温度计，液晶温度计化学成分：血液、呼吸中的气体，组织内的O2、CO2、N2O、CO、H20、He等生化学检查热传导式气体分析仪，导电型液体浓度计，磁气测氧仪，光电式浓度计，pH计，x线分光分析仪，质量分析仪放射计：x射线，同位素光传导放射线检测器，热敏电阻，光电管，发光二极管，同位素计数器，盖革计数器，光电倍增管17生物医学测量方法概述温度：皮肤温度，直肠温度，口内温度，胃内温度，血液温度，呼气17生物医学生物医学测量量仪器按用途分器按用途分类v生理检查与记录仪器v生化检查与记录仪器v医学图像仪器v临床监护仪器18生物医学测量方法概述生物医学测量仪器按用途分类生理检查与记录仪器18生物医学测量18常见生理检查与记录仪器仪器种类临床应用领域心电图仪内科、外科、儿科、妇产科、手术室、急救室、康复部、家庭保健脑电图仪内科、外科、儿科、神经科、耳鼻喉科、急救室、康复部肌电图仪内科、外科、儿科、神经科、手术室、急救室、康复部眼电图仪内科、神经科、耳鼻喉科、眼科视网膜电图仪眼科电子血压计内科、外科、儿科、妇产科、手术室、急救室、康复部、家庭保健脉搏测量仪内科、外科、儿科、妇产科、神经科、康复部、家庭保健19生物医学测量方法概述常见生理检查与记录仪器仪器种类临床应用领域心电图仪内科、外科19常见生理检查与记录仪器仪器种类临床应用领域心音测量仪器内科、外科、儿科血流测量仪器内科、外科、儿科、手术室心输出量测量仪器内科、外科、儿科、放射科、手术室、康复部呼吸功能测量仪器内科、外科、儿科、妇产科、手术室、耳鼻喉科电子体温计内科、外科、儿科、妇产科、手术室、急救室、康复部、家庭保健听力计耳鼻喉科、儿科、神经科眼压计眼科多道生理记录仪内科、外科、儿科、妇产科、神经科、手术室、康复部20生物医学测量方法概述常见生理检查与记录仪器仪器种类临床应用领域心音测量仪器内科、20常见生化检查与分析仪器仪器种类临床应用领域临床生化分析仪器检验科，ICU,人工透析室，急救室医用分光光度计检验科医用电解质分析仪器检验科，人工透析室，急救室血液气体分析仪器检验科，手术室，急救室自动血细胞计数器检验科，急救室血液细胞分析仪检验科，急救室尿液分析仪检验科，人工透析室免疫反应测定仪检验科电泳仪检验科病理检查仪器（电子显微镜等）检验科21生物医学测量方法概述常见生化检查与分析仪器仪器种类临床应用领域临床生化分析仪器检21常见医学图像仪器仪器种类临床应用领域超声波成像仪器内科、外科、儿科、妇产科、泌尿科、眼科、耳鼻喉科、急救室X线、CT成像仪器内科、外科、神经科、放射科、手术室、急救室放射性核素成像仪器内科、外科、神经科、放射科、手术室、急救室、儿科、妇产科磁共振成像仪器内科、外科、神经科、耳鼻喉科、急救室、儿科、妇产科红外线成像仪器内科、外科、耳鼻喉科、皮肤科、康复部、儿科、妇产科电子内镜系统内科、外科、泌尿科、耳鼻喉科、手术室、急救室、儿科、妇产科22生物医学测量方法概述常见医学图像仪器仪器种类临床应用领域超声波成像仪器内科、外科22常见临床监护装置仪器种类临床应用领域心电监护系统内科、外科、耳鼻喉科、手术室、急救室、康复部、儿科、妇产科、家庭病房手术监护系统外科、妇产科、手术室、急救室围生期胎儿监护系统妇产科新生儿监护系统儿科、妇产科呼吸监护系统手术室、急救室、监护病房血氧监护装置手术室、急救室、监护病房ICU集中监护系统危重病人监护病房、急救室CCU集中监护系统冠心病人监护病房、急救室23生物医学测量方法概述常见临床监护装置仪器种类临床应用领域心电监护系统内科、外科、232 生物医学测量的特点生物医学测量的特点v生物医学测量是以人体的生命现象作为基本对象，与工业测量及其他非生物医学测量相比，在测量方法、测量结果以及对测量结果的认识上，具有以下显著的特点，熟悉这些特点，对构建生物医学测量系统、正确操作和使用医学仪器具有重要意义。24生物医学测量方法概述2 生物医学测量的特点生物医学测量是以人体的生命现象作为基本24生物医学测量方法概述培训ppt课件252)必必须从大量干从大量干扰和无用信息中和无用信息中提取有用信息提取有用信息(Noise or Disturbance)v生物医学测量过程中，由于被测参数往往十分微弱，易受外界环境干扰(例如工频交流电干扰)和来自人体自身的其他无用信息的干扰(例如在测量体表希氏束电位时，很易受来自肌电信号的干扰)，人体活动时的体位变化、电极不良及传感器错位时也会产生伪差，必须采用抗干扰技术、排除伪差等方法提取有用信号。26生物医学测量方法概述2)必须从大量干扰和无用信息中提取有用信息(Noise 263)测量量结果会受被果会受被测对象的象的心理和生理因素的影响心理和生理因素的影响vPhysiology Psychology Psychophysiology Factorsv在测量过程中，由于被测对象出现紧张，生理和心理都会发生变化。心理的变化会导致生理参数(心率、血压、体温等)变化。在测量过程中，被测者的不理解和不配合，尤其在进行麻醉和经受物理和药物刺激时，受试者不能很好配合，直接影响测量过程中的伪差，从而影响测量的准确度。27生物医学测量方法概述3)测量结果会受被测对象的心理和生理因素的影响Physio274)被被测对象具有象具有闭环特性特性（Close Loop）v生命体具有精确的自动调节功能，这是由于在生命体中存在多环路、多层次、多重控制的闭环系统特性所决定的。多种原因可导致同一生理参数的变化，同一原因又可导致多种生理参数的同时变化。v因此，测量单一生理参数难于有效评估生理和病理状态，需要多参数综合测试，并用适当方法使人体的闭环系统暂时开环，以测量某一环节的开环响应特性，正确地加以定位并确保测量结果的唯一性与正确性。28生物医学测量方法概述4)被测对象具有闭环特性（Close Loop）生命体具285)被被测对象的安全性象的安全性问题（SafetySafety）v生物医学测量的对象是生命体，尤其是人体，因此安全性极其重要。v1）测量中应防止各种电击的危害l尤其是在体内尤其是在体内对心心脏进行直接行直接测量量时，极微小的，极微小的电流流(uA级)也有可能也有可能导致室致室颤（Vantricular Fibrillation）。）。l其次，其次，电流通流通过人体人体时，会，会产生生许多物理多物理变化化(例如例如热效效应)和化学和化学变化，并会引起多种复化，并会引起多种复杂的生理效的生理效应。2）测量装置不能产生有毒物质，应与组织与血液有较好的生物相容性(Bio-compatibility)。29生物医学测量方法概述5)被测对象的安全性问题（Safety）生物医学测量的对象296)新方法建立与新方法建立与评估的困估的困难（EvaluationEvaluation）v生物医学测量的新方法，尤其是一些间接测量方法往往会涉及测试模型的建立问题。由于研究者对生命现象复杂程度了解不够，加上生物个体差异很大，因此测试模型往往带有片面性，在评估时也缺乏正确、有效的措施。30生物医学测量方法概述6)新方法建立与评估的困难（Evaluation）生物医学307)环境的限制境的限制（Environment）v测量环境，例如温度、湿度、电磁场干扰、振动、冲击等，都会使测量产生困难。尤其是在进行细胞级的测量时，利用微电极测量细胞内的电位变化时，对环境要求很严，否则将影响测量结果的可靠性。31生物医学测量方法概述7)环境的限制（Environment）测量环境，例如温318)对生物医学先生物医学先验知知识的的应用用（Experiences，a priori knowledge）v由于研究者、设计者乃至操作者缺乏对生物医学的先验知识，可能对生物医学测量的结果以及表达产生影响。v在临床诊断过程中，医生必须利用其对医学的先验知识结合仪器测量的结果进行综合判断。32生物医学测量方法概述8)对生物医学先验知识的应用（Experiences，a 329)适用性适用性问题（Suitability）v任何测量方法与技术都有一定的局限性，尤其是在生物医学领域。生命体中的各个系统、组织和器官，同一测量对象可能有多种测量方法，每一种测量都在一定条件限制下进行的。因此，不同测量对象需要有其相关的测量手段与方法，在进行测量以前首先要研究方法与技术的适用性问题。33生物医学测量方法概述9)适用性问题（Suitability）任何测量方法与技333 生物医学生物医学测量系统测量系统 Biomedical Measurement System v一个完整的生物医学测量系统通常包括信息获取、信号加工、显示和记录等三大部分：1）信息获取部分（Data Acquasition）用来引导与感知被测对象的某种生理和生化量，并使之变为便于测量与加工的电信号，通常通过测量电极及传感器来完成。2）信号加工部分（Signal Processing）用来对获取的电信号进行放大、处理及变换，以适于对测量结果的分析与识别。3）显示和记录部分（Display and Record）用来显示和记录测量结果。34生物医学测量方法概述3 生物医学测量系统 Biomedical Measure34v三个部分串联（或级联）成一个生物医学测量系 统，其 输 入 和 输 出 关 系 可 以 是 线 性 的（Linear），也 可 以 是 非 线 性 的（Non-Linear）。后者主要用于需要获得较大动态范围的场合，例如在超声回波测量等场合。35生物医学测量方法概述三个部分串联（或级联）成一个生物医学测量系统，其输入和输出关35 v根据被测对象的特征，以及显示和记录方式，测量系统应有一定的传输响应(Transfer Response)，包括：稳态响应(Steady Response)和 瞬态响应(Transient Response)v并根据这两个响应提出测量系统的各项技术指标(Technical Specification)，包括精确度、准确度、灵敏度、非线性系数、滞环误差、稳定性、分辨力、频率特性、输入阻抗、输出阻抗等。36生物医学测量方法概述 根据被测对象的特征，以及显示和记录方式，测量系统应有一定的36 v医学测量系统大部分是 一阶系统（First Order System）或 二阶系统（Second Order System）v对于一个二阶的医学测量系统(例如导管测压系统)，必须合理选择系统参数，以同时保证系统测量准确度（Accuracy）和稳定性（Stability）。v任何一个测量系统都必需“指标达到，稳定可靠”（Stable and Reliable）。37生物医学测量方法概述 医学测量系统大部分是37生物医学测量方法概述37v对一个生物医学测量系统来说，有效性（Validity）、安全性（Safety）和适用性（Applicability）三个方面的要求均应受到重视，要用辨证的观点处理这三者的关系。v同时，要使一个医学测量系统走向市场，服务社会，必须考虑该系统的性能价格比（Ratio of Performance to Price）、可维护性（Maintenance）以及便于操作（Easy Operation）等各项要求。38生物医学测量方法概述对一个生物医学测量系统来说，有效性（Validity）、安全384 创新是发展的原动力创新是发展的原动力v生物医学测量技术在生命科学研究以及其他新的科学技术发展的推动下，正在日新月异地发展。v生命科学研究的需要及其研究成果均会对生物医学测量产生影响，新的发现会不断提出新的测量对象，从宏观到微观、从组织器官到细胞大分子，均会提出许多新的未知测量参数。39生物医学测量方法概述4 创新是发展的原动力生物医学测量技术在生命科学研究以及其他39 v同时，人体本身的复杂检测、调控系统也可能是新的测量方法的范本，随着人类对自身理解的不断深入，测量生命信息将会有新的构思。v另外，相关学科的进展，尤其是电子信息科学的高速发展，也会为生物医学测量系统提供信息获取、加工以及显示与记录的新手段，为测量系统的微型化、智能化、自动化提供新思路。v必须在生命科学研究以及利用相关新技术发展这两个方面，不断发现，不断创新，提出新的生物医学测量思想与方法，并学会应用新的科学技术成果，构建新的测量系统。40生物医学测量方法概述 同时，人体本身的复杂检测、调控系统也可能是新的测量方法的范40