06生物医学测量概述

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,生物医学测量及传感器概述,1,信息流向,测量,处理,控制,结果,2,生物医学电子学,生物医学电子学是综合应用电子技术、信号处理技术、计算机技术和工程科学的理论和方法，研究生物和人体内各种结构与功能的关系，解决生物医学的问题。它是生物医学工程一个重要组成部分，同时也是其它分支的支持。,3,生物医学电子学内容,生物医学测量（传感、采集与预处理）,生物医学信号处理（如相干平均、匹配滤波、维纳滤波、自适应处理等，是医学图像处理、生理系统辨识与建模等研究工作的基础）,生物医学控制（生理参数控制）,4,生物医学信息与生理相结合（1）,生物电学,研究生物与人体的电学特性和生物电活动规律的科学，将大量生物电信号与同生物体的活动联系起来。,细胞与组织的电学特性、生物电阻抗、人体电图（心电图、脑电图）,5,生物医学信息与生理相结合（2）,生物磁学,研究生物磁场，磁场与生命活动间的相互关系和影响以及磁在生物医学中的应用等。,生物磁信号的产生、检测技术（如超导量子干涉仪）；磁场的生物效应及机制；应用（心磁图、脑磁图、磁疗技术）,6,生物医学电子学基础（课程学习）,测量、处理、控制,基本要求,数学：工程数学（高等数学、线性代数、复变函数、概率与统计）,电学基础：电路分析、模拟/数字电路、信号与系统,计算机基础：计算机原理、数据结构、计算机语言（C/C+),7,测量,信号与系统、数字信号处理、随机信号处理、传感器技术、电子测量（误差分析）、数据采集技术、信号放大（集成运算放大器）、计算机接口技术、自动测试系统、嵌入式系统（OS、DSP、FPGA）、计算机网络、电磁兼容及抗干扰、LabView,8,处理,信号与系统、数字信号处理、随机信号处理、模式识别、谱估计、滤波算法、信号重构、小波分析、神经网络,9,控制,信号与系统、数字信号处理、信息论基础、自动控制原理、线性系统、系统建模与仿真、智能控制、模糊控制、神经网络控制,10,生物医学测量,是对生物体中包含的生命现象、状态、性质、变量和成分等信息进行检测和量化的技术。,是一种,最重要的基础性技术,，应用领域：生命科学研究、医学研究及临床诊断、病人监护、治疗控制、人工器官及其测评等等。在生物医学的所有领域，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等，必须直接或间接应用生物医学测量技术,11,生物医学测量方法的分类,生物医学测量的对象涉及人体各个系统的形态与功能 。,被测量主要包括,物理量,（压力、流量、速度、温度、生物电等）、,化学量,（血气、电解质）和,生物量,（酶活性、免疫、蛋白质等）。,生物医学测量的方法和技术呈现多样化，涉及的现代科学技术领域之多也是罕见的，这必须从方法学角度加以分类，以建立生物医学测量的科学体系。,12,常见的测量方法分类,有创测量、无创测量,无线测量、有线测量,直接测量、间接测量,在体测量、离体测量,体表测量、体内测量,单维测量、多维测量；,接触式测量、非接触式测量；,生物电测量、非生物电测量；,形态测量、功能测量,13,常用的测量方法分类,按照测量过程是否直接在生物活体上进行：,离体测量,和,在体测量,按照被测量的性质来进行分类：,生物电测量,和,非生物电测量,14,离体测量（in vitro）,离体测量：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。,离体测量的特点：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。,15,在体测量（in vivo）,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,按照测量系统是否侵入机体内部，在体测量又可分为,无创测量,和,有创测量,两类。,16,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,特点：不会造成机体的创伤，易被受试者接受，但大部分方法的准确度和稳定性较差,17,有创测量,在体内测量，又称侵入式测量，通常采用直接测量的方法,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，但其原理明确、方法可靠、测量数据精确，因此也可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,18,有创测量的发展分支,植入式测量,：测量装置埋入人体内部。测量时人体可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,微创测量技术,：吸取有创测量和无创测量的优点，已受到生物医学界的重视,19,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,生物电位活动是生物存活的重要生命指征，人体不同部位的生物电，诸如心电、脑电、肌电、神经电、眼电、细胞电及皮肤电等均与相关器官的功能密切相关，是诊断相关疾病的重要手段,20,非生物电测量,对除生物电量以外的各种生命现象、状态、性质和变量的测量,包括压力、体温在内的物理量，血气及电解质在内的化学量，以及酶和蛋白质在内的生物量。各种非生物电量也是生命活动的表征，这些参量偏移正常范围后将会导致人体器官功能失衡而引发各类病变,21,非生物电量的转换,非生物电量的测量涉及能量的转换的问题。为测量、处理与记录方便起见，通常由各类,换能器（传感器）,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,22,传感方法与技术 （1）,生物电,心电（ECG），脑电（EEG），肌电（EMG），眼电，胃电，皮肤电，细胞电。,宏电极（铜、铂、银、Ag/AgCl、液体），微电极（玻璃、金属）,23,传感方法与技术 （2）,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,24,传感方法与技术 （3）,流量与流速,血流，呼气与吸气的流量、流速，唾液的流量，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，同位素,25,传感方法与技术 （4）,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,26,传感方法与技术 （5）,振动,心音，呼吸音，血管音，柯尔岢夫音，负颤音,金属应力计，半导体应变片、差动变压器、压电晶体（以上与测压传感器相同），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,27,传感方法与技术 （6）,时间,知觉时间，反应时间，脉波时间，传播时间，呼气吸气时间，脉波间隔,用电子电路作计数器，同位素稀释法,28,传感方法与技术 （7）,温度,皮肤温度，直肠温度，口腔温度，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，光温度计，红外温度计，液晶温度计,29,传感方法与技术 （8）,化学成分,血液、呼吸中的O,2,、CO,2,、N,2,O、CO、H,2,O、He气体，组织内的等生化学检查,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,30,传感方法与技术 （9）,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,31,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对象，在测量方法、测量结果以及测量结果的认识上，与,工业测量及其他非生物医学测量,相比，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十分重要的意义。,32,趋势一：大型化、复杂化、多功能化,33,生物医学测量的特点（1）,生命系统的多变量特性,生命体的生命活动是由多个生理及生化参量共同决定的，而在测量过程中，往往只针对某种效应和某些参数进行测量。生命系统的这种多变量特性，决定了测量方法和技术以及测量结果的涵义和结论都会带有明显的局限性,34,生物医学测量的特点（2）,需从大量干扰和无用信息中提取有用信息,生物医学测量工程中，由于被测参数往往十分微弱，易受外界环境的干扰（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。,35,信号微弱，系统敏感易干扰,生理信号及参数,幅度范围,频率范围,心电ECG,0.015mV,0.05-100HZ,脑电EEG,2200uV,0.1-100HZ,肌电EMG,0.025mV,5-2000HZ,胃电EGG,0.011mV,DC-1HZ,36,生物医学测量的特点（3）,测量结果会受被测对象的生理和心理因素的影响,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，尤其在进行麻醉以及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。,37,生物医学测量的特点（4）,被测对象具有闭环特性,生命体具有精确的自动调节能力，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。因此，测量单一生理参数往往不能有效地评估生理和病理状态，需要采取多参数综合测试，以及采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和正确性。,38,生物医学测量的特点（5）,被测对象的安全性问题,生物医学测量的对象是生命体，尤其是人体，因此其安全性是及其重要的。测量过程中应防止各种电击的危害，尤其是在体内对心脏进行直接测量时，极微小的电流（A级）也有可能导致室颤。其次，电流通过人体时，会产生许多物理变化（例如热效应）和化学变化，并会引起多种复杂的生理效应。另外，要求测量装置不能产生有毒的物质，应与人体组织与血液有较好的生物相容性等,39,生物医学测量的特点（6）,新方法建立与评估的困难,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。,40,生物医学测量的特点（7）,环境的限制,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，否则会影响测量结果的可靠性。,41,生物医学测量的特点（8）,对生物医学先验知识的应用,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。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。,42,生物医学测量的特点（9）,适用性问题,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。,43,生物医学测量系统,信息获取：用来引导与感知被测对象的某些生理和生化量，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。,信息加工：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。,显示和记录：,44,生物医学测量系统的技术指标,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、输出阻抗等等,在“有效性、安全性和适用性”，三方面要重视,45,无创测量 （noninvasive measurement）,是生物医学中，尤其是临床诊断中最易被人们接受的一种测量方法。,又称为非侵入式测量或间接测量，其重要特性是测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，测量时通常在体外，尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。,46,无创测量的不足,无创测量往往是经皮测量技术，人体内部的生理、生化信息经过组织传递到皮肤表面，信号幅度被衰减，信号形态发生畸变，因而在体表实现无创及微创测量的精确度和稳定性远不如采用直接测量,47,无创测量的主要技术手段,在体外（尤其在体表）采用光、电、声、化学、热等手段检测人体的各种相应的机体功能参数，以及利用各种电离辐射（X射线、射线）和非电离辐射（例如超声波）方法检测体内器官、组织的形态信息。,48,对无创测量的要求,实时、连续、长期、精确、无拘束地进行测量，并实现测量自动化。例如，可行走病人的测量应采取无拘束或遥测技术，可采用磁记录等非实时测量方法；而在危重病人监护室内，危重病人生理参数的监测应要求长期、连续和实时，以便一旦出现危及生命的生理参数失常时，能立即报警，并及时采取抢救措施。,49,50,51,52,无创测量的方法与技术 （1）,常规生物电的无创测量,生物电的无创测量是指在体表进行的生物电位及其他电特性（阻抗与导纳）测量。常规的心电、脑电、肌电、胃电、眼电、眼震电、皮肤电等生物电位的无创测量已渐趋成熟，是临床上应用最广的检查手段。,53,生物电的无创测量方向一,生物电位（包括心电、脑电）的体表电位标测（body surface potential mapping），以及相应的逆问题研究,近几年来也取得了长足的进步。将检测到的数十乃至数百个体表电位，利用计算机的强大信息处理功能构建体表等电位图、极值轨迹图等，使心脏和脑的电活动及一些病变信息能用更清晰、明了的方法表达。,54,生物电的无创测量方向二,生物电阻抗测量技术也是近几年来生物电无创测量活跃的分支之一,采用先进的数字技术（激励源采用直接数字合成、测量部分采用数字解调技术，以及运用计算机分析和处理等），已能使测量精度高于0.1%，采集一组数据的时间不大于40ms，这为采用电阻抗高速和高精度断层成像打下了良好的基础。,55,无创测量的方法与技术 （2）,高频、低频、多型非常规心电信息的检测,体表希氏束电图、心室晚电图、高频心电图、胎儿心电图、心电体表电位图,56,无创测量的方法与技术 （3）,弱生物磁测量技术,在强的背景磁场（地磁场和环境磁场）下测量心磁图（MCG）和脑磁图（EMG）等微弱生物磁信息场合，除靠屏蔽措施外，可采用SQUID超导量子干涉仪。它具有高达10,-14,T10,-15,T的弱磁测量灵敏度，完全可测量心磁图的磁场（10,-10,T）和脑磁图（10,-12,T）等弱磁生物信号。,57,无创测量的方法与技术 （4）,生物声信息检测,心音、肌音、语音、关节音、肺音、肠鸣音和耳声等。只要弄清各种生理声信息的发声机理、声传播特性以及声信息特征与临床病理和生理之间的相关性，生理声信息测量会在许多疾病的诊断和治疗中发挥威力。,58,无创测量的方法与技术 （5）,深部体温的测量,深部体温的测量随着各种热作用治疗而广为重视，尤其是加温治癌疗法的成功应用，要求加热温度控制在一个较窄的范围后，深部温度的测量成了一个研究的热点。热流补偿法。,59,无创测量的方法与技术 （6）,口腔内压力的测量,双向传送的遥测方式,60,无创测量的方法与技术 （7）,运动量的测量,耗扬量V（O,2,）和能量消耗。采用便携式记录方式。,61,无创测量的方法与技术 （8）,无创伤血氧饱和度的测量,血氧饱和度Sa（O2）的无创连续测量对新生儿和危重病人监护具有很大的临床价值，已成为患者能否离开手术室或复苏室，以及能否脱离氧疗的一个重要依据,62,在体测量：有创测量,有创测量也称为侵入式测量，通常通过将测量探头侵入机体直接与被测对象接触的方式，引导或传感有关生命体的生理和生化参数，故也称直接测量。有创测量会对机体造成一定程度的创伤，这种方法主要用于手术过程中的测量或术后危重病人的监测，以及实验动物的科学研究。有创测量由于原理明确、方法可靠、测量精度高，因此也可作为精度较低的无创测量方法的对照评估标准。,63,有创测量分类（按实现方式）,通过手术的测量方法,导管测量方法,植入式测量方法,64,有创测量的典型实例,电磁流量计,位移、压力的测量,液耦式导管心脏测压,导管心腔内心电图和房室束电图的测量,65,66,测量中心静脉压力的颈内静脉前路穿刺,67,电磁流量计,1、血流的瞬态流量测量,68,A.管型探头 B钩型探头,69,离体测量,对离体的血液、尿液、活体组织或病理标本之类的生物样品进行的测量方法与技术、称为离体测量。在临床化验（特别是生化参数测量）中占有很重要的位置。,70,对离体测量要求,较高的测量精度和准确度、较快的响应，能实现低成本、低试剂用量、多项目自动测量。,71,生化参数的测量与分析技术,光度法：比色法、分光光度法、荧光法、浊度法,色谱法,电化学电极电位法,电泳法,72,离体测量与生化检验的发展方向,新型化学及生物传感器的开发和应用：快速、自动、连续、精确、高重复性、多功能、高灵敏度、超微型化,多种检测方法和技术的综合化，并实现生化检验的全自动化：全实验室自动化（TLATotal Laboratory Automation），将生化分析、血球计数、免疫分析和电泳等多功能整体化，并采用多媒体技术提供数据。,从离体向在体测量过渡：向“免采血”的无损、在体检测方向过渡,73,