生物醫(yī)學(xué)傳感與檢測(cè) 1第一章 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)測(cè)量的 基本特點(diǎn)課件

1、 第一章： 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)測(cè)量的 基本特點(diǎn)1.1 生物醫(yī)學(xué)測(cè)量?jī)x器的組成1.2 人體測(cè)量的特點(diǎn)1.3 人體系統(tǒng)的特征描述1.4 限制性測(cè)量條件1.5 電流的生理效應(yīng)和損傷防護(hù)1.6 生物醫(yī)學(xué)測(cè)量及醫(yī)學(xué)電子儀器的分類電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程1.1 生物醫(yī)學(xué)測(cè)量?jī)x器的一般組成電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程 生物醫(yī)學(xué)測(cè)量?jī)x器的一般組成電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程三大組成部分. 傳感器：將生理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。. 放大器和測(cè)量電路：將微弱的電信號(hào)放大、轉(zhuǎn)換、調(diào)整。 3.數(shù)據(jù)處理和記錄、存儲(chǔ)、顯示裝置。生理參數(shù): 生理量，可以是力、位移、速度、加速度、流體壓力、流量、溫度、聲、光、電、離子濃度等物理或化學(xué)量

2、。電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程1.2 人體測(cè)量的特點(diǎn)人體測(cè)量以醫(yī)學(xué)，生理學(xué)為基礎(chǔ)，在測(cè)量過(guò)程中應(yīng)保持其正常的生命活動(dòng)。生理參數(shù)有心電，腦電，肌電等各種生物電信號(hào)的電量參數(shù)，還包括有體溫，血壓，呼吸，血流量，脈搏，心音等非電量參數(shù)。生物醫(yī)學(xué)測(cè)量與普通物理參數(shù)測(cè)量相比，雖然都可以歸結(jié)為電量和非電量的測(cè)量，但是被測(cè)量信號(hào)的特征和被測(cè)量的生命系統(tǒng)，與工程上物的測(cè)量具有本質(zhì)的不同。電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程圖1.2 兩種模式的醫(yī)療儀器組成框圖電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程反饋調(diào)節(jié)與控制 與工程中普遍存在的負(fù)反饋過(guò)程相似，人體系統(tǒng)中也存在生理功能的負(fù)反饋調(diào)節(jié)。生物反饋治療，在臨床，生理學(xué)研

3、究，特別是在康復(fù)工程中，已有存在 。 電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程 生物反饋1）生物反饋概念及其發(fā)展過(guò)程生物反饋(biofeedback,BF)是應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù),將人們正常意識(shí)不到的身體生物信號(hào),如肌電、腦電、皮溫、心率、血壓等轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢员蝗瞬煊X(jué)到的信號(hào),如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)信號(hào),讓患者根據(jù)這些信號(hào),學(xué)會(huì)在一定范圍內(nèi)通過(guò)意識(shí)調(diào)控內(nèi)臟器官的活動(dòng),糾正偏離正常范圍的內(nèi)臟活動(dòng)的治療和訓(xùn)練方法。 電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程2) 應(yīng)用生物反饋治療身心疾病:早在上世紀(jì)二、三十年代,Jacobson就開(kāi)始用原始的肌電圖監(jiān)測(cè)患者肌肉張力水平,促進(jìn)軀體漸進(jìn)性放松,治療多種心理、神經(jīng)癥狀。其后于1934年Smith報(bào)道,通過(guò)人的意識(shí)

4、可以控制單個(gè)運(yùn)動(dòng)單位放電電位、放電規(guī)律及其頻率。電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程3）在內(nèi)臟功能訓(xùn)練方面,美國(guó)實(shí)驗(yàn)心理學(xué)家Miller在進(jìn)行了唾液腺分泌、心率調(diào)節(jié)、血壓控制等動(dòng)物實(shí)驗(yàn),于1969年在Science上發(fā)表了著名的論文(內(nèi)臟與腺體反應(yīng)的學(xué)習(xí)),證明人的意識(shí)可以隨意調(diào)節(jié)自主神經(jīng)系統(tǒng)所控制的內(nèi)臟和腺體,提出了自主神經(jīng)系統(tǒng)的操作條件反射理論,奠定了生物反饋治療內(nèi)臟疾病的理論基礎(chǔ)。 電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程腦電圖專家也開(kāi)始報(bào)道,腦電波的數(shù)量與情緒、意識(shí)狀態(tài)明顯相關(guān),并且患者能夠用意識(shí)調(diào)控波的節(jié)律。 1977年Miller通過(guò)生物反饋訓(xùn)練患者控制心率和心律,成功完成了室性早搏的治療。 電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程1.

5、4 限制性測(cè)量條件 測(cè)量目的不同，被測(cè)人體處于某種特定狀態(tài)，生理參數(shù)范圍不同，如心室晚電位，是高頻成分，請(qǐng)看下表：1.4.1 常見(jiàn)生理參數(shù)的測(cè)量范圍電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程 常見(jiàn)生理參數(shù)的測(cè)量范圍生物信號(hào)類型所用傳感器典型幅值范圍典型頻率范圍 心電圖（ECG）體表電極心臟電極通過(guò)母體測(cè)量胎兒ECG50uV5mV50mV10uV0.05100HZ（250HZ） 腦電圖（EEG）頭皮電極顱內(nèi)10300uV10uV100mV0.5100HZ肌電圖(EMG)針電極0.15mV010KHZ電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程神經(jīng)電位表面電極 或針電極0.013mV010KHZ血壓動(dòng)脈

6、直接動(dòng)脈間接靜脈1040025400050mmHg050HZ060HZ050HZ呼吸率胸部應(yīng)變儀鼻熱敏電阻250次/min0.110HZ呼吸流速0600L/min040HZ心輸出量310L/min電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程心音壓電拾音器80dB52000HZ心率45180次/min0.753HZ體溫口腔腋窩直腸36.737.73637.436.937.9度3542度皮膚電阻人體電阻1500K1002000電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程1.4.3 安全性限制人體測(cè)量的安全性是最終的測(cè)量限制性條件，下面我們列舉三點(diǎn)基本考慮，用于認(rèn)識(shí)人體測(cè)量中的安全性。電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程（1）測(cè)量中施加于人體的各種能量的限制通過(guò)

7、人體的電流，放射性射線，超聲波，高頻能量，加速粒子等。人體在測(cè)量中所承受的力，加速度和振動(dòng)，以及聲，光，放射性射線的作用，是有一定限度的。各種能量對(duì)人體的作用不同，應(yīng)對(duì)能量的種類、施加部位、強(qiáng)度、作用時(shí)間以及諸如頻率、波形等參數(shù)做認(rèn)真的研究，給出明確的安全規(guī)定。電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程（2）測(cè)量的精確度和可靠度的要求它直接關(guān)系到測(cè)量，治療的正確與否，包括是否容易發(fā)生誤操作等等。比如心電圖波形，心臟手術(shù)。電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程（1）心電圖是根據(jù)波形診斷疾病的，因此波形的失真是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。（2）如果設(shè)備出現(xiàn)故障，如心臟手術(shù)中，人工心肺機(jī)停止工作，心臟起搏器沒(méi)有刺激脈沖輸出等，可造成致命的事故。（3）

8、目前用于體內(nèi)工作測(cè)量的設(shè)備逐漸增多，體內(nèi)測(cè)量屬于有創(chuàng)測(cè)量，比體外測(cè)量需更加細(xì)致地考慮其安全性。電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程1.5 電流的生理效應(yīng)和損傷防護(hù)1.5.1 電流的生理效應(yīng) 電擊是由于電流對(duì)人體組織產(chǎn)生的生理效應(yīng)和某種程度的破壞作用所致。產(chǎn)生的條件是：體表任意兩點(diǎn)與電源相接觸，從而使人體構(gòu)成電源通路中的一部分，電流通過(guò)體內(nèi)。 低頻電流對(duì)人體的三個(gè)作用：產(chǎn)生焦耳熱；刺激神經(jīng)、肌肉等細(xì)胞；化學(xué)效應(yīng)。這些作用使組織液中的離子、大分子等粒子振動(dòng)、運(yùn)動(dòng)和取向。電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程引起生理效應(yīng)和損傷的直接因素是電流。電流通過(guò)人體的不同部位和器官其生理效應(yīng)和損傷程度不同，因而危險(xiǎn)性不同。如同樣的電流通過(guò)手臂

9、和胸腔，危險(xiǎn)性不同。電流造成的損傷與通電時(shí)間成正比電流的生理效應(yīng)及損傷與頻率有關(guān)電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程電流刺激的閾值與頻率的關(guān)系電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程1.5.2 宏電擊與微電擊最主要考慮的方面，人和動(dòng)物的生理要求不同。在整體情況下，由感知電流造成的電擊稱為宏電擊（0.71.1mA），通常指加于體表引起的電流效應(yīng)。由感覺(jué)閾以下的電流所造成的電擊，成為微電擊，通常指電流直接加到心臟產(chǎn)生的電流效應(yīng)。 電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程100A微電擊心室顫動(dòng)1mA宏電擊電流刺激感10mA宏電擊不隨意運(yùn)動(dòng)肌肉收縮100mA宏電擊心室顫動(dòng)電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程 使用冠性病監(jiān)護(hù)儀或危重 病人監(jiān)護(hù)儀。 體腔內(nèi)使用的充液導(dǎo)管。 電

10、子儀器出現(xiàn)絕緣故障時(shí)。微電擊常發(fā)生在以下三種情況電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程1.5.3 人體的阻抗及自然保護(hù)機(jī)理人體的皮膚電阻，主要取決于上皮角質(zhì)層，干燥的皮膚電阻為100300歐姆/cm2 ，潮濕的皮膚阻抗只有干燥皮膚的1%。人體每一肢體的電阻約為200500歐，軀干內(nèi)的電阻約為25100歐。兩肢體內(nèi)的電阻約為5001000歐。皮膚上皮角質(zhì)層導(dǎo)電性差，汗水導(dǎo)電。環(huán)境、生理?xiàng)l件都可影響皮膚電阻，使之喪失自然保護(hù)機(jī)理。電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程1.6 生物醫(yī)學(xué)測(cè)量及醫(yī)學(xué)電子儀器的 分類 (1) 生物醫(yī)學(xué)測(cè)量的分類1. 生物電與非生物電測(cè)量。按生理參數(shù)的性質(zhì)分。2. 有創(chuàng)測(cè)量、微創(chuàng)測(cè)量與無(wú)創(chuàng)測(cè)量。測(cè)量對(duì)生命體的創(chuàng)傷程度，如采用心導(dǎo)管術(shù)的心血管造影等。3. 是否施加能量給人體。如超聲，CT施加能量給人體。4. 直接測(cè)量和基于模型的測(cè)量。如無(wú)創(chuàng)傷心輸出量測(cè)量。電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程生物醫(yī)學(xué)測(cè)量的分類生物醫(yī)學(xué)測(cè)量的分類方法還有很多，以下給出其它一些按照不同途徑進(jìn)行分類的常用的測(cè)量方法：無(wú)線測(cè)量，有線測(cè)量；直接測(cè)量，間接測(cè)量；在體測(cè)量，離體測(cè)量；體表測(cè)量，體內(nèi)測(cè)量；單維測(cè)量，多維測(cè)量；接觸式測(cè)量，非接觸式測(cè)量；形態(tài)測(cè)量，功能測(cè)量。 電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程