醫(yī)學(xué)電子儀器wiederholen

1Chapter1BasicConceptsofMedicalInstrumentation

UnstableProbabilityNonlinearityCharacteristicsofphysiologicalsignalHumanBodySystem

BioelectricalSignalsCharacteristicsofBiomedicalMeasurementMulti-variability生命體的生命活動是由多個生理及生化參量共同決定的，而在測量過程中，往往只針對某種效應(yīng)和某些參量進(jìn)行測量。生命系統(tǒng)的這種多變量特性，決定了測量方法和技術(shù)以及測量結(jié)果的涵義和結(jié)論都會帶有明顯的局限性。CharacteristicsofBiomedicalMeasurementDisturbance生物醫(yī)學(xué)測量過程中，由于被測參數(shù)往往十分微弱，易受外界環(huán)境干擾(例如工頻交流電干擾)和來自人體自身的其他無用信息的干擾(例如在測量體表希氏束電位時，很易受來自肌電信號的干擾)，人體活動時的體位變化、電極不良及傳感器錯位時也會產(chǎn)生偽差，必須采用抗干擾技術(shù)、排除偽差等方法提取有用信號。CharacteristicsofBiomedicalMeasurementPsychophysiologyFactors在測量過程中，由于被測對象出現(xiàn)緊張，生理和心理都會發(fā)生變化。心理的變化會導(dǎo)致生理參數(shù)(心率、血壓、體溫等)變化。在測量過程中，被測者的不理解和不配合，尤其在進(jìn)行麻醉和經(jīng)受物理和藥物刺激時，受試者不能很好配合，直接影響測量過程中的偽差，從而影響測量的準(zhǔn)確度CharacteristicsofBiomedicalMeasurementCloseLoop生命體具有精確的自動調(diào)節(jié)功能，這是由于在生命體中存在多環(huán)路、多層次、多重控制的閉環(huán)系統(tǒng)特性所決定的。多種原因可導(dǎo)致同一生理參數(shù)的變化，同一原因又可導(dǎo)致多種生理參數(shù)的同時變化。因此，測量單一生理參數(shù)難于有效評估生理和病理狀態(tài)，需要多參數(shù)綜合測試，并用適當(dāng)方法使人體的閉環(huán)系統(tǒng)暫時開環(huán)，以測量某一環(huán)節(jié)的開環(huán)響應(yīng)特性，正確地加以定位并確保測量結(jié)果的唯一性與正確性。CharacteristicsofBiomedicalMeasurementSafety生物醫(yī)學(xué)測量的對象是生命體，尤其是人體，因此安全性極其重要。1）測量中應(yīng)防止各種電擊的危害尤其是在體內(nèi)對心臟進(jìn)行直接測量時，極微小的電流(uA級)也有可能導(dǎo)致室顫（VantricularFibrillation）。其次，電流通過人體時，會產(chǎn)生許多物理變化(例如熱效應(yīng))和化學(xué)變化，并會引起多種復(fù)雜的生理效應(yīng)。2）測量裝置不能產(chǎn)生有毒物質(zhì)，應(yīng)與組織與血液有較好的生物相容性(Bio-compatibility

)。CharacteristicsofBiomedicalMeasurementEvaluation

生物醫(yī)學(xué)測量的新方法，尤其是一些間接測量方法往往會涉及測試模型的建立問題。由于研究者對生命現(xiàn)象復(fù)雜程度了解不夠，加上生物個體差異很大，因此測試模型往往帶有片面性，在評估時也缺乏正確、有效的措施。CharacteristicsofBiomedicalMeasurementEnvironment測量環(huán)境，例如溫度、濕度、電磁場干擾、振動、沖擊等，都會使測量產(chǎn)生困難。尤其是在進(jìn)行細(xì)胞級的測量時，利用微電極測量細(xì)胞內(nèi)的電位變化時，對環(huán)境要求很嚴(yán)，否則將影響測量結(jié)果的可靠性。CharacteristicsofBiomedicalMeasurementaprioriknowledge由于研究者、設(shè)計者乃至操作者缺乏對生物醫(yī)學(xué)的先驗知識，可能對生物醫(yī)學(xué)測量的結(jié)果以及表達(dá)產(chǎn)生影響。在臨床診斷過程中，醫(yī)生必須利用其對醫(yī)學(xué)的先驗知識結(jié)合儀器測量的結(jié)果進(jìn)行綜合判斷。CharacteristicsofBiomedicalMeasurementSuitability任何測量方法與技術(shù)都有一定的局限性，尤其是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。生命體中的各個系統(tǒng)、組織和器官，同一測量對象可能有多種測量方法，每一種測量都在一定條件限制下進(jìn)行的。因此，不同測量對象需要有其相關(guān)的測量手段與方法，在進(jìn)行測量以前首先要研究方法與技術(shù)的適用性問題CharacteristicsofBiomedicalMeasurementBiopotentialPressureFlowDimensions(imaging)Displacement(velocity,acceleration,force)ImpedanceTemperatureChemicalConcentrationMeasurand:Thephysicalquantity,property,orconditionGeneralizedinstrumentationsystemMedicalandPhysiologicalParametersGeneralizedinstrumentationsystemSensorandTransducerSensorConvertsaphysicalmeasurandtoanelectricaloutputInterfacewithlivingsystemMinimizetheenergyextractedMinimallyinvasivediaphragmStraingagepressuredisplacementelectricvoltageGeneralizedinstrumentationsystemSignalConditioningAmplificationFilteringImpedancematchingAnalog/DigitalforsignalprocessingSignalform(timeandfrequencydomains)GeneralizedinstrumentationsystemOutputDisplayNumericalorgraphicalDiscreteorcontinuousPermanentortemporaryVisualsenseAuditorysense(Dopplerultrasonicsignals)GeneralizedinstrumentationsystemParametersusedtoevaluatemedicalinstrument:Accuracy:ThedifferencebetweenthetruevalueandthemeasuredvaluedividedbythetruevaluePrecision:ThenumberofdistinguishablealternativesfromwhichagivenresultsisselectedResolution:ThesmallestincrementquantitythatcanbemeasuredwithcertaintyReproducibility:Theabilitytogivethesameoutputforequalinputsappliedoversomeperiodoftime.GeneralizedStaticCharacteristicsHighprecisionLowaccuracyHighaccuracyLowprecisionGeneralizedStaticCharacteristicsGeneralizedStaticCharacteristics醫(yī)學(xué)電子儀器Chapter2-BasicSensorsandPrinciplesThetermtransducerisdefinedasadevicethatconvertsoneformofenergytoanother.Asensorconvertsaphysicalmeasurandtoanelectricoutput.傳感器的定義：能感受或響應(yīng)規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器的定義和組成醫(yī)用傳感器（medicalsensor

）：能夠感知多數(shù)為非電量的生物信息并將其轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的器件或裝置。傳感器起著關(guān)鍵作用，其原因：生物信號很多是非電量信號，必須經(jīng)過傳感器感知才能轉(zhuǎn)換成電信號生物信號十分微弱生物信號信噪比很低生物信號多數(shù)變化頻率很低，容易受到50Hz電源和其他生理活動的干擾無創(chuàng)傷的檢測，患者才樂于接受傳感器的作用傳感器決定著檢測的可能性和檢測儀器的精確性、可靠性及其應(yīng)用范圍。(1)足夠高的靈敏度，能夠檢測出微弱的生物信號。(2)盡可能高的信噪比，以便在干擾和噪聲背景中提取有用的信息。(3)良好的精確性，以保證檢測出的信息準(zhǔn)確、可靠。(4)足夠快的響應(yīng)速度，能夠跟隨生物體信息量的變化(5)良好的穩(wěn)定性，保持長時間檢測漂移很小，輸出穩(wěn)定。(6)較好的互換性，調(diào)試、維修方便。

醫(yī)用傳感器的特性和要求醫(yī)用傳感器的特性(1)與人體接觸、特別是植入體內(nèi)的傳感器材料必須是無毒的，并且與生物體組織具有良好的相容性，長期接觸不會引起排異、炎癥等不良反應(yīng)。(2)傳感器在進(jìn)行檢測時，不能影響或者盡可能少影響正常的生理活動，否則檢測的信息將是不準(zhǔn)確的。(3)傳感器應(yīng)具有良好的電氣安全性，特別是與體內(nèi)接觸的傳感器應(yīng)按照防止微電擊的電氣安全標(biāo)準(zhǔn)具有良好的絕緣性能。(4)傳感器在結(jié)構(gòu)上和性能上要便于清潔和消毒，防止有害物質(zhì)交叉感染。醫(yī)用傳感器的特殊要求醫(yī)用傳感器的特性和要求WheatstoneBridgevoiszerowhenthebridgeisbalanced-thatiswhenIfallresistorhasinitialvalueR0thenifR1andR3increasebyR,andR2andR4decreasesbyR,then

27Piezoelectriceffect1、正（順）壓電效應(yīng)2、逆壓電效應(yīng)（電致伸縮）壓電介質(zhì)正壓電效應(yīng)Q(E)電能T(S)機(jī)械能逆壓電效應(yīng)28居里點573℃，六角晶系結(jié)構(gòu)光軸電軸機(jī)械軸PiezoelectricMaterials——QuartzCrystal軸（光軸）：軸（電軸）：軸（機(jī)械軸）：光線沿此方向入射時不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，沿此方向加力也不產(chǎn)生壓電電荷產(chǎn)生壓電電荷的方向

沿此方向受力時變形最小，機(jī)械強(qiáng)度最大VoTofindVo,assumesystemactslikeacapacitor(withinfiniteleakresistance):Capacitor:(typicallypC/N,amaterialproperty)kforQuartz=2.3pC/Nkforbariumtitanate=140pC/NPiezoelectriceffectViewpiezoelectriccrystalasachargegenerator:Rs:sensorleakageresistanceCs:sensorcapacitanceCc:cablecapacitanceCa:amplifierinputcapacitanceRa:amplifierinputresistanceRaTransferFunctionofPiezoelectricSensorsConvertchargegeneratortocurrentgenerator:CurrentRaTransferFunctionofPiezoelectricSensorsKs=K/C,sensitivity,V/m=RC,timeconstantRa醫(yī)學(xué)儀器Chapter4-TheOriginofBiopotentials動作電位的概念:指可興奮細(xì)胞在受到一定強(qiáng)度的刺激后，膜兩側(cè)的電位在原有靜息電位的基礎(chǔ)上發(fā)生的一次快速的倒轉(zhuǎn)和復(fù)原TheActiveState動作電位有一下幾部分組成:上升支下降支超射

負(fù)后電位正后電位TheActiveStateTheActiveState不同種類細(xì)胞的動作電位其特征相似，但其變化幅度與持續(xù)時間是有差別的。在骨骼肌和粗神經(jīng)纖維鋒電位的幅值可達(dá)120mV,持續(xù)時間為0.5～2.0ms，而后電位則易變性較大，負(fù)后電位一般約持續(xù)5～30ms，正后電位持續(xù)60～80ms。IfstimulusdepolarizethecellsuchthatVcell>Vthresholdanactionpotentialisgenerated.

InternalmediaExternalmedia+---++ElectricFieldNa+140mmol/literofK+2.5mmol/literofK++---++ElectricFieldK+TheActiveStateActionPotentialAbsoluterefractoryperiod:membranecannotrespondtoanystimulus.Relativerefractoryperiod:membranecanrespondtointensesuperthresholdstimulus.ActionPotential1.電化學(xué)驅(qū)動力：決定離子跨膜流動的方向和速度，某離子電化學(xué)驅(qū)動力應(yīng)等于膜電位與該離子平衡電位之差。如Na+：Em-ENa=-70mV-(+60mV)=-130mVAP產(chǎn)生的基本條件:①膜內(nèi)外存在[Na+]差:

[Na+]i＞[Na+]O≈1∶10；②膜在受到閾刺激而興奮時，對離子的通透性增加：

即電壓門控性Na+、K+通道激活而開放。MechanismofAP當(dāng)細(xì)胞受到刺激細(xì)胞膜上少量Na+通道激活而開放Na+順濃度差少量內(nèi)流→膜內(nèi)外電位差↓→局部電位當(dāng)膜內(nèi)電位變化到閾電位時→Na＋通道大量開放Na+順電化學(xué)差和膜內(nèi)負(fù)電位的吸引→再生式內(nèi)流膜內(nèi)負(fù)電位減小到零并變?yōu)檎娢唬ˋP上升支）Na+通道關(guān)→Na+內(nèi)流停+同時K+通道激活而開放K＋順濃度差和膜內(nèi)正電位的吸引→K＋迅速外流膜內(nèi)電位迅速下降，恢復(fù)到RP水平（AP下降支）∵[Na+]i↑、[K+]O↑→激活Na+－K+泵Na+泵出、K+泵回，離子恢復(fù)到興奮前水平→后電位MechanismofAPMechanismofAP結(jié)論：1、AP的上升支由Na＋內(nèi)流形成，下降支是K＋外流形成的，后電位是Na＋－K＋泵活動引起的2、AP的產(chǎn)生是不消耗能量的，AP的恢復(fù)是消耗能量的（Na＋－K＋泵的活動）。3、AP

=

Na＋的平衡電位。

MechanismofAPActionPotentialTravel心肌細(xì)胞的分類工作心肌細(xì)胞

(workingcardiaccell)：心房肌、心室肌自律心肌細(xì)胞(rhythmiccell):特殊分化的心肌細(xì)胞，包括竇房結(jié)、房室交界區(qū)、房室束和浦肯野纖維等?；静缓≡w維，無收縮性；具有自律性和特殊傳導(dǎo)性；構(gòu)成了心臟的起搏傳導(dǎo)系統(tǒng)。CardiacconductionsystemRhythmiccellandContractilecell1.傳導(dǎo)途徑竇房結(jié)↓↓結(jié)間束房間束（優(yōu)勢傳導(dǎo)通路）↓↓房室交界心房肌↓房室束↓左、右束支↓浦肯野纖維↓心室肌CardiacconductionsystemTheP-wave

showstheheart'supperchambers(atria)contracting(depol.)TheQRS

complex

showstheheart'slowerchambers(ventricles)contractingTheT-wave

showstheheart'slowerchambers(ventricles)relaxing(repol.)TheU-wave

believedtobeduerepolarizationofventricularpapillarymuscles.ECG(Electrocardiogram)ECG心電圖典型波形StandardLeadI導(dǎo)聯(lián)左上肢LA

(+)vs.右上肢RA

(-)II導(dǎo)聯(lián)右上肢RA

(-)vs.左下肢LL

(+)III導(dǎo)聯(lián)左上肢LA

(-)vs.左下肢LL

(+)StandardLeadTheEinthovenlimbleads(standardleads)aredefinedinthefollowingway:

LeadI:

VI

=VL-VR

LeadII:

VII

=VF–VRLeadIII:

VIII

=VF-VL

AccordingtoKirchhoff'slawtheseleadvoltageshavethefollowingrelationship:

VI+VIII=VII

henceonlytwoofthesethreeleadsareindependent.(A)

ThecircuitoftheWilsoncentralterminal(CT).

(B)ThelocationoftheWilsoncentralterminalintheimagespace(CT').ItislocatedinthecenteroftheEinthoventriangle.UnipolarMeasurements單極肢體導(dǎo)聯(lián)FrankNWilson(1890-1952)

ShowthatthevoltageinleadaVRis50%greaterthanthatinleadVRatthesameinstant.Typicalimpedancevalues:放大器輸入阻抗：10MΩ人體手指到肩部阻抗：400Ω軀干阻抗：20Ω皮膚電極之間的阻抗：幾百~幾十KΩInterferencefromelectricdevices

DisplacementcircuitfrompowerlinetoleadlinesECGlevel：50μV-5mVEEGlevel：10-300μV

Interferencefromelectricdevices

DisplacementcircuitfrompowerlinetoleadlinesInterferencefromelectricdevices

DisplacementcircuitfrompowerlinetoleadlinesMinimizingtheinterferenceby:ShieldingleadlineGroundingeveryshieldinECGLoweringtheskinimpedancesZ1=Z2IncreasingZinDriven-right-legcircuitDriven-right-legcircuitSummingthecurrentsatthenegativeinputoftheopamp,wegetThus,substituting(E6.2)into(E6.3)yieldsDriven-right-legcircuit對比P.260(6.7)，Vcm=10mVDriven-right-legcircuit兩種誘發(fā)電位的比較定義意義非特異性誘發(fā)電位給予不同刺激時產(chǎn)生的反應(yīng)相同.該電位幅度比較高.沒有任何特定意義,在臨床診斷中不具有診斷價值.特異性誘發(fā)電位給予刺激后經(jīng)過一定的潛伏期，在腦的特定區(qū)域出現(xiàn)的電位反應(yīng)與刺激信號之間有嚴(yán)格的時間關(guān)系.電位幅值較小,完全淹沒在自發(fā)腦電信號中.電位的形成與特定的刺激之間有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系,可以反映神經(jīng)系統(tǒng)的功能與病變,在臨床上具有診斷價值.誘發(fā)電位誘發(fā)試驗“事件相關(guān)電位”（event-relatedpotential,ERP）是一種特殊的誘發(fā)電位，通過有意地賦予刺激以特殊的心理意義，利用多個或多樣的刺激所引起的腦的電位。它反映了認(rèn)知過程中大腦的神經(jīng)電生理的變化，也被稱為認(rèn)知電位，也就是指當(dāng)人們對某課題進(jìn)行認(rèn)知加工時，從頭顱表面記錄到的腦電位。醫(yī)學(xué)儀器Chapter7-BloodPressureBloodpressuremeasurementDirectmeasurement(invasive,highaccurate)Indirectmeasurement(noninvasive,lowaccurate)IndirectmeasurementsofBPAuscultatoryMethodAuscultation:theactoflistening,eitherdirectlyorthroughastethoscopeorotherinstrument,tosoundswithinthebody.Thismethodisbasedonthefactthatpulsewaveswhenfirstpropagatethroughthebrachialartery,generateKorotkoffsounds.IndirectmeasurementsofBPAuscultatoryMethodAutomatedBPmeasurementmethod1

MicrophonepickupKorotkoffsound

InflatedsanddeflatesancuffatacertainratemustbeautomaticallyfinishedMicrophonereplacesthestethoscopeMicroprocessorisuesedinthesystemBloodpressuremeasurementTheoscillometricmethod(示波法)theobservationofoscillationsofbloodflowduringthepulsation.Itusesasphygmomanometercuff,liketheauscultatorymethod,butwithpressuresensor(transducer)toobservecuffpressureoscillationsThepressuresensor(withintheinflatedcuff)detectsthepulsationofthearterywallasapressurevibration.Theinterpretationofthesesmallvibrationsamplitudeprovidethebloodpressurevalue.Theoscillometricmethod(示波法)OmOsOd3示波法血壓判定方法固定比率計算法幅度最大處為平均壓收縮壓和舒張壓根據(jù)經(jīng)驗公式計算突變點方法對脈搏波包絡(luò)微分，確定舒張壓、收縮壓和平均壓Theoscillometricmethod(示波法)醫(yī)學(xué)儀器OpticalMolecularImaging— Bioluminescenceimaging(BLI) Fluorescenceimaging(FI)MolecularImagingHighlyspecificimagingprobesSensitiveimagingsystemMolecularImaging優(yōu)勢：更深入——細(xì)胞分子水平更早——解剖結(jié)構(gòu)改變前MolecularImaging應(yīng)用領(lǐng)域：腫瘤檢測藥物研發(fā)基因表達(dá)生物發(fā)光現(xiàn)象是生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為光能而發(fā)光的現(xiàn)象Bioluminescence熒光素酶報告基因?qū)嶒灹鞒讨苽浜形灩馑孛富虻腄NA轉(zhuǎn)染提供刺激測量螢光調(diào)節(jié)序列Luc報告基因載體報告基因檢測BioluminescenceMarkBioluminescenceImaging優(yōu)點：在體無創(chuàng)傷高特異性高靈敏度，最低檢測100多細(xì)胞無電離輻射系統(tǒng)簡單，操作方便成本低廉1.GFP的光譜特性—最大激發(fā)波長—460-490nm發(fā)射波長—500-550nmGFP的特性2.GFP的分子量小（27kDa）—當(dāng)與其它蛋白組成融合蛋白時，不影響結(jié)合蛋白的功能GFP的優(yōu)