生物医学测量与传感器.ppt

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1、杨 飞,电子学测量方法,课程安排,理论课：54课时 实验课 18课时参考书目：生物医学传感器与检测技术杨玉星 编著生物医学测量与仪器 王保华 主编,生物医学工程是一个多科学的交叉领域，其特点是将工程科学与生命科学的原理与方法相结合，在生命体的多个层面上对生命体的现象与运动规律进行定量研究，并发展相应的医疗技术及应用系统，应用于医学和保健。生物医学工程涵盖生物材料与人工器官、生物力学、仿真及控制、生物医学信号检测及处理技术、医学成像及图像处理、生物医学电磁学等，而生物医学测量是生物医学工程学科中最基础、应用最广泛、与其他分支学科联系最密切的领域。,第一章 现代医学仪器概论,本章内容1.医学仪器简

2、介2.医学仪器发展简史3.医学仪器的分类4.医学仪器发展现状及研究方向5.生物医学测量概述6.生物医学测量方法、特点、安全性,1.关键词解释和医学仪器定义 国际标准化组织对医疗器械（medical device）中的 医学仪器（medical instrumentation）定义：指那些单纯或组合应用于人体的仪器，包括智 能化仪器中的软件。其使用目的：1、疾病的预防、诊断、治疗、监护或缓解 2、损伤或残疾的诊断、治疗、监护、缓解或补偿 3、解剖或生理过程的研究、替代或调节 4、妊娠控制,医学仪器用于人体体表及体内的作用，不是用药理学、免疫学或者代谢的手段获得的。但可能有这些手段参与并起到辅助作

3、用。这是对医学仪器较为严格的定义。简单说来，医学仪器是以医学临床诊治和医学研究为目的的仪器。,医学仪器性能概要 人体信号类型决定着医学测量仪器结构 1、周期信号；2、非周期信号或瞬变信号；3、随机信号：平稳随机信号、非平稳随机信号 心电、血压、血流量、脉率、心率、心音、呼吸都是非平 稳周期性随机信号；脑电、肌电、胃电、眼电等都是非平稳非周期性随机信号；体温对正常人每天的数值基本是平稳周期性信号，而对于 病人（尤其炎症发烧患者）是非平稳非周期性随机信号。,人体中每时每刻都存在着大量的生命信 息。由于我们的身体整个生命过程中都在不 断地实现着物理的、化学的及生物的变化，因此所产生的信息是极其复杂的

4、。我们可以把生命信号概括分为二大类：1、化学信息 2、物理信息,化学信息是指组成人体的有机物在发 生变化时所给出的信息，它属于生物 化学所研究的范畴。物理信息是指人体各器官运动时所产 生的信息。物理信息所表现出来的信 号又可分为电信号和非电信号两大类。,人体电信号：如体表心电（ECG）信号、脑电（EEG）、肌电（EMG）、眼电（EOG）、胃 电（EGG）等在临床上取得了不同程度的应用。人体磁场信号检测近年来也引起了国内外研究者 和临床的高度重视，我们把磁场信号也可归为人 体电信号。人体非电信号：如体温、血压、心音、心输出量 人体非电信号及肺潮气量等，通过相应的传感器，即可转变成 电信号。电信号

5、是最便于检测、提取和处理的信号。,上述信号是由人体自发生产的，称为主动性信号。另外，还有一种被动性信号，即人体在外界施加某种刺激或某种物质时所产生的信号。如诱发响应信号，即是在刺激下所产生的电信号，在超声波及X 射线作用下所产生的人体各部位的超声图像、X射线图像等也是一种被动信号。这些信号是我们进行临床诊断的重要工具。,人体基本生理参量的测量部位示意图 参见课本,医学测量仪器系统通用组成框图,生物信号反映生物体的生命活动状态，生物信号的表 现形式具有多样性，如：既有物理的声、光、电、力等类 的变化；又有化学的浓度、气体分压、PH等的变化，其特 点是信号微弱、非线性、高内阻、干扰因素多等等。这些

6、 特征对于生物信号的研究十分重要。一个完整的生物信号测量系统一般包括以下四个部分：1、生物信号的引导（电极和传感器）2、生物信号的放大（数字和模拟电路）3、生物信号的采集和采样（A/D转换器）4、生物信号的记录与处理（信息处理）,心电电极、心音传感器、导联线,心电、心音信号放大器,数据采集卡（A/D转换卡）,生物医学信号检测系统,2.医学仪器发展简史 现代医学仪器的诞生和发展始于19世纪末20世纪初，这与以量子力学和相对论为代表的科学重大发现和以机械 制造和电机工程为代表的工业文明出现密不可分。1728年，英国Hales Stephen 采用开口的管子插入马的股动脉，做了人类历史上的第一次血压

7、实验。1816年，法国医生Rene 发明了听诊器。1842年，Nobelic做早用静电记录了肌电信号。,物理学家希托夫观察到真空管中的阴极发出的射线，当这些射线遇到玻璃管壁会产生荧光。随后，英国物理学家克鲁克斯研究稀有气体里的能量释放，并且制造了一种玻璃真空管，内有可以产生高电压的电极。1887年4月，尼古拉特斯拉开始使用自己设计的高电压真空管与克鲁克斯管研究X光。他发明了单电极X光管，在其中电子穿过物质，发生了现在叫做韧致辐射的效应，生成高能X光射线。1892年特斯拉完成了这些实验，但是他并没有使用X光这个名字，而只是笼统成为放射能。他继续进行实验，并提醒科学界注意阴极射线对生物体的危害性，

8、但他没有公开自己的实验成果。1892年赫兹进行实验，提出阴极射线可以穿透非常薄的金属箔。赫兹的学生伦纳德进一步研究这一效应，对很多金属进行了实验。,1895年德国物理学家伦琴(W.h.Roentgen)在吴尔兹堡(Uerzburg)大学物理研究所发现X射线，在次年的德国物理学年会上，他宣布并展示了X射线拍摄的人手X照片，由此开创了人体影像诊断的先河。当时的电子变压器 高压输出已可达100 kV，满足了X射线产生的条件，伦琴在 实验中采用的是William Crookes研制的高真空度的阴极 射线管。这一里程碑式的发现使得伦琴获得了首届(1901年)物理学诺贝尔奖。,zh.wikipedia.o

9、rg/wiki/File:X-ray_by_Wilhelm_R%C3%B6ntgen_of_Albert_von_K%C3%B6lliker%27s_hand_-_18960123-02.jpg拍摄的一张X射线照片，伦琴夫人的手骨与戒指,X线被广泛的应用于对疾病的诊断与治疗，形成了放射诊断学和放射治疗学。X线还用于疾病的预防、康复和预后随访，在医学之外，还用于X线衍射分析和工业探伤等多种用途。随着计算机技术的发展，数字化X线摄影、数字减影（DSA）应运而生。,这期间另一个重大事件是1903年荷兰生理学家 William Einthoven研制成功了第一台采用弦线式 电流计记录的心电图仪，被誉为

10、心电图之父。他创立的肢体标准导联的概念，沿用至今。Einthoven开创性的贡献使他获得了1924年医学诺贝尔奖。1924年法国学者Berger首次采用头皮电极记 录到人脑的电活动，发现人脑活动的p波节律，并 第一次绘出了人类癫痈病发作时的脑电图。,1932年，研制了一种可经食管插入胃中观察胃内病变的半硬式胃镜。1957年，美国首次开发出纤维光学内镜。1956年，美国人Anger发明了伽玛照相机，成为核医学成像技术的一个里程碑。1957年，美国Mackay制成一种“无线电丸”，由动物吞服下后，可用无线遥测方式检测体内的某些生理信息，同年，在前苏联的空间研究中，将遥测技术用于动物的生理医学实验研

11、究。1957年，美国Holter博士利用无线遥测与磁带记录技术相结合，连续记录可行走病人长时间的心电图，并与1961年制成由佩戴式磁带记录器记录，由示波器回放分析的心电监护系统，后来被称作Holter监护系统。1963年将图像重建理论用于放射医学。,基于压电晶体管效应的超声波发生装置，在1880年已由Jaeqnts与Pierre Carie建立，其后 在第一、二次世界大战中超声在水下探测中均发 挥了巨大的作用，但作为真正商品化的医用超声 诊断仪直到1958后才出现，此后由于它的广泛的 优点，很快在临床普及。今天B超（全数字化彩色B超）已经在全世 界各大中小医院广泛普及，成为常规性检查手段。可以

12、说，没有B超的医院不能称其为医院。,X光投射成像技术在伦琴创立之后近百年间发生了长足的 进展，借助于各种影像增强材料和手段.X成像早已突破早期 主要针对人体骨骼的成像范围，扩展到全身各个部位。但由 于X光将人体投影到二维成像平面时，反映的是垂直于射线方 向上的无穷多个平行截面人体组织的叠加或平均，使重要的 空间信息模糊或丢失。1972年根据英国工程师毫斯菲尔德(G.N.Hounfield)和美国人科马克(A.M.Cormack)，将计算机 技术与X线相结合，发明了X射线计算机断层扫描 CT(computer aided tomography scanner)重建技术。它 能从许多不同的投影图，

13、计算出真正的二维切片人体组织图 像。此后人们还从新获得的连续切层图通过组合计算出各种 角度的切片图，直到三维图像。这一医学史上划时代的成果，使豪斯菲尔德与科马克共享了1979年生理学与医学诺贝尔奖。,核医学影像类仪器，是基于给病人施加放射 性标记药物，在人体外部探测所发射的射线而 成像的。自从1956年研制成功医用Gama 照像机后，借助于类似于X线层析成像技术先后有 SPECT(单光子发射计算机断层成像)以及PET(正电 子发射层析成像)应用于临床。它们提供了X成像 技术不能提供的人体生理代谢功能等方面的重要 信息。,核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)成

14、为一种 谱分析方法，早在1946年就由F.Bloch提出，但直到1973年才 由等研制出临床使用的磁共振成像仪(magnetic reso-nance imaging,MRI)。该仪器不仅提 供了人体解剖图像(特别是软组织的图像)，而且提供了人体特 色部位的生理与代谢信息。2003年度的诺贝尔生理、医学奖授予了美国伊利诺大学的 化学、生物物理学和计算生物及生物工程学教授Paul C.Lauterbur和英国诺丁汉大学物理学教授Peter Mansfield爵士，以表彰他们对建立磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)技术所做出的杰出贡献。,自20世纪60年代，

15、开始出现应用电子技术的临床监护仪器，1962年，国外开始建立危重病人监护系统（ICU）和冠心病人自动监护系统（CCU）。自70年代后期，微型计算机引入到临床监护系统中，出现了运用模式识别技术的智能化监护仪器。自20世纪60年代以来，重点用于生物医学测量的电化学传感器得到了逐步发展。1962年出现了具有透氧膜的氧电极，此后相继出现了把某些无机化合物、有机化合物、高分子化合物和生物物质与电极结合而形成的多种电化学传感器和生物传感器、半导体技术、微加工工艺和生物技术的进步，促进了生物传感器的发展。,治疗类仪器自十八世纪美国科学家富兰克林(Flanklin)用莱顿瓶放电治疗瘫痪病人以来。直 到19世纪

16、末20世纪初才有了长足的进展，利用电 磁波不同频段不同的生理效应，研制成功的各种 治疗仪器大量进人临床，最具代表意义的有：可 植人式心脏起博器、高频电刀、激光刀、用于癌 症治疗的直线加速器等。伴随微电子技术和计算 机技术的发展。各种物理治疗类仪器在保健、康 复功能替代中发挥了越来越显著的作用。,化学分析起源于17世纪，但仪器分析直到19世纪末才出 现。20世纪得到大的发展，用于医学的分析仪器，主要沿袭 了现代化学分析仪的方法和手段，如谱分析方法，电化学方 法、各种分离技术等，对人体成份进行离体分析。直接针对 活体内成份的测量，是医学分析仪器的特殊处和极重要的方 面，这里存在有创和无创，短时诊断

17、和长期监测之分。如针 对糖尿病患者血糖的诊断与监测，针对呼吸系统病人的血氧 饱和度的诊断与监测等。20世纪末得益于生物工程技术和 电子技术的发展，使医用分析仪器在大规模测量和小型化、快速分析等方面均取得了重大进展。,医学仪器结构发展演变历程：从机械式（水银温度计、水银血压计、听 诊器、肺活量测量计）电子电路（晶体管等 分立元件）集成电路（主要是模拟电路）大规模集成电路（主要是数字电路）智能化 仪器（单片机、DSP高速信号处理器）微机虚 拟仪器网络多媒体远程医疗未来走向,测量仪器经历三个时代的发展：第一代为指针式（或模拟式）仪器仪表 第二代为数字式仪器仪表 第三代就是智能式仪器仪表,医学测量仪器

18、的分类生理检查与记录仪器（心电图、脑电图、血压计、体温计、脉搏测量仪等）生化检查与记录仪器（血液气体分析仪器、尿液分析仪、血液细胞分析仪）医学图像仪器（超声波、CT、磁共振、电子内镜等）临床监护仪器（心电监护、呼吸监护、ICU、CCU）,4.医学仪器发展现状及研究方向4.1 国外医疗器械现状美国是世界上最大的医疗器械生产国和消费国，它供应了世界市场40%的医疗器械，同时消费了世界市场的37%的医疗器械，外科手术与医疗仪器比重最大，著名的美国GE(General Elecetric company)、日本是全球医疗器械第二生产大国，日本的医疗制造厂商以中小企业为主欧盟占世界医疗器械行业的28%，

19、主要投资于提高对内科疾病的早期诊断、改善治疗程序、损坏器官的置换、可部分操纵的人工骨骼和关节。,4.2 我国医疗器械的现状 目前，我国医疗机构的整体医疗装备水平还很低，我国医疗器械市场已 成为继美国和日本之后的世界第三大市场。1.病人监护系列产品的市场需求量大，机电一体化技术的复杂性和加工难度不大，生产厂家较多。2.医学影像设备技术含量高，基本上是进口。3.临床实验室仪器设备是我国40多年来一直缺乏产品开发生产活力的领域，与国外先进水平差距在20年左右。4.人才、资金、技术等资源丰富 5.三大区域形态,近年来，随着我国民营企业迅猛发展，医疗器械产业的发展有了长足的进步，特别是在超声波诊断、病人

20、监护仪等产品。许多企业获得了CE和FDA认证，如深圳迈瑞生物医疗电子股份公司。（1)专利数量少，科技水平不高 2003-2007年世界医疗器械专利总数100095件 美国专利数量 39794 引用次数 21997 日本专利数量 31127 引用次数 6164 我国专利数量 3431 引用次数 243（2）品种相对数量多，核心技术缺乏 MRI,CT等大型且价格不菲的医疗设备市场主要集中在GE,西门子和飞利浦等外资公司里（3）医疗器械监管滞后，管理不合理,4.3 医学仪器未来的发展方向 1.计算机电路及医疗器械的微型化 集成电路晶片（CCD），DNA发动机 2.智能手术机器人“埃索普”内镜手术“医

21、生助手”，加拿大机器人“宙斯”3.纳米微型化器械 纳米机器人 4.分子医学 5.微创与无创方法 6.器械、药物、生物复合产品 7.器官移植、辅助器械,医院HIS系统,管理信息系统 门诊管理物资管理 药品管理设备管理 住院管理财务管理 护士工作站院长查询 医技管理医保接口 手术管理触摸屏导诊,临床信息系统 门诊医生工作站 住院医生工作站 护理信息系统 电子病历,HIS接口,LIS系统,检 验 服 务 器,检 验 服 务 器,检 验 服 务 器,检 验 服 务 器,检 验 服 务 器,检 验 服 务 器,OA系统 办公自动化 互联网 人事管理 档案管理 后勤管理 图书管理,检验服务器,HIS接口,

22、HIS接口,通讯接口,图像服务器,检验仪器,PACS系统,核磁共振成像,超声波,CT,5.生物医学测量概述生物医学测量的基本特点 一、生物医学测量基本属于弱信号测量 生物医学测量属于弱信号测量范畴，具有弱信号测量的共同特点，即要求测量 系统的灵敏度高、分辨力强、抑制噪声和 抗干扰能力好。这一特点在生物电、生物 磁信号的测量中尤为突出。,部分生物电和生物磁信号的幅度范围,部分常见生理信号的频率范围,二、生物体内的噪声对测量有重要影响 生物体是一个极其复杂的系统，如何 从生物体中有效地提取被测信号，是生 物医学测量的重要问题。在生物医学测 量中，不仅要抑制仪器系统的噪声，更 重要的是要充分认识人体

23、噪声的性质和 特点，采取有效办法（如滤波、相关或 自适应处理，改进信号耦合方法等），从人体噪声中提取有用信号。,三信息测量中容易引入外界环境的干扰（1）环境电场、磁场和电磁场的干扰 电场干扰：最常见的干扰是工频（50Hz）电场的干扰。磁场干扰：变压器、电动机和荧光灯的镇流器周围产生 的交流磁场。高频电磁场干扰：空中的电磁波,通过测量系统与人体连接的 导线引入。,（2）外界刺激对测量的干扰 外界刺激的干扰主要是通过生物体的感觉器 官引入体内，引起生理状态的异常改变，造 成测量结果的不稳定或产生伪差。,四、生物医学信息的多变性 各种生物体都是在内环境与外环境相适 应的条件下，维持其新陈代谢和生命。为 适应各种外环境的变化和差异，生物体内 各种系统，包括一个细胞、器官、功能系 统乃至整体，它们的功能活动都在不停地 变化着、调整着，以在内外环境间保持动 态平衡。此外，遗传因素也造成生物体各 种功能、状态的个体差异。这些因素使被 测量的生物医学信息往往具有多变性。,