生物医学测量与传感器(1).ppt

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1、http:/ 杨 飞 电子学测量方法 http:/ 课程安排 q 理论课：54课时 实验课 18课时 q 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 http:/ q 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。 q 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

2、他分支学科联系最密切的领域。 http:/ 第一章 现代医学仪器概论 q 本章内容 1. 医学仪器简介 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 http:/ 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

3、的研究、替代或调节 4、妊娠控制 http:/ 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。 http:/ 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

4、其炎症发烧患者）是非平稳非周期性随机信号。 http:/ 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。 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 http:/ 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。 http:/ 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

5、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。 电信号是最便于检测、提取和处理的信号。 http:/ 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。 h

6、ttp:/ 人体基本生理参量的测量部位示意图 参见课本 http:/ 医学测量仪器系统通用组成框图 http:/ 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 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） http:/ 心电电极、心音传感器

7、、导联线 http:/ 心电、心音信号放大器 http:/ 数据采集卡（A/D转换卡） http:/ 生物医学信号检测系统 http:/ 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。 http:/ 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

8、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，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

9、了实验。 http:/ 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。 伦伦琴拍摄的一张X射线照片，伦 琴夫人的手骨与戒指 http:/ 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

10、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。 http:/ 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。 http:/ 1932年

11、，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

12、于放射医学。 http:/ 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。 可以说，没有B超的医院不能称其为医院。 http:/ 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

13、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，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。

14、 http:/ http:/ 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H.O.Anger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。 http:/ 核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)成为一种 谱分析方法，早在1946年就由F.Bloch提出，但直到1973年才 由P.C.Lauterbur等研制出临床使用的磁共振成像仪

15、(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。 http:/ http:/ 自20世纪60年代，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

16、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。 http:/ 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世纪末20世纪初才有了长足的进展，利用电 磁波

17、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。 http:/ 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，短时诊断和长期监测之分。如针 对糖尿

18、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。 http:/ 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 http:/ 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 h

19、ttp:/ 3. 医学测量仪器的分类 q 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 ） q 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 ） q 医学图像仪器 （超声波、CT、磁共振、电子内镜等） q 临床监护仪器 （心电监护、呼吸监护、ICU、CCU） http:/ 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

20、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%，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。 http:/ 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、

21、资金、技术等资源丰富 5. 三大区域形态 http:/ 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

22、后，管理不合理 http:/ 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 http:/ 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

23、 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 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 http:/ 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。 http:/

24、 http:/ 部分生物电和生物磁信号的幅度范围 http:/ 部分常见生理信号的频率范围 http:/ 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。 http:/ 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

25、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。 http:/ （ 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。 http:/ 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。