生物检测在临床应用、运动医学、生理医学研究等诸多领域-文档资料.ppt
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1、 生物检测在临床应用、运动医学、生理医学 研究等诸多领域中起着十分重要的作用。随着 科学技术的快速发展,涌现出大量的、新颖的 检测技术和检测设备。 生物医学检测技术是运用工程的方法去测量 生物体的形态、生理机能及其他状态变化的生 理参数。 第一章 生物医学检测系统的基本概念 1医学资料 把人和检测系统结合在一起考虑 1、生命之间有高度的相关性; 2、有很多重要的生理参数对测量装置是不容易 接近的; 3、对生命体进行检测必须确保人身安全。 检测系统与被检测生物体之间存在复杂的互作 用 2医学资料 第一节 生物医学检测系统的组成 生物医学检测仪器分为两大类: 一、生物医学检测仪器分类: 1、临床用
2、的检测仪器:用于疾病的诊断、监 护。要求便于医护人员操作、使用,结构牢固 可靠。 2、医学研究用:要求较高的精度、分辨率,有 一些是介于二者之间。 3医学资料 二、生物医学检测系统对人体测量大致分类 1、活体测量(in vivo):人体处于机能状态下的 临床检查或体内测量。 2、离体测量(in vitro):处理血液、尿之类的标 本化验。 三、生物医学检测系统 生物医学检测系统包括信息的检测(采集) 、传播、存储、加工处理和监视读出。 4医学资料 5医学资料 在许多医学测量中,要求对某种形式的外部刺 激作出反应。用以产生提供刺激给被测对象的 设备是生物医学检测系统的一个重要组成部分 。 6医学
3、资料 刺激可以是视觉、听觉、触觉。也可以是对神 经系统某些部位的电刺激。系统人体生理系统 要做出反应。 7医学资料 主要是人体的生理系统。它提供了系统要测量的各 种生理的物理量。医学上主要测量的有生物电位、 压力、流量、位移、速度、温度、化学浓度、阻抗 等。返回 8医学资料 传感器把来自生物体的能或信息转换成电的形式 ,把电信号加到电子设备上。医用传感器转换的 最主要量包括温度、压力、流量、位移、速度和 力等非电量。 9医学资料 生物医学电极是直接感知人体生物电位的 元件。这是系统的采集部分。 10医学资料 将传感器输出的电信号进行放大、整理或作 其他变换的单元称为信号调节器(或称为信 号处理
4、器) 11医学资料 它把采集到并已转换成电信号的信息进行放大 整理或做其他变换以满足系统的功能需要。 12医学资料 将处理后的生物信息变为 可供人们直接观察的形式。13 医学资料 医学仪器对记录显示系统的要求是记录显示的效果 明显、清晰,便于观察和分析,正确反映输入信号 的变化情况,故障少、寿命长,与其他部分有较好 的连接。 14医学资料 记录与显示设备按其工作原理,可以分为三种: (1)直接描记式记录装置 直接记录各种生理参数随时间变化的模拟量 。 () 磁带记录器 () 数字式显示器 15医学资料 可分为描笔偏转式和自动平衡式: 描笔偏转式记录器结构简单、成本低,在心 电图机、脑电图机及心
5、音图机中得到广泛使用。 自动平衡式记录器的缺点是结构复杂,频响 范围窄。优点是记录幅度大、精度高,可与计算 机连接。一般用于记录体温、血压、脉搏等监护 仪器上。 16医学资料 (2)磁带记录器 它在生理测量和病人监护中的应用日益增多 。 其工作原理基本与磁带录音原理相同。按对被记 录信号的处理方法可分为模拟式和数字式两种。 把输入的被记信号按原样进行磁化记录的称 为模拟式磁带记录器,它类似一部录音机。 17医学资料 磁带记录装置的优点: 1)频率响应宽,记录的信息可以反复重放,便 于分析处理和保存。 2)信号失真度低,适宜于作准确测量。 3)一条磁带可同时记录多个生理量适宜于长 间连续记录和大
6、量资料存贮。 4)记录信息可擦除,可多次使用,成本低。 18医学资料 (3)数字式显示器 显示器接受信号处理后的信息,并以操作人 员所能感知的形式显示结果。显示形式可以是数 字的或图像的,也可以是连续的或离散的。多数 是依靠使用者的视觉,但也有采用听觉感知的办 法。数字式显示器是一种将信号以数字形式显示 供观察的器件,一般由计数器、译码器、驱动器 和数码管等组成。其中显示器分荧光数码管和液 晶显示两种。 19医学资料 从人体采得的信息具有二个特点: (1)信号很微弱,各种干扰很大,信噪比 低,有用信号淹没在强干扰背景中。20医学资料 (2)需要用各种统计分析方法,对信号进行叠 加、相关处理、频
7、谱分析、直方图等数据处理。 21医学资料 数据传输:是异地诊断。 返回 22医学资料 把部分输出信号反馈到输入部分,以使系统按某一 方式工作,如控制刺激量的大小、控制传感器或仪 器系统中其他任何部分。控制和反馈可以是自动的 或手动的。 返回 23医学资料 信号源 信号检测 信号传输 信号显示 信号处理 被测物体 生物电极传 感器 中间变换 装 置 显示、记录 装置 数据处理装置 血 压 呼 吸 体 温 心 跳 血 流 量 脉 搏 位 移 压 力 成 份 生 物 电 极 电阻传感器 电容传感器 电感传感器 光电传感器 磁电传感器 热电传 感器 压电传 感器 压电传 感器 直 流 电 桥 交 流
8、电 桥 运算放大器 滤 波 器 阻抗变换器 调 制 器 电 流 表 光线示波器 笔式记录仪 磁带记录仪 电子示波器 电 压 表 电 流 表 频谱分析仪 电子计算机 数据处理器 典型生物医学检测系统的组成框图 24医学资料 第二节 生物医学检测系统的特殊性 医学仪器测量的主要目的: 是获得与临床诊断和治疗有关的人体生理参数。 医学测量与普通物理参数测量异同点: 它们的不同之处主要在于测量对象不同。普通物 理测量的被测对象是物(如设备、机器、化学物 品、工程系统、环境等),而医学测量的对象是 人体复杂的生理系统。 25医学资料 医学测量遇到的一些特殊问题: 一、被测值难以获得 对生命系统测量时,遇
9、到的最大困难是难以 获得被测值。 为了解决被测量不可接近的困难,必须采用 间接测量。 注意:在测量过程中应保持两个变量之间关 系不变,并且应在两者关系失效时及时对测量结 果加以修正。 26医学资料 二、数据的易变性 从人体测得的量是易变的,即使所有可控制 的因素都固定,但大多数被测参数还是随时间变 化,每次测量会有不同结果。在完全相同的条件 下,各次测量结果与正常值总会有偏差。因此, 生理量不能认为是严格的定值,而应该用统计的 或概率分布的方式来处理。 27医学资料 三、生理系统间的相互作用 人体各生理系统之间存在复杂的相互作用和 大量反馈环路。如对某系统中一部分进行刺激, 结果该系统的其他部
10、分和其他系统也会有反应。 甚至当打开反馈回路时,会出现旁系环路,而原 始反馈环路的某些性质依然存在,使因果关系很 难分清。如能了解一些生理系统之间互相关系, 则有利于做好生物医学测量系统和生理学系统之 间的结合工作。 28医学资料 四、传感器对测量状态的影响 由于传感器的存在,使任何形式的测量几乎 都受到不同程度的影响,表现为: 1、显著地改变了测量读数,特别是对活体的测 量。 2、影响另外系统的测量。 因此在设计生物医学测量系统时,必须尽力做到 使测量装置的影响减到最小。 29医学资料 五、能量的限制 生物医学测量,一种是依靠被测活体本身发 出的能量,例如生物电位测量;另一种是利用传 感器工
11、作时产生的能量作用于被测活体。当电流 流过人体组织时会产生热量,而对组织加热是一 种必须加以限制的现象。 此外,因为生理参数在人体内可用的能量有 限,所以在设计时应尽量避免生物医学测量系统 成为被测信号源的负载。 30医学资料 六、伪迹和干扰 在医学和生物学上,被测信号以外的任何信 号成分称为伪迹。生物医学测量系统中引起伪迹 和干扰的一个重要原因: 1、被测对象的移动而导致测量仪器移动。 2、测量仪器本机噪声、人体感应的交流干扰等 。 31医学资料 七、安全性 在医学测量中,为了保证安全,必须做到: 1、必须保证不危及人体生命和损害正常功能。 2、不容许轻易地试验尚不可靠的测量方法。 3、生物
12、医学测量系统的设计要重视安全可靠。 4、生物医学测量不使被测者太疼痛、外伤或不 舒服。 5、设计医学仪器时还要考虑辐射、化学腐蚀、 毒物、有害气体、交叉感染等因素。 32医学资料 第三节 生物医学测量范围 为了正确地选择和使用医用检测仪器,使用 前应该清楚了解待测参数的指标范围。下表列出 了常用的生理参数的测量范围。这些指标在不同 的资料上的报道不尽相同。有时测量目的不同, 或被测试者处于不同状态,则对同一生理指标所 要求的范围也不相同。 33医学资料 参 数 幅 度 范 围 频率范围(Hz) 心 电 皮肤电极 10V5mV(典型值1mV) 0.0580 心脏电极 10V5mV(典型值50mV
13、) 0.0580 胎儿心电 10V5mV(典型值10V)2100 脑 电 头皮电极 10200V(典型值50V) 0.5100 颅内电极 10100mV(典型值50V)0.5100 肌 肉 电 位 20V1mV105000(或102500) 细胞内电位 -100+200V(典型值100V)DC2000(或12000) 细胞外电位 -100+200V(典型值50V)DC1000(或11000) 视网膜电位 01mV(典型值100V)DC25(或0.05120) 眼 电 位 0.055mV(典型值100V)DC25 胃 电 位 0.055mV(典型值20mV)0.0520 平滑肌电位 0.5100
14、mVDC1 34医学资料 第四节 生物医学检测系统的基本特征 为了评价一个检测系统性能的品质优劣,需 要有鉴别检测系统性能的定量标准。通常按照检 测系统对输入信号频率的响应,分为静态特性和 动态特性二大类。静态特性是扫描仪器对输入信 号为直流或很低频率时的性能。它表示系统在输 入量稳定时,系统输出和输入的关系。动态特性 则需要用微积分来描述。 35医学资料 Y输出量; X输入量; a0零位输出; a1系统的灵敏度,常用K表示; a2,a3,,an非线性项待定常数。 一、静态特性 通常,要求在静态情况下的输出输入关 系 保持线性。实际上,其输出量和输入量之间的关 系(不考虑迟滞及蠕变效应)可由下
15、列方程式确定 。 36医学资料 由上式可见,如果a0 =0 ,表示静态特性通过原 点。 此时静态特性是由线性项(a1X)和非线性项 (a2X2,anXn)叠加而成,一般可分为以下四种 典型情况。 37医学资料 (a) 1、理想线性 38医学资料 2、具有X奇次阶项的非线性 39医学资料 3、具有X偶次阶项的非线性 40医学资料 4、具有X奇、偶次阶项的非线性 41医学资料 (a) (b) (c)(d) 由此可见, 除图(a)为理想线 性关系外,其余 均为非线性关系 。其中具有X奇 次项的曲线图(b) ,在原点附近一 定范围内基本上 是线性特性。 42医学资料 系统的静态特性是在静态标准条件下测
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