生物医学工程基础 2.生物医学测量概述.ppt

生物医学测量与仪器 Bio_RAD680全自动酶标仪 生物医学测量的特点 生物医学测量是以人体的生命现象作为基本对象， 在测量方法、测量结果以及测量结果的认识上，与 工业测量及其他非生物医学测量相比，具有以下显 著的特点，熟悉这些特点，对构建生物医学测量系 统、正确操作和使用医学仪器具有十分重要的意义 。 生物医学测量的特点（1） 生命系统的多变量特性 生命体的生命活动是由多个生理及生化参量共同决 定的，而在测量过程中，往往只针对某种效应和某 些参数进行测量。生命系统的这种多变量特性，决 定了测量方法和技术以及测量结果的涵义和结论都 会带有明显的局限性 生物医学测量的特点（2） 需从大量干扰和无用信息中提取有用信息 生物医学测量工程中，由于被测参数往往十分微弱 ，易受外界环境的干扰（例如工频交流电干扰）和 来自人体自身的其他无用信息的干扰（例如在测量 体表希氏束电位时，很易受来自肌电信号的干扰） 。人体活动时的体位变化、电极不良及传感器错位 时也会产生伪差，必须采用抗干扰技术、排除伪差 等方法提取有用信号。 人体电子测量中的电磁干扰 干扰的引入 高频治疗、超声诊断、手术电 刀、电疗 由图可以看出造成生物电信号提取过程的主要干扰，近场50Hz的干扰源， 因为各种生物电信号中大都包含有50Hz的频率成分，而且生物电信号的 强度远远小于50Hz的干扰。一般来说，干扰形成的危害的严重程度，主要 取决于抑制方法的难易。近场50Hz的干扰源，其抑制方法比能量很高的各种 电磁辐射干扰的抑制方法难。 (Hz) 0.1 1 10 50 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G 高频治疗、超声诊断、手术电刀、电疗 无线电 电刷火花 ECG ERG PCG VEP SEP AEP EEG EMG EOG ENG 雷电 灯管放电 医用遥测 宇宙噪声 ECG 人体电子测量中的电磁干扰 典型实例分析： 体表心电信号拾取过程中所受到的50Hz干扰，可以作为近场容性耦合 形成干扰的一个典型实例。 导联线形成容性耦合：在强磁场环境中，通过长的导联线与其他带电体之间的 分布电容，足以引入周围环境中的各种干扰。 Z G C2C 1 Z1 Z2 B AUC M C 2 C1 Z1 Z2 ZG 图2-12 导联线的容性耦合 图中画出的是标准导联线与电源馈电线 之间的容性耦合。 图中放大器的阻抗约为10兆欧姆，Z1和 Z2约为几千欧姆到几百欧姆，所以Id1和 Id2不会流入放大器，而是经过电极与皮 肤的电阻阻抗Z1和Z2进入人体。 Id1 Id2 当导联 条件完全对称时即（Z1=Z2，C1=C2 ）， 则位移电流形成的电流互相抵消。不形成干扰。 但是，实际上总存在不平衡。 人体电子测量中的电磁干扰 人体表面形成容性耦合：人体与50HZ的电源馈电线之间存在分布电容。 图2-13中，如取Id=0.2A，在标准肢体导联的心电信号上，将叠加两臂之间 的位移（人体手指到肩的电阻为400欧姆）电流造成的电压为：0.2A4002 160V。相当于心电信号的16。 缩短两个电极之间的距离，减小体电阻，可以降低位移电流形成的干扰电压。 除了尽量使人体远离干扰源或对人体采用昂贵的屏蔽措施外没有其他的方法。 干扰源 ZG Z2 Idi Z1 B AUC M Z1 Z2 ZG Id 的 图2-13人体表面容性耦合 生物医学测量的特点（3） 测量结果会受被测对象的生理和心理因素的影响 在测量过程中，由于被测对象出现紧张，生理和心理都会发 生变化。心理的变化会导致生理参数（心率、血压、体温等 ）变化。在测量过程中，被测者的不理解和不配合，尤其在 进行麻醉以及经受物理和药物刺激时，受试者不能很好配合 ，直接影响测量过程中的伪差，从而影响测量的准确度。 剧烈运动对测量的影响 (1)剧烈运动时,机体需氧量急剧增加,心跳增快,氧 耗和冠脉血流量也相应增加。 (2)剧烈运动时肢体血管大量扩张,冠状血管可发生 一过性供血不足. (3) 剧烈的、过量的运动生成大量的儿茶酚胺,对 心肌起毒性作用。 (4)剧烈运动可引起心肌传导系统的急性紊乱。如 运动员中常见的窦性心动过缓,Q-T间期延长等。 (5)剧烈运动时,植物神经系统平衡失调及心肌电解 质钾离子、钠离子的变化。 生物医学测量的特点（4） 被测对象具有闭环特性 生命体具有精确的自动调节能力，这是由于在生命体中存在 多环路、多层次、多重控制的闭环系统特性所决定的。多种 原因可导致同一生理参数的变化，同一原因又可导致多种生 理参数的同时变化。因此，测量单一生理参数往往不能有效 地评估生理和病理状态，需要采取多参数综合测试，以及采 用适当方法使人体的闭环系统暂时开环，以测量某一环节的 开环响应特性，正确地加以定位并确保测量结果的唯一性和 正确性。 多种原因导致血糖浓度降低 人的生理活动能量直接来源于血液的血糖，血糖来 源于小肠等消化器官从食物中获取的营养物质。人 饿的原因是血液里面的血糖浓度减少，进而会有的 正常的生理反应。这个时候应该补充食物（也就是 吃东西），如果这个时候不即时补充食物，稍微时 间长点的话，生理反应会促使分解肝糖元（来自细 胞脂肪分解物，由胆汁完成进程）。这个时候人会 感觉饿过去了，反尔不饿了。 饿的话最直接的原因是血液血糖浓度降低，但是原 因可能有好多种。 多种原因导致血糖浓度降低 第一种：血液有问题。有的人血液血糖浓度由于特征（遗传 ）原因，一直会低于正常浓度，这样的结果是一直比较饿， 吃东西到撑也不会觉得舒服，人比较虚弱，免疫力也不强， 可能经常生病，而且没有力气。 第二种：是消化道功能不好 第三种：还有可能是甲状腺激素分泌比较多造成的，会很瘦 弱，而且脾气暴躁。 第四种：也可能是肝功能不正常，当血糖浓度降低时，肝不 能做出正确的生理反应，来分解肝糖元来维持正常的活动能 量，于是继续消耗血液中不多的糖元，造成越来越重的生理 反应。同时，胆的作用也很大，即使肝功能正常，胆功能不 正常的话，脂肪也不能正常的转化成能量物质，也会导致相 同的后果，但是人会发胖，吃不了油腻的东西。 多种原因导致血糖浓度降低 第五种：有可能是肾的问题，营养物质都要经过肾的过滤， 肾出了问题的话营养物质就不能正常进入血液循环。导致机 体一直处于营养不量的状态，对外表现为饿。（建议检查肾 功能，肾小管和 filter,有可能导致糖尿病。人会比较瘦弱 ，皮肤不好，有红疹等，尿液颜色不正常） 第六种： 有可能是上述的几种原因的综合表现。人是很精 密高级的仪器，往往在比较小的损害的时候，它能靠自身的 生理反应来调节，来提示。所以当你感觉很不舒适的时候， 身体机能已经下降了比较多的程度了，所以有时候造成一 种病症的原因往往是几种混杂在一起。 生物医学测量的特点（5） 被测对象的安全性问题 生物医学测量的对象是生命体，尤其是人体，因此其安 全性是及其重要的。测量过程中应防止各种电击的危害 ，尤其是在体内对心脏进行直接测量时，极微小的电流 （A级）也有可能导致室颤。其次，电流通过人体时 ，会产生许多物理变化（例如热效应）和化学变化，并 会引起多种复杂的生理效应。另外，要求测量装置不能 产生有毒的物质，应与人体组织与血液有较好的生物相 容性等 被测对象的安全性问题 低频电流对人体作用的数值范围如下： 100A电流通过植入体内的电极，能引起心室颤动， lmA电流从体外流入，有电流刺激感； 10mA电流从体外流入，发生不随意运动； 100mA电流从体外流入，造成心室颤动。 在人体测量中，作为安全措施，应取以上数值的110作为 安全阈值，例如，造成室颤的体内电流应在10A以下。值 得指出的是，通过各种途径的漏电流就足以达到10A，例 如，通过仪器上的灰尘、生物液(血、尿)、静脉注射液、潮 湿的环境、甚至流入仪器的婴儿食物等所产生的电流。 被测对象的安全性问题 电流频率增高时，不易引起兴奋，因而 刺激作用逐渐减小，一般认为当频率超 过lkHz时，它的刺激作用和频率成反比 例地减小。图21表示电流刺激的阈值 数据随频率的增加而上升。 局部或全身通入高频电流，产生焦耳热 使体温上升。如果体温上升在一定范围 之内，则产生循环量增大和促进生物化 学反应等良好效果，但体温上升到超过 某一限度时，则产生不良效应甚至烧伤 。 当电流频率更高，进入微波段后，几乎 没有刺激作用了，这时可以认为只有热 作用，也有人提出有对行动、高级神经 系统以及遗传产生影响的非热作用与热 作用同时存在。 被测对象的安全性问题 体内或有创测量，比体外测量需更加细致地考虑其 安全性。例如医用遥测胶囊发射送入体内，各种有 创测量时深入体内的电极、导管、探头等等，一旦 在测量过程中发生问题，就不只是在体内放入异物 的问题，其恶果远比体外测量时严重。 生物医学测量的特点（6） 新方法建立与评估的困难 生物医学测量的新方法，尤其是一些间接测量方法 往往会涉及测试模型的建立问题。由于研究者对生 命现象复杂程度了解不够，加上生物个体差异很大 ，因此测试模型往往带有片面性，在评估时也缺乏 正确、有效的措施。 生物医学测量的特点（7） 环境的限制 测量环境，例如温度、湿度、电磁场干扰、振动、 冲击等，都会使测量产生困难。尤其是在进行细胞 级的测量时，利用微电极测量细胞内的电位变化时 ，对环境要求很严，否则会影响测量结果的可靠性 。 外界对光电倍增管的影响 CT核心部件光电倍增管（ PMT ）是一种光电转换器件，通过 它可把光子转换成电子。它不 同于其它的光电转换器件，如 光电管、光电池等，光电倍增 管可把微弱的光按比例地转换 为较大的电信号，这就是它的 倍增作用。光电倍增管的工作 是建立在光电效应、次级电子 发射和电子光学的基础上的， 它一般由光电阴极、次阴极和 收集阳极等三部分组成。 外界对光电倍增管的影响 PMT的响应时间短，仅为ns数量级；光谱响应特性好，在200 900nm的光谱区，光量子产额都比较高。光电倍增管的增 益从103到108可连续调节 ，因此对弱光测量十分有利。 外界环境对光电倍增管的影响很大，光电管运行时特别要注 意稳定性问题，工作电压要十分稳定，工作电流及功率不能 太大。一般功耗低于0.5W；最大阳极电流在几个毫安。此外 要注意对光电管进行暗适应处理，并注意良好的磁屏蔽。在 使用中还要注意安装位置不同的PMT，因为光谱响应特性不同，不 宜互换。 为避免外界磁场和电场的干扰，应采取严密的屏蔽措施，通 常是在光电倍增管的外面罩上一个与阴极同电位的合金罩。 光电倍增管工作在强辐射场时还会产生各种辐射效应，在这 种情况下，应对整个环境加以辐射屏蔽。 生物医学测量的特点（8） 对生物医学先验知识的应用 由于研究者、设计者乃至操作者缺乏对生物医学的 先验知识，可能对生物医学测量的结果以及表达产 生影响。在临床诊断过程中，医生必须利用其对医 学的先验知识结合仪器测量的结果进行综合判断。 生物医学测量的特点（9） 适用性问题 任何测量方法与技术都有一定的局限性，尤其 是在生物医学领域。生命体中的各个系统、组 织和器官，同一测量对象可能有多种测量方法 ，每一种测量都在一定条件限制下进行的，因 此，不同测量对象需要有其相关的测量手段与 方法，在进行测量以前首先要研究方法与技术 的适用性问题。 生物医学测量系统 信息获取：用来引导与感知被测对象的某些生理和 生化量，并使之变为便于测量与加工的电信号，通 常通过测量电极及传感器来完成。 信息加工：对获取的电信号进行放大、处理及变换 ，以适于对测量结果的分析与识别。 显示和记录： 生物医学测量系统的技术指标 精确度、准确度、灵敏度、非线性系数、滞环误差 、稳定性、分辨力、频率特性、输入阻抗、输出阻 抗等等 在“有效性、安全性和适用性”，三方面要重视 生物医学测量的范围 是对生物体中包含的生命现象、状态、性质、变量和 成分等信息进行检测和量化的技术。 是一种最重要的基础性技术，应用领域：生命科学研 究、医学研究及临床诊断、病人监护、治疗控制、人 工器官及其测评等等。在生物医学的所有领域，包括 生物力学、生物材料、生物医学电磁学、生理系统的 建模与仿真等等，必须直接或间接应用生物医学测量 技术 典型医学和生理学参数 典型医学和生理学参数 典型参数幅度范围频率范围使用电极类型 心电（ECG）0.015mV0.05100Hz表面电极 脑电（EEG） 2200V0.1100Hz帽状、表面或针状电 极 肌电（EMG）0.025mV52000Hz表面电极 胃电（EGG）0.011mVDC1Hz表面电极 心音（PCG）0.052000Hz心音传感器 血流（主动脉）1300mL/sDC20Hz电磁超声血流计 输出量425L/minDC20Hz染料稀释法 心阻抗15500DC60Hz表面电极、针电极 体温3240DC0.1Hz温度传感器 生物医学测量方法的分类 生物医学测量的对象涉及人体各个系统的形态与功能 。 被测量主要包括物理量（压力、流量、速度、温度、 生物电等）、化学量（血气、电解质）和生物量（酶 活性、免疫、蛋白质等） 生物医学测量的方法和技术呈现多样化，涉及的现代 科学技术领域之多也是罕见的，这必须从方法学角度 加以分类，以建立生物医学测量的科学体系。 常见的测量方法分类(1) 有创测量、无创测量 无线测量、有线测量 直接测量、间接测量 测量对象：在体测量、离体测量 体表测量、体内测量 常见的测量方法分类(2) 测量结果表达形式：单维测量、多维测量 ； 接触式测量、非接触式测量； 测量性质：生物电测量、非生物电测量 形态测量、功能测量 离体测量（in vitro） 对离体的血液、尿液、活体组织或病理标本之类的 生物样品进行的测量方法与技术、称为离体测量。 在临床化验（特别是生化参数测量）中占有很重要 的位置。 对离体测量要求 较高的测量精度和准确度 较快的响应 实现低成本 低试剂用量 多项目自动测量。 生化参数的测量与分析技术 光度法：比色法、分光光度法、荧光法、浊度法 色谱法 电化学电极电位法 电泳法 离体测量与生化检验的发展方向 新型化学及生物传感器的开发和应用：快速、自动、连续、 精确、高重复性、多功能、高灵敏度、超微型化 多种检测方法和技术的综合化，并实现生化检验的全自动化 ：全实验室自动化（TLATotal Laboratory Automation），将生化分析、血球计数、免疫分析和电 泳等多功能整体化，并采用多媒体技术提供数据。 从离体向在体测量过渡：向“免采血”的无损、在体检测方向 过渡 在体测量（in vivo） 在人体和实验 动物活体的原 位对机体的结 构与功能状态 进行的测量 按照测量系统是 否侵入机体内部 ，在体测量又可 分为无创测量和 有创测量两类。 无创测量 (noninvasive measurement) 无创测量 (noninvasive measurement) 是生物医学中，尤其是临床诊断中最易被人们接受 的一种测量方法。 又称为非侵入式测量或间接测量，其重要特性是测 量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，测量 时通常在体外，尤其是在体表间接测量人体的生理 和生化参数。 无创测量的不足 无创测量往往是经皮测量技术，人体内部的生理、 生化信息经过组织传递到皮肤表面，信号幅度被衰 减，信号形态发生畸变，因而在体表实现无创及微 创测量的精确度和稳定性远不如采用直接测量 无创测量的主要技术手段 在体外（尤其在体表）采用光、电、声、化学、热 等手段检测人体的各种相应的机体功能参数，以及 利用各种电离辐射（X射线、射线）和非电离辐 射（例如超声波）方法检测体内器官、组织的形态 信息。 对无创测量的要求 实时、连续、长期、精确、无拘束地进行测量，并 实现测量自动化。例如，可行走病人的测量应采取 无拘束或遥测技术，可采用磁记录等非实时测量方 法；而在危重病人监护室内，危重病人生理参数的 监测应要求长期、连续和实时，以便一旦出现危及 生命的生理参数失常时，能立即报警，并及时采取 抢救措施。 无创测量的方法与技术 （1） 常规生物电的无创测量 生物电的无创测量是指在体表进行的生物电位及其 他电特性（阻抗与导纳）测量。常规的心电、脑电 、肌电、胃电、眼电、眼震电、皮肤电等生物电位 的无创测量已渐趋成熟，是临床上应用最广的检查 手段。 眼振电仪 眼震电pic描记法的原理： 眼震电pic描记法（英文名Electronystagmography）简称 ENG，是利用皮肤电极法来观察眼震，角膜相对于视网膜呈 正电位，网膜相对于角膜呈负电位，两者构成一电位差轴, 故当在眼球周围皮肤处各放置一对电极时，眼运动即可记录 到周围电场发生电位变化，将此电位改变加以放大，和记录 器记录下来或经计算机A/D卡采集，即为眼震电pic。眼震电 pic描记法比肉眼观察更具优越性，它不但能把肉眼观察到 的眼震都记录下来，甚至可以将肉眼无法在黑暗中或闭眼时 出现的眼震都记录下来，加以前后比较，大大提高前庭系统 疾病的诊断。 目前现代医学研究表明，眼震电pic同中枢神经和周围神经 系统变化存在密切关系，同时已成为神经耳科学检查的一项 极为重要内容。 无创测量的方法与技术 （2） 高频、低频、多型非常规心电信息的检测 体表希氏束电图、心室晚电图、高频心电图、胎儿 心电图、心电体表电位图 胎儿心电图 胎儿心电图是经孕母腹壁或胎儿体表所记录的胎儿心脏动作电位 及其在心脏内传导过程的图形。整个孕期胎儿生长在孕母子宫腔 内封闭的羊膜囊里，此期一般只能将电极置于母体腹壁表面，间 接地记录到胎儿的心电图，故称间接胎儿心电图(indirect fetal electrocardiogram)；而临产胎膜破裂后，宫颈口扩张到一定程 度，电极方可直接地置于胎儿自身体表记录其心脏电活动，称直 接胎儿心电图(direct fetal lectrocardiogram)。直接胎儿心电 图不受孕母心电干扰，信噪比值较高，P-QRS-T波均可清晰显示， 能反映胎儿缺氧和酸中毒，为临床上产时胎儿监护的可靠方法， 也是胎儿心电活动实验研究的重要手段。间接胎儿心电图则为无 创性操作，方法简便，容易掌握，对母儿均不构成任何威胁，孕 期中可多次测定随访，故在国内已有较多应用。但由于电极置于 母体腹壁，所记录的胎心信号弱，干扰大，目前使用的仪器一般 仅记录出QRS综合波，而P波和T波均难以辨别，所以较直接胎儿心 电图提供的信息量少，影响了这一技术进一步推广使用。但毕竟 无创性检测方法是诱人和有发展前景的，因此，随着生物医学工 程的进展，我们相信会有更先进的胎儿心电图仪被设计出，以提 高胎儿监测质量。 无创测量的方法与技术 （3） 弱生物磁测量技术 在强的背景磁场（地磁场和环境磁场）下测量心磁 图（MCG）和脑磁图（EMG）等微弱生物磁信息 场合，除靠屏蔽措施外，可采用SQUID超导量子 干涉仪。它具有高达10-14T10-15T的弱磁测量 灵敏度，完全可测量心磁图的磁场（10-10T）和 脑磁图（10-12T）等弱磁生物信号。 无创测量的方法与技术 （4） 生物声信息检测 心音、肌音、语音、关节音、肺音、肠鸣音和耳声 等。只要弄清各种生理声信息的发声机理、声传播 特性以及声信息特征与临床病理和生理之间的相关 性，生理声信息测量会在许多疾病的诊断和治疗中 发挥威力。 无创测量的方法与技术 （5） 深部体温的测量 深部体温的测量随着各种热作用治疗而广为重视， 尤其是加温治癌疗法的成功应用，要求加热温度控 制在一个较窄的范围后，深部温度的测量成了一个 研究的热点。热流补偿法。 无创测量的方法与技术 （6） 口腔内压力的测量 双向传送的遥测方式 无创测量的方法与技术 （7） 运动量的测量 耗扬量V（O2）和能量消耗。采用便携式记录方式 。 无创测量的方法与技术 （8） 无创伤血氧饱和度的测量 血氧饱和度Sa（O2）的无创连续测量对新生儿和 危重病人监护具有很大的临床价值，已成为患者能 否离开手术室或复苏室，以及能否脱离氧疗的一个 重要依据 生物电测量 对生物活体各部分的生物电位及电学特性（阻抗或 导纳等）的测量 生物电位活动是生物存活的重要生命指征，人体不 同部位的生物电，诸如心电、脑电、肌电、神经电 、眼电、细胞电及皮肤电等均与相关器官的功能密 切相关，是诊断相关疾病的重要手段 生物电的无创测量方向一 生物电位（包括心电、脑电）的体表电位标测（body surface potential mapping），以及相应的逆问题研 究 近几年来也取得了长足的进步。将检测到的数十乃至数百个 体表电位，利用计算机的强大信息处理功能构建体表等电位 图、极值轨迹图等，使心脏和脑的电活动及一些病变信息能 用更清晰、明了的方法表达。 生物电的无创测量方向二 生物电阻抗测量技术也是近几年来生物电无创测量 活跃的分支之一 采用先进的数字技术（激励源采用直接数字合成、 测量部分采用数字解调技术，以及运用计算机分析 和处理等），已能使测量精度高于0.1%，采集一 组数据的时间不大于40ms，这为采用电阻抗高速 和高精度断层成像打下了良好的基础。 心电 心脏的电活动引发心脏收缩 ,心肌规律的收缩使心脏完成泵血 功能 ,维持正常的心律及全身血液循环。收缩时的电活动称为 除极。舒张时的电活动称为复极。这些生物电的活动可以通过 放置在体表的电极被检测和记录。 正常时,心脏电功能来源于以窦房结为主的起搏细胞,电活 动的传导功能由一组贯穿心脏独立存在的起搏和传导系统来完 成,即窦房结、房室结、房室束(希氏束) 、束支以及分支的网 状结构。 心电传导 心电图导联（1） 1905 年 Einthoven 开始创立了心电图的 3 个标准导联 ,即、 导联 ,并形成 Einthoven 三角:导 联左臂为正极 ,右臂为负 极;导联左腿为正极 ,右 臂为负极;导联则是右 腿为正极 ,左臂为负极。 导联中正极为探查电极 , 负极为回路电极。其反映 了心脏额面电活动的变化 心电图导联（2） 此后 ,Wilson 等补充完善 了额面导联系统 ,在不增加 电极的基础上 ,把三个肢体 电极通过电阻联在一起称为 中心电端。导联中的三个负 极分成 2 组 ,其中与相应导 联无关的 2 个负极与中心电 端相联后 ,在与相关的正、 负极共同组成三个加压肢体 导联 ,即 aVR、aVL 、 aVF 导联。这样每个导联 的正、负极之间的角度为 30 度 ,如果以导联为 0 度 ,顺时针排列时分别为: 、aVR 、aVF 、 aVL ,形成了完整的额面 6 轴系统。 心电图导联（3） 在此基础上 ,Wilson 又进一步发展了导联系统 ,用一组电 极的一端与肢体相连 ,而另一端通过吸附电极与胸前特定部 分连接 ,产生了水平面(横面)上的 6 条轴线 ,即 V1、V2、 V3、V4、V5 和 V6 六个胸前导联。胸前的 6 个不同位置 安放的探查电极是正极 ,负极由三个肢体导联通过电阻联在 一起组成的中心电端。胸前导联每个电极安放的部位以心前 骨骼为标志 ,V1 导联位于第四肋间隙胸骨右侧 ,V2 导联位 于第四肋间隙胸骨左侧 ,V4 导联位于锁骨中线第五肋间隙 ,V3 导联位于 V2、V 4 导联连线的中点 ,V5 导联位于腋 前线第五肋间隙 ,V6导联位于腋中线第五肋间隙(图 7) 。 从 1905 年到1942 年 ,心电图导联系统经过 37 年的不 断完善 ,最终成为至今沿用的 12 导联心电图。 心电图导联（4） 1942 年 ,心电图导联系统经过 37 年的不 断完善 ,最终成为至今沿用的 12 导联心电 图。 生物磁测量 生物磁场（10-11T） 任何物质都有或强或弱的磁性，生物体也不例外一般生物 体都具有弱磁性另外，生物体的生理活动还产生磁场，这 些生物磁场非常微弱例如，正常人的心脏跳动产生心磁场 约1010T；脑的神经活动产生脑磁场约51013T 它们远比地面附近的地磁场（约5IO5T）低得多但 由于磁测量技术的发展，这些微弱的生物磁场能够测量出来 ，对于研究生物的生命活动很有意义 生物磁场的产生 1.生物体电流产生磁场： 心脏运动心电心磁场 脑电流脑磁场 2.体内铁磁性物质被外 磁场磁化后产生的剩磁： 矿工肺内的肺磁场 生物磁的测量装置（非接触） 1.超导量子干涉仪（灵敏度10-8T） 2.纤维光学磁场梯度计 测量磁场分布情况，了解测量部位活动情况 生物磁场的曲线图 生物磁场强度随时间变化的曲线图。 心磁图，脑磁图，肺磁图 作用： 1.研究磁场曲线图，了解器官功能与结构的关系 信鸽根据地磁识别方位的器官。 2.了解器官的生理与病理现象。 3.对器官早期和部分病变提供信息利用心磁图对 心肌梗塞或部分梗塞做出早期诊断；肺磁图对肺部 受铁磁性物质侵袭部位和强度做出定量的分析。 生物磁技术及工程应用 核磁共振成像 核磁共振与正电子发射层析成像 超导型核磁共振MRI 超导量子干涉仪 Josephson结的应用 两块超导体中间夹一薄的绝缘层就形成一个Josephon结 。例如，先在玻璃衬板表面蒸发上一层超导膜（如铌膜）， 然后把它暴露在氧气中使此铌膜表面氧化，形成一个厚度约 为13nm的绝缘氧化薄层。之后在这氧化层上再蒸发上一 层超导膜（如铅膜），这样便做成了一个Josephon结。 Josephon结 （a）Josephon结 （b）电子对通过势垒中的“隧道” Josephson 效应（双电子隧道效应） 按经典理论，两种超导材料之间的绝缘层是禁止电子 通过的。这是因为绝缘层内的电势比超导体中的电势 低得多，对电子的运动形成了一个高的“势垒”。超导 体中的电子的能量不足以使它爬过这势垒，所以宏观 上不能有电流通过。但是，量子力学原理指出，即使 对于相当高的势垒，能量较小的电子也能穿过，好像 势垒下面有隧道似的。这种电子对通过超导的 Josephon结中势垒隧道而形成超导电流的现象叫超 导隧道效应，也叫Josephon效应。 Josephson 效应 Josephon结两旁的电子波的相互作用产生了许多独 特的干涉效应，其中之一是用直流产生交流。当在结 的两侧加上一个恒定直流电压U时，发现在结中会产 生一个交变电流，而且辐射出电磁波。这交变电流和 电磁波的频率由下式给出： 测定一定直流电压下所发射的电磁波的频率，利用上 式就可非常精确地算出基本常数e和h的比值，其精确 度是以前从未达到过的 。 超导量子干涉仪的构造原理及其应用 另一独特的干涉效应是利用并联的 Josephon结产生的，这样的一个并联装置 叫超导量子干涉仪(SQUID)。 图图2 SQUID2 SQUID构造构造 图图3 3 超超导导量子干涉量子干涉仪仪示意示意 图图 超导量子干涉仪的构造原理及其应用 1 SQUID的构造 图2是通常用的SQUID（superconducting quantum interference device ）的构造简图。在圆柱形的石英管上，先 蒸发出一层10mm宽的Pb膜，再蒸发出一层Au膜在下方用作分 流电阻；然后溅射两条Nb膜，待其氧化后再蒸发出一层T形Pb膜 。这样在Pb膜和Nb膜的交叉处形成两个Nb-NbOx-Pb结，即 Josephon结。 2 SQUID的简单原理 先讨论一个结的情况。库珀对是玻色子，故它能通过隧道效应穿过 势垒。当V0时，库珀对从结的一侧贯穿到另一侧，必须将多余的 能量释放出来，即发射一个频率为v的光子，其中v=2eV/h,相当 于电子对穿过结区时，将在结区产生一个沿与结区平面平行的方向 传播的、频率为v的电磁波，表明在结区有一交变的电流分布 SQUID的应用 3. SQUID的应用 (1)SQUID用作磁强计，可精确到 10-7T。为了对这个 量级有所理解，可以列举一些例子。地磁场的磁感应强度为 103T；环境磁噪声的磁感应强度为10-410-1T；人们 的肺、心、脑都有一定的生物磁感应强度，分别为10-1T 、10-2T和10-5T。由此可见，比脑磁场还弱100倍的磁 场，SQUID都能准确地测量出来。以心脏为例，心磁图可 以衡量直流电效应，而心电图对直流电效应无法感知。并且 ，磁场测量几乎不受信号源和检测线圈之间夹杂物的影响， 所以可以检出局部的信号。 SQUID的应用 又例如，心、脑电图的测量都需要使用同人体接触 的电极片，而电极片的干湿程度及同人体接触的松 紧程度都会影响测量的结果，同时因使用电极片， 不能离开人体，故只能是2维空间的测量，但是心 、脑磁图却是使用可不同人体接触的测量线圈(磁 探头)，既没有接触的影响，又可以离开人体进行 3维空间的测量，可得到比2维空间测量更多的信 息。再例如，实验研究结果表明，心、脑磁图比心 、脑电图具有更高的分辩率。还有除了心、脑磁图 外，到目前已经测量研究了人体的眼磁图、肌(肉) 磁图、肺磁图和腹磁图等，取得了人体多方面的磁 信息。图5显示出一位癫痫病人头部由脑磁场测量 确定的脑神经缺损区病灶。 SQUID的应用 (2)用作磁场梯度计。测量微弱磁场时 ，必须消除强磁场的干扰。为此，可设 计一个形如图6的线圈，其中A2和A3 绕向相反。均匀的地磁与噪声磁在A2 、A3中产生的磁通会互相抵消，对A1 不产生影响。而非均匀的待测磁场在 A2、A3中不会抵消，因而对A1有影 响。用SQUID测出的A1的磁通便无地 磁和噪声的干扰。 非生物电测量 对除生物电量以外的各种生命现象、状态、性质和 变量的测量 包括压力、体温在内的物理量，血气及电解质在内 的化学量，以及酶和蛋白质在内的生物量。各种非 生物电量也是生命活动的表征，这些参量偏移正常 范围后将会导致人体器官功能失衡而引发各类病变 血气分析仪（1） 血气分析仪是对人体血液及呼出气的酸碱度 (pH)、二氧化碳分压(pCO2)、氧分压(pO2)以 及相关参数进行定量测定的精密分析仪器。 也能用于其他体液和气体中pH，PCO2，pO2的 分析测量。该仪器具有分析快速、准确、可 靠的特点，在临床上已成为人体血气酸碱平 衡状态和输氧状态进行监测、分析和评价的 重要工具。 血气分析仪（2） 主要应用在胸外科、心外科、麻醉科、儿科、急 救、科研和防疫部门，特别在抢救危重病人、重 大手术、器官移植、心导管、体外循环及人工肾 的应用上具有十分重要的意义。是现代医疗、卫 生、防疫部门进行病理、生理研究、科学实验及 临床检验不可缺少的高档次检验设备之一 血气分析仪 血气分析仪工作原理 血气分析仪工作原理 血气分析仪工作原理如图所示，考虑到pH， pCO2，pO2等主要参数测量的准确度，各种血 气分析仪在测量过程中都可完成温度恒定控制， 大气压的自动追踪及人血标本Hb(血红蛋白)的 预置功能。被测血液在管路系统的抽吸下进入测 量仓内的测量毛细管中，管路系统停止抽吸。在 测量毛细管的管壁上开有4个孔，pH，pH参比 ， pO2和pC024只电极的感测头密封于4个孔 中。其中pH和pH参比电极共同组成对pH值的 测量系统。这样，血液中的pH，pCO2和pO2 同时被4支电极所感测。电极将它们转换成各自 的电信号，经放大器放大，模数转换送人仪器的 微机单元，经微机处理，运算再将测量和计算值 送到显示器显示，亦可由打印机打印出测量及计 算结果。 血气测量电极 超声诊断仪 超声是每秒超过20 000周(20千赫兹)的一种高频声波。这 种声波人耳听不到，能够成束地发射并用于扫查人体组织。 这里所说的脉冲型超声是指频率为210兆赫兹的声波，它产生于扫描器(1 兆赫兹等于每秒100万个周期，即超声波的频率比可闻声的频率高很多倍1兆 赫兹10赫兹)。一个脉冲周期的时间大约为1微秒(1秒等于100万微秒)而且 这种脉冲每秒重复大约1000次。不同的组织以不同方式改变着超声波的传播 ：一些组织直接反射超声波而另一些则散射超声波，后者使超声波不能作为 回声返回探头。超声波以不同速度穿过人体的不同组织(如通过软组织时的 速度为1540米秒)。 返回到探头的超声脉冲需要在扫描仪内放大。来自 人体深部组织的回声较表浅部位衰减更大，因此深 部回声更需放大。超声扫描仪具有调节总增益(灵 敏度)的控钮，即阈值，也可改变不同深度回声的 放大。任何超声仪器工作时都必须获得一幅均衡的 图像，即不同深度组织的回声强度大约相等。 超声返回探头后，声束内的所有组织可以重建一 个二维图像，这些信息储存于计算机内 并在监视 器(电视机)上显示。密集的回声称谓“高强度回声” ，荧光屏上显示为较明亮的光点。 有创测量 在体内测量，又称侵入式测量 ，通常采用直接测量的方法 由于探测部分侵入机体，对机 体会造成一定程度的创伤，给 患者带来一定的痛苦，但其原 理明确、方法可靠、测量数据 精确，因此也可用于手术过程 及术后的监测，以及作为无创 测量方法的对照评估 有创血压多参数监护仪有创血压多参数监护仪 有创测量分类（按实现方式） 通过手术的测量方法 导管测量方法 植入式测量方法 有创测量的典型实例 电磁流量计 位移、压力的测量 液耦式导管心脏测压 导管心腔内心电图和房室束电图的测量 有创血压测试 随着介入治疗方法在临床应用的不断更新和推广，有创压监测的 适用性和重要性也得到确认，有创压测量功能也逐渐成为监护仪 最基本的监测参数之一。由于这个监护参数的测量方法是采用直 接的测量法，所以是目前临床上血压测量的金标准。目前有创压 测量参数是大多数高档监护仪上的标准配置，虽然这个方法是有 创的，并且还存在液路连接上血凝、受试者感染、传感器耗费高 等影响血压测量和推广应用的因素，但因其测量结果客观、准确 、重复性好、实时性强、不受心律失常影响、抗运动干扰强、可 以实现不同部位的血压测量等优点，在临床上已得到广泛应用。 有创压测量的原理 有创压测量是采用基于液体的等压传递原理来实现的直接血 压的测量。利用动脉插管方法将动脉内血压及其变化通过装 有生理盐水的管路引出到压敏传感器的压力感应面，再由这 个压敏传感器将动脉内的压力信号线性地转换成电信号，并 通过信号放大电路、滤波电路实现信号的放大和滤波，得到 实时压力脉搏波，再在CPU控制下实现模数转换和相关人工 的零压力参考点校准，并通过特定的软件算法对上述的压力 脉搏波信号进行相关的波峰、波谷识别和压力、脉率计算， 最后得到所需要的收缩压、舒张压、平均压和脉率值。 有创压测量的检验方法 有创压的测量是基于人体动脉血管内压力和压力传感器的直 接测量方法，通过导管与人体动脉血管的连接，并借助这个导 管内生理盐水将动脉内的压力传递给外部的压力传感器，再通 过与这个压力传感器相连接的模拟、数字电路及软件方法直接 根据所测量的压力波来计算人体动脉的收缩压、平均压、舒张 压和脉率等参数。因此，有创压的模拟电路就是一个针对电桥 式压力传感器的线性放大电路，所以有创压的测量是直接进行 的基于动脉压力波形的血压参数的测量，是血压测量的金标准 。 有创压测量的检验步骤 (1) 通过有创压电缆将压力传感器连接到具有有创压的监 护仪上。 (2) 将500mL容器、静态压力校准仪、充气囊通过多路气 路专转接器连接到压力传感器的感应端口。 (3) 通过充气囊根据规格上说明血压范围向上述气路设置 最大到最小的多组静态压力值，对比有创压监护仪和压力校 准仪的测量值，评估静态压力测量的准确性。 (4) 将多参数模拟器的有创压信号通过连接电缆与监护仪 相连接，监测模拟器的动态有创压的数据(含收缩压、舒张 压和平均压及脉率)，观察和记录测量数据，分析监测结果 的一致性。 有创压测量的检验步骤 (5) 评估有创压的动态响应。采用爆破法，即使得与监护仪相 连的压力传感器的压力感应端，通过三通接头与一个气囊和手动 充气囊相连，通过手动充气囊向上述的与气囊相连的压力传感器 充气，并通过监护仪的压力显