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生物电子学 第三章生物 医学 信息的获取 生物 医学 电子学 2 3 1工程技术对医学的影响 第一阶段 萌芽阶段时间 17世纪 19世纪标志 出现了听诊器 体温计和血压计第二阶段 渗入阶段时间 19世纪末以后标志 两件大事1895年11月8日 伦琴发现了x射线 1895年12月22日 伦琴为其夫人拍摄第一张x光片电技术出现 导致心电图 脑电图的测量和研究1895年 荷兰医生einthoven首次得到心电图1903年 用电流计记录了心电图1947年 脑的a型超声1953年 二维超声实时成像 生物 医学 电子学 3 第三阶段 冲击阶段时间 20世纪60年代以后动力 微电技术 计算机技术例 心电的进展1961年 holter完成磁带记录24小时监测 回放 准确率66 70年代 计算机识别qrs波 准确率97 例 ct技术1971年 hounsfield 英国工程师 获得诺贝尔奖目前 各种ct 包括 x ct 超高速x ct 单光子发射ct 正电子发射ct 核磁共振ct等 生物 医学 电子学 4 第四阶段 融合时间 20世纪80年代以后标志 医疗仪器的全面计算机化医疗技术的植入化 远程化和介入治疗例 植入化心脏起博器 30年前180克 现在16克胃电装置 减肥 食欲 视网膜显示器 调节二极管发出的光子流 使其略过视网膜 形成扫描 使振动色彩图像被大脑接收 可以使白内障患者看见东西 纳米技术 进入血管检查 把数据送回监视器远程化 与网络通信技术相结合计算机辅助治疗兴起多功能医疗手段出现临床信息系统 生物 医学 电子学 5 3 2生物电位电极 生物电引导电极的概念完成人体 或其它生物体 和测量系统之间的界面作用 把离子电流变为电子电流 在人体内 离子导电在测量系统内 电子导电 生物 医学 电子学 6 1 电极的极化电压构成 引导电极是经过一定处理的金属板 金属丝或金属网 与电极直接接触的是电解质溶液 导电膏 人体汗液 人体组织液 电极插入 埋藏式等 形成一个金属 电解质溶液界面 生物 医学 电子学 7 电化学知识 当金属放入水溶液时 因极性水分子的作用 金属离子离开金属进入水中 在金属上留下相应数量的自由电子 金属呈负电 金属 带 电 与水中的 离子相互吸引 导致动态平衡 金属与水溶液之间形成电荷分布 双电层 产生一定的电位差 生物 医学 电子学 8 电极的概念 电极 由金属浸在含有该金属离子溶液中所构成的体系称为电极 电极电位 金属与溶液之间的界面的电位差称为电极电位 电极电位的定义 r 气体常数 8 314j mol k f 法拉弟常数 96487库伦 t 绝对温度 n 离子价数 c 金属离子的有效浓度 mol l k 与金属特性有关的常数 生物 医学 电子学 9 在室温下 当c 1时 生物 医学 电子学 10 电极的极化 电极的极化指电极与电解质溶液界面形成双电层 在有电流通过时 电极 电解质溶液界面的电位发生变化 高度极化 不极化 在生物医学工程领域 记录直流或缓慢变化的生物电位 需用不极化的电极 例 用双极导联记录心电 脑电 所记录的是信号两点的电位差 若两电极本身电位不同 则造成伪差 电极电位漂移的原因 材料的细微差别电极表面受到污染移动 生物 医学 电子学 11 2 电极的电特性电极 电解质界面呈非线性v a特性 电极特性与电流有关 电极阻抗是频率的函数 有电容存在 等效电路的参数与电极材料有关 生物 医学 电子学 12 3 绝缘干电极与上述的表面电极不同采用电容耦合原理生物电信号经过电容耦合到放大器 电极与人体之间的电容2500pf 5000pf 输入阻抗 800m欧 生物 医学 电子学 13 4 金属微电极用于提取单细胞或神经元一类微小单元的电位电极尺寸 0 05um 10nm材料 金属电极填充电解液玻璃电极等 生物 医学 电子学 14 3 3生物医学传感器 1 传感器的定义传感器 sensor 是能够感受规定的被测量 并按照一定的规律将其转换为有用信号的器件或装置 是获取人体生理和病理信息的工具是生物医学工程的重要分支对化验 诊断 监护 控制 治疗等均有重要意义传感器在测量系统中的位置 生物 医学 电子学 15 2 生物医学传感器的主要用途检测生物体信息例心脏病患者在手术前 需测量心内压力 血液传感器普查乳腺癌 红外线探测器扫描 热分布图监护 连续测定某些生理参数例心脏手术的患者 手术几天之内 要连续测量体温 脉搏 动脉压 静脉压 呼吸 心电等需要一系列的传感器控制 利用检测到的参数 控制人体的胜利过程例在使用同步呼吸机抢救病人时 需检测病人的呼吸信号 并控制呼吸器的动作 使之与人的呼吸同步 生物 医学 电子学 16 fromtankstotumors stateoftheart healthybreasts shownleft andafter10min waiting right byonecamerapassivethermalscan after10min 生物 医学 电子学 17 stateoftheart pathologicalbreastsbefore shownleft andafter10min waiting right byonecamerapassivethermalscan iri after10min dciszerostagerequiresexcessheatsupply 生物 医学 电子学 18 3 生物医学传感器的分类物理传感器 用于测量血压 体温 血流量 血粘度 生物组织对辐射的吸收 反射或散射等 化学传感器 测量体液中的离子成分或浓度 ph值 氧分压 葡萄糖浓度等 测量生物电位的电极也可看作传感器 可以列入化学传感器 因为电极与皮肤之间的界面是一个半电池 化学电池 生物传感器用于酶 抗原 抗体 激素 dna 脱氧核糖核酸 等物质的传感 因上述分子的分子量较大 化学传感器难于识别 划为生物传感器 生物 医学 电子学 19 4 生物医学传感器的特殊性距离问题 在工业测量中 总是尽量使传感器接近被测点 在生物医学测量中 要避免传感器干扰人的正常生理 生化状态 避免给人的正常活动带来负担或痛苦 信号远离 使信号变坏 接触问题 常采用非接触或无损测量 借助信号处理技术 植入问题 发展了植入式或部分插入式传感器 微型化 纳米技术 噪声问题 信号微弱 低频 噪声干扰大 随机性强 个体差异较大 生物 医学 电子学 20 5 传感器的静态特性几个概念静态量 是指固定状态的信号或变化的极其缓慢的信号 准静态量 动态量 周期信号 瞬态信号 说随机信号静态特性 输入量为恒定值时 输入量与输出量之间的关系称为静态特性 一般表达式其中 0偏灵敏度 用k表示线性特性奇对称性 生物 医学 电子学 21 衡量静态特性的指标线性度 传感器的特性曲线的非线性误差其中 生物 医学 电子学 22 迟滞描述传感器的正向 输入量由小到大 和反向 输入量由大变小 特性的不一致程度其中 生物 医学 电子学 23 重复性在同一工作条件下 输入朝同一方向做全量程的连续多次变动时所得到的特性曲线不一致的程度 其中 生物 医学 电子学 24 灵敏度在稳态下输出变化对输入变化的比值 生物 医学 电子学 25 准确度又称为精度 表示被测量的测量结果与固定真值间的一致程度 灵敏限指输入量的变化不一致引起输出量有任何可见变化的量值范围6 传感器的动态特性动态特性 指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性 可以用传递函数来描述 生物 医学 电子学 26 3 3物理传感器及其应用 1 光电传感器及其应用光电传感器 概念 把光信号转换成电信号的传感器 可以直接测量来自人体的辐射信息 也可以把人体的其它信息转换成光 电信号 优点 结构简单 非接触 可靠性高 精度高 反应迅速常用元件 光电管 光电导 光电势元件 光敏管原理 光电效应 指光照射到物质上引起其电特性发生变化的现象 外光电效应 光电发射效应内光电效应 光导效应 光生伏特效应 生物 医学 电子学 27 外光电效应金属表面受光照射 其表面和内部的电子吸收光能后溢出金属表面的现象 称为外光电效应 两条定律 斯托克夫定律 当入射光频率不变时 饱和光电流与入射光强度成正比 爱因斯坦定律 光电子的最大动能与入射光的频率成线性关系 而与入射光的强度无关 生物 医学 电子学 28 二次电子发射和电子倍增现象二次电子发射 具有足够动能的电子 一次电子 轰击任何物体 使该物体发射电子 二次电子 的现象 光电倍增管把微弱的光输入转换成电子流并使电子获得放大的真空电子器件 生物 医学 电子学 29 光电倍增管的工作原理各电极电位从阴极开始逐级升高 相邻电极电位差为100v左右 微弱光入射的的光电子打到光阴极上 引起光电子发射 经过静电聚焦和加速 飞向第一倍增阳极d1 并引起二次电子发射 最后 电子到达阳极被聚焦 在电阻上形成约1ua的电流 电流放大倍数约为10 6 10 8 生物 医学 电子学 30 光电倍增管的应用放射性同位素 ri 测量和成像 用光电倍增管作为检测器 方法 静脉注射 口服放射性同位素示踪药物 同位素分布于人体特定部位 可检测其分布或图像 从而测定生理机能的变化 或功能障碍 伽马照相机 单光子发射断层成像 spect 采用光电倍增管检测伽马射线 激起的闪烁晶体发出光信号 生物 医学 电子学 31 半导体光电器件光导效应和光敏电阻光导效应 光照射到绝大多数高电阻率半导体材料引起其电阻率下降而易于导电的现象 光敏电阻 利用光导效应制成的电阻 光生伏特和光电池光生伏特效应 半导体受光照射产生电势的现象 称为光生伏特效应 光电池 金属 半导体型pn结硅光电池光敏二极管 三极管 是具有pn结 具有光电转换功能的二极管 三极管 生物 医学 电子学 32 3 压电传感器及其应用压电原理概念 某些介质 晶体 高分子聚合物 当在适当的方向施加作用力时 内部会产生电极化状态 导致电介质带电 称为压电效应 可逆性 压电效应是可逆的 在电极上加电动势 也会产生应变 称为逆压电效应 工作原理受力 生物 医学 电子学 33 压电传感器的等效电路测量电路 生物 医学 电子学 34 应用实例血压测量 动脉波形 生物 医学 电子学 35 热电式传感器金属热电偶传感器原理 两种不同的金属组成回路时 若两个接触点温度不同 则回路中就有电流通过 称为温差电现象 贝塞尔效应 温差电现象的热电势热电偶温度计 生物 医学 电子学 36 pn结温度传感器当恒定电流正向流过pn结二极管时 二极管端电压随温度的改变做线性变化 电流和电压的关系 生物 医学 电子学 37 热敏电阻温度传感器热敏电阻非线性特性 生物 医学 电子学 38 一般希望得到线性电阻 温度特性补偿 恒流源供电 补偿 恒压源供电 生物 医学 电子学 39 测量电路测量两个器官或同一器官不同部位的微小温差 生物 医学 电子学 40 电容式传感器工作原理电容式传感器是基于被测量改变传感器的电容量再转换成输出电量的结构型传感器 平板式电容灵敏度 生物 医学 电子学 41 4 光导纤维传感器光导纤维原理当此时的称为临界角凡大于临界角的均能发生全反射 生物 医学 电子学 42 光纤传感器的应用把被测对象的状态转换成光纤中传输的光信号来进行检测的光学传感器例 光纤血液流速传感器 图 生物 医学 电子学 43 说明 光纤刺入血管血管中红血球直径7um 速度为v 激光器发出直线偏振光 频率为f 经偏光镜后进入光纤 直至血管 部分光反射回始端 另一部分被红血球散射 频率偏移 再返回始端 偏振棱镜只把返回始端的两束光波总的特定偏振成分反射到色散器件 光敏器件检出差频后 可根据多普勒公式计算红血球移动速度 生物 医学 电子学 44 3 4物理传感器应用举例 1 血压测量直接法采用导管经皮肤插入人体内部待测位置 通过导管内的液体将体内的压力耦合到体外的压力测量系统中进行测量 准确可靠 可 连续监测 有创伤 有安全问题 插入部位 臂静脉过锁骨下大静脉导管 不透x光的聚乙烯导管 图 见下页 生物 医学 电子学 45 直接法血压测量图 生物 医学 电子学 46 间接法在体外对动脉血管加以变化的压力 通过体表检测出脉管内血流与外部压力之间相对应的关系 从而测出脉管内的血压值 简便 误差较大 科氏音法用袖带充气 阻断动脉血流 然后缓慢放气 在阻断点的下游监听是否出现血流 当开始听到科氏音时 即开始有血流通过时 袖带内的压力为动脉内的收缩压 当血流完全恢复时 袖带内的压力为动脉内的舒张压 方法 水银血压计电子血压计 生物 医学 电子学 47 电子血压计框图 生物 医学 电子学 48 2 血流测量阻抗血流图血流在血管中脉动时回造成血管截面的弹性变形 从而造成血管两端间的阻抗的脉动变化 稀释法通过测量心输出量或心搏出量来测量指示剂吸收法 在血流中注入一定量的指示剂 染料 当心脏搏出血液后 检测血液中的指示剂浓度 可以计算心搏出量 热稀释法 在右心房入口处注入一定量 5 10ml 的冷水 0 5 5c 让其进入右心室 与血液充分混合后 然后在肺动脉处测量血液温度 根据温差 可知多少血液参加了混合 即测出了心输出量的大小 生物 医学 电子学 49 稀释法的图示 生物 医学 电子学 50 说明前端有可充气的气球将导管插入静脉 充以适量的气体导管随气球顺血流漂入右心房内 并嵌入在肺动脉内第二腔注入稀释剂 或无菌冷盐水 第三腔可以测量压力第四腔用于引出测量电路的导线 生物 医学 电子学 51 超声血流计两个超声探头成角安置在血管两侧 距离为d 超声在血液中的速度为vs 血液的流速为vf 夹角 则超声波在两传感器间的实际速度为超声波在两探头间的渡越时间顺流逆流的时间差 生物 医学 电子学 52 得到血流速度为即只要测准了时间差 就可以得到vf 生物 医学 电子学 53 3 呼吸测量热敏电阻测量呼吸率把热敏电阻夹在鼻子上呼吸气流从较高温的热敏电阻表面流过 则热敏电阻的阻值发生变化可以测出呼吸波形 生物 医学 电子学 54 4 红外线测温红外线的波长范围 0 76 1000um人体辐射能量的波长范围 3 16um人体组织病变 体表温度变异 红外辐射的能量改变红外线热像仪 生物 医学 电子学 55 红外线热像仪 生物 医学 电子学 56 3 5化学传感器及其应用 化学传感器指基于化学原理的 以物质成分为检测对象的一类传感器利用敏感材料与被测物质中的离子 分子或生物物质相互接触而产生的电极电位变化 表面化学反应或引起的材料表面电势变化 并将这些反应或变化直接或间接地转换为电信号 生物 医学 电子学 57 待测的化学参量血液ph值氧分压 pa 二氧化碳分压 pco2 血红蛋白总数 hb 各种离子传统的方法 化验 从血样采集到得出完整的化验报告 需30分钟或更长现代方法 生化分析仪 快速 方便 可靠 连续 生物 医学 电子学 58 1 电化学的基本概念活度 溶液中能够表现出离子性质和行为并能发挥作用的那部分离子的浓度 称为有效浓度 用活度a表示 活度系数 标准氢电极 以标准氢电极为标准 规定其电极电位为0v 作为比较基准 生物 医学 电子学 59 参比电极 为二级标准电极 其电极电位不为0 但重复性 稳定性好 常用的有甘汞电极 ag agcl电极等 指示电极 用于测定过程中主体浓度不发生变化的情况 工作电极 用于测定过程中主体浓度会发生变化的情况 生物 医学 电子学 60 2 几种不同类型的化学传感器离子传感器 用于测量人体内各种必须和非必须的离子含量 常用的离子传感器选择离子电极 其电位对溶液中给定的离子活度呈线性关系离子敏感场效应管是mosfet与电极的结合用电解液代替mosfet的栅极电解质的活度影响fet沟道电阻 从而影响输出信号 生物 医学 电子学 61 离子敏感场效应管 生物 医学 电子学 62 气体敏感传感器电化学气体传感器原理 当气体处在电极和电解质组成的电池中时 气体与电解质反应或在电极表面发生氧化 失去电子 还原 得到电子 反应 而在两个电极间输出电压或电流 检测该电压或电流 可以得到气体的浓度 半导体气体传感器利用表面电阻变化来检测气体 表面吸附气体分子 使电导变化 光纤气体传感器原理 利用红血球中的血红蛋白的两个状态 过氧状态 无氧状态 的光谱特性不一致来检测含氧量 生物 医学 电子学 63 血氧饱和度 生物 医学 电子学 64 化学传感器在医学中的应用血液ph值的检测在正常状态下 血液的ph值在7 36 7 44之间 超出会出现中毒症状 典型的ph值测量 由ph玻璃电极和甘汞电极组成测量电池 体外循环中体液成分的连续测量a 泵 b 人工肺 c 切换阀 d 标准液 e 空气泵 f 离子电极 g 蠕动泵 h 参比电极溶液 j 信号输出 生物 医学 电子学 65 生物 医学 电子学 66 3 6生物传感器及其应用 生物传感器的定义由生物活性材料与相应的转换器构成 能测定特定化学物质 主要是生物物质 的传感器 1 生物活性物质的特定识别功能生物传感器框图 生物 医学