生物医学测量方法概述ppt课件

生物医学测量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。生物医学测量在生命科学和临床医学的许多领域中，都是十分重要的基础性技术。例如：生命科学研究，医学基础研究，临床诊断，病人监护，治疗控制，人工器官及其测评，运动医学研究等等。,2.1概述,.,在生物医学工程的所有领域，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，都必须直接或间接应用到生物医学测量技术。,.,1生物医学测量方法的分类,测量的对象：涉及人体各个系统的形态与功能。被测量（或信息）包括：物理量生物电、光、声、热、压力、流量、速度、温度等;化学量血气、代谢产物、呼吸气体、体液中的电解质等;生物量酶活性、免疫、蛋白质等;生理量如各种感觉（听觉，视觉，嗅觉，触觉，痛觉，味觉）以及生理活动信息等。,.,测量方法分类可按照不同途径，对生物医学测量方法进行分类,有创测量，InvasiveMeasurement无创测量；non-invasivemeasurement无线测量，wirelessmeasurement有线测量；wiredmeasurement直接测量，Directmeasurement间接测量；IndirectMeasurement,.,在体测量，invivo离体测量；invirto体表测量，BodySurface体内测量；Inside单维测量，SingleVariable多维测量；Multi-dimension,.,接触式测量，Touched非接触式测量；non-touched生物电测量，bio-electricity非生物电测量；non-bioelecrticity形态测量，morphologicalmeasurement功能测量.Functionalmeasurement,.,为方便起见，下面讨论分类时主要按照：1）测量过程是否直接在生物活体上进行，分为离体测量和在体测量；2）根据被测量的性质分类，分为生物电测量和非生物电测量。,.,1)离体测量与在体测量,A)离体测量(invitro)对离体的体液、尿、血、活体组织和病理标本之类的生物样品进行的测量。优点：离体测量检测条件稳定性和准确度高，已广泛用于病理检查和生化分析中。B)在体测量(invivo)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：,A)无创测量：在体表测量，又称非侵入式测量，通常采用间接测量方法。优点：无创测量不会造成机体的创伤，易被受试者接受；问题：大部分方法的准确度和稳定性较差。,.,B)有创测量：一般在体内测量，又称侵入式测量，通常采用直接测量的方法。缺点：有创测量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，优点：原理明确、方法可靠、测量数据精确，因此经常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。,.,C）植入式测量随着微电子技术的发展，已有许多测量装置可埋人人体内部进行植入式测量。优点：采用植入式测量时，人体可处在无拘束的自然状态，测量结果准确，可进行实时、动态、长期监测，是生物医学测量发展的方向之一。,.,D）微创测量技术吸取有创测量和无创测量的优点，研究多种微创测量技术，是新的研究方向。,.,2)生物电测量与非生物电测量,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体征（VitalSign）。人体不同部位的生物电，如心电（ECG）、脑电（EEG）、肌电（EMG）、神经电（NervePotential）、眼电（EOG）、细胞电（CellPotential）及皮肤电（SkinPotential）等，均与相应器官的功能密切有关，是诊断这些器官疾病的重要手段。,.,非生物电测量是除生物电量以外的各种生命现象、状态、性质和变量的测量。生物体尤其是人体中的非生物电量之间，【包括物理量（压力、体温等），化学量（血气，电解质等），生物量（酶，蛋白质等），生理量（各种感觉信息）】存在着错综复杂而有序的联系，各种非生物电量也与生物电量一样是生命活动的表征，它们偏移正常范围会导致人体器官功能的失衡而引发各类病变。非生物电量的测量涉及能量变换的问题。为测量、处理与记录方便起见，通常由各类换能器或传感器（Transducer,Sensor）将各种非生物电量转换为相关的电量后进行测量，这就是非电量的电测技术。,.,典型生理、生化参数在采用生物电测量及非生物电测量时所用的传感方法与技术,.,.,.,生物医学测量仪器按用途分类,生理检查与记录仪器生化检查与记录仪器医学图像仪器临床监护仪器,.,常见生理检查与记录仪器,.,常见生理检查与记录仪器,.,常见生化检查与分析仪器,.,常见医学图像仪器,.,常见临床监护装置,.,2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，与工业测量及其他非生物医学测量相比，在测量方法、测量结果以及对测量结果的认识上，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重要意义。,.,1)生命系统的多变量特性(Multi-variability),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量进行测量。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。,.,2)必须从大量干扰和无用信息中提取有用信息(NoiseorDisturbance),生物医学测量过程中，由于被测参数往往十分微弱，易受外界环境干扰(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。,.,3)测量结果会受被测对象的心理和生理因素的影响,PhysiologyPsychologyPsychophysiologyFactors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，尤其在进行麻醉和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。,.,4)被测对象具有闭环特性（CloseLoop）,生命体具有精确的自动调节功能，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，测量单一生理参数难于有效评估生理和病理状态，需要多参数综合测试，并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与正确性。,.,5)被测对象的安全性问题（Safety）,生物医学测量的对象是生命体，尤其是人体，因此安全性极其重要。1）测量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(uA级)也有可能导致室颤（VantricularFibrillation）。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。2）测量装置不能产生有毒物质，应与组织与血液有较好的生物相容性(Bio-compatibility)。,.,6)新方法建立与评估的困难（Evaluation）,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。,.,7)环境的限制（Environment）,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，否则将影响测量结果的可靠性。,.,8)对生物医学先验知识的应用（Experiences，aprioriknowledge）,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。,.,9)适用性问题（Suitability）,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。,.,3生物医学测量系统BiomedicalMeasurementSystem,一个完整的生物医学测量系统通常包括信息获取、信号加工、显示和记录等三大部分：1）信息获取部分（DataAcquasition）用来引导与感知被测对象的某种生理和生化量，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。2）信号加工部分（SignalProcessing）用来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。3）显示和记录部分（DisplayandRecord）用来显示和记录测量结果。,.,三个部分串联（或级联）成一个生物医学测量系统，其输入和输出关系可以是线性的（Linear），也可以是非线性的（Non-Linear）。后者主要用于需要获得较大动态范围的场合，例如在超声回波测量等场合。,.,根据被测对象的特征，以及显示和记录方式，测量系统应有一定的传输响应(TransferResponse)，包括：稳态响应(SteadyResponse)和瞬态响应(TransientResponse)并根据这两个响应提出测量系统的各项技术指标(TechnicalSpecification)，包括精确度、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。,.,医学测量系统大部分是一阶系统（FirstOrderSystem）或二阶系统（SecondOrderSystem）对于一个二阶的医学测量系统(例如导管测压系统)，必须合理选择系统参数，以同时保证系统测量准确度（Accuracy）和稳定性（Stability）。任何一个测量系统都必需“指标达到，稳定可靠”（StableandReliable）。,.,对一个生物医学测量系统来说，有效性（Validity）、安全性（Safety）和适用性（Applicability）三个方面的要求均应受到重视，要用辨证的观点处理这三者的关系。同时，要使一个医学测量系统走向市场，服务社会，必须考虑该系统的性能价格比（RatioofPerformancetoPrice）、可维护性（Maintenance）以及便于操作（EasyOperation）等各项要求。,.,4创新是发展的原动力,生物医学测量技术在生命科学研究以及其他新的科学技术发展的推动下，正在日新月异地发展。生命科学研究的需要及其研究成果均会对生物医学测量产生影响，新的发现会不断提出新的测量对象，从宏观到微观、从组织器官