遗传病和人类基因组计划

1、 1. Introduction Biosignal are space, time, or space-time records of a biological event such as a beating heart or a contracting muscle. The electrical, chemical, and mechanical activity that occurs during this biological event often produces signals that can be measured and analyzed. Biosignals, th

2、erefore, contain information that can be used to explain the underlying physiological mechanisms of a specific biological event or system. Biosignals must be analyzed to retrieve the most relevant information from them. The basic methods of signal analysis, e.g., amplification, filtering, digitizati

3、on, processing, and storage, can be applied to many biosignals. Other signal processing methods include signal averaging, wavelet analysis, and artificial intelligence techniques. 2. Physiological Origins of Biosignals （1）Bioelectric Signals Nerve and muscle cells generate bioelectric signals that a

4、re the result of electrochemical changes within and between cells. If a nerve or muscle cell is stimulated by a stimulus that is strong enough to reach a necessary threshold, the cell will generate an action potential. The action potential represents the flow of ions across the cell membrane and can

5、 be transmitted from one cell to adjacent cells. When many cells become excited, an electric field is generated and propagates through the biological medium. Changes in extracellular potential can be measured on the surface of the organ by using surface electrodes. (ECG, EEG, EMG) （2）Biomagnetic Sig

6、nals Different organs, including the heart, brain, and lungs, generate magnetic fields that are weak compared to other events as electrical changes occur in them. Biomagnetism is the measurement of the magnetic signals that are associated with specific physiological activity. Biomagnetic signals the

7、refore can provide valuable additional information that is not usually contained in bioelectric signals. Furthermore, they can be used to obtain additional information about intracellular activity. 心磁图仪心磁图仪 1.1.概述概述 心磁图（心磁图（Magnetocardiogram，MCG）是是 低温超导与计算机技术相结合，以超导量子介低温超导与计算机技术相结合，以超导量子介 入装置为探头，对心动

8、周期中心脏电活动引起入装置为探头，对心动周期中心脏电活动引起 的微小磁场进行测定的一项新型心脏无创伤性的微小磁场进行测定的一项新型心脏无创伤性 检查。检查。 与与ECG相比，相比，MCG具备以下特点：具备以下特点： 信号高度保真。信号高度保真。心脏与体表心电图电极间的电心脏与体表心电图电极间的电 场需通过几个不同的介质边界，它们每一个都场需通过几个不同的介质边界，它们每一个都 有不同的传导性和其他的电特性。有不同的传导性和其他的电特性。 由于心脏产生电场的边界歪曲，心电电极由于心脏产生电场的边界歪曲，心电电极 记录的电场特点与心脏产生的电场是不同的。记录的电场特点与心脏产生的电场是不同的。 界

9、面对磁场不产生太大歪曲，界面对磁场不产生太大歪曲，MCG资料因资料因 此可提供更准确的心脏活动信息。此可提供更准确的心脏活动信息。 对局部心肌电流高度敏感。对局部心肌电流高度敏感。MCG有更高的空有更高的空 间分辨率，与间分辨率，与ECG相比，相比，MCG对局部电流有对局部电流有 更高的空间敏感性。更高的空间敏感性。 这些局部电流微弱，来自心肌边界，有不这些局部电流微弱，来自心肌边界，有不 同的电生理特点，即每个都有不同的动作电位同的电生理特点，即每个都有不同的动作电位 间期。在磁场中，这些电流比在电场中反映得间期。在磁场中，这些电流比在电场中反映得 更清晰。更清晰。 2 2. .心磁图测量原

10、理心磁图测量原理 （1 1）测量原理）测量原理 生物磁信号与生物电信号相比更为微弱，例生物磁信号与生物电信号相比更为微弱，例 如心脏周围的磁场约为如心脏周围的磁场约为510 11特斯拉（ 特斯拉（T），心），心 磁图（磁图（MCG）的最大幅值为）的最大幅值为10 10特斯拉（ 特斯拉（T），）， 比地球磁场小一百万倍（地球磁场为比地球磁场小一百万倍（地球磁场为10 4 T量 量 级），比城市的环境磁噪声（级），比城市的环境磁噪声（10 7 T量级）小一 量级）小一 万倍左右。万倍左右。 脑磁图（脑磁图（MEG）的信号更为微弱，在）的信号更为微弱，在10 12T 量级，因此要采用磁通门来测量生物

11、磁，尤其是量级，因此要采用磁通门来测量生物磁，尤其是 心磁图及脑磁图等微弱信号是不可能的。心磁图及脑磁图等微弱信号是不可能的。 在强的背景磁场（地磁场及环境磁场）测量微弱的在强的背景磁场（地磁场及环境磁场）测量微弱的 生物磁信号，采用超导量子干涉仪（生物磁信号，采用超导量子干涉仪（Superconducting QUantum Interference Device，SQUID）来完成。）来完成。 SQUID的灵敏度高达的灵敏度高达10 141015T的量级，是磁通计、 的量级，是磁通计、 磁通门难以比拟的。磁通门难以比拟的。 超导量子干涉仪有高的生物磁场检测灵敏度，是一超导量子干涉仪有高的生

12、物磁场检测灵敏度，是一 种非接触无创测量方法，不受被测对象表面状况的影响，种非接触无创测量方法，不受被测对象表面状况的影响， 避免电测量中安置电极的麻烦，安全可靠，易实现空间避免电测量中安置电极的麻烦，安全可靠，易实现空间 扫描，甚至可建立二维图像。扫描，甚至可建立二维图像。 SQUID分为直流超导量子干涉仪（分为直流超导量子干涉仪（DC- SQUID）和交流超导量子干涉仪（）和交流超导量子干涉仪（RF- SQUID），它们利用约瑟夫逊（），它们利用约瑟夫逊（Joseffson）结）结 超导环，超导环，DC-SQUID多为双节超导环，而多为双节超导环，而RF- SQUID为单结超导环。为单结超

13、导环。DC-SQUID的灵敏度比的灵敏度比 RF-SQUID高，但高，但RF-SQUID的制造工艺、电路的制造工艺、电路 与器件的耦合比较容易，因此实用中常采用与器件的耦合比较容易，因此实用中常采用 RF-SQUID系统来实现弱磁信号的检测。系统来实现弱磁信号的检测。 RF-SQUID的系统（图的系统（图1.11-1）的关键是）的关键是 探头，探头内含磁通变换器、约瑟夫逊结超探头，探头内含磁通变换器、约瑟夫逊结超 导环及共振回路，它们处在超低温状态（导环及共振回路，它们处在超低温状态（5K 左右左右)。利用超低温超导状态下的量子干扰现。利用超低温超导状态下的量子干扰现 象来检测体内弱磁场，并将

14、测得的磁信号经象来检测体内弱磁场，并将测得的磁信号经 过变换、放大、滤波后进行记录。通过对心过变换、放大、滤波后进行记录。通过对心 电图电图ECG进行比较，分析生理和病理信息。进行比较，分析生理和病理信息。 图图1.11-1 RF-SQUID1.11-1 RF-SQUID的系统框图的系统框图 （2 2）心磁图的记录方法和测定部位）心磁图的记录方法和测定部位 在接受心磁图测定前，被检者脱去外衣及卸在接受心磁图测定前，被检者脱去外衣及卸 去身上的金属制品，平卧于检查床。去身上的金属制品，平卧于检查床。 SQUID磁强计检测部分（杜瓦）的前端放在磁强计检测部分（杜瓦）的前端放在 被检者胸前壁，但不接

15、触身体，并与胸前壁保持被检者胸前壁，但不接触身体，并与胸前壁保持 垂直。垂直。 一般多采用在胸前壁作多点栅极系统式描记一般多采用在胸前壁作多点栅极系统式描记 法。国际上普遍应用心电图的法。国际上普遍应用心电图的Einthoven氏命名法氏命名法 对对MCG进行命名，即进行命名，即P波，波，QRS波，波，T波和波和ST段段 。 3.3.临床应用临床应用 MCG除了能够检查大多数心脏疾病，除了能够检查大多数心脏疾病， 如心梗后的心衰预测、室颤的危险评估、心如心梗后的心衰预测、室颤的危险评估、心 肌缺血和成活率检测、肌缺血和成活率检测、ECG无变化的冠心病无变化的冠心病 检测、左心室肥大的检测等外，

16、还可用于胎检测、左心室肥大的检测等外，还可用于胎 儿心脏病学研究（儿心脏病学研究（fetal MCG，fMCG）、药）、药 理学测试、肝脏铁储量检查、恶性肿瘤检查理学测试、肝脏铁储量检查、恶性肿瘤检查 等。等。 脑磁图仪脑磁图仪 1.1.概述概述 脑磁图（脑磁图（Magnetoencephalogram，MEG）对对 脑神经电流产生的微弱生物磁场的测量，对自发脑神经电流产生的微弱生物磁场的测量，对自发 的或受到外界刺激而产生的脑活动进行功能性成的或受到外界刺激而产生的脑活动进行功能性成 像。像。 MEG没有侵害性和危险性，具有毫秒级的时没有侵害性和危险性，具有毫秒级的时 间分辨率，对电活动源的

17、定位可达到间分辨率，对电活动源的定位可达到2mm的精度。的精度。 MEG对脑生理活动研究具有较好空间灵敏度对脑生理活动研究具有较好空间灵敏度 和时间灵敏度，操作简单，易于掌握。和时间灵敏度，操作简单，易于掌握。 高温超导脑磁图测量系统高温超导脑磁图测量系统 和高温超导冷却屏蔽罩和高温超导冷却屏蔽罩 七个信道的高温超导七个信道的高温超导 脑磁图测量系统脑磁图测量系统 2.2. 脑磁图仪的组成原理脑磁图仪的组成原理 MEG系统的核心是系统的核心是 由许多处于不同空间位置由许多处于不同空间位置 的信号探测线圈（的信号探测线圈（Pickup Coil）和超导量子干涉器）和超导量子干涉器 件（件（SQU

18、ID）两部分组成）两部分组成 每一个探测器是由磁场梯每一个探测器是由磁场梯 度仪和把磁场信号转化成度仪和把磁场信号转化成 电压信号的电压信号的SQUID通过电通过电 磁感应而耦合在一起的。磁感应而耦合在一起的。 上世纪八十年代上世纪八十年代MEG由单信道发展成由单信道发展成37 信道传感器装置，用于癫痫诊断和其它脑功能信道传感器装置，用于癫痫诊断和其它脑功能 方面的研究。方面的研究。 九十年代初已研制出全头型的多信道九十年代初已研制出全头型的多信道 MEG测量系统（探测位置数量已达到测量系统（探测位置数量已达到275个）。个）。 现在，信号探测传感器可同时快速地收集和处现在，信号探测传感器可同

19、时快速地收集和处 理整个大脑的数据，并通过抗外磁场干扰系统理整个大脑的数据，并通过抗外磁场干扰系统 和计算机信息处理技术，将信号转换成脑磁曲和计算机信息处理技术，将信号转换成脑磁曲 线图、等磁线图等，还可与线图、等磁线图等，还可与MRI或或CT等解剖等解剖 影像信息融合，形成脑功能解剖学定位，准确影像信息融合，形成脑功能解剖学定位，准确 地反映出脑功能瞬时变化状态。地反映出脑功能瞬时变化状态。 3.3. MEG MEG临床应用临床应用 v 癫痫病的早期检测定位癫痫病的早期检测定位 v 脑外科手术前得到病人脑功能严重损伤区域的空脑外科手术前得到病人脑功能严重损伤区域的空 间位置间位置 v 对严重

20、头部损伤昏迷的病人醒后进行其脑神经功对严重头部损伤昏迷的病人醒后进行其脑神经功 能评价能评价 v 对受到轻微脑损伤的病人进行功能性检测以确定对受到轻微脑损伤的病人进行功能性检测以确定 是否出现并发症是否出现并发症 许多受轻微脑损伤的病人都会有各种各样的并许多受轻微脑损伤的病人都会有各种各样的并 发症出现，然而他们却有正常的发症出现，然而他们却有正常的MRI、CT和和EEG 检测结果。只有在经过检测结果。只有在经过MEG检测后，才能发现这检测后，才能发现这 些病人的异常脑神经功能。些病人的异常脑神经功能。 （3）Biochemical Signals Biochemical signals co

21、ntain information about the levels and changes in various chemical in the body. For example, the concentration of various ions, such as calcium and potassium, in cells can be measured and recorded as can the changes in the partial pressures of oxygen (pO2) and carbon dioxide (pCO2) in the respirator

22、y system or blood. All these constitute biochemical signals. These biochemical signals can be used for a variety of purposes, such as determining levels of glucose (葡萄糖), lactate (乳酸盐), and metabolites (代谢物) and providing information about the function of various physiological systems. （4）Biomechani

23、cal Signals Mechanical functions of biological systems, which include motion, displacement, tension, force, pressure, and flow, also produce biosignals. Blood pressure, for example, is a measurement of the force that blood exerts against the walls of blood vessels. Changes in blood pressure can be r

24、ecorded as a waveform. The upstrokes in the waveform represent the contraction of the ventricles of the heart as blood is ejected from the heart into the body and blood pressure increases to the systolic (心脏收缩的) pressure. The downward portion of the waveform depicts ventricular relaxation as the blo

25、od pressure drops to the minimum value that is called the diastolic (心脏舒 张的) pressure. （5）Bioacoustic Signals Bioacoustic signals are a special subset of biomechanical signals that involve vibration (motion). Many biological events produce acoustic noise. For instance, the flow of blood through the

26、valves (瓣膜) in the heart has a distinctive sound. Measurements of the bioacoustic signal of a heart valve can be used to help determine whether or not it is operating properly. The respiratory system, joints, and muscles also generate bioacoustic signals that propagate through the biological medium

27、and can often be measured at the skin surface by using acoustic transducers such as microphones and accelerometers (加速度计). （6）Biooptical Signals Biooptical signals are generated by the optical attributes of biological systems. Biooptical signals may occur naturally or, in some cases, the signals may

28、 be induced using a biomedical technique. For example, information about the health of a fetus may be obtained by measuring the fluorescence characteristics of the amniotic fluid (羊水). Estimation of cardiac output can be made by using the dye dilution method that involves monitoring the concentratio

29、n of a dye as it recirculates through the bloodstream. 3. Characteristics of Biosignals continuous signal discrete signal deterministic signal random signal stationary signal nonstationary signal Real biosignals almost always have some unpredictable noise or change in parameters and, therefore, are

30、not deterministic. The ECG of a normal heart rate at rest is an example of a signal that appears to be almost periodic. The basic waveshape consists of the P wave, QRS complex, and T wave. However, the precise shapes of the P waves, QRS complexes, and T waves vary over time. The length of time betwe

31、en QRS complexes, which is known as the R-R intervals, also changes over time as a result of heart rate variability (HRV). HRV is used as a diagnostic tool to predict the health of a heart that has experienced a heart attack. Patients with low HRV is generally worse than it is for patients with high

32、 HRV. Mathematical functions can not be used to precisely describe random signals. Random signals often show distribution probabilities and can be expressed in terms of statistical properties. The EMG which is used for the diagnosis of neuromuscular disorders, is a random signal. Stationary random s

33、ignals are signals for which the statistics or frequency spectra remain the same over time. Conversely, nonstationary random signals have statistical properties or frequency spectra that vary with time. The identification of stationary segments of random signals is important for signal processing an

34、d pattern analysis. Biosignals are often very small, contain unwanted noise, and can even be masked by other biosignals. Throughout the data acquisition procedure, it is critical that the information in the original biosignal be preserved. Since these signals are often used to aid the diagnosis of pathological (病理的) disorders, the procedures of amplification, analog filtering and analog-to-digital (A/D) conversion should not cause misleading or imperceptible distortions in the biosignal. Distortions in the biosi