医学电子仪器wiederholen

1、11Chapter 1Basic Concepts of Medical Instrumentation 21. Unstable2. Probability3. NonlinearityCharacteristics of physiological signalHuman Body System3 Bioelectrical SignalsCharacteristics of Biomedical Measurement4lMulti-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

2、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。Characteristics of Biomedical Measurement5lDisturbanceDisturbance 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。Characteristics of Biomedical Measurement6lPsychophysiology Fa

3、ctorsPsychophysiology Factors 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Characteristics of Biomedical Measurement7lClose Loop Close Loop 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

4、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。Characteristics of Biomedical Measurement8lSafetyl 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l 尤其是在体内对心脏进行直接测量时，极微小的电流尤其是在体内对心脏进行直接测量时，极微小的电流(uA级级)也有可也有可能导致室颤（能导致室颤（Vantricular Fibrillation）。）。l

5、其次，电流通过人体时，会产生许多物理变化其次，电流通过人体时，会产生许多物理变化(例如热效应例如热效应)和化学和化学变化，并会引起多种复杂的生理效应。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 )。Characteristics of Biomedical Measurement9lEvaluation 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、

6、有效的措施。Characteristics of Biomedical Measurement10lEnvironment 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。Characteristics of Biomedical Measurement11la prioria priori knowledge knowledge 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

7、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。Characteristics of Biomedical Measurement12lSuitability 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Characteristics of Biomedical Measurement13l Biopotentiall Pressurel Flow

8、l Dimensions (imaging)l Displacement (velocity, acceleration, force)l Impedancel Temperaturel Chemical ConcentrationMeasurand: The physical quantity, property, or condition Generalized instrumentation system 14Medical and Physiological Parameters Generalized instrumentation system 15Sensor and Trans

9、ducerl Sensor Converts a physical measurand to an electrical output Interface with living system Minimize the energy extracted Minimally invasivediaphragmStrain gagepressuredisplacementelectric voltage Generalized instrumentation system 16Signal Conditioning Amplification Filtering Impedance matchin

10、g Analog/Digital for signal processing Signal form (time and frequency domains) Generalized instrumentation system 17Output Display Numerical or graphical Discrete or continuous Permanent or temporary Visual sense Auditory sense (Doppler ultrasonic signals) Generalized instrumentation system 18Param

11、eters used to evaluate medical instrument:lAccuracy: The difference between the true value and the measured value divided by the true valuelPrecision: The number of distinguishable alternatives from which a given results is selected lResolution: The smallest increment quantity that can be measured w

12、ith certaintylReproducibility: The ability to give the same output for equal inputs applied over some period of time.Generalized Static Characteristics19High precision Low accuracyHigh accuracy Low precisionGeneralized Static Characteristics20Generalized Static Characteristics21医学电子仪器Chapter 2-Basic

13、 Sensors and Principles22The term transducer is defined as a device that converts one form of energy to another. A sensor converts a physical measurand to an electric output.传感器的定义：传感器的定义：能感受或响应规定的被测量并按照一能感受或响应规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器的定义和组成传感器的定义和组成医用传感器医用传感器（medical sen

14、sor ）：能够感知多数能够感知多数为非电量的生物信息并将其转换成电学量的器件为非电量的生物信息并将其转换成电学量的器件或装置。或装置。23传感器起着传感器起着关键作用关键作用，其原因：，其原因：生物信号很多生物信号很多是非电量信号是非电量信号，必须经过传感器感知才能转换成电信，必须经过传感器感知才能转换成电信号号生物信号十分生物信号十分微弱微弱生物生物信号信号信噪比很低信噪比很低生物信号多数生物信号多数变化频率很低变化频率很低，容易受到，容易受到50Hz电源电源和其他生理活动的和其他生理活动的干扰干扰无创伤无创伤的检测，患者才乐于接受的检测，患者才乐于接受传感器的作用传感器的作用传感器决定着

15、检测的传感器决定着检测的可能性可能性和检测仪器的和检测仪器的精确性精确性、可靠性可靠性及其及其应用范围应用范围。24(1)足够高的足够高的灵敏度灵敏度，能够检测出微弱的生物信号。，能够检测出微弱的生物信号。(2)尽可能高的尽可能高的信噪比信噪比，以便在干扰和噪声背景中提取有用的，以便在干扰和噪声背景中提取有用的信息。信息。(3)良好的良好的精确性精确性，以保证检测出的信息准确、可靠。，以保证检测出的信息准确、可靠。(4)足够快的足够快的响应速度响应速度，能够跟随生物体信息量的变化，能够跟随生物体信息量的变化(5)良好的良好的稳定性稳定性，保持长时间检测漂移很小，输出稳定。，保持长时间检测漂移很

16、小，输出稳定。(6)较好的较好的互换性互换性，调试、维修方便。，调试、维修方便。医用传感器的特性和要求医用传感器的特性和要求医用传感器的特性医用传感器的特性25(1)与人体接触、特别是植入体内的传感器材料必须是与人体接触、特别是植入体内的传感器材料必须是无毒无毒的，并且与的，并且与生物体组织具有生物体组织具有良好的相容性良好的相容性，长期接触不会引起排异、炎症等不，长期接触不会引起排异、炎症等不良反应。良反应。(2)传感器在进行检测时，传感器在进行检测时，不能影响不能影响或者尽可能少影响或者尽可能少影响正常的生理活动正常的生理活动，否则检测的信息将是不准确的。，否则检测的信息将是不准确的。(3

17、)传感器应具有传感器应具有良好的电气安全性良好的电气安全性，特别是与体内接触的传感器应按，特别是与体内接触的传感器应按照防止微电击的电气安全标准具有良好的绝缘性能。照防止微电击的电气安全标准具有良好的绝缘性能。(4)传感器在结构上和性能上要传感器在结构上和性能上要便于清洁和消毒便于清洁和消毒，防止有害物质交叉感，防止有害物质交叉感染。染。 医用传感器的特殊要求医用传感器的特殊要求医用传感器的特性和要求医用传感器的特性和要求26Wheatstone Bridgevo is zero when the bridge is balanced- that is when 3421/RRRRIf all

18、 resistor has initial value R0 then if R1 and R3 increase by R, and R2 and R4 decreases by R, then ivRRv00)()()(4132413234414323414323RRRRRRRRRRVVRRRRRRVVVVRRRVVRRRVVioibaoibia2727Piezoelectric effect1、正（顺）压电效应2、逆压电效应（电致伸缩）2828居里点573，六角晶系结构yfPiezoelectric MaterialsQuartz Crystal 轴（光轴）：轴（光轴）： 轴（电轴）轴（

19、电轴） ：轴（机械轴）轴（机械轴） ：xzy光线沿此方向入射时不产生双折射现象，沿此方向加力光线沿此方向入射时不产生双折射现象，沿此方向加力也不产生压电电荷也不产生压电电荷产生压电电荷的方向产生压电电荷的方向 沿此方向受力时变形最小，机械强度最大沿此方向受力时变形最小，机械强度最大29C/Nconstant,ricpiezoelectkkfqVoTo find Vo, assume system acts like a capacitor (with infinite leak resistance):AkfxCkfCqVro0 xACr0Capacitor:(typically pC/N,

20、a material property)k for Quartz = 2.3 pC/Nk for barium titanate = 140 pC/NPiezoelectric effect30deflectionxconstantalityproportionKKxqView piezoelectric crystal as a charge generator:Rs: sensor leakage resistanceCs: sensor capacitanceCc: cable capacitanceCa: amplifier input capacitanceRa: amplifier

21、 input resistanceRaTransfer Function of Piezoelectric Sensors31Convert charge generator to current generator:dtdxKdtdqisCurrentKxq RaTransfer Function of Piezoelectric SensorsRVdtdxKdtdVCiiiiiiooRscRcs1jjKjXjVsoKs = K/C, sensitivity, V/m = RC, time constantRa32医学仪器Chapter 4- The Origin of Biopotenti

22、als33动作电位动作电位的概念的概念:指可兴奋细胞在受到一定强度的刺激后，指可兴奋细胞在受到一定强度的刺激后，膜两侧的电位在原有静息电位的基础上发生的一次快速膜两侧的电位在原有静息电位的基础上发生的一次快速的倒转和复原的倒转和复原The Active State34动作电位有一下几部分组成:上升支上升支下降支下降支超射超射 负后电位负后电位正后电位正后电位The Active State35The Active State不同种类细胞的动作电位其特征相似，但其变化幅度不同种类细胞的动作电位其特征相似，但其变化幅度与持续时间是有差别的。在骨骼肌和粗神经纤维锋电与持续时间是有差别的。在骨骼肌和粗

23、神经纤维锋电位的幅值可达位的幅值可达120mV,持续时间为持续时间为0.52.0ms，而后，而后电位则易变性较大，负后电位一般约持续电位则易变性较大，负后电位一般约持续530ms，正后电位持续正后电位持续6080ms。36If stimulus depolarize the cell such that Vcell Vthreshold an action potential is generated. Internal mediaExternal media+-+Electric FieldNa+140 mmol/liter of K+2.5 mmol/liter of K+-+Electr

24、ic FieldK+The Active State37Action PotentialAbsolute refractory period: membrane can not respond to any stimulus.Relative refractory period: membrane can respond to intense superthreshold stimulus.38Action Potential391.1.电化学驱动力：电化学驱动力：决定离子跨膜流动的方向和速度，某离子电化学驱动力应等于膜电位与该离子平衡电位之差。如Na+ ：Em-ENa=-70mV-(+60m

25、V)=-130mVAP产生的基本条件:膜内外存在Na+差: NaNa+ +iiNaNa+ +O 110O 110；膜在受到阈刺激而兴奋时，对离子的通透性增加： 即电压门控性即电压门控性NaNa+ +、K K+ +通道激活而开放通道激活而开放。Mechanism of AP40当细胞受到刺激细胞膜上少量Na+通道激活而开放Na+顺浓度差少量内流膜内外电位差局部电位当膜内电位变化到阈电位时Na通道大量开放Na+顺电化学差和膜内负电位的吸引再生式内流膜内负电位减小到零并变为正电位（AP上升支）Na+通道关Na+内流停+同时K+通道激活而开放K顺浓度差和膜内正电位的吸引K迅速外流膜内电位迅速下降，恢复

26、到RP水平（AP下降支） Na+i、K+O激活Na+K+泵Na+泵出、K+泵回，离子恢复到兴奋前水平后电位Mechanism of AP41Mechanism of AP42结论：结论：1 1、APAP的上升支由的上升支由NaNa内流形成，下降支是内流形成，下降支是K K外流形成的，后电位是外流形成的，后电位是NaNaK K泵活动引起的泵活动引起的2 2、APAP的产生是不消耗能量的，的产生是不消耗能量的，APAP的恢复是的恢复是消耗能量的（消耗能量的（NaNaK K泵的活动）。泵的活动）。3 3、APAP = = NaNa的平衡电位。的平衡电位。 Mechanism of AP43Actio

27、n Potential Travel44心肌细胞的分类心肌细胞的分类1.1.工作心肌细胞工作心肌细胞 (working cardiac cell)： 心房肌、心室肌2.2.自律心肌细胞自律心肌细胞 (rhythmic cell):l 特殊分化的心肌细胞，包括窦房包括窦房结、房室交界区、房室束和浦肯结、房室交界区、房室束和浦肯野纤维等野纤维等。l 基本不含肌原纤维，无收缩性无收缩性；l 具有自律性自律性和特殊传导性特殊传导性；l 构成了心脏的起搏传导系统。Cardiac conduction system45Rhythmic cell and Contractile cell461. 1. 传导

28、途径传导途径 窦房结窦房结 结间束结间束 房间束房间束（优势传导通路）（优势传导通路） 房室交界房室交界 心房肌心房肌 房室束房室束 左、右束支左、右束支 浦肯野纤维浦肯野纤维 心室肌心室肌Cardiac conduction system4748The P-wave shows the hearts upper chambers (atria) contracting (depol.)The QRS complex shows the hearts lower chambers (ventricles) contracting The T-wave shows the hearts lowe

29、r chambers (ventricles) relaxing (repol.)The U-wave believed to be due repolarization of ventricular papillary muscles.ECG (Electrocardiogram )49 ECG心电图典型波形心电图典型波形50Standard Lead I 导联 左上肢LA (+) vs. 右上肢RA (-) II导联 右上肢RA (-) vs. 左下肢LL (+) III导联 左上肢LA (-) vs. 左下肢LL (+)51Standard Lead The Einthoven limb

30、 leads (standard leads) are defined in the following way: Lead I: VI = VL - VR Lead II: VII = VF VRLead III: VIII = VF - VL According to Kirchhoffs law these lead voltages have the following relationship: VI + VIII = VII hence only two of these three leads are independent. 52(A) The circuit of the W

31、ilson central terminal (CT).(B) The location of the Wilson central terminal in the image space (CT). It is located in the center of the Einthoven triangle.Unipolar Measurements单极肢体导联FFCTRRCTLLCTVVVVVVVVVFrank N Wilson (1890-1952)53Show that the voltage in lead aVR is 50% greater than that in lead VR

32、 at the same instant.2321;21)2(),1 ()2( ;0) 1 ( ;222, 2/ )(RVVRVVRVVVRaVRVVRRVVVRaVRVRVVRVLVFVFVLVRVVVVVLVFLVFVVLVFVVVLLVVVFFVWWCWCWCWCWCWW，且得出：由54Typical impedance values:1.放大器输入阻抗：10 M2. 人体手指到肩部阻抗：4003. 躯干阻抗：204.皮肤电极之间的阻抗：几百几十KInterference from electric devicesDisplacement circuit from powerline t

33、o leadlines55ECG level： 50V - 5 mVEEG level： 10 - 300 V Interference from electric devicesDisplacement circuit from powerline to leadlines56Interference from electric devicesDisplacement circuit from powerline to leadlinesMinimizing the interference by:1. Shielding leadline2. Grounding every shield

34、in ECG3. Lowering the skin impedances 4. Z1 = Z25. Increasing Zin57Driven-right-leg circuit58Driven-right-leg circuit59l Summing the currents at the negative input of the op amp, we getThus, substituting (E6.2) into (E6.3) yieldsDriven-right-leg circuit60对比P.260 (6.7)， Vcm = 10 mVDriven-right-leg ci

35、rcuit61两种诱发电位的比较两种诱发电位的比较定义定义意义意义非特异性诱非特异性诱发电位发电位给予不同刺激时产给予不同刺激时产生的反应相同生的反应相同.该电该电位幅度比较高位幅度比较高.没有任何特定意义没有任何特定意义,在临床诊断中不具在临床诊断中不具有诊断价值有诊断价值.特异性诱发特异性诱发电位电位给予刺激后经过一给予刺激后经过一定的潜伏期，在脑定的潜伏期，在脑的特定区域出现的的特定区域出现的电位反应与刺激信电位反应与刺激信号之间有严格的时号之间有严格的时间关系间关系.电位幅值较电位幅值较小小,完全淹没在自发完全淹没在自发脑电信号中脑电信号中.电位的形成与特定电位的形成与特定的刺激之间有

36、严格的刺激之间有严格的对应关系的对应关系,可以反可以反映神经系统的功能映神经系统的功能与病变与病变,在临床上具在临床上具有诊断价值有诊断价值.诱发电位诱发电位62诱发试验诱发试验“事件相关电位事件相关电位”（event-related potential, ERP）是一种特殊的诱发电位，通过有意地赋予刺激以特殊的心理意义，利用多个或多样的刺激所引起的脑的电位。它反映了认知过程中大脑的神经电生理的变化，也被称为认知电位，也就是指当人们对某课题进行认知加工时，从头颅表面记录到的脑电位。63医学仪器Chapter 7- Blood Pressure 64Blood pressure measurem

37、ent Direct measurement (invasive,high accurate) Indirect measurement (noninvasive,low accurate) 65Indirect measurements of BPAuscultatory Method Auscultation: the act of listening, either directly or through a stethoscope or other instrument, to sounds within the body. This method is based on the fa

38、ct that pulse waves when first propagate through the brachial artery, generate Korotkoff sounds.66Indirect measurements of BPAuscultatory Method67Automated BP measurement method 1Microphone pick up Korotkoff sound Inflateds and deflates an cuff at a certain rate must be automatically finished Microp

39、hone replaces the stethoscope Microprocessor is uesed in the systemBlood pressure measurement68The oscillometric method(示波法示波法) the observation of oscillations of blood flow during the pulsation. It uses a sphygmomanometer cuff, like the auscultatory method, but with pressure sensor (transducer) to

40、observe cuff pressure oscillations The pressure sensor (within the inflated cuff) detects the pulsation of the artery wall as a pressure vibration. The interpretation of these small vibrations amplitude provide the blood pressure value. 69The oscillometric method(示波法示波法)OmOsOd370示波法血压判定方法示波法血压判定方法固定

41、比率计算法 幅度最大处为平均压 收缩压和舒张压根据经验公式计算突变点方法 对脉搏波包络微分，确定舒张压、收缩压和平均压8 . 0OdOs75. 0OmOsThe oscillometric method(示波法示波法)71医学仪器Optical Molecular ImagingBioluminescence imaging(BLI)Fluorescence imaging(FI)72Molecular ImagingHighly specific imaging probes Sensitive imaging system73Molecular Imaging优势： 更深入细胞分子水平 更

42、早解剖结构改变前74Molecular Imaging应用领域： 肿瘤检测 药物研发 基因表达75 生物发光生物发光现象是生物体内的化学反应将化学能转化为光能而发光的现象Bioluminescence76荧光素酶报告基因实验流程制备含有萤光素酶基因的DNA转染提供刺激测量萤光调节序列Luc报告基因载体报告基因检测Bioluminescence Mark77Bioluminescence Imaging优点：在体无创伤高特异性高灵敏度，最低检测100多细胞无电离辐射系统简单，操作方便成本低廉781.GFP1.GFP的光谱特性的光谱特性 最大激发波长 460-490 nm发射波长 500-550

43、nmGFPGFP的特性的特性2.GFP2.GFP的分子量小（的分子量小（27kDa27kDa） 当与其它蛋白组成融合蛋白 时，不影响结合蛋白的功能GFPGFP的优点的优点1.可溶性蛋白，性质稳定2.荧光强，易加工到其它蛋白质序列上3.无进入细胞问题，标记可靠4.表达GFP融合物的细胞，可在生活状态下进行实验和检测5.对细胞无毒Fluorescence Probe79医学仪器Medical Imaging X-ray Imaging X-ray Imaging 801. X射线的波粒二象性射线的波粒二象性X射线同时具有波动性和微粒性，统称为波粒二象性射线同时具有波动性和微粒性，统称为波粒二象性 。X射线在传播时，它的波动性占主导地位，具有频率和射线在传播时，它的波动性占主导地位，具有频率和波长，