生物医学电磁学课件

1、第10章 生物医学电磁学基础10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因10.2 生物电磁现象及其产生机理10.3 生物医学电磁效应10.4 生物医学电磁信号的特点10.5 生物医学电磁逆问题返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因10.1.1生物电学生物电学研究生物和人体的电学特征. 即生物电活动规律. 它是一门边缘科学. 生物电学的研究成果是深入认识人体生理活动规律和病理、药理机制的基础之一. 同时也不断为医学临床诊断与治疗提供新的方法和技术开发的理论基础和定量数据. 目前. 在各种学科协作、交叉和融合基础上. 该学科一方面对生物电产生机制和活动规律的研究已深入到生物大分子水平. 另一方面

2、. 该学科在临床医学应用上正日益深入指导和引导着更多的新技术和新仪器的开发. 生物电学的应用十分广泛.下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因10.1.2生物磁学生物磁学() 作为生物学和磁学相互渗透的边缘学科. 研究生命物质的磁性、生物磁现象和生命活动过程中的结构功能关系. 以及外磁场对生物体磁的影响. 是生物物理学的分支. 研究生物磁学. 可以获得有关生物大分子、细胞、组织和器官结构与功能关系的信息. 了解生命活动中物质输运、能量转换和信息传递过程中生物磁性的表现、作用和应用. 生物磁学研究与物理学、生物学、心理学、生理学和医学等有密切关系. 且在工农业生产、医学诊断和治疗、健康

3、监护、环境保护、生物工程以及军事等方面有广阔应用前景.上一页下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因10.1.3生物电磁学生物电磁学是研究非电离辐射电磁波(场) 与生物系统不同层次的相互作用规律及其应用的边缘学科. 主要涉及电磁场与微波技术和生物学. 其意义在于开发电磁能在医学、生物学方面的应用以及对电磁环境进行评价和防护.生物电磁学的研究内容主要包括以下 个方面:() 电磁场(波) 的生物学效应: 研究在电磁场(波) 作用下生物系统产生了什么.() 生物学效应机理: 研究在电磁场(波) 作用下会产生什么.上一页下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因() 生物电磁剂量学:

4、 研究在不同条件下会产生什么.() 生物组织的电磁特性: 研究在电磁场(波) 作用下产生什么的生物学本质.() 生物学效应的作用: 研究产生的效应做什么和如何做.() 生物电磁效应的应用: 如何合理利用生物电磁学效应. 为人类生产、生活服务.生物电磁学与工程电磁场与微波技术的不同主要体现为:() 工程电磁场与微波技术的作用对象是具有个体差异的生命物质.() 工程电磁场与微波技术作用的对象是根据人为需要而选取的. 进而进行加工的电磁媒质或单元. 而生物电磁学的作用要让测量系统服从于作用对象.上一页下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因. .生物医学电磁学本书给出生物医学电磁学的定义如

5、下:生物医学电磁学是一门边缘科学. 它综合和融合生物电学、生物磁学、生物电磁学等多门学科. 用电磁学理论和方法研究生物体及其与外加电磁场的相互作用. 其主要内容包括两个方面: 生物体自发电磁现象的性质(产生机制、理化性质和时空变化规律). 电磁场的生物效应及其规律和应用. 也即是说. 生物医学电磁学是利用电磁学的理论和技术、工程方法. 研究生物体自发电磁现象产生的内部机制. 上一页下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因以及外加电场、磁场和电磁场、电磁波与生物体相互作用的机理、特性、规律、效应. 以及对这些效应和规律合理地利用、应用的边缘学科. 它与生理学、心理学、生物物理学、生物学

6、、医学各学科等均有不同程度的交叉与结合. 特别是对生理电信号(心电信号、肌电信号、脑电信号和胃肠电信号)、磁信号、光信号和声波振动等的检测和提取. 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.10.1.5生物医学电子学上一页下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因生物医学电磁学是生物医学工程学科的一个分支. 属于生物医学电子学的范畴. 生物医学电子学( ). 是应用电子学科各门理论技术和工程方法解决生物医学中的问题. 以生命体本身的特殊性为出发点来研究生物医学各个方面具体问题的科学.生物医学电子学有相近或相似的名称. 如生物电子学()、生

7、物工程()、生物医学工程( ) 等. 它们互相包含. 相互交叉. 很多时候、很多文献和作者几乎把它们混为一谈. 不严加区分.上一页下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因 因为它们的主要研究内容都涉及电子信息科学技术和生物医学科学的交叉领域. 其基础和应用研究主要在以下几个方面集中涉及生物医学电磁学内容.生物医学信息检测生物医学信息检测是对携带有生物结构和特性信息的化学量、物理量(电磁量、机械量等) 进行检测的方法. 以及所需传感器件和系统的研究.特别是对生理电信号(心电信号、肌电信号、脑电信号和胃肠电信号)、磁信号、光信号和声波振动等的检测和提取. 生物医学测量是对生物体中包含的生

8、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.上一页下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因是一种最基础性的重要技术. 其应用领域包括: 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. 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. 必须直接或间接应用生物医学测量技术。生物医学测量具有多种显著特点: 生命系统的多变量特性. 强噪声背景中微弱(往往还是同频) 信号的检测与提取. 被测对象具有闭环特性(生命体具有精确的自动调节能力). 测量结果会受被测对象的生理和心理因素的影响(活动、运动对测量的影响. 多

9、种原因导致血糖浓度降低从而影响生理和心理等). 测量过程受测量本身影响比较严重. 有时候不可忽略. 被测对象的安全性问题. 新方法建立与评估的困难(建模困难). 适用性问题以及重复性必须仔细考虑和处理的问题等.上一页下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因. 生物医学信号和信息的处理生物医学信号和信息的处理是指应用并发展信息处理的基本理论. 根据生物医学信号的特点. 对所采集的生物医学信号、信息进行分析、分辨、识别、提取、解释、分类、显示、存储和传输. 其目的一是对生物体系结构与功能的研究. 二是对疾病进行辅助诊断和治疗.或进行健康监护.这方面除了涉及微弱信号的动态提取及自适应处理、

10、高阶统计信号处理等现代信号处理方法外. 还涉及电磁场的一个重要研究领域电磁逆问题. 比如生理(多道) 电磁信号反演及其同步表述. 如心电和心磁(脑电、脑磁) 信号、计算机断层成像、核磁共振等.上一页下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因. 生物系统的建模与仿真建模和仿真是事物之间相似性的运用. 建模根据一些先验知识和实验数据、工程技术方法及手段构造相应生物系统的数学模型. 仿真是指利用计算机对所构建的数学模型. 在给定初始条件、边界关系及其他约束条件的情况下. 求出解答并显示其结果. 包括人机功能学、人工智能、机器视觉和人工神经网络的研究等都是如此. 研究生物系统. 对生物医学的建

11、模、电磁仿真软件的研究、开发和运用成为必然的途径和手段.上一页下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因. 电磁场与生物物质的相互作用及影响这方面研究包括从辐射源(声、光、电磁) 沿介质到生物目标的传播、散射、能量转换和相互作用的微观过程和机理. 以及辐射场和生物物质作用以后所产生的生物物理、生物化学. 以及动物心理、遗传特性的变化. 主要包括: 对场在生物媒质中传播特性的理论计算. 细胞和生物组织介质电特性的测量. 生物效应的研究. 电磁场(包括射频微波、强电磁脉冲、高空核电磁脉冲等) 对生理和心理的影响. 如对中枢神经系统、癌变和遗传变异的影响等. 磁生物效应的研究. 电磁波治疗机

12、理和波谱特性的研究等.上一页下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因. 生物医学仪器现代生物医学的进步越来越依赖于生物医学仪器. 也在多方面体现为医学仪器的进步.无论从社会和经济效益考虑. 医学治疗、诊断、监护、模拟仿真研究和医疗系统管理仪器、设备的研究和发展都非常重要. 包括影像诊断仪. 如核磁共振仪等. 监护仪器. 其发展趋势是高性能传感器和信号处理器在系统层次的结合. 构成智能传感器. 包括植入式机器人、介入式电极、可穿戴传感器等. 以实现小型化、集成化、可视化、网络化、自动化、智能化和长时期实时监护. 康复和保健器械. 如心脏起搏器、电子耳蜗等.上一页下一页返回10.1 生物

13、医学电磁学概念及其发展动因. 生物医学传感器及材料生物医学信号检测、成像等. 都离不开传感器. 传感器的地位不言而喻. 此处不赘述.重点强调: 新型生物医学传感器在很大程度上依赖于新型生物医学材料的研究成功及运用.而对这些具有特定用途和性能的功能材料的研究. 无不涉及其电磁特性. 包括对人体功能材料、仿生功能材料的研究、开发和应用. 材料电磁特性的研究成果用于人体器官、组织代换. 对救死扶伤具有极大的现实意义和广阔的前景.上一页下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因从以上几个方面看出. 生物医学电子学的主要组成部分. 以及其主要研究内容. 是与生物医学电磁学相关的. 生物医学电子学

14、研究的内容更加广泛. 涵盖领域更多. 学科门类更复杂. 生物医学电磁学研究的内容则更加微观: 主要是生物医学电磁现象、生物医学电磁效应以及它们的应用.10.1.6生物医学电磁学的发展动因生物医学电磁学的发展有 个方面的动因:上一页下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因() 对生物体生命活动过程及其进化本质的深入探索的需要. 生物电磁学是揭示人类生命活动过程不可缺少的一门学科. 对掌握人类以及生物体生命活动、进化的本质. 进一步揭示和掌握人类的生理、心理活动深层的、本质的规律. 对人类自身发展、人工智能、仿生学均有重大科学和实践意义.() 生物医学自身发展完善的需要. 生物体特别是人

15、类疾病谱的变化对生物电磁学研究提出了新的要求. 研究生物医学电磁学. 提供定量的医学诊断和治疗数据. 不仅具有深远的社会和经济效益. 也极具科学价值.上一页下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因() 电磁环境复杂化对生物电磁学提出了挑战. 平时的射频微波辐射、战时的电磁脉冲防护都需要生物电磁学给出定量的实验数据以及其他研究结论、结果作为制定标准的依据. 或者攻防武器的基准. 脑控与反脑控技术、利用电磁效应进行的生理摧残与防护等. 都需要生物医学电磁学的研究成果.() 人体通信及体域网的发展要求对生物医学电磁现象和电磁效应给予基础理论支撑.() 人机医学、人工智能开发和利用需要生物医

16、学电磁学的突破性进展及支撑. 特别是新的医学成像诊断、治疗、健康护理技术以及仪器设备的研发. 需要生物电磁效应等的研究结果作为基础数据.上一页下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因() 人类活动空间的拓展、走向太空的梦想要求生物电磁学解决未知问题.() 磁辐射剂量、限值的确定. 相关标准的制定. 需要生物医学电磁学的研究成果作为支撑.() 新的生物医学测量手段、方法和仪器的研发. 需要对生物医学电磁现象、外部电磁场与生物体的相互作用、生物医学电磁效应进行深入的基础研究. 包括自然灾害以及事故现场生命搜救仪器和设备的研发.上一页返回.生物电磁现象及其产生机10.2.1生物电现象及其本

17、质(一) 定义生物电. 指生物的器官、组织和细胞在生命活动过程中发生的电位及其变化. 生物电的本质是由于生物体内部的带电粒子数量、极性、所处位置发生变化引起的电磁场变化. 它是生物活组织的一个基本特征. 体现生命活动过程中的一类物理、物理 化学变化过程和结果. 生物电包括生物体内产生的各种电位或电流. 如细胞膜电位、静息电位、动作电位. 以及心电、脑电、肌电等. 简言之. 生物电是生物体所呈现的电现象. 下一页返回.生物电磁现象及其产生机人体生命过程中的新陈代谢及一切活动都产生电. 心电是心脏跳动产生的电波. 脑电是大脑活动产生的电波. 电生理学发现人体横膈肌及其动作神经能产生较大的肌电. 形

18、成人体内的发电机. 仿生学研究发现. 最小的细菌消耗葡萄糖而产生电.人体任何一个细微的活动都与生物电有关. 人体某一部位受到刺激后. 感觉器官就会产生兴奋. 就是生物电. 感官和大脑之间的刺激 反应主要通过生物电传导来实现. 心脏跳动时产生 的电压. 眼睛开闭产生 电压. 读书或思考问题时大脑产生. 电压. 正常人的心脏、肌肉、视网膜、大脑等的生物电变化都是很有规律的. 这是心电图、肌电图、视网膜电图、脑电图等医学仪器的物理基础.上一页下一页返回.生物电磁现象及其产生机自然界其他动物也有生物电现象. 有的生物电流、电压还相当大. 在一些大洋沿岸. 一种体形较大叫作军舰鸟的海鸟. 它有着高超的飞

19、行技术. 能在飞鱼落水前的一刹那叼住它.从不失手. 经过 多年研究. 科学家发现军舰鸟的电细胞非常发达: 视网膜与脑细胞组织构成了一套功能齐全的生物电路. 是一种比人类现有的任何雷达都要先进百倍的生物雷达.它的脑细胞组织则是一部无与伦比的生物电脑. 因此有上述绝技.(二) 生物电与一般电的区别和联系生物电与一般意义上电的不同特点是:第一. 形成生物电的最基本单元的带电粒子分布在生物体中的不同坐标位置. 从而导致生物电有三维空间概念. 通常是各向异性的.上一页下一页返回.生物电磁现象及其产生机第二. 生物体内的导电特性因随生物体内的生物化学和物理变化而变化. 而这些变化是跟时间有关的. 从而导致

20、生物体内电(磁) 特性以及电(磁) 场的复杂时变特性.第三. 采用通常的测量电的方法测量生物电. 具有可重复性差. 甚至不可重复性. 同时. 测量系统、测量方法对被测体参数的影响必须考虑. 一般不可忽略. 对测量数据、结果需要进行适当的必要修正.但是. 从电的本质及其作用规律上来说. 生物电与普通电二者没有区别. 因此. 电(磁) 学、电磁场和电磁波理论的基本原理、定理、法则和规律等. 宏观上对生物电同样适用. 这是生物医学电磁学研究的前提条件.上一页下一页返回.生物电磁现象及其产生机(三) 生物组织的介电特性生物体是一种复杂电介质. 其结构组成呈多元化. 有体液、脂肪、肌肉、骨骼、气腔等.

21、形态上是一种非平衡态介质. 其电磁参数随时间、温度、血流等生理因素变化. 甚至随心理因素变化. 因此从物理角度看. 生物体是一种具有各向异性的有耗非均匀时变、同时具有旋波性的复合介质.因此除了导电特性. 生物组织还具有介电性质. 这是由于生物组织中含有大量带电荷的离子及各种极性分子. 外电场会导致这些电荷离子和极性分子的某种运动. 表现出生物组织的极化现象. 对于生物体. 因新陈代谢作用. 介质处于一种非平衡态. 因此电磁波(特别是微波) 与生物体的作用远比与普通介质的作用复杂. 影响因素也多。上一页下一页返回.生物电磁现象及其产生机生物组织介电特性是指生物分子中的束缚电荷(只能在分子线度范围

22、内运动的电荷)对外加电场的响应特性. 电介质在电场中的一个重要特征是介质的极化现象. 与普通介质一样. 表征生物组织介质极化程度的参量是生物组织的介电常数. 介电常数是电介质固有的一种物理属性. 可表示电介质存储电场能量的能力. 反映该电介质提高电容器电容量的能力.与生物组织电导率一样. 生物组织的介电常数和外场频率相关. 即具有色散性质. 有时候也叫作频散现象.上一页下一页返回.生物电磁现象及其产生机10.2.2 生物磁和生物磁现象任何物质都有或强或弱的磁性. 生物体也不例外. 同时. 生物体也有电磁辐射. 对生物大分子的广泛研究得知. 大多数生物大分子是各向异性反磁性的. 少数为顺磁性.

23、极少数呈铁磁性. 正常人体组织是非磁性的. 磁化率小. 没有剩余的磁矩.人体磁场的来源主要有:上一页下一页返回.生物电磁现象及其产生机() 生物电流产生的磁场. 由于人体在生理活动中. 体内带电离子发生流动. 因而形成了生物电流. 如脑电流、心电流、肌电流等. 因此人体神经器官和组织的活动往往伴随着微弱的生物电流. 这些电流产生磁场. 电活动导致新陈代谢、能量与物质交换、信息传递、电子离子转运、大脑调控、肌肉运动、心脏活动、动作电位等. 生物电导致磁场产生.() 由生物磁性材料产生的感应磁场. 组成人活体的物质具有一定磁性. 称为生物磁性材料. 在地磁场或外界磁场的作用下就会产生出微弱的磁矩.

24、 产生感应磁场.上一页下一页返回.生物电磁现象及其产生机() 侵入人体内的强磁性物质产生的剩余磁场. 体内强磁物质(主要是四氧化三铁、肺部和胃肠吸入的粉尘等) 磁化能使生物体对磁场有敏锐的反应. 在外加磁场作用下被磁化. 外加磁场去掉后也有剩余磁场产生.() 人体本身产生的磁场. 生化反应过程形成的自由基. 以及生物组织的旋波性. 产生顺磁性物质. 实验表明. 普通人的经络及穴位点也可测出磁性. 但一般人体自身磁性活动所表现出来的磁场强度都很微弱.上一页返回.生物医学电磁效应10.3.1非线性效应一个微弱的电磁场作用于生物体后. 可激发出较强大的响应. 体现出非线性特点. 与普通无生命的导体、

25、绝缘体及半导体不同. 生命体系是个开放的耗散结构. 而且正常情况下是一个自治的系统. 新陈代谢的能量不仅使生命维持在非平衡态. 也赋予了系统中有序结构的相干性和协同性. 电磁辐射起初始触发作用. 触发生物体系自身的特定活动结构和运动机制. 使生命体有序而协作地引起非线性的响应. 人体中的神经系统、内分泌系统及免疫系统中都有这类非线性响应. 非线性效应的几个重要表现如下.下一页返回.生物医学电磁效应() 场型效应: 不同场型引起的生物医学效应不同. 比如恒定磁场生效慢. 同样强度交变磁场则生效快等.() 矢量效应: 电磁场强度及其梯度都是具有大小和方向的矢量. 矢量不同. 生物效应亦不同.()

26、滞后效应: 电磁场作用于生命体后. 需要经过一定时间才能产生效应. 而去掉外场后. 在生命体中产生的效应则能滞留一定时间.() 积累效应: 一定的电磁场强度及其梯度. 当作用时间、次数达到一定的标准值时.才能产生效应. 这个由量变到质变的过程. 即是积累效应. 对于磁场. 积累效应的剂量是磁场强度 或磁场梯度 / 与时间 的乘积.上一页下一页返回.生物医学电磁效应() 层次效应: 从生物大分子、细胞、组织、器官、系统以及整体. 每一层次的人体组织与体表的距离不同. 比如各内脏组织与体表有不同距离. 造成人体组织结构具有明显的层次特点. 因而外场作用具有层次性.10.3.2热效应和非热效应电磁波

27、辐射生物系统. 会引起生物系统结构、功能等方面的改变. 称为电磁波的生物学效应. 如果该效应与生物系统吸收电磁波能量后产生的温度升高有关. 就称为热效应. 否则. 产生的效应与这种温度升高无关. 就称为非热效应.上一页下一页返回.生物医学电磁效应电磁辐射被吸收后. 强度和方向快速变化的电磁场使生物体内分子的偶极子振动甚至重新取向. 并与周围介质分子(粒子) 碰撞摩擦而产生热. 电磁辐射的热效应的特点是线性特性. 系统产热量正比于场强的平方. 这种热效应与其他的加热方式等效.非热效应的特点是相干性、窗特性、协同性、非线性和阈值性.10.3.3窗效应生物学非热效应的能源是生物系统自身的新陈代谢能.

28、 外界的电磁波仅起触发作用. 窗效应是电磁波生物学非热效应的典型代表. 窗效应又分为频率窗和强度(或功率密度) 窗效应. 此外还有作用时间窗特性.上一页下一页返回.生物医学电磁效应频率窗效应指在某一频段内. 只有某些离散的、频率区间极窄的电磁波才能产生的生物学效应. 频率窗较容易理解: 这是周期振幅的电磁场的频率. 跟生物电介质中电荷的本征频率耦合而产生的共振吸收. 而强度窗效应指在某一功率密度范围内. 只有某些离散的、功率密度区间极窄的电磁波才能产生的生物学效应.在由正弦振幅调制的高频电磁载波产生的窗效应中. 频率窗只体现在调制波的频率上.而不体现在载波频率上. 而且这种情况下的窗频率与单一

29、的极低频电磁波的窗频率是相同的. 这就是人们从早期采用正弦振幅调制的高频电磁波研究转为只采用单一的极低频电磁波研究的原因. 研究资料初步表明. 频率窗的分布规律为 ( ). 式中. ， ， 为第 个窗频率.上一页下一页返回.生物医学电磁效应 为基频. 即频率窗按基频的奇数倍分布. 这一分布规律和递推关系至少在 范围内是正确的. 基频 . 窗效应是电磁波频率和强度的二元函数. 即使在某个频率(强度) 上产生了生物学频率(强度) 窗效应. 但只要强度(频率) 偏离原来的值. 频率(强度) 窗效应将随之消失. 由于生物学窗效应多在低强度电磁波照射条件下发生. 窗效应(非热效应) 的能量不是直接来源于

30、电磁波. 而是来源于电磁波触发的生物系统的新陈代谢能. 这种情况下生物系统利用的是电磁波携带的信息. 而不像热效应那样利用的是电磁波携带的能量.上一页下一页返回.生物医学电磁效应10.3.4极低频生物电磁效应近年来. 除对微波效应的探索外. 相当多研究工作聚焦在 (包括调制频率)极低频电磁场的生物效应方面. 极低频电磁场之所以能够产生显著的生物效应. 有其客观的生理和物理基础.() 心电、脑电和肌电及产生的磁. 其节律都落在此范围内. 容易产生相干的和协同的频率效应.上一页下一页返回.生物医学电磁效应() 大气层中电离层和导电的大地之间形成了电磁辐射的谐振腔. 此谐振腔两壁间距为 . 尺度巨大

31、. 只对极低频长波辐射产生共振. 像地球上随时随地出现的雷电所形成的 场. 还有来源于太阳的极低频辐射场等. 都在此谐振腔内强烈共振. 构成了地球上极低频电磁场的大环境.() 大多数电力设备的电磁场都处于这个频率范围内. 比如 的工频. 而且随着社会发展. 其强度急剧增长. 远超过生物变异适应的速度. 在相当一段时期内. 生命体如果长期处于这类强发射源附近. 恐怕会以应激的甚至病态的反应做出应答. 这是我们应当警惕的. 即便是极低频调制的辐射. 也不应忽视.上一页下一页返回.生物医学电磁效应有研究表明. 在生命起源、形成、发展过程中. 地磁环境起了重要作用. 地球周围低频电磁场有两个主要的源泉

32、: 一个是雷电活动产生的 场(. / ). 另一个是太阳产生的极低频() 辐射场. 经大量太阳黑子多年的活动. 其场强已达. / .此外. 还有其他效应. 如发育效应和遗传效应、力学效应和化学效应等.10.3.5天线效应上一页下一页返回.生物医学电磁效应有研究指出. 而且也可以非常直观地理解到: 人体肢体端. 尤其细长的手指. 可作为辐射或接收电磁波的生物天线. 而插入人体的银针. 在与电磁波的耦合中要比手指更为敏感.虽然已有通过银针天线的作用进行治疗的例子. 但是能收集到的这种案例太少. 有待于进一步认真、深入地研究.上一页返回.生物医学电磁信号的特点从生物医学电磁信号来源来分可分为主动信号

33、(直接信号) 和被动信号(间接信号).直接信号由生命体自身产生. 如心电、脑电等. 间接信号是对生命系统施加特定的输入. 再接收或测量其响应而得到的信号. 根据响应信号可以计算出生命体系统的静态或动态参数.间接信号又分为遥测型和遥感型两种. 遥测型发射源在体外. 如 超、 射线摄影装置. 诱发响应信号等也是一种被动信号. 遥感型的发射源在体内. 如单光子发射. 无论直接信号还是间接信号检测器都在体外.由于生物医学电磁效应复杂. 因此生物医学电磁信号具有许多特点.下一页返回.生物医学电磁信号的特点. 微弱性生物医学电磁信号一般极其微弱. 通常为、 量级. 如从母体腹部取到的胎儿心电信号仅为 .

34、脑干听觉诱发响应信号小于 . 自发脑电信号为 . 体表心电信号相对较大. 最大可达 . 除了自身很微弱外. 生物医学电磁信号的微弱性一个典型表现是淹没在强大的同频背景噪声中. 背景噪声源多. 干扰信号幅度和能量较大. 且干扰信号与有用信号频带重复、交叠. 人体目标很大. 结构不规则. 而且要活动. 很容易受到干扰. 加之人体自身各种生物电磁信号相互干扰. 所以难以屏蔽. 这些干扰按照场的性质主要有电场干扰、磁场干扰、电磁场干扰等.上一页下一页返回.生物医学电磁信号的特点 电场干扰最常见的是 工频干扰. 磁场干扰如变压器、电动机和荧光灯的镇流器周围产生的交流磁场等. 电磁场干扰主要是空中的电磁波

35、. 通过测量系统与人体连接的导线引入的高频电磁场干扰. 干扰从来源分. 主要有生命体自身电、磁场的干扰. 测量系统的内部噪声. 外界干扰. 其他电子电器、电气设备的干扰. 静电、雷电干扰. 空间电波辐射干扰等. 生物医学电磁信号总是淹没在这些背景噪声中. 如电生理信号总是伴随着由于肢体动作、精神紧张等带来的干扰而产生假象. 而且常混有较强的工频干扰. 诱发脑电信号中总是伴随着较强的自发脑电等伪迹.上一页下一页返回.生物医学电磁信号的特点 从母腹取到的胎儿心电信号常被较强的母亲心电所淹没.超声回波信号中往往伴随其他反射杂波. 此外. 由于某些环境条件变化如意外机械振动而引起生物体电磁信号突然变化

36、. 亦造成干扰. 低频性生物医学电磁信号的低频性是指其频率较低. 而且频带较窄. 生物医学电磁直接信号除心音、肌电、神经电位信号频谱成分稍高、频带较宽外. 其他电生理信号频率一般较低. 且频带较窄. 如胃电信号频率一般为. . 心电的频谱为. . 脑电的频谱分布在 . 生物电磁信号的频率普遍较低. 但是. 生物医学电磁间接信号的频率一般处于兆赫兹范围甚至更高. 比如微波成像设备的工作频率最低也为 .上一页下一页返回.生物医学电磁信号的特点. 随机性生物医学电磁信号随机性很强. 而且是非线性、非高斯、非平稳的. 具有多变性. 同一个人在不同时刻、不同环境条件、不同状态(姿态、心态、情绪等) 其信

37、号均可能很不相同. 有着高度的动态性或不可重复性. 以及不稳定性. 如由于精神紧张. 心电畸变. 血压升高. 绝大多数电磁信号无法只用几个参数就可完全描述. 具有很大的变化性. 如果产生信号的生理过程处于动态. 描述该信号的参数也会不断变化.上一页下一页返回.生物医学电磁信号的特点. 调制特性多种不同幅度、频率和相位的信号交织在一起. 产生乘法作用. 使解调困难. 相对于加性噪声中的有用信号提取而言. 生物医学电磁信号的这种调制特性使得有用信号的提取更加复杂. 分形性和混沌性分形性是指生物医学电磁信号具有相似性. 而混沌性指不能准确预测其未来值的确定性信号. 典型的分形信号有心率信号、血管分支

38、信号等. 生物化学的调控过程、脑电活动等具有混沌特性.上一页下一页返回.生物医学电磁信号的特点. 分层特性和各向异性特点任何一种生物组织. 从生物大分子、细胞、组织、器官、系统以及整体. 具有明显的层次性. 且每一层次的电磁场分布都是不均匀、不连续的. 并且具有各向异性特点. 因而其电磁效应和电磁信号随层次不同而不同. 且随方向不同而不同. 即使是同一生物组织. 其不同部位也有不同的宏观结构以及不同的微观构造. 所以在结构上往往有内外层次之分. 通常均表现出层状分布的结构特点. 在这些不同层次的组织中. 其力学性能、电磁参数、电化学特性均不相同. 正是由于不同生物组织有着不同的力学特性. 有着

39、不同的层次结构. 所以通过高应力、高应变速率或高温下的热应力. 上一页下一页返回.生物医学电磁信号的特点可使不同组织按其自然尺度实现分割、剥离. 也正因为存在着层状结构的不同组织. 才使得力学、电磁学和电化学作用(信息) 可能有不同的传递方式. 色散特性生物组织具有色散特性. 生物组织作为电介质. 在外场作用下要发生极化. 极化意味着物质的移动. 由于这种移动并不总能瞬时地跟随电场变化. 因此表现出损耗. 随交变电场频率的增加. 束缚偶极子的产生越来越少. 固有偶极子也更难及时取向. 从而表现出介质色散特性. 色散指与电偶极子或偶电层松弛有关的以介电损耗表征的电磁特性. 上一页下一页返回.生物

40、医学电磁信号的特点. 生物医学电信号与磁信号不同生物医学电信号和磁信号产生机制不同. 表现形式不同. 因而测量方法和手段、结果也不尽相同.() 生物磁场的探测可以不与生物体直接接触. 这可以避免与被测对象接触而引起的电磁干扰.() 生物电测量的电位变化. 基本为大范围电活动的综合表现. 而生物磁场的测量在探头尺寸允许的精度内. 可以分辨到 尺度的电磁变化.() 生物电测量只能得到相对的电位变化信号. 生物磁场测量则可以得到交变和恒定的磁场数值.上一页下一页返回.生物医学电磁信号的特点() 生物系统的生理特点决定了其电参数如电导率会随温度变化而变化. 生物大分子的电导率服从 规律式中. 为活化能

41、. 相当于导带与满带之间的能隙值(禁带宽度). 为玻尔兹曼常数. 为绝对温度. 为常数. 测量的不确定性() 遵循海森堡测不准原理.() 被测对象生理、心理变化造成的变异.上一页下一页返回.生物医学电磁信号的特点() 测量本身的刺激 反应特性需要有充分考虑而实际上很难兼顾. 通常现有的测量方法、手段和仪器都是忽略了这一点的.() 各种复杂生物电磁效应. 尤其是滞后效应、累积效应等. 需要有充分考虑. 但是技术上实现较为困难. 理论研究也有待深入.() 测量方法的局限性. 每种测量方法都有其各自的适用性和局限性.() 测量结果评估困难. 这是由于生命体和生命现象的复杂性以及目前生物医学工程各学科

42、的局限性使然. 先验理论、知识远远不足. 技术手段和方法远未完备. 生物组织电磁特性和参数及其分布与生物体的生理、病理关系有待进一步深入研究.上一页下一页返回.生物医学电磁信号的特点. 测量的安全性和限值特性生物医学测量的对象是生命体. 尤其是人体. 安全性首当其冲. 测量过程中需要防止各种电击的危害. 尤其是进行在体直接测量时. 极微小的电流( 级) 也有可能导致医疗事故. 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. 且要引起多种复杂的生理效应. 另外. 要求测量装置不能产生超过相关标准规定的电磁辐射(以及其他辐射) 限值. 满足电磁兼容性要求. 此外. 严禁排放

43、有毒的物质. 测量装置应与人体组织与血液有较好的生物相容性. 上一页下一页返回.生物医学电磁信号的特点对地磁场与电磁波辐射的安全限值及相关标准的制定. 以及生物医学电磁效应的研究已经成为电磁兼容学科的一个重要内容.生物医学信号的这些特点使得生物医学信号处理成为当代信号检测和处理技术最能够发挥其巨大作用的一个重要领域. 也是亟待攻克的理论技术难关之一.上一页返回.生物医学电磁逆问题10.5.1生物医学中的电磁逆问题. 生物医学电磁逆问题简介生物医学电磁信号检测的目的. 不是单纯得到一个、一组信号. 而是要通过这些信号.反演生物组织内部的结构和成分等信息. 以便于探索生命的本质. 掌握组织活动的规

44、律. 了解生理健康状况. 推断病变情况等. 这是所有医学测量设备尤其是成像设备与仪器的存在基础. 比如人体生物电(心电、脑电、胃电、肌电) 是体现人类生命活动的重要生理现象.测量和分析它们包含的各种信息. 是现代心脏以及其他疾病诊断技术的重要内容. 人体是一个自治的封闭电磁生态平衡体. 其心电等生物电活动是源于深植人体内部的电源体如心肌纤维产生的.下一页返回.生物医学电磁逆问题 从体表测量的心电等生物电信号是由众多的电源体在一个三维容积导体内形成的电流场. 由人体组织传导至表面的一种综合信号. 由这些信号反演生物组织内部特性. 从电磁场理论的角度来说. 就是电磁逆问题.从问题求解方法角度而言.

45、 现代生物电磁学理论研究通常可分为正向问题( ) 和逆问题( ) 两大类. 正向问题本质就是已知原因求结果. 逆问题则是已知结果反推原因. 如果 . 已知、. 求 为正问题. 而已知、. 由 求得 就是逆问题.上一页下一页返回.生物医学电磁逆问题在电磁理论中. 正逆问题描述如下:() 正向问题: 已知场源分布. 求解电场或磁场. 即已知电荷、电流分布. 求、 等.() 逆问题: 已知电场(或电位)、磁场分布. 反求场源. 即已知、 等.求电荷、电流分布. 生物医学电磁逆问题的求解方法) 建模上一页下一页返回.生物医学电磁逆问题求解生物医学电磁逆问题. 首先应建立正确、准确的物理和数学模型. 然

46、后再对该物理及数学模型进行分析、求解. 物理模型的典型就是阻抗模型. 已经成为阻抗测量和成像的依据. 此外. 还有层次模型等结构模型. 从数学角度而言. 生物医学电磁逆问题与一般电磁场逆问题一样. 可归结为非线性数学规划问题. 具体表述为:上一页下一页返回.生物医学电磁逆问题式中. 为设计变量个数. 为第 个设计变量. () 为目标函数. () 为约束条件.) 满足适定条件与一般数学物理逆问题一样. 生物医学电磁逆问题也是不适定问题. 要使得求解结果适定. 需要满足 个条件: 有解. 解唯一. 解连续依赖数据(稳定). 这就需要进行正则化处理.) 正交变换在生物医学电磁逆问题求解过程中.上一页

47、下一页返回.生物医学电磁逆问题 一般要根据不同的情况进行不同的正交变换. 比如傅里叶变换、离散余弦变换、 变换、 变换、 变换、 变换和小波变换等. 比如 技术就使用了 变换. 已知微分方程:在式( ) 中. 由 求() 是无解的.上一页下一页返回.生物医学电磁逆问题由图. 所示. 在给定区域内. 当 任意时. 由 (. ) 是可行的. 即式( ) 有解. 年. 解出了这个问题. 的理论基础就是 变换.关于 变换以及其他正交变换的详细内容请参阅相关文献. 这里不再赘述.) 现代统计方法研究表明. 用于生物医学电磁逆问题求解的现代统计方法很多. 比如贝叶斯方法、蒙特卡罗方法等. 然而绝大多数方法

48、都有局限性. 其中一个共性就是缺乏普适性. 这些方法中. 蒙特卡罗方法较为普遍使用.上一页下一页返回.生物医学电磁逆问题在求解生物医学电磁逆问题的任何一个阶段通过随机(或伪随机) 生成元. 这种方法称为蒙特卡罗反演方法. 使用蒙特卡罗方法能够求的完全非线性反演问题. 且不做任何线性化近似. 蒙特卡罗方法既能解决线性反演问题. 也能用来解决非线性反演问题. 既可以用来解决单参数反演问题. 还可用以解决多参数反演问题. 既能够用于一种数据的反演. 也可以用于多种数据的联合反演. 该方法的适应能力相当强. 而且计算方便、灵活. 概念清楚、简单.上一页下一页返回.生物医学电磁逆问题) 计算智能方法在当

49、今. 计算智能已经成为一门新兴的学科. 获得广泛而深入的应用. 它包括进化(演化) 算法(如遗传算法等)、种群算法(如蚁群算法、粒子群算法、蜂群算法、人群算法等)、神经网络算法、基因算法、量子算法等.) 重建算法生物医学电磁逆问题的本质就是根据测量数据重构生物组织内部结构、功能等信息. 而且一般用图像显示出来. 这个过程需要重建算法. 这些算法有很多种. 而且一般都具有特异性. 只针对具体问题和技术有其适应性. 而没有普适性.上述方法不仅限于其自身功能. 同时还兼顾解决适定性问题. 由此产生诸多正则化方法.上一页下一页返回.生物医学电磁逆问题10.5.2生物医学电磁学中的等效电路法生物电磁现象

50、的物质基础是生物组织. 生物组织同时具有导电和介电特性(参见生物组织频散特性). 具有电导率、电阻率、介电常数等电参数.生物组织的基本单元是细胞. 研究表明. 细胞膜是由脂类物质构成的. 生物细胞均具有细胞膜结构. 膜上脂类物质在电学上近乎绝缘. 其电阻率高达 . 但膜两侧的糖和蛋白质也往往有许多带电的离子基团. 并且与细胞内液和外液中的各种离子相互作用. 形成一定厚度的电荷层. 相当于一个电容器. 因此膜同时兼有电阻和电容的复合特性.上一页下一页返回.生物医学电磁逆问题在宏观上造成膜两侧某种特定的导电状态. 在直流或极低频率下. 细胞膜阻抗较内外液电阻高得多. 电流几乎不能进入胞内空间. 而

51、高频电流时. 膜阻抗相对很低. 细胞内外空间电流的分布简单地取决于内外液间的电阻大小. 膜的导电性质常用膜电阻 描述: . 为膜内外方向本征电阻率. 称为膜的比横向电阻(单位为 ). 细胞膜也具有电容性质. 单位面积膜电容的大小可由下式确定:式中. 为膜的介电常数. 为单位面积膜电容.上一页下一页返回.生物医学电磁逆问题因此细胞膜的电磁特性和参量可以等效为电路模型. 最为著名的模型是生物组织的电阻抗模型.如图. 所示. 即生物组织复阻抗 理论. 并且建立了生物组织的 三元件模型. 如图. 所示. 并且给出了如下的生物组织阻抗计算公式:上一页下一页返回.生物医学电磁逆问题式中. 表示复电阻抗.

52、表示直流电阻. 表示频率无穷大时的电阻. 表示散射系数. 表示工作频率. 表示复电阻抗虚部最大时所对应的频率. . / / .图中、和 分别为细胞内液电阻、血浆电阻和细胞膜电容。如图. 所示. 人体的阻抗一般可分为两种: 皮肤阻抗( ) 和人体内部阻抗( ). 人体总阻抗( ) 定义为皮肤阻抗( ) 与人体内部阻抗() 的向量和. 其中及代表人体任何两处皮肤阻抗. 代表人体内部的阻抗. 人体阻抗分为皮肤阻抗和人体内部阻抗的原因. 乃是因为这两种阻抗无论是阻抗值或特性均有很大的差异.上一页下一页返回.生物医学电磁逆问题) 皮肤阻抗人体的皮肤阻抗近似于一个电阻和一个电容并联的等效阻抗. 影响皮肤阻抗的因素很多. 如电压、频率、触电时间、接触面