医学电子仪器wiederholen课件

1、1Chapter 1Basic Concepts of Medical Instrumentation 1Chapter 1UnstableProbability NonlinearityCharacteristics of physiological signalHuman Body SystemCharacteristics of physiologic Bioelectrical SignalsCharacteristics of Biomedical Measurement Bioelectrical SignalsCharacteMulti-variability生命体的生命活动是由

2、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。Characteristics of Biomedical MeasurementMulti-variabilityCharacteristiDisturbance 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

3、伪差等方法提取有用信号。Characteristics of Biomedical MeasurementDisturbanceCharacteristics of Psychophysiology 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 MeasurementPsychophysiology Factors

4、CharacClose 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 MeasurementClose Loop Characteristics of 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

5、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（Vantricular Fibrillation）。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 )。Characteristics of Biomedical MeasurementSafetyCharacteristics of BiomEvaluation 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

6、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。Characteristics of Biomedical MeasurementEvaluation Characteristics ofEnvironment 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 MeasurementEnvironment Characteristics of

7、a priori 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 Measurementa priori knowledgeCharacteristSuitability 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

8、先要研究方法与技术的适用性问题Characteristics of Biomedical MeasurementSuitability Characteristics ofBiopotentialPressureFlowDimensions (imaging)Displacement (velocity, acceleration, force)ImpedanceTemperatureChemical ConcentrationMeasurand: The physical quantity, property, or condition Generalized instrumentation

9、 system BiopotentialMeasurand: The phyMedical and Physiological Parameters Generalized instrumentation system Medical and Physiological ParaSensor and TransducerSensorConverts a physical measurand to an electrical outputInterface with living systemMinimize the energy extractedMinimally invasivediaph

10、ragmStrain gagepressuredisplacementelectric voltage Generalized instrumentation system Sensor and TransducerSensordiaSignal ConditioningAmplificationFilteringImpedance matchingAnalog/Digital for signal processingSignal form (time and frequency domains) Generalized instrumentation system Signal Condi

11、tioningAmplificatiOutput DisplayNumerical or graphicalDiscrete or continuousPermanent or temporaryVisual sense Auditory sense (Doppler ultrasonic signals) Generalized instrumentation system Output DisplayNumerical or graParameters used to evaluate medical instrument:Accuracy: The difference between

12、the true value and the measured value divided by the true valuePrecision: The number of distinguishable alternatives from which a given results is selected Resolution: The smallest increment quantity that can be measured with certaintyReproducibility: The ability to give the same output for equal in

13、puts applied over some period of time.Generalized Static CharacteristicsParameters used to evaluate meHigh precision Low accuracyHigh accuracy Low precisionGeneralized Static CharacteristicsHigh precision Low accuracyHigGeneralized Static CharacteristicsGeneralized Static Characteris医学电子仪器Chapter 2-

14、Basic Sensors and Principles医学电子仪器The 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：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。传感器的定义和组成医用传感器（medical sensor ）：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或装置。The term tr

15、ansducer is defined传感器起着关键作用，其原因：生物信号很多是非电量信号，必须经过传感器感知才能转换成电信号生物信号十分微弱生物信号信噪比很低生物信号多数变化频率很低，容易受到50Hz电源和其他生理活动的干扰无创伤的检测，患者才乐于接受传感器的作用传感器决定着检测的可能性和检测仪器的精确性、可靠性及其应用范围。传感器起着关键作用，其原因：传感器的作用传感器决定着检测的可(1)足够高的灵敏度，能够检测出微弱的生物信号。(2)尽可能高的信噪比，以便在干扰和噪声背景中提取有用的信息。(3)良好的精确性，以保证检测出的信息准确、可靠。(4)足够快的响应速度，能够跟随生物体信息量的变化

16、(5)良好的稳定性，保持长时间检测漂移很小，输出稳定。(6)较好的互换性，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(1)足够高的灵敏度，能够检测出微弱的生物信号。医用传感器的(1)与人体接触、特别是植入体内的传感器材料必须是无毒的，并且与生物体组织具有良好的相容性，长期接触不会引起排异、炎症等不良反应。(2)传感器在进行检测时，不能影响或者尽可能少影响正常的生理活动，否则检测的信息将是不准确的。(3)传感器应具有良好的电气安全性，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。(4)传感器在结构上和性能上要便于清洁和消毒，防止有害物质交叉感染。 医用传感

17、器的特殊要求医用传感器的特性和要求(1)与人体接触、特别是植入体内的传感器材料必须是无毒的，并Wheatstone Bridgevo is zero when the bridge is balanced- that is when If all resistor has initial value R0 then if R1 and R3 increase by R, and R2 and R4 decreases by R, then Wheatstone Bridgevo is zero w27Piezoelectric effect1、正（顺）压电效应2、逆压电效应（电致伸缩）压电介质

18、正压电效应Q(E) 电能T(S) 机械能逆压电效应27Piezoelectric effect1、正（顺）压电28居里点573，六角晶系结构光轴电轴机械轴Piezoelectric MaterialsQuartz Crystal 轴（光轴）： 轴（电轴） ：轴（机械轴） ：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28居里点573，六角晶系结构光轴电轴机械轴PiezoelVoTo find Vo, assume system acts like a capacitor (with infinite leak resi

19、stance):Capacitor:(typically pC/N, a material property)k for Quartz = 2.3 pC/Nk for barium titanate = 140 pC/NPiezoelectric effectVoTo find Vo, assume system acView piezoelectric crystal as a charge generator:Rs: sensor leakage resistanceCs: sensor capacitanceCc: cable capacitanceCa: amplifier input

20、 capacitanceRa: amplifier input resistanceRaTransfer Function of Piezoelectric SensorsView piezoelectric crystal as Convert charge generator to current generator:CurrentRaTransfer Function of Piezoelectric SensorsKs = K/C, sensitivity, V/m = RC, time constantRaConvert charge generator to cu医学仪器Chapt

21、er 4- The Origin of Biopotentials医学仪器动作电位的概念: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的倒转和复原The Active State动作电位的概念:指可兴奋细胞在受到一定强度的刺激后，膜两侧的动作电位有一下几部分组成:上升支下降支超射 负后电位正后电位The Active State动作电位有一下几部分组成:The Active StateThe Active State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位的幅值可达120mV,持续时间为0.52.0m

22、s，而后电位则易变性较大，负后电位一般约持续530ms，正后电位持续6080ms。The Active State不同种类细胞的动作电位其特征If 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+-+Electric FieldK+The Active StateIf stimulus de

23、polarize the celAction PotentialAbsolute refractory period: membrane can not respond to any stimulus.Relative refractory period: membrane can respond to intense superthreshold stimulus.Action PotentialAbsolute refraAction PotentialAction Potential1.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

24、+ ：Em-ENa=-70mV-(+60mV)=-130mVAP产生的基本条件:膜内外存在Na+差: Na+iNa+O 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Na+、K+通道激活而开放。Mechanism of AP1.电化学驱动力：Mechanism of AP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

25、位迅速下降，恢复到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 AP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Mechanism of APMechanism of AP结论：1、AP的上升支由Na内流形成，下降支是K外流形成的，后电位是NaK泵活动引起的2、AP的产生是不消耗能量的，AP的恢复是消耗能量的（NaK泵的活动）。3、AP = Na的平衡电位。 Mechanism of AP结论：Mechanism of APAction Potential TravelAction Potent

26、ial Travel心肌细胞的分类工作心肌细胞 (working cardiac cell)： 心房肌、心室肌自律心肌细胞 (rhythmic cell):特殊分化的心肌细胞，包括窦房结、房室交界区、房室束和浦肯野纤维等。基本不含肌原纤维，无收缩性；具有自律性和特殊传导性；构成了心脏的起搏传导系统。Cardiac conduction system心肌细胞的分类特殊分化的心肌细胞，包括窦房结、房室交界区、房Rhythmic cell and Contractile cellRhythmic cell and Contractile 1. 传导途径 窦房结 结间束 房间束（优势传导通路） 房室交

27、界 心房肌 房室束 左、右束支 浦肯野纤维 心室肌Cardiac conduction system1. 传导途径Cardiac conduction syst医学电子仪器wiederholen课件The 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 lower chambers (ventricles) r

28、elaxing (repol.)The U-wave believed to be due repolarization of ventricular papillary muscles.ECG (Electrocardiogram )The P-wave shows the hearts u ECG心电图典型波形 ECG心电图典型波形Standard LeadI 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 (+)Standard LeadI 导联 左上肢LA (Standar

29、d LeadThe Einthoven limb leads (standard leads) are defined in the following way: Lead I:VI = VL - VRLead II:VII = VF VRLead III:VIII = VF - VLAccording to Kirchhoffs law these lead voltages have the following relationship: VI + VIII = VII hence only two of these three leads are independent. Standar

30、d LeadThe Einthoven lim(A) The circuit of the Wilson 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Frank N Wilson (1890-1952) (A) The circuit of the Wilson Show that the

31、voltage in lead aVR is 50% greater than that in lead VR at the same instant.Show that the voltage in lead Typical impedance values:放大器输入阻抗：10 M人体手指到肩部阻抗：400躯干阻抗：20皮肤电极之间的阻抗：几百几十KInterference from electric devicesDisplacement circuit from powerline to leadlinesTypical impedance values:InterECG level：

32、 50V - 5 mVEEG level： 10 - 300 V Interference from electric devicesDisplacement circuit from powerline to leadlinesECG level： 50V - 5 mVInterferInterference from electric devicesDisplacement circuit from powerline to leadlinesMinimizing the interference by:Shielding leadlineGrounding every shield in

33、 ECGLowering the skin impedances Z1 = Z2Increasing ZinInterference from electric devDriven-right-leg circuitDriven-right-leg circuitDriven-right-leg circuitDriven-right-leg circuitSumming the currents at the negative input of the op amp, we getThus, substituting (E6.2) into (E6.3) yieldsDriven-right

34、-leg circuitSumming the currents at the ne对比P.260 (6.7)， Vcm = 10 mVDriven-right-leg circuit对比P.260 (6.7)， Vcm = 10 mVDriv两种诱发电位的比较定义意义非特异性诱发电位给予不同刺激时产生的反应相同.该电位幅度比较高.没有任何特定意义,在临床诊断中不具有诊断价值.特异性诱发电位给予刺激后经过一定的潜伏期，在脑的特定区域出现的电位反应与刺激信号之间有严格的时间关系.电位幅值较小,完全淹没在自发脑电信号中.电位的形成与特定的刺激之间有严格的对应关系,可以反映神经系统的功能与病变,在临

35、床上具有诊断价值.诱发电位两种诱发电位的比较定义意义非特异性诱发电位给予不同刺激时产生诱发试验“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。诱发试验“事件相关电位”（event-related pot医学仪器Chapter 7- Blood Pressure 医学仪器Blood pressure measurementDirect measurem

36、ent (invasive,high accurate)Indirect measurement (noninvasive,low accurate) Blood pressure measurementDireIndirect measurements of BPAuscultatory MethodAuscultation: the act of listening, either directly or through a stethoscope or other instrument, to sounds within the body. This method is based on

37、 the fact that pulse waves when first propagate through the brachial artery, generate Korotkoff sounds.Indirect measurements of BPAusIndirect measurements of BPAuscultatory MethodIndirect measurements of BPAusAutomated BP measurement method 1Microphone pick up Korotkoff sound Inflateds and deflates

38、an cuff at a certain rate must be automatically finished Microphone replaces the stethoscopeMicroprocessor is uesed in the systemBlood pressure measurementAutomated BP measurement methoThe oscillometric method(示波法)the observation of oscillations of blood flow during the pulsation.It uses a sphygmoma

39、nometer cuff, like the auscultatory method, but with pressure sensor (transducer) to observe cuff pressure oscillationsThe 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 b

40、lood pressure value. The oscillometric method(示波法)tThe oscillometric method(示波法)OmOsOd3The oscillometric method(示波法)O示波法血压判定方法固定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The oscillometric method(示波法)示波法血压判定方法固定比率计算法The oscillomet医学仪器Optical Molecular ImagingBioluminescence imaging(BLI)

41、Fluorescence imaging(FI)医学仪器Molecular ImagingHighly specific imaging probes Sensitive imaging systemMolecular ImagingHighly specifMolecular Imaging优势：更深入细胞分子水平更早解剖结构改变前Molecular Imaging优势：Molecular Imaging应用领域：肿瘤检测药物研发基因表达Molecular Imaging应用领域：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Bioluminescence生物发光现象是生物体

42、内的化学反应将化学能转化为光能而发光的现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 Mark荧光素酶报告基因实验流程制备含有萤光素酶基因的DNA调节序列Bioluminescence 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Bioluminescence Imaging优点：1.GFP的光谱特性 最大激发波长 460-490 nm发射波长 500-550 nmGFP的特性2.GFP的分子量小（27kDa） 当与其它蛋白组成融合蛋白 时，不影响结合蛋白的功能GFP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