生物医学传感与检测 1第一章 生物医学信号测量的 基本特点课件

1、 第一章： 生物医学信号测量的 基本特点1.1 生物医学测量仪器的组成1.2 人体测量的特点1.3 人体系统的特征描述1.4 限制性测量条件1.5 电流的生理效应和损伤防护1.6 生物医学测量及医学电子仪器的分类电信学院生物医学工程1.1 生物医学测量仪器的一般组成电信学院生物医学工程电信学院生物医学工程 生物医学测量仪器的一般组成电信学院生物医学工程三大组成部分. 传感器：将生理信号转换为电信号。. 放大器和测量电路：将微弱的电信号放大、转换、调整。 3.数据处理和记录、存储、显示装置。生理参数: 生理量，可以是力、位移、速度、加速度、流体压力、流量、温度、声、光、电、离子浓度等物理或化学量

2、。电信学院生物医学工程1.2 人体测量的特点人体测量以医学，生理学为基础，在测量过程中应保持其正常的生命活动。生理参数有心电，脑电，肌电等各种生物电信号的电量参数，还包括有体温，血压，呼吸，血流量，脉搏，心音等非电量参数。生物医学测量与普通物理参数测量相比，虽然都可以归结为电量和非电量的测量，但是被测量信号的特征和被测量的生命系统，与工程上物的测量具有本质的不同。电信学院生物医学工程图1.2 两种模式的医疗仪器组成框图电信学院生物医学工程电信学院生物医学工程电信学院生物医学工程反馈调节与控制 与工程中普遍存在的负反馈过程相似，人体系统中也存在生理功能的负反馈调节。生物反馈治疗，在临床，生理学研

3、究，特别是在康复工程中，已有存在 。 电信学院生物医学工程 生物反馈1）生物反馈概念及其发展过程生物反馈(biofeedback,BF)是应用现代科学技术,将人们正常意识不到的身体生物信号,如肌电、脑电、皮温、心率、血压等转变为可以被人察觉到的信号,如视觉、听觉信号,让患者根据这些信号,学会在一定范围内通过意识调控内脏器官的活动,纠正偏离正常范围的内脏活动的治疗和训练方法。 电信学院生物医学工程2) 应用生物反馈治疗身心疾病:早在上世纪二、三十年代,Jacobson就开始用原始的肌电图监测患者肌肉张力水平,促进躯体渐进性放松,治疗多种心理、神经症状。其后于1934年Smith报道,通过人的意识

4、可以控制单个运动单位放电电位、放电规律及其频率。电信学院生物医学工程3）在内脏功能训练方面,美国实验心理学家Miller在进行了唾液腺分泌、心率调节、血压控制等动物实验,于1969年在Science上发表了著名的论文(内脏与腺体反应的学习),证明人的意识可以随意调节自主神经系统所控制的内脏和腺体,提出了自主神经系统的操作条件反射理论,奠定了生物反馈治疗内脏疾病的理论基础。 电信学院生物医学工程脑电图专家也开始报道,脑电波的数量与情绪、意识状态明显相关,并且患者能够用意识调控波的节律。 1977年Miller通过生物反馈训练患者控制心率和心律,成功完成了室性早搏的治疗。 电信学院生物医学工程1.

5、4 限制性测量条件 测量目的不同，被测人体处于某种特定状态，生理参数范围不同，如心室晚电位，是高频成分，请看下表：1.4.1 常见生理参数的测量范围电信学院生物医学工程 常见生理参数的测量范围生物信号类型所用传感器典型幅值范围典型频率范围 心电图（ECG）体表电极心脏电极通过母体测量胎儿ECG50uV5mV50mV10uV0.05100HZ（250HZ） 脑电图（EEG）头皮电极颅内10300uV10uV100mV0.5100HZ肌电图(EMG)针电极0.15mV010KHZ电信学院生物医学工程电信学院生物医学工程电信学院生物医学工程神经电位表面电极 或针电极0.013mV010KHZ血压动脉

6、直接动脉间接静脉1040025400050mmHg050HZ060HZ050HZ呼吸率胸部应变仪鼻热敏电阻250次/min0.110HZ呼吸流速0600L/min040HZ心输出量310L/min电信学院生物医学工程心音压电拾音器80dB52000HZ心率45180次/min0.753HZ体温口腔腋窝直肠36.737.73637.436.937.9度3542度皮肤电阻人体电阻1500K1002000电信学院生物医学工程1.4.3 安全性限制人体测量的安全性是最终的测量限制性条件，下面我们列举三点基本考虑，用于认识人体测量中的安全性。电信学院生物医学工程（1）测量中施加于人体的各种能量的限制通过

7、人体的电流，放射性射线，超声波，高频能量，加速粒子等。人体在测量中所承受的力，加速度和振动，以及声，光，放射性射线的作用，是有一定限度的。各种能量对人体的作用不同，应对能量的种类、施加部位、强度、作用时间以及诸如频率、波形等参数做认真的研究，给出明确的安全规定。电信学院生物医学工程（2）测量的精确度和可靠度的要求它直接关系到测量，治疗的正确与否，包括是否容易发生误操作等等。比如心电图波形，心脏手术。电信学院生物医学工程（1）心电图是根据波形诊断疾病的，因此波形的失真是一个严重的问题。（2）如果设备出现故障，如心脏手术中，人工心肺机停止工作，心脏起搏器没有刺激脉冲输出等，可造成致命的事故。（3）

8、目前用于体内工作测量的设备逐渐增多，体内测量属于有创测量，比体外测量需更加细致地考虑其安全性。电信学院生物医学工程1.5 电流的生理效应和损伤防护1.5.1 电流的生理效应 电击是由于电流对人体组织产生的生理效应和某种程度的破坏作用所致。产生的条件是：体表任意两点与电源相接触，从而使人体构成电源通路中的一部分，电流通过体内。 低频电流对人体的三个作用：产生焦耳热；刺激神经、肌肉等细胞；化学效应。这些作用使组织液中的离子、大分子等粒子振动、运动和取向。电信学院生物医学工程引起生理效应和损伤的直接因素是电流。电流通过人体的不同部位和器官其生理效应和损伤程度不同，因而危险性不同。如同样的电流通过手臂

9、和胸腔，危险性不同。电流造成的损伤与通电时间成正比电流的生理效应及损伤与频率有关电信学院生物医学工程电流刺激的阈值与频率的关系电信学院生物医学工程1.5.2 宏电击与微电击最主要考虑的方面，人和动物的生理要求不同。在整体情况下，由感知电流造成的电击称为宏电击（0.71.1mA），通常指加于体表引起的电流效应。由感觉阈以下的电流所造成的电击，成为微电击，通常指电流直接加到心脏产生的电流效应。 电信学院生物医学工程100A微电击心室颤动1mA宏电击电流刺激感10mA宏电击不随意运动肌肉收缩100mA宏电击心室颤动电信学院生物医学工程 使用冠性病监护仪或危重 病人监护仪。 体腔内使用的充液导管。 电

10、子仪器出现绝缘故障时。微电击常发生在以下三种情况电信学院生物医学工程1.5.3 人体的阻抗及自然保护机理人体的皮肤电阻，主要取决于上皮角质层，干燥的皮肤电阻为100300欧姆/cm2 ，潮湿的皮肤阻抗只有干燥皮肤的1%。人体每一肢体的电阻约为200500欧，躯干内的电阻约为25100欧。两肢体内的电阻约为5001000欧。皮肤上皮角质层导电性差，汗水导电。环境、生理条件都可影响皮肤电阻，使之丧失自然保护机理。电信学院生物医学工程1.6 生物医学测量及医学电子仪器的 分类 (1) 生物医学测量的分类1. 生物电与非生物电测量。按生理参数的性质分。2. 有创测量、微创测量与无创测量。测量对生命体的创伤程度，如采用心导管术的心血管造影等。3. 是否施加能量给人体。如超声，CT施加能量给人体。4. 直接测量和基于模型的测量。如无创伤心输出量测量。电信学院生物医学工程生物医学测量的分类生物医学测量的分类方法还有很多，以下给出其它一些按照不同途径进行分类的常用的测量方法：无线测量，有线测量；直接测量，间接测量；在体测量，离体测量；体表测量，体内测量；单维测量，多维测量；接触式测量，非接触式测量；形态测量，功能测量。 电信学院生物医学工程