生物医学测量方法概述专家讲座

生物医学测量是对生物体中包含生命现象、状态、性质、变量和成份等信息进行检测和量化技术。生物医学测量在生命科学和临床医学许多领域中，都是十分主要基础性技术。比如:生命科学研究，医学基础研究，临床诊疗，病人监护，治疗控制，人工器官及其测评，运动医学研究等等。§2.1概述生物医学测量方法概述第1页在生物医学工程全部领域,包含生物力学、生物材料、生物医学电磁学、生理系统建模与仿真等,都必须直接或间接应用到生物医学测量技术。生物医学测量方法概述第2页1生物医学测量方法分类测量对象：包括人体各个系统形态与功效。被测量（或信息)包含：物理量—生物电、光、声、热、压力、流量、速度、温度等;化学量—血气、代谢产物、呼吸气体、体液中电解质等;生物量—酶活性、免疫、蛋白质等;生理量—如各种感觉（听觉，视觉，嗅觉，触觉，痛觉，味觉)以及生理活动信息等。生物医学测量方法概述第3页测量方法分类

可按照不一样路径,对生物医学测量方法进行分类有创测量，InvasiveMeasurement无创测量;non-invasivemeasurement无线测量，wirelessmeasurement有线测量;wiredmeasurement直接测量，Directmeasurement间接测量;IndirectMeasurement生物医学测量方法概述第4页在体测量，invivo离体测量;invirto体表测量，BodySurface体内测量;Inside单维测量，SingleVariable多维测量;Multi-dimension生物医学测量方法概述第5页

接触式测量，Touched非接触式测量;non-touched生物电测量，bio-electricity非生物电测量;non-bioelecrticity形态测量，morphologicalmeasurement功效测量.Functionalmeasurement生物医学测量方法概述第6页

为方便起见，下面讨论分类时主要按照：1)测量过程是否直接在生物活体上进行，分为离体测量和在体测量；2)依据被测量性质分类，分为生物电测量和非生物电测量。生物医学测量方法概述第7页1)离体测量与在体测量A)离体测量(invitro)对离体体液、尿、血、活体组织和病理标本之类生物样品进行测量。优点:离体测量检测条件稳定性和准确度高，已广泛用于病理检验和生化分析中。B)在体测量(invivo)在人体和试验动物活体原位对机体结构与功效状态进行测量。

生物医学测量方法概述第8页按照测量系统是否侵入机体内部，

在体测量又可分为:A)无创测量：在体表测量，又称非侵入式测量，通常采取间接测量方法。优点：无创测量不会造成机体创伤，易被受试者接收;问题：大部分方法准确度和稳定性较差。生物医学测量方法概述第9页B)有创测量:普通在体内测量，又称侵入式测量，通常采取直接测量方法。缺点:有创测量因为探测部分侵入机体，对机体会造成一定程度创伤，给患者带来一定痛苦，优点:原理明确、方法可靠、测量数据准确，所以经惯用于手术过程及术后监测，以及作为无创测量方法对照评定。生物医学测量方法概述第10页C)植入式测量伴随微电子技术发展，已经有许多测量装置可埋人人体内部进行植入式测量。优点：采取植入式测量时，人体可处于无拘束自然状态，测量结果准确，可进行实时、动态、长久监测，是生物医学测量发展方向之一。生物医学测量方法概述第11页D)微创测量技术吸收有创测量和无创测量优点，研究各种微创测量技术，是新研究方向。

生物医学测量方法概述第12页2)生物电测量与非生物电测量生物电测量——对生物活体各部分生物电位及电学特征(阻抗或导纳等)测量。生物电位活动是生物存活主要生命体征（VitalSign)。人体不一样部位生物电，如心电（ECG)、脑电（EEG)、肌电（EMG)、神经电（NervePotential)、眼电（EOG)、细胞电（CellPotential)及皮肤电（SkinPotential)等，均与对应器官功效亲密相关，是诊疗这些器官疾病主要伎俩。生物医学测量方法概述第13页

非生物电测量－是除生物电量以外各种生命现象、状态、性质和变量测量。生物体尤其是人体中非生物电量之间，【包含物理量（压力、体温等)，化学量（血气，电解质等)，生物量（酶，蛋白质等)，生理量（各种感觉信息)】存在着错综复杂而有序联络，各种非生物电量也与生物电量一样是生命活动表征，它们偏移正常范围会造成人体器官功效失衡而引发各类病变。非生物电量测量包括能量变换问题。为测量、处理与统计方便起见，通常由各类换能器或传感器（Transducer,Sensor)将各种非生物电量转换为相关电量后进行测量，这就是非电量电测技术。生物医学测量方法概述第14页人体参数传感方法与技术生物电：心电(ECG)，脑电(EEG)，肌电(EMG)，眼电（EOG），胃电（EGG），皮肤电，细胞电宏电极(铜、铂，银、Ag/AgCl、液体)微电极(玻璃、金属)压力：血压，心内压，脑内压，胃内压，胸腔内压，肺泡内压，眼球内压金属应力计，半导体应变片，差动变压器，压电晶体流量与流速：血流，呼气及吸气流量流量，血液出血速度，排尿速度铂电极，核磁共振，热敏电阻，电磁法，超声多普勒法，色素稀释法，热稀释法，同位素经典生理、生化参数在采取生物电测量及非生物电测量时所用传感方法与技术生物医学测量方法概述第15页变量与位移:心脏位置，皮肤厚度，皮下脂肪厚度，肿瘤位置变量与位移:心脏位置，皮肤厚度，皮下脂肪厚度，肿瘤位置变量与位移:心脏位置，皮肤厚度，皮下脂肪厚度，肿瘤位置变量与位移:心脏位置，皮肤厚度，皮下脂肪厚度，肿瘤位置变量与位移:心脏位置，皮肤厚度，皮下脂肪厚度，肿瘤位置变量与位移:心脏位置，皮肤厚度，皮下脂肪厚度，肿瘤位置生物医学测量方法概述第16页温度:皮肤温度，直肠温度，口内温度，胃内温度，血液温度，呼气温度温度:皮肤温度，直肠温度，口内温度，胃内温度，血液温度，呼气温度温度:皮肤温度，直肠温度，口内温度，胃内温度，血液温度，呼气温度温度:皮肤温度，直肠温度，口内温度，胃内温度，血液温度，呼气温度温度:皮肤温度，直肠温度，口内温度，胃内温度，血液温度，呼气温度温度:皮肤温度，直肠温度，口内温度，胃内温度，血液温度，呼气温度生物医学测量方法概述第17页生物医学测量仪器按用途分类生理检验与统计仪器生化检验与统计仪器医学图像仪器临床监护仪器生物医学测量方法概述第18页常见生理检验与统计仪器仪器种类临床应用领域心电图仪内科、外科、儿科、妇产科、手术室、抢救室、康复部、家庭保健脑电图仪内科、外科、儿科、神经科、耳鼻喉科、抢救室、康复部肌电图仪内科、外科、儿科、神经科、手术室、抢救室、康复部眼电图仪内科、神经科、耳鼻喉科、眼科视网膜电图仪眼科电子血压计内科、外科、儿科、妇产科、手术室、抢救室、康复部、家庭保健脉搏测量仪内科、外科、儿科、妇产科、神经科、康复部、家庭保健生物医学测量方法概述第19页常见生理检验与统计仪器仪器种类临床应用领域心音测量仪器内科、外科、儿科血流测量仪器内科、外科、儿科、手术室心输出量测量仪器内科、外科、儿科、放射科、手术室、康复部呼吸功效测量仪器内科、外科、儿科、妇产科、手术室、耳鼻喉科电子体温计内科、外科、儿科、妇产科、手术室、抢救室、康复部、家庭保健听力计耳鼻喉科、儿科、神经科眼压计眼科多道生理统计仪内科、外科、儿科、妇产科、神经科、手术室、康复部生物医学测量方法概述第20页常见生化检验与分析仪器仪器种类临床应用领域临床生化分析仪器检验科，ICU,人工透析室，抢救室医用分光光度计检验科医用电解质分析仪器检验科，人工透析室，抢救室血液气体分析仪器检验科，手术室，抢救室自动血细胞计数器检验科，抢救室血液细胞分析仪检验科，抢救室尿液分析仪检验科，人工透析室免疫反应测定仪检验科电泳仪检验科病理检验仪器（电子显微镜等）检验科生物医学测量方法概述第21页常见医学图像仪器仪器种类临床应用领域超声波成像仪器内科、外科、儿科、妇产科、泌尿科、眼科、耳鼻喉科、抢救室X线、CT成像仪器内科、外科、神经科、放射科、手术室、抢救室放射性核素成像仪器内科、外科、神经科、放射科、手术室、抢救室、儿科、妇产科磁共振成像仪器内科、外科、神经科、耳鼻喉科、抢救室、儿科、妇产科红外线成像仪器内科、外科、耳鼻喉科、皮肤科、康复部、儿科、妇产科电子内镜系统内科、外科、泌尿科、耳鼻喉科、手术室、抢救室、儿科、妇产科生物医学测量方法概述第22页常见临床监护装置仪器种类临床应用领域心电监护系统内科、外科、耳鼻喉科、手术室、抢救室、康复部、儿科、妇产科、家庭病房手术监护系统外科、妇产科、手术室、抢救室围生期胎儿监护系统妇产科新生儿监护系统儿科、妇产科呼吸监护系统手术室、抢救室、监护病房血氧监护装置手术室、抢救室、监护病房ICU集中监护系统危重病人监护病房、抢救室CCU集中监护系统冠心病人监护病房、抢救室生物医学测量方法概述第23页2生物医学测量特点生物医学测量是以人体生命现象作为基本对象,与工业测量及其它非生物医学测量相比,在测量方法、测量结果以及对测量结果认识上,含有以下显著特点,熟悉这些特点,对构建生物医学测量系统、正确操作和使用医学仪器含有主要意义。生物医学测量方法概述第24页1)生命系统多变量特征

(Multi-variability)生命体生命活动是由多个生理及生化参量共同决定,而在测量过程中,往往只针对某种效应和一些参量进行测量。生命系统这种多变量特征,决定了测量方法和技术以及测量结果涵义和结论都会带有显著不足。生物医学测量方法概述第25页2)必须从大量干扰和无用信息中

提取有用信息

(NoiseorDisturbance)生物医学测量过程中,因为被测参数往往十分微弱,易受外界环境干扰(比如工频交流电干扰)和来自人体本身其它无用信息干扰(比如在测量体表希氏束电位时,很易受来自肌电信号干扰),人体活动时体位改变、电极不良及传感器错位时也会产生伪差,必须采取抗干扰技术、排除伪差等方法提取有用信号。生物医学测量方法概述第26页3)测量结果会受被测对象

心理和生理原因影响Physiology＋Psychology＝PsychophysiologyFactors在测量过程中,因为被测对象出现担心,生理和心理都会发生改变。心理改变会造成生理参数(心率、血压、体温等)改变。在测量过程中,被测者不了解和不配合,尤其在进行麻醉和经受物理和药品刺激时,受试者不能很好配合,直接影响测量过程中伪差,从而影响测量准确度。生物医学测量方法概述第27页4)被测对象含有闭环特征

（CloseLoop)生命体含有准确自动调整功效,这是因为在生命体中存在多环路、多层次、多重控制闭环系统特征所决定。各种原因可造成同一生理参数改变,同一原因又可造成各种生理参数同时改变。所以,测量单一生理参数难于有效评定生理和病理状态,需要多参数综合测试,并用适当方法使人体闭环系统暂时开环,以测量某一步骤开环响应特征,正确地加以定位并确保测量结果唯一性与正确性。生物医学测量方法概述第28页5)被测对象安全性问题（Safety)生物医学测量对象是生命体，尤其是人体，所以安全性极其主要。1)测量中应预防各种电击危害尤其是在体内对心脏进行直接测量时，极微小电流(uA级)也有可能造成室颤（VantricularFibrillation)。其次，电流经过人体时，会产生许多物理改变(比如热效应)和化学改变，并会引发各种复杂生理效应。2)测量装置不能产生有毒物质，应与组织与血液有很好生物相容性(Bio-compatibility)。生物医学测量方法概述第29页6)新方法建立与评定困难（Evaluation)生物医学测量新方法,尤其是一些间接测量方法往往会包括测试模型建立问题。因为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,所以测试模型往往带有片面性,在评定时也缺乏正确、有效办法。生物医学测量方法概述第30页7)环境限制

（Environment)测量环境,比如温度、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测量时,利用微电极测量细胞内电位改变时,对环境要求很严,不然将影响测量结果可靠性。生物医学测量方法概述第31页8)对生物医学先验知识应用

（Experiences，aprioriknowledge)因为研究者、设计者乃至操作者缺乏对生物医学先验知识,可能对生物医学测量结果以及表示产生影响。在临床诊疗过程中,医生必须利用其对医学先验知识结合仪器测量结果进行综合判断。生物医学测量方法概述第32页9)适用性问题

（Suitability)任何测量方法与技术都有一定不足,尤其是在生物医学领域。生命体中各个系统、组织和器官,同一测量对象可能有各种测量方法,每一个测量都在一定条件限制下进行。所以,不一样测量对象需要有其相关测量伎俩与方法,在进行测量以前首先要研究方法与技术适用性问题。生物医学测量方法概述第33页3生物医学测量系统

BiomedicalMeasurementSystem

一个完整生物医学测量系统通常包含信息获取、信号加工、显示和统计等三大部分：1)信息获取部分（DataAcquasition)用来引导与感知被测对象某种生理和生化量，并使之变为便于测量与加工电信号，通常经过测量电极及传感器来完成。2)信号加工部分（SignalProcessing)用来对获取电信号进行放大、处理及变换，以适于对测量结果分析与识别。3)显示和统计部分（DisplayandRecord)用来显示和统计测量结果。生物医学测量方法概述第34页三个部分串联（或级联)成一个生物医学测量系统，其输入和输出关系能够是线性（Linear)，也能够是非线性（Non-Linear)。后者主要用于需要取得较大动态范围场所，比如在超声回波测量等场所。生物医学测量方法概述第35页

依据被测对象特征，以及显示和统计方式，测量系统应有一定传输响应(TransferResponse)，包含:

稳态响应(SteadyResponse)和

瞬态响应(TransientResponse)并依据这两个响应提出测量系统各项技术指标(TechnicalSpecification)，包含准确度、准确度、灵敏度、非线性系数、滞环误差、稳定性、分辨力、频率特征、输入阻抗、输出阻抗等。生物医学测量方法概述第36页

医学测量系统大部分是

一阶系统（FirstOrderSystem)或

二阶系统（SecondOrderSystem)对于一个二阶医学测量系统(