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1、生物医学电子学 第一章生物医学信号测量的特殊性第一节人体测量的特点第二节生物电信号的产生及拾取第三节生物磁场 BiomedicalElectronics 用电子学方法对人体结构 机能的各种探测称为人体的电子测量 目的是为了获得与医疗 保健有关的诊断根据 并从生理学方面进行结构和功能的分析 生物医学工程领域内的测量 是以电子技术为基础 把人体的各种信号转换成电信号进行测量 然后把测量结果作为信息 应用信号处理的方法 根据不同目的进行适当的处理 从测量技术上来说 它属于强噪声背景下的低频微弱信号测量 被测信号是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号 从信号本身到拾取方式 都不同于工业工程上的电子测量
2、 而有它的特殊性 第一章生物医学信号测量的特殊性 学习以人体为研究对象的电子学方法时 很重要的一点是要弄清楚它与工程中测量的区别 人体是工程中任何系统都不能相比拟的极为复杂的系统 至今尚未被人类完全认识 因此 人体的测量是自然科学领域中难度最大的测量 第一节人体测量的特点 人体测量是以医学 生理学为基础的 从测量的角度 对人体系统的特征进行一般描述 生物医学测量的生理参数 有心电 脑电 肌电等各种生物电的电量参数 还有体温 血压 呼吸 血流量 脉搏 心音等非电量参数 这些非电量参数的测量实质上就是温度 压力 流量 频率 力 位移等非电量物理参数的测量 第一章生物医学信号测量的特殊性 第一节人体
3、测量的特点 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 与工程上的物的测量具有本质的不同 1 1 1人体测量系统的组成1 生命现象的基本特征区别于工程上的任何系统 人体系统是有生命系统 由于生物分子构成的生物体 在一定的环境中才有生命现象 环境破坏 生命现象即结束 生命现象最基本的特征 包括新陈代谢 兴奋性和生殖能力 这是生物体所共有的生命现象 第一节人体测量的特点 生物体总是在不断地重新建造自身的特殊结构 同时又不断地扬弃自身已衰老的结构 不断地以新合成的生物分子代替旧的 这个过程称为新陈代谢 停止新陈代谢 生命即结束 引起
4、生物体出现反应的各种环境变化称为刺激 受到刺激后产生兴奋的能力称为兴奋性 外界环境的变化 刺激了相应的感受细胞 产生生物电信号 将环境变化的信息送到中枢神经系统 经过处理以后 仍以生物电信号的形式将信息传送到机体各部分的效应细胞 如肌肉 腺体 使它们迅速产生生物电变化 并激起它们所特有的功能活力 生命体的寿命有限 通过生殖或自我复制来延续种系 故生殖为生命的基本特征之一 2 生物信息的分类 化学信息血液代谢物呼吸气体其它体液等以往通过化验来检测现在很多实现仪器自动分析 物理信息生物电心电 electrocardiogram 脑电 electroencephalogram 肌电 electrom
5、yogram 皮肤电等生物磁心磁脑磁肺磁等生物光生物声 生理信息听觉视觉触觉味觉嗅觉痛觉心理信息 生物信息的存在性及研究目标 存在性有生命 就必然有生物信息研究目标认识自然 揭示生命的奥秘改造自然 为人类健康生存服务 3 按人体信号的产生分类 1 被动信号 外源性信号 探测的信号是人体对外源信号的响应 反射 吸收 散射 2 主动信号 内源性信号 探测的信号是人体组织或器官产生的信号 心电 心音 血压等 3 感生信号或外源诱发的内源信号 被测系统 无论是整个人体 还是某种器官或者组织细胞 在测量过程中部应保持其生命活动的正常状态 如 必须考虑到由于测量使人体感到痛苦 因而发生生理上的反射 长时间
6、的测量对人体的节律 内环境稳定性 适应性和新陈代谢的影响等 在施加麻醉的状态下测量 则麻醉深度会大大改变生理机能的状态 测量方法的设计需精细考虑 显而易见 遥测 遥控技术及体表无损测量是适宜的人体测量方式 4 人体测量方式 5 人体的自控模式 人体的各种功能调节都可以认为是自动控制系统 可将神经 体液或自身调节中的调节部分 如反射中枢 内分泌腺等 看作是控制部分 将效应器官看作是受控部分 受控部分的状态或所产生的效应叫做输出变量 人体系统中也存在生理功能的负反馈调节 在控制部分和受控部分之间 通过化学的或电的信号和其它种类信号等不同形式的信号进行信息传递 由控制部分发出信息来改变受控部分的状态
7、 受控部分不断有信息反馈到控制部分 随时纠正和调整控制部分对受控部分的影响 以达到精确的调节 人体的躯体运动与内环境稳态 都依靠反馈信息对控制信息的纠正和调整作用而达到调节 6 人体测量系统的组成 人体测量系统通常包括三个基本环节 传感环节 信息处理环节 显示记录环节 1 1 2限制性测量条件 一 生理参数的范围表1 1列出了人体测量中一般的参数范围 各文献报导的参数值范围不尽一致 因为人体生理参数本身就是具有显著的离散性 测量目的也不相同 或者被测量的人体系统处在某种特定的状态 某一生理参数值范围也可能有很大的变化 表1 1可以对人体医学参数的测量范围有个初步概念 为生物医学仪器的设计提供依
8、据 和工程上的大多数物理参数相比 医学生理参数的强度都很微弱 如电压大多在微伏级 压力也很小 频率范围都在音频段 20Hz 20000Hz 大多数生理信号是在甚低频段 甚至是直流 人体虽然可以分为神经系统 循环系统 呼吸系统等子系统 但各个子系统却不是互不相关 各自独立的 每 个子系统实际上是整个人体的复杂的物理和化学过程的综合 它们之间保持着有机的联系 互相交织 互相影响 用以维持生命 一种生理参数的测量将受到多种其它参数 如血压 呼吸 体温等 的影响 对于被测参数而言 它们就是噪声 噪声有时可特被测信号淹没 人体的正常活动和肌体的运动也无时不成为测量系统的机械性的外部干扰 二 强噪声背景
9、在各生理系统之间的反馈环路和内部关系还都未知的情况 要控制被测量的生理参数 或抵消别的系统的影响是很难的 与工程系统不同 人体在测量过程中不能随意停止运转 也不能暂时拆除某些部分 所以某些器官或组织的参数难以直接测量出来 另外 人体个体的差异相当大 每一个体的外部形态不同 它们的内部组织也有许多差别 参数值的分布范围很广 而且多数参数是随时间变化的 许多医学测量即使条件一样 正常值的变化也很大 总之 人体测量同时处理多方面复杂因素的影响 精密设计测量方案 进行繁复的数据处理 三 安全性限制 为了用电子仪器获取人体信息或施加于人体某种物理作用 必须把仪器与人体紧密地连接在一起 例如 把生物换能器
10、贴紧到躯体上 再如 进行心脏导管检查时 要在一定时间内把仪器放入人体 甚至长期放置在人体体内 如植入型心脏起搏器 以替代人体的器官 维持生命 这是其他仪器测量领域中所没有的 可见 人体测量的安全性是最终的测量限制性条件 人体测量 尤其是包含几种参数测量的复杂系统的安全 是 个复杂的 有待深入研究的课题 1 测量中施加于人体的各种能量 为了测量和收集生物体信息 诊断 治疗疾病 常利用各种能量施加于人体组织 然后测量人体组织对其的反应 如通过人体的电流 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 不仅取决于生物组织本
11、身的物理 化学性质 而且受到由这些作用而产生的生理学 心理学变化的限制 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 波形等各种参数作认真仔细的研究 给出明确的规定 例如超声波可给予生物体加热 振荡 空化 氧化 还原 调节渗透压等物理和化学作用 大量使用的超声波断层诊断装置和多普勒装置 其输出强度应小于10mw cm2左右 一般超声波能量对生物体给以影响的最小值 大致定为100mw cm2 按这个限度 用于生物体测量的超声装置是安全的 但是对于胎儿 脑 眼球等 即使用低能量也容易受到影响 关于超声波的安全问题 胚胎和胎儿受超声波的影响和安全阈值是现在仍然受到重
12、视的问题 再如 低频电流对人体的作用呈现出一定的阈值 在阈值以下 对人体组织完全没有影响 而放射性射线则不然 它对人体的作用具有累积效应 并不呈现出一个确定的阈值 能量对于人体组织的作用 与生物体的物理性质密切相关 如生物体的电特性 机械性质 对光和热等能量的作用等 随着对生物体物理性质研究的进展 对能量与人体组织作用的认识也将不断深化和完善 2 测量的精确度 可靠性 它直接关系到诊断 治疗的正确与否 包括是否容易发生误操作等 例如 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问题 测量精度不够或由于可靠性差而产生过大的误差 在诊疗上将造成很大的危险 这是不言而喻的 在生命由设备维持的
13、情况下 若设备出现故障 如心脏手术中人工心脏停止工作 心脏起搏器没有刺激脉冲输出等 可造成致命的事故 对于人体测量 尤其作为诊疗设备 精度和可靠性的设计 与一般工业设备系统的设计相比 无疑具有更加重要的意义 目前体内工作 测量的设备 在诊疗技术中应用逐渐增多 体内或有创测量 比体外测量 需更加细致地考虑其安全性 如医用遥测胶囊发射体内 有创测量时深入体内的电极 导管 探头等 一旦在测量过程中发生问题 就不只是在体内放入异物的问题 其恶果远比体外测量时严重 埋植或插入物质对生物体存在一定的生物学影响 特别是长期埋入 有相容性的问题 引起溶血 破坏组织等 其次 灭菌不彻底造成细菌感染 探头损伤造成
14、出血等都会发生 还有化学性危险 从插入体内物中溶出有害物质 从电极中溶出有害杂质等 均造成危险 这是测量安全性中最主要考虑的方面 尤其在应用多种装置同时测量时 如何防止发生微电击 电流直接加到心脏上产生的电流效应 几乎成为十分难办的事情 测量中的电击事故 除了威胁医护人员的安全而外 对于处在麻醉 手术昏迷状态或行动不便 感觉迟钝和体质衰弱的病人来说 威胁更大 3 电子测量中的电击 主要是微电击 通过人体的低频电流 1kHz以下 三个作用 产生焦耳热 刺激神经 肌肉等细胞 使离子 大分子等粒子振动 运动 取向 当电流达到1mA cm2以上时 神经肌肉感觉器官的细胞出现兴奋现象 如果在重要器官上形
15、成的局部电流密度大到一定程度 则使器官功能丧失 当从体外流入电流时 电流在体内扩散 考虑人体相对于电极是很大的 而且人体具有均匀导电率 则电流密度急剧减小 受到刺激的主要是距电极很近的神经与肌肉细胞 流过人体的电流 使感受器或神经细胞兴奋 把刺激传到大脑 如果直接电刺激有关运动的神经或细胞 可出现和意识无关的肌肉收缩 在考虑人体的电安全性时 心脏的安全具有最重要的意义 心脏按一定的节律收缩与舒张 使血液在全身循环 心肌兴奋从窦房结开始 使相邻的细胞依次兴奋 把兴奋传递下去 以此和谐地保持两个心房和两个心室的收缩 假如有电流流过心肌 就会破坏这种同步的收缩作用 心肌细胞将随意收缩 这样血液便射不
16、出去 这种状态称为颤动 当有器件放入或者靠近心脏时 应特别警惕 由上述我们已经可以看出 深入到人体的电流和从人体外流入体内的电流 对心脏的影响有很大区别 电流直接加到患者的心脏上产生的电流效应称为微电击 而加于体表引起的电流效应称为宏电击 显然 造成微电击 是构成不安全的重要因素 流入人体的电流等于电压除以人体阻抗 人体阻抗可分为两部分 1 人体内部阻抗 与人体接触的电极之间的阻抗 去掉电极下的皮肤 主要是电阻性的 不同通路的值见图1 3 p5 2 皮肤阻抗 与皮肤接触的电极和皮下导电组织之间的阻抗 是电阻和电容组成的网络 受电流 电压 频率 通电时间 接触面积 压力 皮肤湿度的影响 变化趋势见图1 4 1 5 p5 人体等效阻抗 低颇电流对人体作用的粗略数值 100 A电极植入体内 有电流通入 引起心室颤动 1mA电流从体外流入 有电流刺激感 10mA电流从体外流入 发生不随意运动 100mA电流从体外流入 造成心室颤动 引起室颤的电流与体重和持续时间有关 例如两岁儿童的室颤值仅为30mA 详细情况请看p8图1 6交流电流对人体的效应 在人体测量中 作为安全措施 应取以上数值的1 1
