生物医学工程基础 2.生物医学测量概述

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1、生物医学测量与仪器Bio_RAD680全自动酶标仪生物医学测量的特点 生物医学测量是以人体的生命现象作为基本对象， 在测量方法、测量结果以及测量结果的认识上，与 工业测量及其他非生物医学测量相比，具有以下显 著的特点，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具有十分重要的意义 。生物医学测量的特点（1） 生命系统的多变量特性 生命体的生命活动是由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 些参数进行测量。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 生物医学测量的特点（2） 需从大量干扰和无用信

2、息中提取有用信息 生物医学测量工程中，由于被测参数往往十分微弱 ，易受外界环境的干扰（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、排除伪差 等方法提取有用信号。 人体电子测量中的电磁干扰干扰的引入高频治疗、超声诊断、手术电 刀、电疗由图可以看出造成生物电信号提取过程的主要干扰，近场50Hz的干扰源， 因为各种生物电信号中大都包含有50Hz的频率成分，而且生物电信号的 强度远远小于50Hz的干扰。一般来说，干扰形成的危害的严重程度，主要 取决于

3、抑制方法的难易。近场50Hz的干扰源，其抑制方法比能量很高的各种 电磁辐射干扰的抑制方法难。 (Hz) 0.1 1 10 50 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G 高频治疗、超声诊断、手术电刀、电疗无线电电刷火花ECGERGPCGVEPSEPAEPEEGEMGEOGENG雷电灯管放电医用遥测宇宙噪声ECG人体电子测量中的电磁干扰典型实例分析： 体表心电信号拾取过程中所受到的50Hz干扰，可以作为近场容性耦合 形成干扰的一个典型实例。导联线形成容性耦合：在强磁场环境中，通过长的导联线与其他带电体之间的分布电容，足以引入周围环境中的各种干扰。 ZGC2C1Z1Z2BAUC

4、MC2C1Z1 Z2 ZG图2-12 导联线的容性耦合图中画出的是标准导联线与电源馈电线 之间的容性耦合。 图中放大器的阻抗约为10兆欧姆，Z1和 Z2约为几千欧姆到几百欧姆，所以Id1和 Id2不会流入放大器，而是经过电极与皮 肤的电阻阻抗Z1和Z2进入人体。 Id1Id2当导联 条件完全对称时即（Z1=Z2，C1=C2 ）， 则位移电流形成的电流互相抵消。不形成干扰。 但是，实际上总存在不平衡。 人体电子测量中的电磁干扰人体表面形成容性耦合：人体与50HZ的电源馈电线之间存在分布电容。 图2-13中，如取Id=0.2A，在标准肢体导联的心电信号上，将叠加两臂之间 的位移（人体手指到肩的电阻

5、为400欧姆）电流造成的电压为：0.2A4002 160V。相当于心电信号的16。 缩短两个电极之间的距离，减小体电阻，可以降低位移电流形成的干扰电压。 除了尽量使人体远离干扰源或对人体采用昂贵的屏蔽措施外没有其他的方法。干扰源ZGZ2IdiZ1BAUCMZ1 Z2 ZGId的图2-13人体表面容性耦合生物医学测量的特点（3）测量结果会受被测对象的生理和心理因素的影响 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 进行麻醉以及经受物理和药物刺激时，受试者不能很好配合 ，直接影响测

6、量过程中的伪差，从而影响测量的准确度。 剧烈运动对测量的影响 (1)剧烈运动时,机体需氧量急剧增加,心跳增快,氧 耗和冠脉血流量也相应增加。 (2)剧烈运动时肢体血管大量扩张,冠状血管可发生 一过性供血不足. (3) 剧烈的、过量的运动生成大量的儿茶酚胺,对 心肌起毒性作用。 (4)剧烈运动可引起心肌传导系统的急性紊乱。如 运动员中常见的窦性心动过缓,Q-T间期延长等。 (5)剧烈运动时,植物神经系统平衡失调及心肌电解 质钾离子、钠离子的变化。生物医学测量的特点（4）被测对象具有闭环特性 生命体具有精确的自动调节能力，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

7、 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，测量单一生理参数往往不能有效 地评估生理和病理状态，需要采取多参数综合测试，以及采 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和 正确性。 多种原因导致血糖浓度降低 人的生理活动能量直接来源于血液的血糖，血糖来 源于小肠等消化器官从食物中获取的营养物质。人 饿的原因是血液里面的血糖浓度减少，进而会有的 正常的生理反应。这个时候应该补充食物（也就是 吃东西），如果这个时候不即时补充食物，稍微时 间长点的话，生理反应会促使分解肝糖元（来自细 胞脂肪分解物，由

8、胆汁完成进程）。这个时候人会 感觉饿过去了，反尔不饿了。 饿的话最直接的原因是血液血糖浓度降低，但是原 因可能有好多种。多种原因导致血糖浓度降低第一种：血液有问题。有的人血液血糖浓度由于特征（遗传 ）原因，一直会低于正常浓度，这样的结果是一直比较饿， 吃东西到撑也不会觉得舒服，人比较虚弱，免疫力也不强， 可能经常生病，而且没有力气。 第二种：是消化道功能不好 第三种：还有可能是甲状腺激素分泌比较多造成的，会很瘦 弱，而且脾气暴躁。 第四种：也可能是肝功能不正常，当血糖浓度降低时，肝不 能做出正确的生理反应，来分解肝糖元来维持正常的活动能 量，于是继续消耗血液中不多的糖元，造成越来越重的生理 反

9、应。同时，胆的作用也很大，即使肝功能正常，胆功能不 正常的话，脂肪也不能正常的转化成能量物质，也会导致相 同的后果，但是人会发胖，吃不了油腻的东西。多种原因导致血糖浓度降低第五种：有可能是肾的问题，营养物质都要经过肾的过滤， 肾出了问题的话营养物质就不能正常进入血液循环。导致机 体一直处于营养不量的状态，对外表现为饿。（建议检查肾 功能，肾小管和 filter,有可能导致糖尿病。人会比较瘦弱 ，皮肤不好，有红疹等，尿液颜色不正常） 第六种： 有可能是上述的几种原因的综合表现。人是很精 密高级的仪器，往往在比较小的损害的时候，它能靠自身的 生理反应来调节，来提示。所以当你感觉很不舒适的时候， 身

10、体机能已经下降了比较多的程度了，所以有时候造成一 种病症的原因往往是几种混杂在一起。 生物医学测量的特点（5） 被测对象的安全性问题 生物医学测量的对象是生命体，尤其是人体，因此其安 全性是及其重要的。测量过程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 （A级）也有可能导致室颤。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。另外，要求测量装置不能 产生有毒的物质，应与人体组织与血液有较好的生物相 容性等 被测对象的安全性问题低频电流对人体作用的数值范围如下： 100A电流通过植入体内的电极，能引起心室颤动， lm

11、A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。 在人体测量中，作为安全措施，应取以上数值的110作为 安全阈值，例如，造成室颤的体内电流应在10A以下。值 得指出的是，通过各种途径的漏电流就足以达到10A，例 如，通过仪器上的灰尘、生物液(血、尿)、静脉注射液、潮 湿的环境、甚至流入仪器的婴儿食物等所产生的电流。被测对象的安全性问题电流频率增高时，不易引起兴奋，因而 刺激作用逐渐减小，一般认为当频率超 过lkHz时，它的刺激作用和频率成反比 例地减小。图21表示电流刺激的阈值 数据随频率的增加而上升。 局部或全身通入高频电流

12、，产生焦耳热 使体温上升。如果体温上升在一定范围 之内，则产生循环量增大和促进生物化 学反应等良好效果，但体温上升到超过 某一限度时，则产生不良效应甚至烧伤 。 当电流频率更高，进入微波段后，几乎 没有刺激作用了，这时可以认为只有热 作用，也有人提出有对行动、高级神经 系统以及遗传产生影响的非热作用与热 作用同时存在。 被测对象的安全性问题 体内或有创测量，比体外测量需更加细致地考虑其 安全性。例如医用遥测胶囊发射送入体内，各种有 创测量时深入体内的电极、导管、探头等等，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。 生物医学测量的特点（6） 新方法建立

13、与评估的困难 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。 生物医学测量的特点（7） 环境的限制 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，否则会影响测量结果的可靠性 。 外界对光电倍增管的影响CT核心部件光电倍增管（ PMT ）是一种光电转换器件，通过 它可把光子转换成电子。它不 同于其它的光电转换器件，如 光电管、光电池等

14、，光电倍增 管可把微弱的光按比例地转换 为较大的电信号，这就是它的 倍增作用。光电倍增管的工作 是建立在光电效应、次级电子 发射和电子光学的基础上的， 它一般由光电阴极、次阴极和 收集阳极等三部分组成。外界对光电倍增管的影响PMT的响应时间短，仅为ns数量级；光谱响应特性好，在200 900nm的光谱区，光量子产额都比较高。光电倍增管的增 益从103到108可连续调节 ，因此对弱光测量十分有利。 外界环境对光电倍增管的影响很大，光电管运行时特别要注 意稳定性问题，工作电压要十分稳定，工作电流及功率不能 太大。一般功耗低于0.5W；最大阳极电流在几个毫安。此外 要注意对光电管进行暗适应处理，并注

15、意良好的磁屏蔽。在 使用中还要注意安装位置不同的PMT，因为光谱响应特性不同，不 宜互换。 为避免外界磁场和电场的干扰，应采取严密的屏蔽措施，通 常是在光电倍增管的外面罩上一个与阴极同电位的合金罩。 光电倍增管工作在强辐射场时还会产生各种辐射效应，在这 种情况下，应对整个环境加以辐射屏蔽。 生物医学测量的特点（8） 对生物医学先验知识的应用 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。 生物医学测量的特点（9） 适用性问题 任何测量方法与技术都有一定的局限性

16、，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，在进行测量以前首先要研究方法与技术 的适用性问题。 生物医学测量系统 信息获取：用来引导与感知被测对象的某些生理和 生化量，并使之变为便于测量与加工的电信号，通 常通过测量电极及传感器来完成。 信息加工：对获取的电信号进行放大、处理及变换 ，以适于对测量结果的分析与识别。 显示和记录：生物医学测量系统的技术指标 精确度、准确度、灵敏度、非线性系数、滞环误差 、稳定性、分辨力、频率特性、输入阻抗、输出阻 抗等等 在“有效性、安全性和适用性”，三方面要重视 生物医学测量的范围 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。 是一种最重要的基础