《生物电子学_3_生物信息的获取》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物电子学_3_生物信息的获取（71页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、生物电子学第三章 生物（医学）信息的获取1生物（医学）电子学3.1 工程技术对医学的影响第一阶段：萌芽阶段时间：17世纪19世纪标志：出现了听诊器、体温计和血压计 第二阶段：渗入阶段时间：19世纪末以后标志：两件大事1895年11月8日，伦琴发现了X射线。1895年12月22日，伦琴为 其夫人拍摄第一张X光片电技术出现，导致心电图、脑电图的测量和研究1895年，荷兰医生Einthoven首次得到心电图1903年，用电流计记录了心电图1947年，脑的A型超声1953年，二维超声实时成像2生物（医学）电子学第三阶段：冲击阶段时间：20世纪60年代以后动力：微电技术、计算机技术例：心电的进展1961
2、年，Holter完成磁带记录24小时监测、回放，准确 率66%70年代，计算机识别QRS波，准确率97%例：CT技术1971年，Hounsfield（英国工程师）获得诺贝尔奖目前，各种CT，包括：X-CT，超高速X-CT，单光子发射 CT，正电子发射CT，核磁共振CT等3生物（医学）电子学第四阶段：融合时间：20世纪80年代以后标志：医疗仪器的全面计算机化医疗技术的植入化、远程化和介入治疗例：植入化心脏起博器，30年前180克，现在16克胃电装置（减肥、食欲）视网膜显示器：调节二极管发出的光子流，使其略过视网膜 ，形成扫描，使振动色彩图像被大脑接收，可以使白内障患 者看见东西。纳米技术：进入血
3、管检查，把数据送回监视器远程化：与网络通信技术相结合计算机辅助治疗兴起多功能医疗手段出现临床信息系统 4生物（医学）电子学3.2 生物电位电极生物电引导电极的概念完成人体（或其它生物体）和测量系统之间 的界面作用，把离子电流变为电子电流。在人体内，离子导电在测量系统内，电子导电5生物（医学）电子学1. 电极的极化电压构成：引导电极是经过一定处理的金属板、 金属丝或金属网；与电极直接接触的是电解质溶液；（导电膏 ，人体汗液、人体组织液、电极插入、埋藏 式等）形成一个金属电解质溶液界面6生物（医学）电子学电化学知识当金属放入水溶液时，因 极性水分子的作用：金属离子离开金属进入水 中，在金属上留下相
4、应数 量的自由电子，金属呈负 电；金属（带-电）与水中的+ 离子相互吸引，导致动态 平衡；金属与水溶液之间形成电 荷分布双电层。产生一定 的电位差。7生物（医学）电子学电极的概念电极：由金属浸在含有该金属离子溶液中所构 成的体系称为电极。电极电位：金属与溶液之间的界面的电位差称 为电极电位。电极电位的定义：R气体常数，8.314J/mol.K; F法拉弟常数，96487库伦；T绝对温度； n离子价数；C金属离子的有效浓度(mol/L); K与金属特性有关的常数8生物（医学）电子学在室温下：当C=1时，9生物（医学）电子学电极的极化电极的极化指电极与电解质溶液界面形成双电层；在有电流通过时，电极
5、电解质溶液界面的电位发生 变化（高度极化、不极化）在生物医学工程领域，记录直流或缓慢变化的生物电 位，需用不极化的电极。例：用双极导联记录心电、脑电，所记录的是信号两 点的电位差，若两电极本身电位不同，则造成伪差。电极电位漂移的原因：材料的细微差别电极表面受到污染移动10生物（医学）电子学2. 电极的电特性电极-电解质界面呈非线性V-A特性，电极特性与 电流有关。电极阻抗是频率的函数（有电容存在）等效电路的参数与电极材料有关。11生物（医学）电子学3. 绝缘干电极与上述的表面电极不同采用电容耦合原理生物电信号经过电容耦合到放大器，电极与人体之 间的电容2500pF5000pF，输入阻抗800M
6、欧12生物（医学）电子学4. 金属微电极用于提取单细胞或神经元一类微小单元的电位电极尺寸：0.05um10nm材料：金属电极填充电解液玻璃电极等13生物（医学）电子学3.3 生物医学传感器1. 传感器的定义传感器（sensor）是能够感受规定的被测量，并按 照一定的规律将其转换为有用信号的器件或装置。是获取人体生理和病理信息的工具是生物医学工程的重要分支对化验、诊断、监护、控制、治疗等均有重要意义传感器在测量系统中的位置14生物（医学）电子学2. 生物医学传感器的主要用途检测生物体信息例心脏病患者在手术前，需测量心内压力血液传感器普查乳腺癌红外线探测器扫描热分布图监护：连续测定某些生理参数例心
7、脏手术的患者，手术几天之内，要连续测量体温，脉搏，动脉压，静脉压，呼吸，心电等需要一系列的传感器控制：利用检测到的参数，控制人体的胜利过程例在使用同步呼吸机抢救病人时，需检测病人的呼吸信号， 并控制呼吸器的动作，使之与人的呼吸同步。15生物（医学）电子学“From Tanks to Tumors” State of the Art: Healthy Breasts (shown left) and After 10 min. waiting (right) by one camera passive Thermal ScanAfter 10 min.16生物（医学）电子学State of th
8、e Art: Pathological Breasts Before (shown left) and After 10 min. waiting (right) by one camera passive Thermal Scan (IRI) After 10 min.DCISzero stage requires excess heat supply17生物（医学）电子学3. 生物医学传感器的分类物理传感器：用于测量血压、体温、血流量、血粘度、生物组织对辐射 的吸收、反射或散射等。化学传感器：测量体液中的离子成分或浓度，PH值，氧分压，葡萄糖浓 度等。测量生物电位的电极也可看作传感器，可以
9、列入化学传感 器。因为电极与皮肤之间的界面是一个半电池（化学电池 ）。生物传感器用于酶、抗原、抗体、激素、DNA（脱氧核糖核酸）等物 质的传感。因上述分子的分子量较大，化学传感器难于识别，划为生 物传感器。18生物（医学）电子学4. 生物医学传感器的特殊性距离问题：在工业测量中，总是尽量使传感器接近被测点。在生物医 学测量中，要避免传感器干扰人的正常生理、生化状态， 避免给人的正常活动带来负担或痛苦。信号远离，使信号 变坏。接触问题：常采用非接触或无损测量（借助信号处理技术）植入问题：发展了植入式或部分插入式传感器（微型化、纳米技术）噪声问题：信号微弱，低频，噪声干扰大，随机性强，个体差异较大
10、 。19生物（医学）电子学5. 传感器的静态特性几个概念静态量：是指固定状态的信号或变化的极其缓慢的信号（ 准静态量）；动态量：周期信号，瞬态信号，说随机信号静态特性：输入量为恒定值时，输入量与输出量之间的关 系称为静态特性。一般表达式其中： 0偏灵敏度，用k表示 线性特性 奇对称性20生物（医学）电子学衡量静态特性的指标线性度：传感器的特性曲线的非线性误差其中，21生物（医学）电子学迟滞描述传感器的正向（输入量由小到大）和反向（输 入量由大变小）特性的不一致程度其中22生物（医学）电子学重复性在同一工作条件下，输入朝同一方向做全量程的连 续多次变动时所得到的特性曲线不一致的程度。其中，23生
11、物（医学）电子学灵敏度在稳态下输出变化对输入变化的比值24生物（医学）电子学准确度又称为精度，表示被测量的测量结果与固定真值间 的一致程度。灵敏限指输入量的变化不一致引起输出量有任何可见变化 的量值范围6. 传感器的动态特性动态特性：指传感器对于随时间变化的输入量的响 应特性，可以用传递函数来描述。25生物（医学）电子学3.3 物理传感器及其应用1. 光电传感器及其应用光电传感器：概念：把光信号转换成电信号的传感器。可以直接测量来 自人体的辐射信息，也可以把人体的其它信息转换成光/ 电信号。优点：结构简单，非接触，可靠性高，精度高，反应迅速常用元件：光电管，光电导，光电势元件，光敏管原理：光电
12、效应指光照射到物质上引起其电特性发生变 化的现象。外光电效应：光电发射效应内光电效应：光导效应，光生伏特效应26生物（医学）电子学外光电效应金属表面受光照射，其表面和内部的电子吸收光能 后溢出金属表面的现象，称为外光电效应。两条定律：斯托克夫定律：当 入射光频率不变时， 饱和光电流与入射光 强度成正比。爱因斯坦定律：光 电子的最大动能与入 射光的频率成线性关 系，而与入射光的强 度无关。27生物（医学）电子学二次电子发射和电子倍增现象二次电子发射：具有足够动能的电子（一次电子） 轰击任何物体，使该物体发射电子（二次电子）的 现象，光电倍增管把微弱的光输入转换成电子流并使电子获得放大的 真空电子
13、器件。28生物（医学）电子学光电倍增管的工作原理各电极电位从阴极开始逐级升高，相邻电极电位差 为100V左右。微弱光入射的的光电子打到光阴极上，引起光电子 发射。经过静电聚焦和加速，飞向第一倍增阳极D1，并引 起二次电子发射。最后，电子到达阳极被聚焦，在电阻上形成约1uA 的电流。电流放大倍数约为106108。29生物（医学）电子学光电倍增管的应用放射性同位素（RI）测量和成像，用光电倍增管作 为检测器。方法：静脉注射/口服放射性同位素示踪药物，同位素分 布于人体特定部位，可检测其分布或图像，从而测定生理 机能的变化，或功能障碍。伽马照相机/单光子发射断层成像（SPECT）采用光电倍增管检测伽
14、马射线，激起的闪烁晶体发出光信 号。30生物（医学）电子学半导体光电器件光导效应和光敏电阻光导效应：光照射到绝大多数高电阻率半导体材料引起其 电阻率下降而易于导电的现象。光敏电阻：利用光导效应制成的电阻。光生伏特和光电池光生伏特效应：半导体受光照射产生电势的现象，称为光 生伏特效应。光电池：金属半导体型PN结硅光电池光敏二极管（三极管）是具有PN结、具有光电转换功能的二极管（三极管）。31生物（医学）电子学3. 压电传感器及其应用压电原理概念：某些介质（晶体、高分子聚合物），当在适当的方 向施加作用力时，内部会产生电极化状态，导致电介质带 电，称为压电效应。可逆性：压电效应是可逆的，在电极上加
15、电动势，也会产 生应变，称为逆压电效应。工作原理受力32生物（医学）电子学压电传感器的等效电路测量电路33生物（医学）电子学应用实例血压测量：动脉波形34生物（医学）电子学热电式传感器金属热电偶传感器原理：两种不同的金属组成回路时，若两个接触点温度不 同，则回路中就有电流通过，称为温差电现象（贝塞尔效 应）温差电现象的热电势热电偶温度计35生物（医学）电子学PN结温度传感器当恒定电流正向流过PN结二极管时，二极管端电压随温度 的改变做线性变化。电流和电压的关系36生物（医学）电子学热敏电阻温度传感器热敏电阻非线性特性37生物（医学）电子学一般希望得到线性电阻温度特性补偿（恒流源供电）补偿（恒压源供电）38生物（医学）电子学测量电路测量两个器官或同一器官不同部位的微小温差39生物（医学）电子学电容式传感器工作原理电容式传感器是基于被测量改变传感器的电容量再转换成 输出电量的结构型传感器。平板式电容灵敏度40生物（医学）电子学4. 光导纤维传感器光导纤维原理当此时的 称为临界角凡大于临界角的均能发生全反射.41生物（医学）电子学光纤传感器的应用把被测对象的状态转换成
