生物医学测量与传感器1.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,杨 飞,电子学测量方法,课程安排,理论课：,54,课时 实验课,18,课时,参考书目：,生物医学传感器与检测技术,杨玉星 编著,生物医学测量与仪器,王保华 主编,生物医学工程是一个多科学的交叉领域，其特点是将工程科学与生命科学的原理与方法相结合，在生命体的多个层面上对生命体的现象与运动规律进行定量研究，并发展相应的医疗技术及应用系统，应用于医学和保健。,生物医学工程涵盖生物材料与人工器官、生物力学、仿真及控制、生物医学信号检测及处理技术、医学成像及图像处理、生物医学电磁学等，而生物医学测量是生物医学工程学科中最基础、应用最广泛、与其他分支学科联系最密切的领域。,第一章 现代医学仪器概论,本章内容,1.,医学仪器简介,2.,医学仪器发展简史,3.,医学仪器的分类,4.,医学仪器发展现状及研究方向,5.,生物医学测量概述,6.,生物医学测量方法、特点、安全性,1.,关键词解释和医学仪器定义,国际标准化组织对医疗器械（,medical device,）中的,医学仪器（,medical instrumentation,）定义：,指那些单纯或组合应用于人体的仪器，包括智,能化仪器中的软件。,其使用目的：,1,、疾病的预防、诊断、治疗、监护或缓解,2,、损伤或残疾的诊断、治疗、监护、缓解或补偿,3,、解剖或生理过程的研究、替代或调节,4,、妊娠控制,医学仪器用于人体体表及体内的作用，不是用药理学、免疫学或者代谢,的手段获得的。,但可能有这些手段参与并起到辅助作用。这是对医学仪器较为严格的定义。简单说来，,医学仪器是以医学临床诊治和医学研究为目的的仪器。,化学信息是指组成人体的有机物在发,生变化时所给出的信息，它属于生物,化学所研究的范畴。,物理信息是指人体各器官运动时所产,生的信息。物理信息所表现出来的信,号又可分为电信号和非电信号两大类。,人体电信号：如体表心电（,ECG,）信号、脑电,（,EEG,）、肌电（,EMG,）、眼电（,EOG,）、胃,电（,EGG,）等在临床上取得了不同程度的应用。,人体磁场信号检测近年来也引起了国内外研究者,和临床的高度重视，我们把磁场信号也可归为人,体电信号。,人体非电信号：如体温、血压、心音、心输出量,人体非电信号及肺潮气量等，通过相应的传感器，即可转变成,电信号。,电信号是最便于检测、提取和处理的信号。,上述信号是由人体自发生产的，称为,主动性,信号。,另外，还有一种,被动性,信号，即人体在外界施加某种刺激或某种物质时所产生的信号。如诱发响应信号，即是在刺激下所产生的电信号，在超声波及,X,射线作用下所产生的人体各部位的超声图像、,X,射线图像等也是一种被动信号。这些信号是我们进行临床诊断的重要工具。,人体基本生理参量的测量部位示意图,参见课本,医学测量仪器系统通用组成框图,生物信号反映生物体的生命活动状态，生物信号的表,现形式具有多样性，如：既有物理的声、光、电、力等类,的变化；又有化学的浓度、气体分压、,PH,等的变化，其特,点是信号微弱、非线性、高内阻、干扰因素多等等。这些,特征对于生物信号的研究十分重要。,一个完整的生物信号测量系统一般包括以下四个部分：,1,、生物信号的引导,（电极和传感器）,2,、生物信号的放大,（数字和模拟电路）,3,、生物信号的采集和采样,（,A/D,转换器）,4,、生物信号的记录与处理,（信息处理）,心电电极、心音传感器、导联线,心电、心音信号放大器,数据采集卡（,A/D,转换卡）,生物医学信号检测系统,2.,医学仪器发展简史,现代医学仪器的诞生和发展始于,19,世纪末,20,世纪初，这与以量子力学和相对论为代表的科学重大发现和以机械 制造和电机工程为代表的工业文明出现密不可分。,1728,年，英国,Hales Stephen,采用开口的管子插入马的股动脉，做了人类历史上的第一次血压实验。,1816,年，法国医生,Rene,发明了听诊器。,1842,年，,Nobelic,做早用静电记录了肌电信号。,物理学家希托夫观察到真空管中的阴极发出的射线，当这些射线遇到玻璃管壁会产生荧光。,随后，英国物理学家克鲁克斯研究稀有气体里的能量释放，并且制造了一种玻璃真空管，内有可以产生高电压的电极。,1887,年,4,月，尼古拉,特斯拉开始使用自己设计的高电压真空管与克鲁克斯管研究,X,光。他发明了单电极,X,光管，在其中电子穿过物质，发生了现在叫做韧致辐射的效应，生成高能,X,光射线。,1892,年特斯拉完成了这些实验，但是他并没有使用,X,光这个名字，而只是笼统成为放射能。他继续进行实验，并提醒科学界注意阴极射线对生物体的危害性，但他没有公开自己的实验成果。,1892,年赫兹进行实验，提出阴极射线可以穿透非常薄的金属箔。赫兹的学生伦纳德进一步研究这一效应，对很多金属进行了实验。,1895,年德国物理学家伦琴,(W.h.Roentgen ),在吴尔兹堡,(Uerzburg),大学物理研究所发现,X,射线，在次年的德国物理学年会上，他宣布并展示了,X,射线拍摄的人手,X,照片，由此开创了人体影像诊断的先河。当时的电子变压器,高压输出已可达,100 kV,，满足了,X,射线产生的条件，伦琴在,实验中采用的是,William Crookes,研制的高真空度的阴极,射线管。这一里程碑式的发现使得伦琴获得了首届,(1901,年,),物理学诺贝尔奖。,zh.wikipedia.org/wiki/File:X-ray_by_Wilhelm_R%C3%B6ntgen_of_Albert_von_K%C3%B6lliker%27s_hand_-_18960123-02.jpg,拍摄的一张,X,射线照片，伦琴夫人的手骨与戒指,X,线被广泛的应用于对疾病的诊断与治疗，形成了放射诊断学和放射治疗学。,X,线还用于疾病的预防、康复和预后随访，在医学之外，还用于,X,线衍射分析和工业探伤等多种用途。,随着计算机技术的发展，数字化,X,线摄影、数字减影（,DSA,）应运而生。,这期间另一个重大事件是,1903,年荷兰生理学家,William Einthoven,研制成功了第一台采用弦线式,电流计记录的,心电图仪，被誉为心电图之父。他创立的肢体标准导联的,概念，沿用至今。,Einthoven,开创性的贡献使他获得了,1924,年医学诺贝尔奖。,1924,年法国学者,Berger,首次采用头皮电极记,录到人脑的电活动，发现人脑活动的,p,波节律，并,第一次绘出了人类癫痈病发作时的,脑电图。,1932,年，研制了一种可经食管插入胃中观察胃内病变的半硬式胃镜。,1957,年，美国首次开发出纤维光学内镜。,1956,年，美国人,Anger,发明了伽玛照相机，成为核医学成像技术的一个里程碑。,1957,年，美国,Mackay,制成一种,“,无线电丸,”,，由动物吞服下后，可用无线遥测方式检测体内的某些生理信息，同年，在前苏联的空间研究中，将遥测技术用于动物的生理医学实验研究。,1957,年，美国,Holter,博士利用无线遥测与磁带记录技术相结合，连续记录可行走病人长时间的心电图，并与,1961,年制成由佩戴式磁带记录器记录，由示波器回放分析的心电监护系统，后来被称作,Holter,监护系统。,1963,年将图像重建理论用于放射医学。,基于压电晶体管效应的超声波发生装置，,在,1880,年已由,Jaeqnts,与,Pierre Carie,建立，其后,在第一、二次世界大战中超声在水下探测中均发,挥了巨大的作用，但作为真正商品化的医用超声,诊断仪直到,1958,后才出现，此后由于它的广泛的,优点，很快在临床普及。,今天,B,超（全数字化彩色,B,超）已经在全世,界各大中小医院广泛普及，成为常规性检查手段。,可以说，没有,B,超的医院不能称其为医院。,X,光投射成像技术在伦琴创立之后近百年间发生了长足的,进展，借助于各种影像增强材料和手段,.X,成像早已突破早期,主要针对人体骨骼的成像范围，扩展到全身各个部位。但由,于,X,光将人体投影到二维成像平面时，反映的是垂直于射线方,向上的无穷多个平行截面人体组织的叠加或平均，使重要的,空间信息模糊或丢失。,1972,年根据英国工程师毫斯菲尔德,(G.N.Hounfield),和美国人科马克,(A.M.Cormack),，将计算机,技术与,X,线相结合，发明了,X,射线计算机断层扫描,CT(computer aided tomography scanner),重建技术。它,能从许多不同的投影图，计算出真正的二维切片人体组织图,像。此后人们还从新获得的连续切层图通过组合计算出各种,角度的切片图，直到三维图像。这一医学史上划时代的成果，,使豪斯菲尔德与科马克共享了,1979,年生理学与医学诺贝尔奖。,核医学影像类仪器，是基于给病人施加放射,性标记药物，在人体外部探测所发射的射线而,成像的。自从,1956,年,H.O.Anger,研制成功医用,Gama,照像机后，借助于类似于,X,线层析成像技术先后有,SPECT(,单光子发射计算机断层成像,),以及,PET(,正电,子发射层析成像,),应用于临床。它们提供了,X,成像,技术不能提供的人体生理代谢功能等方面的重要,信息。,核磁共振,(nuclear magnetic resonance,，,NMR),成为一种,谱分析方法，早在,1946,年就由,F.Bloch,提出，但直到,1973,年才,由,P.C.Lauterbur,等研制出临床使用的,磁共振成像仪,(magnetic reso-nance imaging,MRI),。,该仪器不仅提,供了人体解剖图像,(,特别是软组织的图像,),，而且提供了人体特,色部位的生理与代谢信息。,2003,年度的诺贝尔生理、医学奖授予了美国伊利诺大学的,化学、生物物理学和计算生物及生物工程学教授,Paul C.,Lauterbur,和英国诺丁汉大学物理学教授,Peter Mansfield,爵士，,以表彰他们对建立磁共振成像,(magnetic resonance imaging,MRI),技术所做出的杰出贡献。,自,20,世纪,60,年代，开始出现应用电子技术的临床监护仪器，,1962,年，国外开始建立危重病人监护系统（,ICU,）和冠心病人,自动监护系统（,CCU,）。自,70,年代后期，微型计算机引入到,临床监护系统中，出现了运用模式识别技术的智能化监护仪器。,自,20,世纪,60,年代以来，重点用于生物医学测量的电化学传感器,得到了逐步发展。,1962,年出现了具有透氧膜的氧电极，此后相继出现,了把某些无机化合物、有机化合物、高分子化合物和生物物质与电极,结合而形成的多种电化学传感器和生物传感器、半导体技术、微加工,工艺和生物技术的进步，促进了生物传感器的发展。,治疗类仪器自十八世纪美国科学家富兰克林,(Flanklin),用莱顿瓶放电治疗瘫痪病人以来。直,到,19,世纪末,20,世纪初才有了长足的进展，利用电,磁波不同频段不同的生理效应，研制成功的各种,治疗仪器大量进人临床，最具代表意义的有：可,植人式,心脏起博器、高频电刀、激光刀、用于癌,症治疗的直线加速器等。伴随微电子技术和计算,机技术的发展。各种物理治疗类仪器在保健、康,复功能替代中发挥了越来越显著的作用。,化学分析起源于,17,世纪，但仪器分析直到,19,世纪末才出,现。,20,世纪得到大的发展，用于医学的分析仪器，主要沿袭,了现代化学分析仪的方法和手段，如谱分析方法，电化学方,法、各种分离技术等，对人体成份进行离体分析。直接针对,活体内成份的测量，是,医学分析仪器的特殊处和极重要的方,面，这里存在有创和无创，短时诊断和长期监测之分。如针,对糖尿病患者血糖的诊断与监测，针对呼吸系统病人的血氧,饱和度的诊断与监测等。,20,世纪末得益于生物工程技术和,电子技术的发展，使医用分析仪器在大规模测量和小型化、,快速分析等方面均取得了重大进展。,医学仪器结构发展演变历程：,从,机械式,（水银温度计、水银血压计、听,诊器、肺活量测量计）,电子电路,（晶体管等,分立元件）,集成电路,（主要是模拟电路）,大规模集成电路（主要是数字电路）,智能化,仪器,（单片机、,DSP,高速信号处理器）,微机虚,拟仪器,网络多媒体远程医疗,未来走向,测量仪器经历三个时代的发展：,第一代为,指针式,（或模拟式）仪器仪表,第二代为,数字式,仪器仪表,第三代就是,智能式,仪器仪表,医学测量仪器的分类,生理检查与记录仪器（,心电图、脑电图、血压计、体温计、脉搏测量仪等,）,生化检查与记录仪器（,血液气体分析仪器、尿液分析仪、血液细胞分析仪,）,医学图像仪器（,超声波、,CT,、磁共振、电子内镜等,）,临床监护仪器（,心电监护、呼吸监护、,ICU,、,CCU,）,4.,医学仪器发展现状及研究方向,4.1,国外医疗器械现状,美国是世界上最大的医疗器械生产国和消费国，它供应了世界市场,40%,的医疗器械，同时消费了世界市场的,37%,的医疗器械，外科手术与医疗仪器比重最大，著名的美国,GE(General Elecetric company),、,日本是全球医疗器械第二生产大国，日本的医疗制造厂商以中小企业为主,欧盟占世界医疗器械行业的,28%,，主要投资于提高对内科疾病的早期诊断、改善治疗程序、损坏器官的置换、可部分操纵的人工骨骼和关节。,4.2,我国医疗器械的现状 目前，我国医疗机构的整体医疗装备水平还很低，我国医疗器械市场已 成为继美国和日本之后的世界第三大市场。,1.,病人监护系列产品的市场需求量大，机电一体化技术的复杂性和加工难度不大，生产厂家较多。,2.,医学影像设备技术含量高，基本上是进口。,3.,临床实验室仪器设备是我国,40,多年来一直缺乏产品开发生产活力的领域，与国外先进水平差距在,20,年左右。,4.,人才、资金、技术等资源丰富,5.,三大区域形态,近年来，随着我国民营企业迅猛发展，医疗器械产业的发展有了长足的进步，特别是在超声波诊断、病人监护仪等产品。许多企业获得了,CE,和,FDA,认证，如深圳迈瑞生物医疗电子股份公司。,（,1),专利数量少，科技水平不高,2003-2007,年世界医疗器械专利总数,100095,件,美国专利数量,39794,引用次数,21997,日本专利数量,31127,引用次数,6164,我国专利数量,3431,引用次数,243,（,2,）品种相对数量多，核心技术缺乏,MRI,CT,等大型且价格不菲的医疗设备市场主要集中在,GE,西门子和飞利浦等外资公司里,（,3,）医疗器械监管滞后，管理不合理,4.3,医学仪器未来的发展方向,1.,计算机电路及医疗器械的微型化 集成电路晶片（,CCD,），,DNA,发动机,2.,智能手术机器人,“,埃索普,”,内镜手术,“,医生助手,”,，加拿大机器人,“,宙斯,”,3.,纳米微型化器械 纳米机器人,4.,分子医学,5.,微创与无创方法,6.,器械、药物、生物复合产品,7.,器官移植、辅助器械,医院,HIS,系统,管理信息系统,门诊管理物资管理,药品管理设备管理,住院管理财务管理,护士工作站院长查询,医技管理医保接口,手术管理触摸屏导诊,临床信息系统,门诊医生工作站,住院医生工作站,护理信息系统,电子病历,HIS,接口,LIS,系统,检,验,服,务,器,检,验,服,务,器,检,验,服,务,器,检,验,服,务,器,检,验,服,务,器,检,验,服,务,器,OA,系统,办公自动化,互联网,人事管理,档案管理,后勤管理,图书管理,检验服务器,HIS,接口,HIS,接口,通讯接口,图像服务器,检验仪器,PACS,系统,核磁共振成像,超声波,CT,5.,生物医学测量概述,生物医学测量的基本特点,一、生物医学测量基本属于弱信号测量,生物医学测量属于弱信号测量范畴，,具有弱信号测量的共同特点，即要求测量,系统的灵敏度高、分辨力强、抑制噪声和,抗干扰能力好。这一特点在生物电、生物,磁信号的测量中尤为突出。,部分生物电和生物磁信号的幅度范围,部分常见生理信号的频率范围,二、生物体内的噪声对测量有重要影响,生物体是一个极其复杂的系统，如何,从生物体中有效地提取被测信号，是生,物医学测量的重要问题。在生物医学测,量中，不仅要抑制仪器系统的噪声，更,重要的是要充分认识人体噪声的性质和,特点，采取有效办法（如滤波、相关或,自适应处理，改进信号耦合方法等），,从人体噪声中提取有用信号。,三信息测量中容易引入外界环境的干扰,（,1,）环境电场、磁场和电磁场的干扰,电场干扰：,最常见的干扰是工频（,50Hz,）电场的干扰。,磁场干扰：,变压器、电动机和荧光灯的镇流器周围产生,的交流磁场。,高频电磁场干扰：,空中的电磁波,通过测量系统与人体连接的,导线引入。,（,2,）外界刺激对测量的干扰,外界刺激的干扰主要是通过生物体的感觉器,官引入体内，引起生理状态的异常改变，造,成测量结果的不稳定或产生伪差。,四、生物医学信息的多变性,各种生物体都是在内环境与外环境相适,应的条件下，维持其新陈代谢和生命。为,适应各种外环境的变化和差异，生物体内,各种系统，包括一个细胞、器官、功能系,统乃至整体，它们的功能活动都在不停地,变化着、调整着，以在内外环境间保持动,态平衡。此外，遗传因素也造成生物体各,种功能、状态的个体差异。这些因素使被,测量的生物医学信息往往具有多变性。,