生物检测在临床应用、运动医学、生理医学研究等诸多领

医学资料1医学资料2生物检测在临床应用、运动医学、生理医学研究等诸多领域中起着十分重要的作用。随着科学技术的快速发展，涌现出大量的、新颖的检测技术和检测设备。生物医学检测技术是运用工程的方法去测量生物体的形态、生理机能及其他状态变化的生理参数。第一章生物医学检测系统的基本概念医学资料3把人和检测系统结合在一起考虑1、生命之间有高度的相关性；2、有很多重要的生理参数对测量装置是不容易接近的；3、对生命体进行检测必须确保人身安全。检测系统与被检测生物体之间存在复杂的互作用医学资料4第一节生物医学检测系统的组成生物医学检测仪器分为两大类：一、生物医学检测仪器分类：1、临床用的检测仪器：用于疾病的诊断、监护。要求便于医护人员操作、使用，结构牢固可靠。2、医学研究用：要求较高的精度、分辨率，有一些是介于二者之间。医学资料5二、生物医学检测系统对人体测量大致分类1、活体测量（invivo）：人体处于机能状态下的临床检查或体内测量。2、离体测量（invitro）：处理血液、尿之类的标本化验。三、生物医学检测系统生物医学检测系统包括信息的检测（采集）、传播、存储、加工处理和监视读出。医学资料6医学资料7在许多医学测量中，要求对某种形式的外部刺激作出反应。用以产生提供刺激给被测对象的设备是生物医学检测系统的一个重要组成部分。医学资料8刺激可以是视觉、听觉、触觉。也可以是对神经系统某些部位的电刺激。系统人体生理系统要做出反应。医学资料9主要是人体的生理系统。它提供了系统要测量的各种生理的物理量。医学上主要测量的有生物电位、压力、流量、位移、速度、温度、化学浓度、阻抗等。返回医学资料10传感器把来自生物体的能或信息转换成电的形式，把电信号加到电子设备上。医用传感器转换的最主要量包括温度、压力、流量、位移、速度和力等非电量。医学资料11生物医学电极是直接感知人体生物电位的元件。这是系统的采集部分。医学资料12将传感器输出的电信号进行放大、整理或作其他变换的单元称为信号调节器（或称为信号处理器）医学资料13它把采集到并已转换成电信号的信息进行放大整理或做其他变换以满足系统的功能需要。医学资料14将处理后的生物信息变为可供人们直接观察的形式。医学资料15医学仪器对记录显示系统的要求是记录显示的效果明显、清晰，便于观察和分析，正确反映输入信号的变化情况，故障少、寿命长，与其他部分有较好的连接。医学资料16记录与显示设备按其工作原理，可以分为三种：（1）直接描记式记录装置直接记录各种生理参数随时间变化的模拟量。（２）磁带记录器（３）数字式显示器医学资料17可分为描笔偏转式和自动平衡式：描笔偏转式记录器结构简单、成本低，在心电图机、脑电图机及心音图机中得到广泛使用。自动平衡式记录器的缺点是结构复杂，频响范围窄。优点是记录幅度大、精度高，可与计算机连接。一般用于记录体温、血压、脉搏等监护仪器上。医学资料18（2）磁带记录器它在生理测量和病人监护中的应用日益增多。其工作原理基本与磁带录音原理相同。按对被记录信号的处理方法可分为模拟式和数字式两种。把输入的被记信号按原样进行磁化记录的称为模拟式磁带记录器，它类似一部录音机。医学资料19磁带记录装置的优点：1）频率响应宽，记录的信息可以反复重放，便于分析处理和保存。2）信号失真度低，适宜于作准确测量。3）一条磁带可同时记录多个生理量适宜于长间连续记录和大量资料存贮。4）记录信息可擦除，可多次使用，成本低。医学资料20（3）数字式显示器显示器接受信号处理后的信息，并以操作人员所能感知的形式显示结果。显示形式可以是数字的或图像的，也可以是连续的或离散的。多数是依靠使用者的视觉，但也有采用听觉感知的办法。数字式显示器是一种将信号以数字形式显示供观察的器件，一般由计数器、译码器、驱动器和数码管等组成。其中显示器分荧光数码管和液晶显示两种。医学资料21从人体采得的信息具有二个特点：（1）信号很微弱，各种干扰很大，信噪比低，有用信号淹没在强干扰背景中。医学资料22（2）需要用各种统计分析方法，对信号进行叠加、相关处理、频谱分析、直方图等数据处理。医学资料23数据传输：是异地诊断。返回医学资料24把部分输出信号反馈到输入部分，以使系统按某一方式工作，如控制刺激量的大小、控制传感器或仪器系统中其他任何部分。控制和反馈可以是自动的或手动的。返回医学资料25信号源信号检测信号传输信号显示信号处理被测物体生物电极传感器中间变换装置显示、记录装置数据处理装置血压呼吸体温心跳血流量脉搏位移压力成份生物电极电阻传感器电容传感器电感传感器光电传感器磁电传感器热电传感器压电传感器压电传感器直流电桥交流电桥运算放大器滤波器阻抗变换器调制器电流表光线示波器笔式记录仪磁带记录仪电子示波器电压表电流表频谱分析仪电子计算机数据处理器典型生物医学检测系统的组成框图医学资料26第二节生物医学检测系统的特殊性医学仪器测量的主要目的：是获得与临床诊断和治疗有关的人体生理参数。医学测量与普通物理参数测量异同点：它们的不同之处主要在于测量对象不同。普通物理测量的被测对象是物（如设备、机器、化学物品、工程系统、环境等），而医学测量的对象是人体复杂的生理系统。医学资料27医学测量遇到的一些特殊问题：一、被测值难以获得对生命系统测量时，遇到的最大困难是难以获得被测值。为了解决被测量不可接近的困难，必须采用间接测量。注意:在测量过程中应保持两个变量之间关系不变，并且应在两者关系失效时及时对测量结果加以修正。医学资料28二、数据的易变性从人体测得的量是易变的，即使所有可控制的因素都固定，但大多数被测参数还是随时间变化，每次测量会有不同结果。在完全相同的条件下，各次测量结果与正常值总会有偏差。因此，生理量不能认为是严格的定值，而应该用统计的或概率分布的方式来处理。医学资料29三、生理系统间的相互作用人体各生理系统之间存在复杂的相互作用和大量反馈环路。如对某系统中一部分进行刺激，结果该系统的其他部分和其他系统也会有反应。甚至当打开反馈回路时，会出现旁系环路，而原始反馈环路的某些性质依然存在，使因果关系很难分清。如能了解一些生理系统之间互相关系，则有利于做好生物医学测量系统和生理学系统之间的结合工作。医学资料30四、传感器对测量状态的影响由于传感器的存在，使任何形式的测量几乎都受到不同程度的影响，表现为：1、显著地改变了测量读数，特别是对活体的测量。2、影响另外系统的测量。因此在设计生物医学测量系统时，必须尽力做到使测量装置的影响减到最小。医学资料31五、能量的限制生物医学测量，一种是依靠被测活体本身发出的能量，例如生物电位测量；另一种是利用传感器工作时产生的能量作用于被测活体。当电流流过人体组织时会产生热量，而对组织加热是一种必须加以限制的现象。此外，因为生理参数在人体内可用的能量有限，所以在设计时应尽量避免生物医学测量系统成为被测信号源的负载。医学资料32六、伪迹和干扰在医学和生物学上，被测信号以外的任何信号成分称为伪迹。生物医学测量系统中引起伪迹和干扰的一个重要原因：1、被测对象的移动而导致测量仪器移动。2、测量仪器本机噪声、人体感应的交流干扰等。医学资料33七、安全性在医学测量中，为了保证安全，必须做到：1、必须保证不危及人体生命和损害正常功能。2、不容许轻易地试验尚不可靠的测量方法。3、生物医学测量系统的设计要重视安全可靠。4、生物医学测量不使被测者太疼痛、外伤或不舒服。5、设计医学仪器时还要考虑辐射、化学腐蚀、毒物、有害气体、交叉感染等因素。医学资料34第三节生物医学测量范围为了正确地选择和使用医用检测仪器，使用前应该清楚了解待测参数的指标范围。下表列出了常用的生理参数的测量范围。这些指标在不同的资料上的报道不尽相同。有时测量目的不同，或被测试者处于不同状态，则对同一生理指标所要求的范围也不相同。医学资料35参数幅度范围频率范围（Hz）心电皮肤电极10μV～5mV(典型值1mV)0.05～80心脏电极10μV～5mV(典型值50mV)0.05～80胎儿心电10μV～5mV(典型值10μV)2～100脑电头皮电极10～200μV(典型值50μV)0.5～100颅内电极10～100mV(典型值50μV)0.5～100肌肉电位20μV～1mV10～5000（或10～2500）细胞内电位-100～+200μV(典型值100μV)DC～2000（或1～2000）细胞外电位-100～+200μV(典型值50μV)DC～1000（或1～1000）视网膜电位0～1mV(典型值100μV)DC～25（或0.051～20）眼电位0.05～5mV(典型值100μV)DC～25胃电位0.05～5mV（典型值20mV）0.05～20平滑肌电位0.5～100mVDC～1医学资料36第四节生物医学检测系统的基本特征为了评价一个检测系统性能的品质优劣，需要有鉴别检测系统性能的定量标准。通常按照检测系统对输入信号频率的响应，分为静态特性和动态特性二大类。静态特性是扫描仪器对输入信号为直流或很低频率时的性能。它表示系统在输入量稳定时，系统输出和输入的关系。动态特性则需要用微积分来描述。医学资料37Y——输出量；X——输入量；a0——零位输出；a1——系统的灵敏度，常用K表示；a2,a3,…，an——非线性项待定常数。一、静态特性通常，要求在静态情况下的输出——输入关系保持线性。实际上，其输出量和输入量之间的关系(不考虑迟滞及蠕变效应)可由下列方程式确定。nnXaXaXaaY2210医学资料38由上式可见，如果a0=0，表示静态特性通过原点。此时静态特性是由线性项(a1X)和非线性项(a2X2，…，anXn)叠加而成，一般可分为以下四种典型情况。nnXaXaXaaY2210医学资料39(a)1、理想线性XaY1医学资料402、具有X奇次阶项的非线性55331XaXaXaY医学资料413、具有X偶次阶项的非线性44221XaXaXaY医学资料424、具有X奇、偶次阶项的非线性4433221XaXaXaXaY医学资料43(a)(b)(c)(d)由此可见，除图(a)为理想线性关系外，其余均为非线性关系。其中具有X奇次项的曲线图(b)，在原点附近一定范围内基本上是线性特性。医学资料44系统的静态特性是在静态标准条件下测定的，在标准工作状态下，利用一定精度等级的校准设备，对系统进行往复循环测试，即可得到输出——输入数据。将这些数据列成表格，再画出各被测量值(正行程和反行程)对应输出平均值的连线，即为系统的静态校准曲线。医学资料45系统静态特性的主要指标有以下几点•一、线性度(非线性误差)•二、灵敏度•三、精确度(精度)•四、最小检测量和分辨率•五、迟滞•六、重复性•七、零点漂移•八、温漂医学资料46（一）线性度(非线性误差)在规定条件下，系统校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程(F·S)输出值的百分比称为线性度.医学资料47用δL代表线性度，则ΔYmax——校准曲线与拟合直线间的最大偏差；YF·S——系统满量程输出；0maxYYYSF%100maxSFLYY医学资料48由于定标曲线成线性的检测系统是理想系统而实际的系统则往往是非线性的。因此常用实际的定标曲线与理想直线的吻合程度，来作为衡量实际检测系统的线性度。由此可知，非线性误差是以一定的拟合直线或理想直线为基准直线算出来的。因而，基准直线不同，所得线性度也不同。医学资料49拟合直线建立常用方法：1、绝对法：把零点和满量程输出点连接的直线作为理论拟合直线。2、独立法：在实际测量点中取一条最佳直线，使直线两侧的最大实测偏差基本相等作为拟合直线医学资料503、端基点法：把实测平均曲线的起始点和最终点的连线作为拟合直线。4、平均选点法：把实测点按输入量的大小分为前半部和后半部两组，并使两组的点数相等。分别求出各自输入量和输出量的“平均点”，将其连成直线就得到拟合直线。5、最小二乘法：采用最小二乘法原则求得最佳拟合直线方程。以此作为理想直线。医学资料51两种常