11生物医学测量基本特点

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• 人体各种功能调节都可以认为是负 反馈调节的自动控制系统
• 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
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• 人体的运动与内环境稳态，依靠反馈对控 制信息的纠正和调整而达到调节。
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• 1.6 生物医学测量与模型 • 系统模型及其分类： • 分为三类，即：物理模型，数学模型和
描述模型。
• 物理模型：是一种简化的，类似实际生 物系统的某些突出特征而设想的一种物 理系统（类比）。
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• 基本概念，人体测量是以生理学为基础 的电子工程。
• 测量目的是探索人体机制，科学研究； 疾病的诊断治疗。为临床服务，为医生 和患者服务。
正确制定实施方案。能自主进行设 计和技术实现（传感器和电子系 统）。 • 目标：进行生物医学仪器的设计。
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• 生物医学仪器发展简史： • 2500年前【黄帝内经】所述“九针”，
最早医疗仪器，用于针灸术 • 1816年听诊器 • 现代：1895年德国物理学家伦琴
（W.K.Roentgen)发现X射线，获得首 届（1901）诺贝尔生理学与医学奖。
• 包括： 1 电流的生理效应 2 宏电击与微电击 3 人体的阻抗及自然保护机理
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• 1 电流的生理效应 • 通过人体的低频电流（直流～1KHz）
对人体的作用有三个方面：
• 产生焦耳热； • 刺激神经、肌肉等细胞； • 使离子、大分子等振动、运动、取向。
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• 心脏：是电的最敏感器官,流过心脏电流 产生期外收缩,电流增加,心脏活动可能 完全停止。
• 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。
• 例如超声波给生物体加热、振荡、空化、 氧化、还原、调节渗透压等物理和化学
作用。
（2）测量的精确度和可靠性。
（3）测量中电防护
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• 1.5 电流的生理效应和防护 医学测量都有电流通过人体。 必须采取有效方法防止电击。
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• 用交流电剌激： 男子感觉电流的平均值约为1.1mA。 女子感觉电流比男子为低,约为0.7mA。
• 电流频率增高，刺激作用减小不易引起 兴奋，
• 频率为60Hz时,感觉电流为1.1mA，频 率增加至5kHz时,感觉电流则为7mA。
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• 2 宏电击与微电击 • 在整体下,由感知电流造成的电击称
• 表1.4-1 常见生理信号的典型幅值和 频率范围
• 医学生理参数的强度都很微弱，如 电压大多在微伏量级。频率范围都 在低频段，甚至是直流信号。
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• （二）强噪声背景 • 干扰: 来自外界，特别是电磁场 • 噪声：被测对象和测量设备本身的
随机噪声。 • 其它：肌体的运动，其他未测生理
参数的影响
与工程测量具有本质的不同。
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心脏与心电图
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监护仪的界面
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超声心动图和心电图
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康复训练中
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手术室的监护设备
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医生使用测量仪器
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电子眼
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• 人体测量的目的是诊断和治疗疾病， 这一过程可以看作为控制系统。
• 其模式有开环和闭环两种，如图所 示。
• 例如安置在患者身上的心脏起搏器， 早期的属于开环系统，现代的则是 闭环控制系统。
• 将被测信号淹没
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• （三）安全性限制 • 为了获取人体信息或治疗，必须把
仪器与人体紧密地连接在一起。 • 心脏导管检查，探头放入人体， • 仪器长期置在体内（如植入型心脏
起搏器），替代人体器官，维持生 命 • 人体测量的安全性是最终的测量限 制性条件
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安全方面的三点基本考虑
（1）测量中施加于人体的各种能量
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• 例如肌肉的类比模型：用一个弹簧和一 个阻尼器类比一束肌肉，其中弹簧类比 肌肉的弹性特征，而阻尼器类比肌肉的 摩擦现象。肌肉受外力f(t)作用,被拉伸， 位移量为y， K为弹性系数， D为阻尼器 系数。得到力学模型如图1(a)，数学表 达式：
•
dy
f (t) D dt Ky Dv K vdt
不同部位的皮肤,其电阻差别很大。 • 干燥皮肤约为100～300Ω/cm2,潮湿的皮
肤电阻只有干燥皮肤的百分之一。
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• 汗腺分泌降低角质层电阻。
• 人体每一肢体内的电阻约为200～ 500Ω,躯干内的电阻约为25～100Ω。 肥胖病人脂肪层增厚,电阻稍多。
• 一般以两肢体电阻为500Ω作为电击时 估算流过电流的标准。
• 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 测量方式，都有它自己的特殊性。
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1.2 人体测量的特点 • 人体测量是以医学、生理学为基础的。 • 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， • 生物医学被测量信号是生命系统的信息，
化。 • 数据处理和显示：解决临床实际使用。
• 发展：现代生物医学测量仪器包括诊 断，治疗组成的完整的自动化系统。 也包括基于网络的数据远程传输部分。
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生物医学测量仪器示意图
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• 传感器: 是把生理信息转换成可供测 量电信号。
• 电极:是传输生物电信号的传感器。 • 传感器确定仪器原理及组成方案。 • 生理参数可分为力、位移、速度、
• 1.2 通过人体的低频电流对人体的三个 作用是（ ）,（ ）,（ ）。
• 1.3 何为宏电击？何为微电击？微电击 的危害如何。
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思考 • 1.举例说明为什么生物医学测量需要
模型？ • 2.生物医学测量仪器的三个主要部分
是什么？
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无悔无愧于昨天，丰硕殷实 的今天，充满希望的明天。
加速度、流体压力、流量、温度、 时间、声、光、电、离子浓度等物 理或化学量。
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• 放大器及测量线路：是把传感器所 获微弱信号加以转换、放大、调理， 得到可以进一步处理的信号。
• 数据处理和显示：一般用单片机， 计算机等完成数字信号处理，模型 和计算，数据的记录、贮存或显示。
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• 从测量技术看，生物医学测量属于 强噪声背景下低频微弱信号测量
• 力学模型
等效电路模型
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• 数学模型： 将实际物理系统上升为抽象的数学变量和
函数关系。是对系统本质的精确描述。 通常可以用微分方程，状态变量方程描 述。 • 描述模型： 对于无法抽象为数学模型的系统，可以用 描述语言（自然语言或程序语言描述)。
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• 习题1
• 1.1 人体生理参数ECG、EEG 和EMG的 测量范围是多少？
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• 1903年荷兰生理学家爱因多芬 (W.Einthoven)采用弦线电流计记录 心电图，获得1924年诺贝尔生理学 与医学奖。
• 1924年脑电图 • 1972年X-CT（X射线计算机断层扫
描仪）
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• 1973年，美国科学家劳特布尔 (uterbur)和英国科学家曼斯菲 尔德(P.Mansfield)研制临床核磁共振 仪，获得2003年诺贝尔生理学与医 学奖。
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诊断治疗系统两种控制模式
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• 1.3 人体系统的控制模式
• 生命现象最基本的特征，包括新陈 代谢和兴奋性
• 引起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。
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• 感受细胞将所受刺激转变为生物电 信号，
• 生物电信号将信息传送到中枢神经 系统，
• 经过神经系统处理，仍然以生物电 的形式将信息传送到机体各部分的 效应细胞（如肌肉、腺体），激起 它们所特有的功能活力
• 其它：心脏起搏器，超声仪器等等。
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第一章 生物医学测量基本特点
• 1.1 生物医学测量仪器组成
• 生物医学测量仪器的种类愈来愈多 • 生物医学测量仪器已经成为生物医
学研究，诊断，治疗，自动监护等 工作必不可少的工具。
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• 生物医学测量仪器分三个主要部分： • 传感器和电极：解决信息获取。 • 放大器和测量电路：实现信息的电子
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• 肌肉的模型： • 力学模型(a)； 电路模型(b)
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• 若以电阻类比阻尼系数，电感类比弹性 系数，可以得到电路模型，如图1(b)所 示。
• 其数学表达式：
i(t)
1 R
u(t)
1 L
u(t)dt
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• 两个物理模型微分方程相同，可以类 比。
• 用一个理想弹簧和一个阻尼器的组合 类比肌肉的物理模型：
为宏电击,超过0.7～1.1mA的感知电 流阈值,可能造成严重电击事故。
• 由感觉阈以下电流所造成的电击,称 为微电击。例如, 20μA的电流自起 搏导管流入心脏就会产生危险。可 使病人遭微电击而致死。
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• 3 人体的阻抗及自然保护机理 • 人体皮肤阻抗较高，对电击具有自然保
护作用。 • 人体的皮肤电阻,主要取决于上皮角质层。
生物医学传感器和检测技术
• 主要内容：包括生物医学传感器原 理和生物医学电子测量技术。
• 其特点是从测量对象（生物体）本 身的特点出发, 讨论生物医学电子测 量的基本原理和相应的实现方法， 技术。
• 讨论生物信号直接测量和基于模型 的测量。
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• 先修基础： • 生理学，模，数电和计算机硬，软
件技术等。 • 学习目的： • 掌握生物医学测量基本概念，原理。
• 心脏发生纤颤是电击的严重后果,如不及 时采取适当措施,心脏活动和血液循环就 会停止。
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• 根据动物实验得到引起纤颤的最小电流计 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ公式为：