生物医学测量及传感器(1)

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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。
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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。
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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。
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医学仪器性能概要 人体信号类型决定着医学测量仪器结构 1、周期信号； 2、非周期信号或瞬变信号； 3、随机信号：平稳随机信号、非平稳随机信号 心电、血压、血流量、脉率、心率、心音、呼吸都是非平 稳周期性随机信号； 脑电、肌电、胃电、眼电等都是非平稳非周期性随机信号； 体温对正常人每天的数值基本是平稳周期性信号，而对于 病人（尤其炎症发烧患者）是非平稳非周期性随机信号。
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。
电子学测量方法
杨
飞
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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
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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。
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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。
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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。
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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。
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人体基本生理参量的测量部位示意图 参见课本
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医学测量仪器系统通用组成框图
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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）
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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。
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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。
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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
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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
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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。
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人体中每时每刻都存在着大量的生命信 息。由于我们的身体整个生命过程中都在不 断地实现着物理的、化学的及生物的变化， 因此所产生的信息是极其复杂的。
我们可以把生命信号概括分为二大类： 1、化学信息
2、物理信息
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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。பைடு நூலகம்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。
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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。
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心电电极、心音传感器、导联线
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心电、心音信号放大器
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数据采集卡（A/D转换卡）
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生物医学信号检测系统
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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。
伦琴拍摄的一张X射线照片，伦 琴夫人的手骨与戒指
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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。
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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。