生物医学测量与传感器(1).ppt
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1、http:/生物医学测量与传感器(1)Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望http:/课程安排q理论课:54课时 实验课 18课时q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http:/q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。q生物医学工程涵盖生物材料与人工器官、生物
2、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。http:/第一章现代医学仪器概论q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http:/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
3、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 http:/ 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。http:/ 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
4、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。http:/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 http:/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。http:/人体电信号:如体表心电(ECG)信号、脑电(EEG
5、)、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。http:/ 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 X 射线作用下所产生的人体各部位的超声图像、X X射线图像等也是一种被动
6、信号。这些信号是我们进行临床诊断的重要工具。http:/人体基本生理参量的测量部位示意图 参见课本http:/医学测量仪器系统通用组成框图 http:/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)http:/心电
7、电极、心音传感器、导联线http:/心电、心音信号放大器http:/数据采集卡(A/D转换卡)http:/生物医学信号检测系统http:/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。http:/ 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。
8、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。http:/ 1895年德国物理学家伦
9、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。伦伦琴琴拍摄的一张X射线照片,伦琴夫人的手骨与戒指http:/ 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
10、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。http:/ 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。http:/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
11、。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。http:/ 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 Cari
12、e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。http:/ 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。
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