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1、第三篇生物医学测量与仪器一、概述定义：生物医学测量是以人体及其他生物体为对象，研究对各种生命现象、状态、性质和成份进行测量的原理和技术科学，是生物医学工程的重要分支。认识生命奥秘、了解生物体结构、功能和疾病状态的方法和仪器。促进生理学、诊断学及医学各领域的进步，并带动各种医疗器械的研究和开发。研究对象-生物体，基本对象是人体。人体由生物分子细胞器官功能系统等各层次组成的复杂系统。测量范围包括多生物体分子水平、细胞水平、器官水平和系统水平个层次的信息测量。有生物电、生物磁、非电磁生理参数测量和生物化学测量等。总之，生物体内的各种成分、性质、状态和功能等信息的测量。基于细胞电活动的生物电测量有：心
2、电、脑电、肌电、眼电、胃点和神经电测量。伴随体内电荷运动的生物磁有：心磁、脑磁、肌磁、眼磁等生物磁场。非电磁生理参数有：血压、血流、脉搏、呼吸、心音、体温等测量。测量生物体中组织和器官的结构与形态参数。测量血液、尿液、唾液、精液和组织液中的各种电解质及微量元素含量。参数测量生物体内气体的氧和二氧化碳等化学成分。测量各种细胞的数量和形态，测量生物体内的各种蛋白质、葡萄糖、酶等。生物医学测量与仪器是物理学、化学、信息科学，并且以电子技术为代表的各种现代工程技术与生物学和医学相结合的产物。生物医学测量的基本特点生物医学测量从本质上讲，是特殊条件和特殊对象下的物理和化学测量。原理、方法与普通的物理化学
3、测量无本质差别，可借鉴利用。特殊性：活体、丰富、相关、个体差异、时空变化、环境影响等。生物医学测量属弱信号测量部分生物电和生物磁信号幅度被测信号幅度范围被测信号幅度范围心电（皮肤电极）50V5mV肾电位10 V80mV脑电（皮肤电极）10300 V心 磁10-10 T量级肌 电20 V10mV脑 磁10-12 T量级细 胞 电 位-100+200 V眼 磁10-11 T量级视网膜电位01mV肺 磁10-8 T量级眼 电0.055mV特点是信号弱、取样量少。要求测量系统具有：灵敏度高、分辨率强、抑制噪声和抗干扰能力好。生物体内的噪声对测量有重要影响生命活动中的各种信息共存，彼此相关，互相干扰。（
4、如心电与肌电互扰；呼吸与脉搏影响等）。信息量中容易引入外界环境的干扰人体的内外环境是相互影响，导致信息测量的环境干扰。环境电场、磁场和电磁场的干扰：50Hz电场干扰；地磁场、变压器、电动机等磁干扰；空中的高频无线电干扰、治疗器械的高频干扰等。避免措施：50Hz限波，屏蔽等。外界刺激对测量的干扰外环境的刺激（如声、光、温度、气味等）导致机体对环境刺激的反应，引起生物体一系列应急反应，从而影响正常的参数测量。避免措施：隔离、外环境保持相对稳定、生物体处于安静、无拘束环境中。生物医学信息的多变性空间的多变性：地理位置的参数差异；不同体位的参数不同。为此，参数测量许制定空间条件标准。时间多变性：季节变
5、换；昼夜之分；生物钟等。认识生物医学信息的时间变化规律，要有时间的针对性。人群的多样性：不同种族、性别、年龄、体重等。生物医学测量的安全要求生物医学测量对像是人体，并且大多为弱势群体，安全问题放第一位，避免伤害。如电安全性、机械安全性和化学安全性等。电安全性-人体是一种特殊的电导体，人体通过电阻耦合或电容耦合而成为电路一部分时，就会有电流通过。人体导电将产生生物热效应、生物刺激效应和生物化学效应。流经人体电流所造成的伤害-称电击（宏电击和微电击）。宏电击：高压大电流经皮肤而流经人体电流所产生的伤害，主要引起原因有漏电流。微电击：不经皮肤而直接流经脏器的微弱电流所造成的伤害。如内置电极所致等机械
6、安全性-测量或检测设备的机械部分与人体直接或间接接触。如传感器的结构或安装不当，系统机械装置不稳固等导致人体受伤害。化学安全性-电极的重复使用交叉感染；生物材料与体液的化学反应等。生物医学测量方法按测量对像分：离体测量与在体测量离体测量-测量过程中要保持生物样本的活性，环境最大限度接近体内环境。如离体的血、尿、活体组织或病理标本。在体测量-测量过程保持生物体的自然生理状态，实时反映生物体各被测参数。如生理检查、病人监护和治疗或康复医学中的时实控制。按测量条件分：无创测量与有创测量无创测量-探测部分不侵入生物体组织，不造成机体创伤。如临床生理检查、医学成像等。可连续重复测量，安全性好。该测量多为
7、间接测量，信息量损失较多，易失真等。要求提高测量的准确性和稳定性。有创测量-侵入式测量，探测器侵入体内造成机体不同程度的创伤。如术中或术后的危重病人监护、大血管内流态指标测量（导管）等。该方法一般为直接测量，机制明确，准确度和可靠性高。微创伤测量-发挥上述无创和有创的长处，克服缺点。目前越来越重视微创伤测量方法和手段。微创伤测量的主要代表有：置入式测量和内镜检查。另外还可以分为一维信息测量和多维信息测量等。生物医学测量电极与传感器生物电测量（心电、脑电等）使用电极作为传感元件。是一种离子导电向电子导电能量转化过程。生理、生化参数的测量通常采用各类传感器，以将各种非电人体参数（血压、体温等）转换
8、成易于放大、处理、传输的电信号。传感器：能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。敏感元件转换元件电子线路非电生物信号电学量 传感器的组成框图传感器的分类：物理传感器-利用物理性质和物理效应制成的传感器。如光、热、磁；位移、压力、振动等。化学传感器-把人体内某些化学成分、浓度等转换成与之有确切关系的电学量器件。如电解质离子或浓度、氧、二氧化碳等。生物传感器-利用某些生物活性物质具有的选择识别待测生物化学物质的能力而制成的传感器。如酶、细胞、微生物等。生物医学传感器引人注目的几方面：血液中离子、气体等的实时测量；使用导管探针从心脏内部同时测量有关心功能的多种信息的
9、超小型传感器阵列。利用光导纤维和半导体激光器件研究开发更先进的人体测量技术。研究开发利用生化反应和酶反应的新型传感器，以及开发抗原性反应和分子水平测量用传感器。超小型，能同时接收多维信息，又能迅速进行信息处理的传感器。生物医学测量系统的组成信号获取部分信号加工部分记录与显示部分（电肌、传感器）信号放大、存储与处理示波器、记录器、打印机等仪器种类仪器种类心电图仪器血流测量仪器脑电图仪器心输出量测量仪器肌电图仪器呼吸功能测量仪器眼电图仪器电子体温计视网膜电图仪器听力计电子血压计眼压计脉搏测量仪器颌力计心音测量仪器多导生理记录仪常见生理检查与记录仪器仪器种类仪器种类临床生化分析仪器尿液分析仪临床分光
10、光度计免疫反应测定仪医用电解质分析仪器电泳仪血液气体分析仪器病理检查仪器自动血细胞计数器血液细胞分析仪常见生化检查与分析仪器仪器种类超声波成像仪器X线、CT成像仪器放射性核素成像仪器磁共振成像仪器红外线成像仪器电子内窥镜系统常用医学图像仪器装置种类心电监护系统手术监护系统围产期胎儿监护系统新生儿监护系统呼吸监护系统血氧监护装置ICU集中监护系统CCU集中监护系统常见临床监护装置生物电测量及仪器生物电测量电极：体表电极、皮下电极、体内置入式电极。湿性电极（AgCI)采用导电膏耦合。干性电极，电极上一层绝缘膜做介质（电容）进行交流静电耦合。微电极（针）对单细胞或神经元内电位测定（0.55m)心电的
11、产生与心电图心脏的搏动是与心肌细胞的兴奋相关的，心肌在兴奋过程中产生微弱的电流，该电流经人体组织向各部分传导。由于身体各部分的组织不同，各部分与心脏间的距离不同，因此在人体体表格部位表现出不同的电位。这些电位变化通过导线送至一种特殊的记录装置，形成动态曲线心电图（ECG）。心脏的传导系统是由一系列特殊心肌细胞连结组成的，这些细胞组织既有自动产生兴奋的功能，又有较一般心肌细胞为快的传导功能。心肌兴奋有节律地按一定顺序传播，使心脏保持正常的有节律的收缩和舒张，以维持血液循环。传导系统包括：窦房结、结间束、房室结、房室束（希氏束）及其分支，以及分布到心室内的浦肯纤维网。正常兴奋的起源点在窦房结，该兴
12、奋经心房内的结间束（三束）一面兴奋心房，一面传至房室交界处经过一段延迟传入心室内部，最终使整个心脏全部兴奋。心肌细胞的电生理细胞膜内外离子浓度差别很大，其中K在膜内高于膜外约30倍，Na在膜外高与膜内约15倍。细胞膜对K+、Na+、CI-等不同离子具有选择性的通透性。在静息状态下，膜对K高通透性，K+外流，同时负离子也随之外流，但膜本身带有阴性电荷，阻碍阴离子外渗。最后，内外阳阴离子相互吸引达到平衡。导致膜内外产生压差，即静息电位。这种状态称为极化状态。一般心室肌细胞-80-90mV；浦肯纤维-90-100mV；窦房结细胞-40-70mV当极化膜的某点受到刺激，该极化膜对各种离子的通透性立即发
13、生变化，大量Na+迅速进入细胞膜内，使膜内电位急速上升。膜内电压由负变为正（+20mV+30mV），此过程称除极过程。这个短促可逆的电位变化称为跨膜动作电位，简称动作电位。细胞除极后，由于细胞的代谢作用，使细胞膜恢复为极化状态，称复极。复极时间约为除极的27倍。心脏兴奋与相应的心电图波形体表心电图导联（标准导联）导联正极负极IL左臂（黄）R右臂（红）IIF左腿（绿）R右臂（红）IIIF左腿（绿）L左臂（黄）标准导联I、II、III正负电极安放位置（统一标色）单极胸导联高频心电图有关心电的检查技术常规心电图检查（门诊）动态心电图检查（holter)运动心电图检查(平板运动）监护心电图（ccu或icu心电监护）特殊心电图检查（心脏特殊部位心电图）心电起博器脑 电肌 电视网膜电胃 电心 磁 图其它测量与治疗技术1、物化检验（血粘度）2、生化检验（血脂、血糖、肝功、肾功等）3、放免检验4、动态血压检测5、肺功能检测6、生物遥测技术及应用1、介入治疗技术2、放疗技术3、直线加速器及应用4、理疗技术5、激光技术及应用