生物医学工程课件.ppt

1、.1 1生物医学工程生物医学工程2 2.主要内容：主要内容：一、导论二、生物医学工程的基本理论三、生物医学传感技术四、生物医生信号处理五、医学影像技术六、生物/医学通用技术及仪器介绍七、分子诊断原理（重点）八、癌症诊疗新技术及应用（重点）3 3.参考书籍：邓玉林，李勤.生物医学工程学.2007，第一版，科学出版社：北京.马端.生物学前沿技术在医学研究中的应用.2007，第一版，复旦大学出版社：上海.4 4.相关医学知识相关医学知识什么是医学？是处理人健康定义中人的生理处于良好状态相关问题的一种科学，是以治疗预防生理疾病和提高人体生理机体健康为目的。狭义的医学只是疾病的治疗和机体有效功能的极限恢

2、复，广义的医学还包括中国养生学和由此衍生的西方的营养学。世界上医学主要有西方微观西医学和东方宏观中医学两大系统体系。医学的科学性在于应用基础医学的理论不断完善和实践的验证，例如生化、生理、微生物学、解剖、病理学、药理学、统计学、流行病学，中医学及中医技能等，来治疗疾病与促进健康。研究领域大方向包括基础医学、临床医学、法医学、检验医学、预防医学、保健医学、康复医学、公共卫生等。5 5.相关医学知识相关医学知识病灶：病灶：机体上发生病变的部分。如肺的某一部分被结核菌破坏，这部分就是肺结核病灶。病理：病理：疾病发生的原因、发病原理和疾病过程中发生的细胞、组织和器官的结构、功能和代谢方面的改变及其规律

3、。药理：药理：研究药物与机体相互作用及其规律和作用机制。如青霉素通过抑制COX-1和COX-2，治疗感染和炎症。.6 6相关医学知识相关医学知识医学基础医学临床医学检验医学预防、公共卫生医学内科外科中医/中西医结合影像、放射、超声诊断临床诊断7 7.第一章第一章 导论导论生物医学工程（Biomedical Engineering，BME）：运用现代自然科学和工程技术的原理和方法，从工程学的角度，在多层次上研究人体的结构、功能及其相互关系，揭示其生命现象，为防病、治病提供新的技术手段的一门综合型、高技术的学科。BME是涉及理、工、医相结合的边缘交叉学科。在临床应用方面涉及诊断、治疗、手术材料等多

4、方面。8 8.第一章第一章 导论导论BME在医疗健康保健方面的作用地位1.现代医疗服务除依赖医务人员的知识及经验外，在很大的程度上依赖实验手段和设备条件。提供先进、快捷、安全有效的仪器设备作为诊断工具，是提高医疗服务质量的物质基础和先决条件。2.由BME为主所产生的医疗器械产业，成为新的朝阳企业，全球销售增长率保持在6%-10%之间。年销售额在1700亿美元以上。9 9.第一章第一章 导论导论BME的特点：1.大跨度、多学科的综合性应用学科。2.依赖于各个相关学科，但其具有自己的独特方法学，既有基础理论的交叉也有技术方法的交叉结合。如人工心瓣的研制。3.其不同于一般的工程学，而是以工程学为主要

5、手段，专门研究和解决医学问题的一门独立的学科。如根据某种疾病的发病机制和病灶及治疗特点，所开发的医疗器械产品，譬如血管导管。4.其可提升人体生理、病理等个方面的研究。更好地揭示疾病的发病机制和人体科学。1010.第一章第一章 导论导论BME发展历程20世纪50年代，BME逐渐发展并成为一门独立学科。1947年，首次试验成功以无线电波传送活动状态人体心电和脑电信号的方法；1948年，利用超声回波技术获得人体的切面声像图，开创临床B超；1958年，成功植入人体的心脏起搏器；20世纪50年代中期，研制成功用作医用材料的医用硅胶、医用聚氨酯材料；1963年，美国物理学家Corrmark把图像重建理论应

6、用于放射医学研究中，由英国电子工程师Hounsfield引入计算机技术于1970年研制成功首台X射线计算机断层扫描装置（X-CT）；MRISPECT-CT.1111.第一章第一章 导论导论 BMEBME研究内容：研究内容：生物物理生物力学生物技术生物工程电生理诊断和监护生物材料生物医学传感技术生物医学影像技术1212.生物物理：运用物理学理论，技术和方法研究生物体和生命现象中的物质结构、性质和运动规律及各种物理因子对生物体和生命过程影响的学科。应用超导量子干涉仪测量人体中由生物电产生的磁信号，绘制出表现人体磁场随时间变化关系曲线人体磁图。生物力学：力学与生物学、医学等学科之间相互渗透的边缘学科

7、，试图从力学的角度来了解生命。利用力学知识解释生物现象，定量分析生命体的构造关系及功能。如研究血液流变特性与疾病的关系；骨力学与骨折愈合的关系。仿生学。第一章第一章 导论导论1313.第一章第一章 导论导论生物技术：通过工程技术手段，利用生物有机体或生物过程，生产有经济价值的产品的技术科学。如SOD、SAM工程菌的构建。生物工程：包括生物细菌或生物材料的生产以及所需化学转化的获得，以细菌、酵母、真菌、植物细胞以及培养的细胞等作为生产过程的材料。如IL-6的悬浮细胞扩培。1414.第一章第一章 导论导论电生理诊断和监护：运用各种生物电检测仪器、床边诊断和监护等，诊断疾病。如心电图、血压。生物材料

8、：其主要作用是用来开发能用来代替和修复人体器官和组织，并实现其生理功能的材料。如人造耳郭、导管。1515.第一章第一章 导论导论生物医学传感技术：将生物体各种不同的生命信息转换为生物测量和医学仪器可用的器件和装置。生物医学检测技术：其研究领域涉及人机接口技术、低噪声和抗干扰技术、信号拾取、分析与处理技术等。任何一个生理量、生化量和生物量的检测方法与技术的新进展。如生化仪、血糖检测仪。生物医学影像技术：其主要包含两大块内容：成像技术和图像处理技术。其图像的获取、图像的分析和解释。如B超、CT。.1616第一章第一章 导论导论生物工程提供诊断方法提供药物开发靶点和药物提供诊断试剂和设备提供诊断检测

9、指标和依据生物技术医学1717.第一章第一章 导论导论生物科学理论研究、找寻机理生物技术基于发病机制、诊断靶点，开发药物和诊断指标生物工程产业化、中试放大上游下游生物科学、生物技术与生物工程之间的关系1818.第一章第一章 导论导论CT检测肺癌治疗效果6 weeks1919.第一章第一章 导论导论肾结石肾结石2020.第一章第一章 导论导论肺癌肺癌2121.第一章第一章 导论导论动脉硬化动脉硬化2222.第一章第一章 导论导论流式细胞仪检测强直性脊柱流式细胞仪检测强直性脊柱炎炎2323.第一章第一章 导论导论H1N1检测方法荧光定量PCR2424.第一章第一章 导论导论血培养检测病菌血培养检测

10、病菌ELISA检测乙肝检测乙肝2525.血常规血常规.2626第二章第二章 生物医学工程的基生物医学工程的基础理论础理论2727.第一节 生物力学第二节 生物电磁学第三节 超声医学第四节 生物技术及生物工程第五节 生物光子2828.第一节第一节 生物力学生物力学2929.第一节第一节 生物力学生物力学生物力学生物力学是解释生命及其活动的力学，是力学与医学、生物学等多种学科相互结合、相互渗透而形成的一门交叉学科。力学力学 材料材料 生物学生物学 医学医学.3030分类分类I I：u生物固体力学生物固体力学 骨，口腔，软组织等u生物流体力学生物流体力学 血液，组织液等u运动生物力学运动生物力学 多

11、刚体，步态等分类分类IIII：p心血管血流动力学心血管血流动力学p骨及软组织生物力学骨及软组织生物力学p口腔生物力学口腔生物力学p细胞力学细胞力学p康复力学康复力学3131.生物力学的发展简史：生物力学的发展简史：生物力学开创者和奠基人：冯元桢冯元桢 于1966年后开拓生物力学。伽利略.卡里勒：用单摆度量人的心率威廉.哈维：证明血液流动的单向性，提出血液循环的概念雷内.笛卡尔：发现因身体暴露而减轻体重，奠定了新陈代谢研究的基础罗伯特.虎克：虎克定律莱昂哈德.欧拉：动脉波传播GA.Borelli:所著论动物的运动，阐明了肌肉的运动和身体的动力学R.Boyle：研究肺，阐明鱼类的呼吸原理J.Poi

12、seuille:创造用水银压力计测定主动脉血压的方法。血压计.3232 生物力学的研究方法：生物力学的研究方法：分析生物的形态，器官的解剖及组织的结构，了解所研究对象的几何特点。测定组织和材料的力学性质。分析器官工作的环境和状况，得到边界条件。理论研究：理论研究：质量守恒、动量守恒、能量守恒数值研究：数值研究：微积分试验研究：试验研究：体外模型试验 离体试验 动物试验 临床试验例如：例如：某人体重75kg，手握重5kg的球，而手肘呈90度，二头肌须出力多少，方可维持前臂平衡？前臂施加多少力于肱骨？3333.骨及软组织生物力学骨及软组织生物力学u软组织力学特点：软组织力学特点：柔软易变形，具有不

13、同程度的抗拉强度，不能抗弯和抗压。具备黏弹性：蠕变：瞬间施加一力到物体，并观察该物体长度的变化；应力松弛：瞬间将物体拉伸一长度，而后观察其力的变化。软骨：软骨：覆在骨骼连接面上，主要成分为胶原蛋白和弹性蛋白。具有各向异性，在周期性受力时有滞后现象。韧带、腱带：韧带、腱带：连接骨骼的为韧带，连接肌肉和骨骼的为腱带。主要成分为胶原纤维束。两者均具滞后现象、黏弹性蠕变、应用松弛。肌肉：肌肉：由肌动蛋白和肌凝蛋白肌纤之间形成教练键结而产生力量。3434.u骨的力学特性：骨的力学特性：骨是脊椎动物身体的重要组成部分。在神经系统的调节和各系统的配合下，对身体起着支持、保护和运动的作用。人体中共有206块骨

14、，分为躯干骨、颅骨、四肢骨。按形态分为长骨、短骨、扁骨和不规则骨。骨最大的特点在于其内含有血液循环，血液向骨输送所需养料，同时带走代谢废物。骨具有在拉伸、压缩和剪切状态下的极限强度、极限应变计本构关系。骨具有功能适应性，可本能地适应了动物的存在条件，并能适应机体功能需要。3535.血液的流动力学血液的流动力学血液是在心脏与血管中循环流动的红色布透明的黏性液体，包含细胞（红细胞、白细胞、血小板）与液体（血浆）。血液的黏度：Poiseuille定律：血液流量与压力差之间的关系。由于血细胞的存在，血液的黏度随剪应变率的变化而变化。心脏中的血液流动：心脏中的血液流动：心室的充盈和射血。心室的充盈和射血

15、。心脏搏动的力学过程：心室充盈期心室充盈期(AB)(AB)：心脏舒张，心肌松弛等容收缩期等容收缩期(BC)(BC)：心肌收缩，心室内压力提高，打开主动脉瓣射血期射血期(CD)(CD)：血液流入主动脉，心室收缩，主动脉瓣关闭等容舒张期等容舒张期(DA)(DA)：心肌松弛，心室压力下降，二尖瓣打开3636.血液的流动力学血液的流动力学血流对血管壁的影响：血流（特别是形成紊流），对血管壁将施加较高的剪应力和交变的正压力，引起血管壁的损伤。例：血管粥样硬化与血管壁的损伤有关。u静脉中的血液流动特点：静脉中的血液流动特点：血液在静脉中的压力低于同一高度动脉内压力；管壁薄，管截面的面积变化大于动脉；静脉血

16、液流向都是从外周流向心脏；除腔静脉外，静脉内有瓣膜，可防止血液倒流.3737第二节第二节 生物电磁学生物电磁学BIOELECTROMAGNETISM3838.生物电磁学定义：生物电磁学定义：用电磁学理论和方法研究包括电离辐射、静电场和磁场在内的用电磁学理论和方法研究包括电离辐射、静电场和磁场在内的电磁波与具有电磁结构的生物体相互作用的机理、特性、规律以及应电磁波与具有电磁结构的生物体相互作用的机理、特性、规律以及应用的学科。用的学科。生物电磁性质（产生机制、理化性质和时空变化规律）生物电磁性质（产生机制、理化性质和时空变化规律）电磁场的生物效应电磁场的生物效应3939.生物电：生物电是生物体所

17、呈现的电现象。不仅是生理现象，也是物理现象，同时与新陈代谢存在着密切联系。膜电位（细胞膜内外的电位差），是生物电的基础。如脑电、心电、肌电等。生物电的发展简史：生物电的发展简史：1678年，斯威莫尔登用银丝和铜棒刺激青蛙肌肉，引起肌肉收缩；1791年，伽伐尼在肌肉运动中的电效应中，提出生物体带电；伏特与伽伐尼的争执，导致直流电池的产生。4040.生物电的特征生物电的特征体内电荷形式：离子、离子基团、电偶极子u蛋白质蛋白质构成成分氨基酸在水中离解成离子基团或电偶极子构成成分氨基酸在水中离解成离子基团或电偶极子uDNA碱基和磷酸酯存在离子基团和电偶极子碱基和磷酸酯存在离子基团和电偶极子u生物水生物

18、水电偶极子电偶极子u组织液组织液无机无机离子离子 K+Na+Ca2+Cl-等等.4141氨基酸靠肽键联结聚合成多肽链氨基酸靠肽键联结聚合成多肽链原子中心不重合原子中心不重合使肽键呈现极性使肽键呈现极性u 蛋白质和蛋白质和DNADNA的偶极的偶极矩矩蛋白质的偶极矩蛋白质的偶极矩 （电磁作用靶点）（电磁作用靶点）3.8D.4242带电原子的相互作用带电原子的相互作用维持空间构型维持空间构型.4343生物水的电特性生物水的电特性水分子具有很强的偶极性；能与其它离子或生物水分子具有很强的偶极性；能与其它离子或生物大分子之间以氢键相联系，决定其构象和功能大分子之间以氢键相联系，决定其构象和功能1.84D

19、水平均寿命平均寿命10101111 s su DNA DNA的偶极矩的偶极矩DNADNA由核苷酸分子构成，核苷酸两端的基团都是由核苷酸分子构成，核苷酸两端的基团都是极化的，具有一定的电偶极矩。极化的，具有一定的电偶极矩。DNADNA中每一个碱中每一个碱基都具有一定的电偶极矩基都具有一定的电偶极矩.是电磁作用的靶点是电磁作用的靶点A-T 5.9DA-T 5.9DC-G 6.2DC-G 6.2D.4444 磷酸头磷酸头（亲水性）（亲水性）甘油酯尾甘油酯尾（疏水）（疏水）磷脂分子磷脂分子 细胞膜细胞膜脂双层脂双层1 1、细胞静息电位细胞静息电位细胞膜内外存在电位差，称为膜电位。细胞膜内外存在电位差，

20、称为膜电位。人体任何细微的活动，都伴随着生物电的产生和变化人体任何细微的活动，都伴随着生物电的产生和变化生物电是以细胞为单位产生的。生物电是以细胞为单位产生的。细胞电活动基础（组织液中的带电离子）细胞电活动基础（组织液中的带电离子）.45452112lg3.2CCZeKTuuu式中式中k k为玻耳兹曼常数；为玻耳兹曼常数；Z为离子价数。为离子价数。能斯特方程能斯特方程半透膜半透膜u u 静息电位静息电位KClKCl.46462 2、细胞的动作电位细胞的动作电位 细胞受到刺激时，膜电位发生突然变化，即细胞受到刺激时，膜电位发生突然变化，即动作电位动作电位。.4747跨膜电位差形成的原因：跨膜电位

21、差形成的原因：膜内外各种离子分布不均匀不对称性；不对称性；膜对各种离子具有不同的通透性选择通透性；选择通透性；离子间存在静电相互作用离子浓度和功能不同。离子浓度和功能不同。4848.心电及心电图心电及心电图 心脏是血液循环的动力源泉，依靠心脏有节律性的搏动，促使血液循环。心脏在搏动之前，心肌发生兴奋，产生微电流随后经人体组织向各部分传导，鉴于各部分与心脏的距离不同，进而表现出不同的电位变化。这种心脏内电活动所产生的表面电位与时间的关系称为心电图。l 心脏活动的两个主要过程：1.心房收缩推动血液进入心室，由房室瓣膜控制血液流动方向；2.心室收缩推动血液进入主动脉和肺动脉，由半月瓣和肺动脉瓣控制。

22、心电电偶极子的产生心电电偶极子的产生4949.P波：左右心房兴奋除极过程所产生的电压变化；P-R：心房开始除极传经房室结、希氏束至心室开始除极前的时间；QRS：代表室间隔与左右心室除极过程产生的电压变化；ST：代表心室除极后慢慢恢复极化过程的电压变化；T：代表心室肌迅速恢复极化过程的电压变化；U：代表心肌激动的“负后电位”。5050.脑电和脑电图脑电和脑电图 大脑皮层有数以亿计的神经元组成，神经元具有生物电活动，大大脑皮层有数以亿计的神经元组成，神经元具有生物电活动，大脑皮层经常具有持续的节律性电位的改变，称为脑皮层经常具有持续的节律性电位的改变，称为自发脑电自发脑电活动。活动。用电极在头皮上

23、观察皮层的电位用电极在头皮上观察皮层的电位(10(10100100V)V)变化，记录到的变化，记录到的脑电波称为脑电波称为脑电图脑电图。诱发电位：诱发电位：由外界诱发（电、光、声等刺激）引起脑电位的变化（由外界诱发（电、光、声等刺激）引起脑电位的变化（经头皮引出经头皮引出0 01010V)V)。5151.脑电图脑电图波：常见于紧张的精神活动期间；波：常见于安静、闭眼和觉醒时。波：常见于儿童和成人浅睡过程；波：常见于成人深睡波：常见于由注意或感觉刺激引起的过程。5252.生物电阻抗生物电阻抗l不同组织导电性能差别大：不同组织导电性能差别大：人体外层是导电能力很差的皮肤,内部有导电能力较强的体液。

24、各组织的含水量、含离子量和结构特征不同，电阻率不同。组织组织电阻率电阻率组织组织电阻率电阻率脑脊液脑脊液血清血清血液血液神经神经肝肝0.5550.7141.8525.080.0脑脑脂肪脂肪湿皮湿皮干皮干皮无膜骨无膜骨肌肉肌肉10710.810238.0 10240.0 10320.0 10590.0人体组织的直流电阻率（m）5353.l2.2.人体电阻抗与电流频率有关：人体电阻抗与电流频率有关：人体可看成是一个电解质电容器和电阻的并联电路。直流在细胞间隙流过；交流可通过细胞间隙和细胞。频率频率0100Hz10kHz10MHz10GHz电阻率电阻率909.17.72.00.8人体肌肉组织电阻率与

25、频率的关系人体肌肉组织电阻率与频率的关系.5454人体中所含元素：碳、氢、氧、氮、硫、磷、氯、钠、钾、钙、镁、铁等和一些微量元素。其中多数有顺磁性（3d 或 4d 族的过渡离子）。蛋白质、酶和自由基均为顺磁性占人体70%的水具有弱抗磁性。极少数材料为铁磁性l 生物材料的磁性生物材料的磁性 生物磁生物磁生物磁学的研究内容包括两部分：生物磁学的研究内容包括两部分：生物机体自身或被诱发产生的磁场诊断；磁场引起的生物效应治疗。.5555l 人体磁场人体磁场生物组织、器官、细胞等存在很微弱的磁场。产生原因：变动磁场：变动磁场：生物电荷运动产生。细胞膜内外的离子运动的生物电流产生的磁场；如心磁场 1011

26、 T，脑磁场 1012 T定常磁场：定常磁场：自然界含有铁性成分及某些磁性物质(如Fe3O4 粉尘等）经呼吸道吸入或经消化道食入人体内而形成的磁场；108 T感应磁场：感应磁场：生物磁性材料（如肝、脾）在外磁场的作用下产生的磁场;诱发磁场：诱发磁场：在外界刺激下产生诱发电位，引起诱发磁场。如诱发脑磁场1013 T.5656.5757l 机体与外磁场的相互作用机体与外磁场的相互作用1 1、感应电动势：、感应电动势：生物（带电）体在磁场中运动所致。分子极化电荷再分布；带电粒子迁移传导电流；2 2、洛仑兹力：、洛仑兹力：磁场中，带电粒子改变原来的运动方向。化学物质内部再分布。3 3、磁化、磁化：具有

27、固有磁矩的永磁偶极子、磁性微粒、正负离子、自由基等受磁场力矩作用产生磁化。沿外磁场取向（离子转动、改变分子键角）4 4、磁力：、磁力：使具有固有磁矩的微粒产生位移。导致化学物质的扩散和积累。.5858l 磁疗磁疗利用磁场治病，我国已有两千多年的历史。利用磁场的生物效应，已制成多种磁疗仪器。简单的有磁石穴位粘帖胶布、磁化水杯、磁枕、磁性腹带等。特点：特点：安全、方便、无痛苦。依据：依据：中医经络理论，在人体经穴处施加磁场。作用：作用：活血化淤、镇静止痛、消肿消炎、安神降压等。疗效：疗效：高血压、神经衰弱、各种疼痛性疾病乳肌劳损、扭挫伤、骨质增生、类风湿关节炎等。磁场类型：磁场类型：恒定磁场、旋转

28、磁场、脉冲磁场、交变磁场等研究内容：研究内容：磁场类型、磁场强度、作用部位、治疗时间等.5959l 心磁场与心磁图心磁场与心磁图 (Magnetocardiogram)(Magnetocardiogram)心肌的兴奋心脏电场体外（心）磁场。在体外测定胸部周围磁场变化，记录下来就是心磁图。心磁图与心电图一样，用P波、QRS波群、T波、和ST段命名.6060心磁图与心电图比较：心磁图是非接触性的记录法，心磁图与心电图比较：心磁图是非接触性的记录法，SQUIDSQUID磁强计磁强计装置体积大且价格昂贵。装置体积大且价格昂贵。.6161l肺磁场肺磁场多数粉尘具有磁性：肺内积蓄的粉尘在外部强的恒磁场下将

29、被磁化。把外加恒磁场撤去，肺内被磁化的粉尘产生的附加磁场仍然存在，经测定可推测粉尘的量和分布情况。探测方法：探测方法：用工频消磁器使肺部污染的强磁性物质去磁，诸点测量作第一张肺磁图施加一均匀磁场使污染物质磁化，做第二张肺磁图；两张肺磁图对应点数据相减，得第三张肺磁图即为强磁性污染剩余场在肺中的分布图。.6262脑电脑电 神经活动联系着体内复杂的信息处理系统，支配着从运动、体感、神经活动联系着体内复杂的信息处理系统，支配着从运动、体感、听觉、视觉等基本功能，到语言、情感、思维等高级功能。听觉、视觉等基本功能，到语言、情感、思维等高级功能。微弱的电微弱的电(磁磁)信号有波形、幅度、能量、频率、相位

30、、频谱等特征，与信号有波形、幅度、能量、频率、相位、频谱等特征，与特定的正常和异常生理活动过程相对应。特定的正常和异常生理活动过程相对应。脑磁图是脑神经细胞的生物电流产生的磁场，在头部表面的检测结果。测量的是体内神经电流源引发的瞬间磁场。l脑磁图 (Magnetoenceghalogram).6363 脑磁图检测分类：脑磁图检测分类：自发性脑磁场：自发性脑磁场：波；癫痫性棘波。波；癫痫性棘波。诱发性脑磁场：诱发性脑磁场：体感意识、听觉、视觉等诱发磁场。体感意识、听觉、视觉等诱发磁场。内因性脑磁场：内因性脑磁场：意识、随意运动前主观设想、抽象思维。意识、随意运动前主观设想、抽象思维。优点：优点：

31、不受组织电阻的影响；不受组织电阻的影响；无损伤；无损伤；对脑内兴奋部位推断有独特性对脑内兴奋部位推断有独特性脑磁图蓝色区为癫痫灶脑磁图蓝色区为癫痫灶.6464组成：组成：SQIDSQID本身被封在一个超导屏蔽的小盒内，本身被封在一个超导屏蔽的小盒内，可对干扰磁场进行部分屏蔽；可对干扰磁场进行部分屏蔽；检测线匝，用来探测磁场；检测线匝，用来探测磁场；杜瓦瓶，内盛液氦。杜瓦瓶，内盛液氦。超导量子干涉仪超导量子干涉仪（Superconducting Quantum Interference Device,又称又称SQIDSQID磁强计磁强计)灵敏度达灵敏度达 1010-15 -15 T T6565.

32、第三节第三节 超声医学超声医学.6666医学超声学医学超声物理医学超声工程医学超声学 其研究的内容包括医学超声成像系统所涉及的医学超声物理、换能器及材料科学、电子学、信息处理技术、生物组织超声特性与生物效应以及超声诊断设备设计的新的原理和新方法等。研究超声波在生物组织中的传播特性和规律。应用生物组织中超声传播的规律，设计制造用于医学诊断和治疗的超声设备。.6767医学设备的四大支柱：医学设备的四大支柱：（4）核医学及核磁共振设备 （4）MRI（即核磁共振成像）当代四大医学成像技术：当代四大医学成像技术：（1）超声设备（2）生化分析（3）x射线（1）超声成像（2）X-CT（X射线计算机断层成像）

33、（3）ECT（同位素发射计算机辅助断层显像）.6868超声诊断 主要是根据超声波在生物组织中传播时，组织特性、尺寸的差异使超声波所出现的透射、反射、散射、绕射及干涉等传播规律和波动现象也不同，从而使接收信号中幅度、频率、相位、时间等参量发生不同的改变。超声在医学上的应用超声在医学上的应用1、超声诊断 通过对这些参量进行测量和成像，来辨别这种差异，判别组织，诊断许多器质性和功能性疾病。.6969 超声治疗当超声能量作用于生物组织时，通过机械效应、温热效应和理化效应使这部分组织的温度升高，血液循环改善，代谢旺盛，组织软化，pH值变化，化学反应过程加速，细胞活性增强，这些变化必然对这部分组织的机能状

34、态产生影响。2 2、超声治疗、超声治疗 利用生物体吸收超声的特性，亦即利用超声波的生物学效能和机理，由此达到治疗的目的。.7070正压电效应 逆压电效应 19世纪末至20世纪初 超声医学的发展简史超声医学的发展简史.7171.7272 在1917年，法国科学家保罗-朗之万首次使用了主要由石英晶体制成的超声换能器，并发明了用超声探测水下目标的“水下定位法”。保罗-朗之万.7373 在20世纪50年代，用脉冲反射法探查疾病获得了很大成功，同时也为多普勒技术及B超二维成像奠定了基础。实际上已应用超声检查了人体每一个器官。20世纪30年代，超声用于医学治疗，从而使超声治疗成为超声中最先发展的部门。19

35、42年，Dussik和Fircstone首先把工业超声探伤原理用于医学诊断，用连续超声波诊断颅脑疾病。1946年，Fircstone等研究应用反射波方法进行医学超声诊断，提出了A型超声诊断技术原理。.7474 1958年，Hertz等首先用脉冲回声法诊断心脏疾病，开始出现“超声心电图描记法”，现在称为“超声心动图描记法”，亦即“M型超声心动图”。同时开始了型两维成像原理的探索。1955年Jaffe发现锆钛酸铅（PZT），这种人造压电材料性能良好，易于制造，极大地促进了工业和医学用超声技术的进一步发展。20世纪50年代末期，连续波和脉冲波Doppler技术以及超声显微镜问世。.7575 1967

36、年，实时型超声成像仪问世，这是型成像技术的重大进步。20世纪70年代是B型显像蓬勃发展的年代，超声成像设备不仅已跻身于主要医学成像领域，且与X射线系统并驾齐驱，相互补充，成为使用最广泛的诊断工具。20世纪60年代末，美、日均研制成功压电高分子聚合物PVF2（聚偏氟乙烯）换能器。同时，超声全息、阵列式换能器、电子聚焦等被广泛研究，这一期间，多普勒技术被进一步研究，用频谱分析法研究血流的方式问世。.7676 20世纪70年代后期，微型计算机在超声诊断仪器中得到使用。1980年，在美国，由于投入使用的超声成像仪数量开始超过X线机，结束了X线统治影像诊断的近百年历史，而宣称进入了“超声医学年”。.77

37、77 在探头方面，新型材料、新式换能器不断推出，如高频探头、腔体探头、高密度探头相继问世，进一步提高了超声诊断设备的档次与水平。90年代，医学超声影像设备向两极发展：一方面是价格低廉的便携式超声诊断仪大量进入市场；另一方面是向综合化、自动化、定量化和多功能等方向发展，介入超声、全数字化电脑超声成像、三维成像及超声组织定性不断取得进展，使整个超声设备和诊断技术呈现出持续发展的热潮。.7878 医学超声系统的分类两大方面用途 如扇形扫查型、线性扫查型、凸阵扫查型等；诊断用治疗用一、按获取信息的空间分类1、一维信息设备2、二维信息设备如型、型、型；3、三维信息设备即立体超声设备.7979 如连续波超

38、声治疗仪、连续波超声多普勒血流仪等。二、按超声波形分类1、连续波超声设备2、脉冲波超声设备 如超声治疗仪及A、M和B型超声诊断仪。大多数超声全息系统采用超声透射方法。三、按利用的物理特性分类1、回波式超声诊断仪如型、型、型、型等。2、透射式超声诊断仪.8080 显示器上的横坐标表示超声波的传播时间，即探测深度；纵坐标则表示回波脉冲的幅度（Amplitude），故称A型。四、按医学超声设备的体系分类1、A型超声诊断仪2、M型超声诊断仪 将型方法获取的回波信息，用亮度调制方法（亮度表示回波幅度）加于CRT显像管阴极（或栅极）上，并在时间轴上加以展开，可获得一幅各回波目标的活动（Motion）曲线图

39、，尤其适合于心脏等运动器官的检查。.8181 它用回波脉冲的幅度调制显示器亮度，而显示器的横坐标和纵坐标则与声速扫描的位置一一对应，从而形成一幅幅亮度（Brightness）调制的超声断面影像。3、B型超声诊断仪4、D型超声多普勒诊断仪 利用多普勒（Doppler）效应，检测出人体内运动组织的信息，主要包括多普勒血流测量和血流成像两种。.8282 型是型的一种曲面形式，由多个切面像构成一个曲面像，近似三维图像。5、C型和F型超声成像设备 型显示的声像图与声束的方向垂直，即相当于线断层像；6、超声全息诊断设备 它应用两束超声波的干涉和衍射来获取超声波振幅和相位的信息，并用激光进行重现出振幅和相位

40、。.8383 观察组织和细胞时，不需染色，对生物体干扰很小，可以观察它的内部结构和其它生物特性的本来面目。7、超声显微镜反射式 透射式 优点：.8484 超声是-理论的移植和发展，用超声波束代替射线，并由透射数据进行如同-那样的影像重建。超声CT至少具有两方面的优点：能得到与-及其它超声方法不同形式的诊断信息。无放射线损伤；8、超声CT.8585 它主要是利用了组织吸收超声波能量等特性，即温热效应、机械效应和化学效应，达到治疗的目的。高强超声聚焦刀 9、超声治疗设备.8686 超声外科学是继超声治疗和诊断之后，出现的一个医用超声领域。如用较强的超声波粉碎肾部等部位的病变组织并排出，达到实施超声

41、外科手术的目的。超声波体外碎石机 10、超声外科设备.8787比较比较内容内容X-CTMRIUSPET信息载体X线电磁波超声波射线检测信号透过的X线磁共振信号反射回波511keV湮没光子获得信息吸收系数核密度，T1T2，血流速密度，传导率RI分布结构变化物体组成和密度不同，电子密度不同物体组成，生理、生化变化人体组织弹性和密度改变标志物的不同浓度影像显示器官大小与形状（二维）人体组织中形态、生理生化状态变化（二、三维）器官大小与形状（二维）示踪物的流动与代谢（三维）成像平面横向任何平面任何平面横向成像范围断面（方向）有限全身断面（方向）自由全身1.4 医学超声与其它成像方式的比较.8888空间

42、分辨率1MM1MM2MM10MM，3MM影像特点形态学形态学线性动态生理学信号源X线管质子压电换能器摄取标志物探测器X线探测器射频接收线圈压电换能器闪烁计数器典型用途检测肿瘤脑肿瘤成像胎儿生长、检测肿瘤、心脏病脑中葡萄代谢图对病人侵袭有造影剂侵袭无造影剂侵袭无造影无侵袭RI注射安全性辐射危险无辐射危险、有强磁场吸引力安全辐射危险价格高高低高比较比较内容内容X-CTMRIUSPET.8989对人体无损伤，这也是与线诊断最主要的区别，因此特别适合于产科与婴幼儿的检查；能方便地进行动态连续实时观察。医学超声成像的突出特点是：在中档以上的超声诊断仪，多留有影像输出接口，使影像易于采用多种形式（录像、打

43、印、感光成像、计算机存储等）留存及传输与交流；.9090从信息量的对比上看，超声诊断仪采用的是计算机数字影像处理，目前较线胶片记录的影像信息量和清晰度稍低。由于它可以采用超声脉冲回声方法进行探查，所以特别适用于腹部脏器、心脏、眼科和妇产科的诊断，而对骨骼或含气体的脏器组织如肺部，则不能较好地成像，这与常规线的诊断特点恰恰可以互相弥补；.9191卵巢囊性肿物臀部深部脓肿.9292胎儿兔唇超声图片 彩超 婴儿唇腭裂.9393第三章第三章 生物医学传感技术生物医学传感技术9494.生物医学传感器生物医学传感器是构成各种医疗设备和检测仪器的关键组成部分。生物医学传感技术是获取人体乃至自然界生物信息的关

44、键技术，它综合了生物医学、电子信息、材料、物理等多学科的技术，是生物医学领域最重要的学科之一。9595.从传感器的作用来看，实质上就是代替人体的从传感器的作用来看，实质上就是代替人体的5 5种感种感觉觉(视、听、触、嗅、味视、听、触、嗅、味)器官的装置。人们把外界器官的装置。人们把外界信息通过五官接收进来，传递给大脑，在大脑中处信息通过五官接收进来，传递给大脑，在大脑中处理信息，作出一个理信息，作出一个“结果结果”，发出指令。，发出指令。在电子设备中完成这一过程时，电子计算机相当于在电子设备中完成这一过程时，电子计算机相当于大脑，传感器作为电脑的五官，就象人的眼、耳、大脑，传感器作为电脑的五官

45、，就象人的眼、耳、鼻、舌、皮肤那样可以收集各种信息，这些信息送鼻、舌、皮肤那样可以收集各种信息，这些信息送入电脑后，由电脑进行判断处理，并发出各种控制入电脑后，由电脑进行判断处理，并发出各种控制信号去控制执行机构，从而满足各种社会需要。信号去控制执行机构，从而满足各种社会需要。.9696 能感受规定的被测量并按一定规律将其转换成有用能感受规定的被测量并按一定规律将其转换成有用信号输出的器件或装置，称为信号输出的器件或装置，称为传感器传感器（Sensors）。传感器是测量装置，能完成检测任务；传感器是测量装置，能完成检测任务；输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物输入量是某一被测

46、量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；量等；输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是是气、光、电物理量，主要是电物理量电物理量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。传感器名称：换能器、发送器、传送器、变送器、检测等传感器名称：换能器、发送器、传送器、变送器、检测等9797.传感器是检测系统的第一个环节。它是以一定的传感器是检测系统的第一个环节。它是以一定的精度把被测量转换成与之有确定关系的、便于应用的精度把被测量转换成与之有确定关系的、便于应用的某

47、种量值的测量装置某种量值的测量装置。根据传感器的功能要求，它一般应由三部分组成，根据传感器的功能要求，它一般应由三部分组成，即：即：敏感元件敏感元件、转换元件转换元件、电子线路电子线路传感器的物理定义传感器的物理定义:传感器是指能将各种非电量转换成电信号的部件，传感器是指能将各种非电量转换成电信号的部件，这是因为电信号是最适合于处理、传输、转换和定量这是因为电信号是最适合于处理、传输、转换和定量运算。运算。.9898敏感元件，敏感元件，是指传感器中能直接感受或响应被测是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；量的部分；辅助电源敏感元件敏感元件转换元件转换元件电子线路电子线路被测量被测量电量电量

48、.9999转换元件转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。如：如：金属或半导体应变片金属或半导体应变片，能感受压力的大小而，能感受压力的大小而引起形变，形变程度就是对压力大小的响应，所以金引起形变，形变程度就是对压力大小的响应，所以金属或半导体应变片，就是一种压力敏感元件；属或半导体应变片，就是一种压力敏感元件；铂电阻铂电阻能感受温度的升降而改变其阻值，阻值的能感受温度的升降而改变其阻值，阻值的变化就是对温度升降的响应，所以铂电阻就是一种温变化就是对温度升降的响应，所以铂电阻

49、就是一种温度敏感元件。度敏感元件。.100100电子线路，电子线路，由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调理与转换电路，进行放大、运算、调制等。信号调理与转换电路，进行放大、运算、调制等。其中有许多敏感元件亦可兼做转换元件。转换元其中有许多敏感元件亦可兼做转换元件。转换元件实际上就是将敏感元件感受的被测量转换成电学件实际上就是将敏感元件感受的被测量转换成电学参数的元件。如果敏感元件本身就能直接将被测量参数的元件。如果敏感元件本身就能直接将被测量变成电学参数，那么，该敏感元件就是具有了敏感变成电学参数，那么，该敏感元件就是具有了敏感和转换两个功能。和转

50、换两个功能。如热敏电阻如热敏电阻，它不仅能直接感受，它不仅能直接感受温度的变化，而且能将温度变化转换成电阻的变化，温度的变化，而且能将温度变化转换成电阻的变化，也就是将非电学参数（温度）直接变成了电学参数也就是将非电学参数（温度）直接变成了电学参数（电阻）。（电阻）。.101101传感器的发展方向传感器的发展方向 可利用一个传感器同时检测几种被测量，并分别可利用一个传感器同时检测几种被测量，并分别转换成相应的电信号。转换成相应的电信号。1、发展多功能传感器、发展多功能传感器 如一种多功能气体传感器它可以同时测量气体的温度如一种多功能气体传感器它可以同时测量气体的温度和湿度。此种传感器是在和湿度