1、生物医学测量基础,生物医学测量的范围,生物医学测量是以人体的生命现象作为基本对象 多层次信息的测量 多性质信息的信息,分子水平 细胞水平 器官水平 系统水平,生物医学测量的特点,生物医学测量是以人体的生命现象作为基本对象，在测量方法、测量结果以及测量结果的认识上，与工业测量及其他非生物医学测量相比，具有以下显著的特点，熟悉这些特点，对构建生物医学测量系统、正确操作和使用医学仪器具有十分重要的意义。,生物医学测量的特点（1）,生命系统的多变量特性 生命体的生命活动是由多个生理及生化参量共同决定的，而在测量过程中，往往只针对某种效应和某些参数进行测量。生命系统的这种多变量特性，决定了测量方法和技术
2、以及测量结果的涵义和结论都会带有明显的局限性,生物医学测量的特点（2）,需从大量干扰和无用信息中提取有用信息 生物医学测量工程中，由于被测参数往往十分微弱，易受外界环境的干扰（例如工频交流电干扰）和来自人体自身的其他无用信息的干扰（例如在测量体表希氏束电位时，很易受来自肌电信号的干扰）。人体活动时的体位变化、电极不良及传感器错位时也会产生伪差，必须采用抗干扰技术、排除伪差等方法提取有用信号。,人体电子测量中的电磁干扰,干扰的引入,高频治疗、超声诊断、手术电刀、电疗,由图可以看出造成生物电信号提取过程的主要干扰，近场50Hz的干扰源， 因为各种生物电信号中大都包含有50Hz的频率成分，而且生物电
3、信号的 强度远远小于50Hz的干扰。一般来说，干扰形成的危害的严重程度，主要 取决于抑制方法的难易。近场50Hz的干扰源，其抑制方法比能量很高的各种 电磁辐射干扰的抑制方法难。,人体电子测量中的电磁干扰,典型实例分析： 体表心电信号拾取过程中所受到的50Hz干扰，可以作为近场容性耦合形成干扰的一个典型实例。,导联线形成容性耦合：在强磁场环境中，通过长的导联线与其他带电体之间的 分布电容，足以引入周围环境中的各种干扰。,图中画出的是标准导联线与电源馈电线 之间的容性耦合。 图中放大器的阻抗约为10兆欧姆，Z1和 Z2约为几千欧姆到几百欧姆，所以Id1和 Id2不会流入放大器，而是经过电极与皮 肤
4、的电阻阻抗Z1和Z2进入人体。,Id1,Id2,当导联条件完全对称时即（Z1=Z2，C1=C2 ）， 则位移电流形成的电流互相抵消。不形成干扰。 但是，实际上总存在不平衡。,人体电子测量中的电磁干扰,人体表面形成容性耦合：人体与50HZ的电源馈电线之间存在分布电容。,图2-13中，如取Id=0.2A，在标准肢体导联的心电信号上，将叠加两臂之间的位移（人体手指到肩的电阻为400欧姆）电流造成的电压为：0.2A4002160V。相当于心电信号的16。 缩短两个电极之间的距离，减小体电阻，可以降低位移电流形成的干扰电压。除了尽量使人体远离干扰源或对人体采用昂贵的屏蔽措施外没有其他的方法。,生物医学测
5、量的特点（3）,测量结果会受被测对象的生理和心理因素的影响 在测量过程中，由于被测对象出现紧张，生理和心理都会发生变化。心理的变化会导致生理参数（心率、血压、体温等）变化。在测量过程中，被测者的不理解和不配合，尤其在进行麻醉以及经受物理和药物刺激时，受试者不能很好配合，直接影响测量过程中的伪差，从而影响测量的准确度。,剧烈运动对测量的影响,(1)剧烈运动时,机体需氧量急剧增加,心跳增快,氧耗和冠脉血流量也相应增加。 (2)剧烈运动时肢体血管大量扩张,冠状血管可发生一过性供血不足. (3) 剧烈的、过量的运动生成大量的儿茶酚胺,对心肌起毒性作用。 (4)剧烈运动可引起心肌传导系统的急性紊乱。如运
6、动员中常见的窦性心动过缓,Q-T间期延长等。 (5)剧烈运动时,植物神经系统平衡失调及心肌电解质钾离子、钠离子的变化。,生物医学测量的特点（4）,被测对象具有闭环特性 生命体具有精确的自动调节能力，这是由于在生命体中存在多环路、多层次、多重控制的闭环系统特性所决定的。多种原因可导致同一生理参数的变化，同一原因又可导致多种生理参数的同时变化。因此，测量单一生理参数往往不能有效地评估生理和病理状态，需要采取多参数综合测试，以及采用适当方法使人体的闭环系统暂时开环，以测量某一环节的开环响应特性，正确地加以定位并确保测量结果的唯一性和正确性。,多种原因导致血糖浓度降低,人的生理活动能量直接来源于血液的
7、血糖，血糖来源于小肠等消化器官从食物中获取的营养物质。人饿的原因是血液里面的血糖浓度减少，进而会有的正常的生理反应。这个时候应该补充食物（也就是吃东西），如果这个时候不即时补充食物，稍微时间长点的话，生理反应会促使分解肝糖元（来自细胞脂肪分解物，由胆汁完成进程）。这个时候人会感觉饿过去了，反尔不饿了。 饿的话最直接的原因是血液血糖浓度降低，但是原因可能有好多种。,多种原因导致血糖浓度降低,第一种：血液有问题。有的人血液血糖浓度由于特征（遗传）原因，一直会低于正常浓度，这样的结果是一直比较饿，吃东西到撑也不会觉得舒服，人比较虚弱，免疫力也不强，可能经常生病，而且没有力气。 第二种：是消化道功能不
8、好 第三种：还有可能是甲状腺激素分泌比较多造成的，会很瘦弱，而且脾气暴躁。 第四种：也可能是肝功能不正常，当血糖浓度降低时，肝不能做出正确的生理反应，来分解肝糖元来维持正常的活动能量，于是继续消耗血液中不多的糖元，造成越来越重的生理反应。同时，胆的作用也很大，即使肝功能正常，胆功能不正常的话，脂肪也不能正常的转化成能量物质，也会导致相同的后果，但是人会发胖，吃不了油腻的东西。,多种原因导致血糖浓度降低,第五种：有可能是肾的问题，营养物质都要经过肾的过滤，肾出了问题的话营养物质就不能正常进入血液循环。导致机体一直处于营养不量的状态，对外表现为饿。（建议检查肾功能，肾小管和 filter,有可能导
9、致糖尿病。人会比较瘦弱，皮肤不好，有红疹等，尿液颜色不正常） 第六种： 有可能是上述的几种原因的综合表现。人是很精密高级的仪器，往往在比较小的损害的时候，它能靠自身的生理反应来调节，来提示。所以当你感觉很不舒适的时候，身体机能已经下降了比较多的程度了，所以有时候造成一 种病症的原因往往是几种混杂在一起。,生物医学测量的特点（5）,被测对象的安全性问题 生物医学测量的对象是生命体，尤其是人体，因此其安全性是及其重要的。测量过程中应防止各种电击的危害，尤其是在体内对心脏进行直接测量时，极微小的电流（A级）也有可能导致室颤。其次，电流通过人体时，会产生许多物理变化（例如热效应）和化学变化，并会引起多
10、种复杂的生理效应。另外，要求测量装置不能产生有毒的物质，应与人体组织与血液有较好的生物相容性等,被测对象的安全性问题,低频电流对人体作用的数值范围如下： 100A电流通过植入体内的电极，能引起心室颤动， lmA电流从体外流入，有电流刺激感； 10mA电流从体外流入，发生不随意运动； 100mA电流从体外流入，造成心室颤动。 在人体测量中，作为安全措施，应取以上数值的110作为安全阈值，例如，造成室颤的体内电流应在10A以下。值得指出的是，通过各种途径的漏电流就足以达到10A，例如，通过仪器上的灰尘、生物液(血、尿)、静脉注射液、潮湿的环境、甚至流入仪器的婴儿食物等所产生的电流。,被测对象的安全
11、性问题,电流频率增高时，不易引起兴奋，因而刺激作用逐渐减小，一般认为当频率超过lkHz时，它的刺激作用和频率成反比例地减小。图21表示电流刺激的阈值数据随频率的增加而上升。 局部或全身通入高频电流，产生焦耳热使体温上升。如果体温上升在一定范围之内，则产生循环量增大和促进生物化学反应等良好效果，但体温上升到超过某一限度时，则产生不良效应甚至烧伤。 当电流频率更高，进入微波段后，几乎没有刺激作用了，这时可以认为只有热作用，也有人提出有对行动、高级神经系统以及遗传产生影响的非热作用与热作用同时存在。,被测对象的安全性问题,体内或有创测量，比体外测量需更加细致地考虑其安全性。例如医用遥测胶囊发射送入体
12、内，各种有创测量时深入体内的电极、导管、探头等等，一旦在测量过程中发生问题，就不只是在体内放入异物的问题，其恶果远比体外测量时严重。,生物医学测量的特点（6）,新方法建立与评估的困难 生物医学测量的新方法，尤其是一些间接测量方法往往会涉及测试模型的建立问题。由于研究者对生命现象复杂程度了解不够，加上生物个体差异很大，因此测试模型往往带有片面性，在评估时也缺乏正确、有效的措施。,生物医学测量的特点（7）,环境的限制 测量环境，例如温度、湿度、电磁场干扰、振动、冲击等，都会使测量产生困难。尤其是在进行细胞级的测量时，利用微电极测量细胞内的电位变化时，对环境要求很严，否则会影响测量结果的可靠性。,外
13、界对光电倍增管的影响,CT核心部件光电倍增管（ PMT ）是一种光电转换器件，通过它可把光子转换成电子。它不同于其它的光电转换器件，如光电管、光电池等，光电倍增管可把微弱的光按比例地转换为较大的电信号，这就是它的倍增作用。光电倍增管的工作是建立在光电效应、次级电子发射和电子光学的基础上的，它一般由光电阴极、次阴极和收集阳极等三部分组成。,外界对光电倍增管的影响,PMT的响应时间短，仅为ns数量级；光谱响应特性好，在200900nm的光谱区，光量子产额都比较高。光电倍增管的增益从103到108可连续调节 ，因此对弱光测量十分有利。 外界环境对光电倍增管的影响很大，光电管运行时特别要注意稳定性问题
14、，工作电压要十分稳定，工作电流及功率不能太大。一般功耗低于0.5W；最大阳极电流在几个毫安。此外要注意对光电管进行暗适应处理，并注意良好的磁屏蔽。在使用中还要注意安装位置不同的PMT，因为光谱响应特性不同，不宜互换。 为避免外界磁场和电场的干扰，应采取严密的屏蔽措施，通常是在光电倍增管的外面罩上一个与阴极同电位的合金罩。光电倍增管工作在强辐射场时还会产生各种辐射效应，在这种情况下，应对整个环境加以辐射屏蔽。,生物医学测量的特点（8）,对生物医学先验知识的应用 由于研究者、设计者乃至操作者缺乏对生物医学的先验知识，可能对生物医学测量的结果以及表达产生影响。在临床诊断过程中，医生必须利用其对医学的
15、先验知识结合仪器测量的结果进行综合判断。,生物医学测量的特点（9）,适用性问题 任何测量方法与技术都有一定的局限性，尤其是在生物医学领域。生命体中的各个系统、组织和器官，同一测量对象可能有多种测量方法，每一种测量都在一定条件限制下进行的，因此，不同测量对象需要有其相关的测量手段与方法，在进行测量以前首先要研究方法与技术的适用性问题。,生物医学测量系统,信息获取：用来引导与感知被测对象的某些生理和生化量，并使之变为便于测量与加工的电信号，通常通过测量电极及传感器来完成。 信息加工：对获取的电信号进行放大、处理及变换，以适于对测量结果的分析与识别。 显示和记录：,生物医学测量系统的技术指标,精确度
16、、准确度、灵敏度、非线性系数、滞环误差、稳定性、分辨力、频率特性、输入阻抗、输出阻抗等等 在“有效性、安全性和适用性”，三方面要重视,生物医学测量的范围,是对生物体中包含的生命现象、状态、性质、变量和成分等信息进行检测和量化的技术。 是一种最重要的基础性技术，应用领域：生命科学研究、医学研究及临床诊断、病人监护、治疗控制、人工器官及其测评等等。在生物医学的所有领域，包括生物力学、生物材料、生物医学电磁学、生理系统的建模与仿真等等，必须直接或间接应用生物医学测量技术,典型医学和生理学参数,生物医学测量方法的分类,生物医学测量的对象涉及人体各个系统的形态与功能 。 被测量主要包括物理量（压力、流量
17、、速度、温度、生物电等）、化学量（血气、电解质）和生物量（酶活性、免疫、蛋白质等） 生物医学测量的方法和技术呈现多样化，涉及的现代科学技术领域之多也是罕见的，这必须从方法学角度加以分类，以建立生物医学测量的科学体系。,常见的测量方法分类(1),有创测量、无创测量 无线测量、有线测量 直接测量、间接测量 测量对象：在体测量、离体测量 体表测量、体内测量,常见的测量方法分类(2),测量结果表达形式：单维测量、多维测量； 接触式测量、非接触式测量； 测量性质：生物电测量、非生物电测量 形态测量、功能测量,离体测量（in vitro）,对离体的血液、尿液、活体组织或病理标本之类的生物样品进行的测量方法
18、与技术、称为离体测量。在临床化验（特别是生化参数测量）中占有很重要的位置。,对离体测量要求,较高的测量精度和准确度 较快的响应 实现低成本 低试剂用量 多项目自动测量。,生化参数的测量与分析技术,光度法：比色法、分光光度法、荧光法、浊度法 色谱法 电化学电极电位法 电泳法,离体测量与生化检验的发展方向,新型化学及生物传感器的开发和应用：快速、自动、连续、精确、高重复性、多功能、高灵敏度、超微型化 多种检测方法和技术的综合化，并实现生化检验的全自动化：全实验室自动化（TLATotal Laboratory Automation），将生化分析、血球计数、免疫分析和电泳等多功能整体化，并采用多媒体技
19、术提供数据。 从离体向在体测量过渡：向“免采血”的无损、在体检测方向过渡,在体测量（in vivo）,在人体和实验动物活体的原位对机体的结构与功能状态进行的测量,按照测量系统是否侵入机体内部，在体测量又可分为无创测量和有创测量两类。,无创测量 (noninvasive measurement),无创测量 (noninvasive measurement),是生物医学中，尤其是临床诊断中最易被人们接受的一种测量方法。 又称为非侵入式测量或间接测量，其重要特性是测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，测量时通常在体外，尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。,无创测量的不足,无创测量往往是经皮
20、测量技术，人体内部的生理、生化信息经过组织传递到皮肤表面，信号幅度被衰减，信号形态发生畸变，因而在体表实现无创及微创测量的精确度和稳定性远不如采用直接测量,无创测量的主要技术手段,在体外（尤其在体表）采用光、电、声、化学、热等手段检测人体的各种相应的机体功能参数，以及利用各种电离辐射（X射线、射线）和非电离辐射（例如超声波）方法检测体内器官、组织的形态信息。,对无创测量的要求,实时、连续、长期、精确、无拘束地进行测量，并实现测量自动化。例如，可行走病人的测量应采取无拘束或遥测技术，可采用磁记录等非实时测量方法；而在危重病人监护室内，危重病人生理参数的监测应要求长期、连续和实时，以便一旦出现危及
21、生命的生理参数失常时，能立即报警，并及时采取抢救措施。,无创测量的方法与技术 （1）,常规生物电的无创测量 生物电的无创测量是指在体表进行的生物电位及其他电特性（阻抗与导纳）测量。常规的心电、脑电、肌电、胃电、眼电、眼震电、皮肤电等生物电位的无创测量已渐趋成熟，是临床上应用最广的检查手段。,眼振电仪,眼震电pic描记法的原理： 眼震电pic描记法（英文名Electronystagmography）简称ENG，是利用皮肤电极法来观察眼震，角膜相对于视网膜呈正电位，网膜相对于角膜呈负电位，两者构成一电位差轴,故当在眼球周围皮肤处各放置一对电极时，眼运动即可记录到周围电场发生电位变化，将此电位改变加
22、以放大，和记录器记录下来或经计算机A/D卡采集，即为眼震电pic。眼震电pic描记法比肉眼观察更具优越性，它不但能把肉眼观察到的眼震都记录下来，甚至可以将肉眼无法在黑暗中或闭眼时出现的眼震都记录下来，加以前后比较，大大提高前庭系统疾病的诊断。 目前现代医学研究表明，眼震电pic同中枢神经和周围神经系统变化存在密切关系，同时已成为神经耳科学检查的一项极为重要内容。,无创测量的方法与技术 （2）,高频、低频、多型非常规心电信息的检测 体表希氏束电图、心室晚电图、高频心电图、胎儿心电图、心电体表电位图,胎儿心电图,胎儿心电图是经孕母腹壁或胎儿体表所记录的胎儿心脏动作电位及其在心脏内传导过程的图形。整
23、个孕期胎儿生长在孕母子宫腔内封闭的羊膜囊里，此期一般只能将电极置于母体腹壁表面，间接地记录到胎儿的心电图，故称间接胎儿心电图(indirect fetal electrocardiogram)；而临产胎膜破裂后，宫颈口扩张到一定程度，电极方可直接地置于胎儿自身体表记录其心脏电活动，称直接胎儿心电图(direct fetal lectrocardiogram)。直接胎儿心电图不受孕母心电干扰，信噪比值较高，P-QRS-T波均可清晰显示，能反映胎儿缺氧和酸中毒，为临床上产时胎儿监护的可靠方法，也是胎儿心电活动实验研究的重要手段。间接胎儿心电图则为无创性操作，方法简便，容易掌握，对母儿均不构成任何威
24、胁，孕期中可多次测定随访，故在国内已有较多应用。,无创测量的方法与技术 （3）,弱生物磁测量技术 在强的背景磁场（地磁场和环境磁场）下测量心磁图（MCG）和脑磁图（EMG）等微弱生物磁信息场合，除靠屏蔽措施外，可采用SQUID超导量子干涉仪。它具有高达10-14T10-15T的弱磁测量灵敏度，完全可测量心磁图的磁场（10-10T）和脑磁图（10-12T）等弱磁生物信号。,无创测量的方法与技术 （4）,生物声信息检测 心音、肌音、语音、关节音、肺音、肠鸣音和耳声等。只要弄清各种生理声信息的发声机理、声传播特性以及声信息特征与临床病理和生理之间的相关性，生理声信息测量会在许多疾病的诊断和治疗中发挥
25、威力。,无创测量的方法与技术 （5）,深部体温的测量 深部体温的测量随着各种热作用治疗而广为重视，尤其是加温治癌疗法的成功应用，要求加热温度控制在一个较窄的范围后，深部温度的测量成了一个研究的热点。热流补偿法。,无创测量的方法与技术 （6）,口腔内压力的测量 双向传送的遥测方式,无创测量的方法与技术 （7）,运动量的测量 耗扬量V（O2）和能量消耗。采用便携式记录方式。,无创测量的方法与技术 （8）,无创伤血氧饱和度的测量 血氧饱和度Sa（O2）的无创连续测量对新生儿和危重病人监护具有很大的临床价值，已成为患者能否离开手术室或复苏室，以及能否脱离氧疗的一个重要依据,有创测量,在体内测量，又称侵
26、入式测量，通常采用直接测量的方法 由于探测部分侵入机体，对机体会造成一定程度的创伤，给患者带来一定的痛苦，但其原理明确、方法可靠、测量数据精确，因此也可用于手术过程及术后的监测，以及作为无创测量方法的对照评估,有创血压多参数监护仪,有创测量分类（按实现方式）,通过手术的测量方法 导管测量方法 植入式测量方法,有创测量的典型实例,电磁流量计 位移、压力的测量 液耦式导管心脏测压 导管心腔内心电图和房室束电图的测量,有创血压测试,随着介入治疗方法在临床应用的不断更新和推广，有创压监测的适用性和重要性也得到确认，有创压测量功能也逐渐成为监护仪最基本的监测参数之一。由于这个监护参数的测量方法是采用直接
27、的测量法，所以是目前临床上血压测量的金标准。目前有创压测量参数是大多数高档监护仪上的标准配置，虽然这个方法是有创的，并且还存在液路连接上血凝、受试者感染、传感器耗费高等影响血压测量和推广应用的因素，但因其测量结果客观、准确、重复性好、实时性强、不受心律失常影响、抗运动干扰强、可以实现不同部位的血压测量等优点，在临床上已得到广泛应用。,有创压测量的原理,有创压测量是采用基于液体的等压传递原理来实现的直接血压的测量。利用动脉插管方法将动脉内血压及其变化通过装有生理盐水的管路引出到压敏传感器的压力感应面，再由这个压敏传感器将动脉内的压力信号线性地转换成电信号，并通过信号放大电路、滤波电路实现信号的放
28、大和滤波，得到实时压力脉搏波，再在CPU控制下实现模数转换和相关人工的零压力参考点校准，并通过特定的软件算法对上述的压力脉搏波信号进行相关的波峰、波谷识别和压力、脉率计算，最后得到所需要的收缩压、舒张压、平均压和脉率值。,有创压测量的检验方法,有创压的测量是基于人体动脉血管内压力和压力传感器的直接测量方法，通过导管与人体动脉血管的连接，并借助这个导管内生理盐水将动脉内的压力传递给外部的压力传感器，再通过与这个压力传感器相连接的模拟、数字电路及软件方法直接根据所测量的压力波来计算人体动脉的收缩压、平均压、舒张压和脉率等参数。因此，有创压的模拟电路就是一个针对电桥式压力传感器的线性放大电路，所以有
29、创压的测量是直接进行的基于动脉压力波形的血压参数的测量，是血压测量的金标准。,有创压测量的检验步骤,(1) 通过有创压电缆将压力传感器连接到具有有创压的监护仪上。 (2) 将500mL容器、静态压力校准仪、充气囊通过多路气路专转接器连接到压力传感器的感应端口。 (3) 通过充气囊根据规格上说明血压范围向上述气路设置最大到最小的多组静态压力值，对比有创压监护仪和压力校准仪的测量值，评估静态压力测量的准确性。 (4) 将多参数模拟器的有创压信号通过连接电缆与监护仪相连接，监测模拟器的动态有创压的数据(含收缩压、舒张压和平均压及脉率)，观察和记录测量数据，分析监测结果的一致性。,有创压测量的检验步骤
30、,(5) 评估有创压的动态响应。采用爆破法，即使得与监护仪相连的压力传感器的压力感应端，通过三通接头与一个气囊和手动充气囊相连，通过手动充气囊向上述的与气囊相连的压力传感器充气，并通过监护仪的压力显示得到当前气囊内的压力不小于100mmHg，并启动监护仪的内置记录仪，同时利用针尖刺破气囊，产生价跃式压力突变，通过上述的记录仪记录这个突变曲线，通过监测这个突变曲线来获得有创压监测系统的整体动态响应。 (6) 放大电路的通频带，传感器的阻抗适应性、传感器的灵敏度和激励信号要求都是由设计保证的，其中通频带已由(5)的测试间接得到确认。,(7) 评估有创压的校零、校增益的功能。这项测试是有创压使用的必
31、备功能，按操作说明书上的步骤和要求，安装好相关的配件，利用三通接头，将压力传感器与手工充气囊和压力校准仪(或水银压力计)连接在一起，通过调整压力传感器上气路连接方向和手工充气囊，进行校零和校增益的功能操作，并进行检验确认。,TP-400T有创血压传感器,有创测量的发展分支,植入式测量：测量装置埋入人体内部。测量时人体可在无拘束的自然状态，测量结果准确，可进行实时、动态、长期监测，是生物医学测量发展的方向之一,微创测量技术：吸取有创测量和无创测量的优点，已受到生物医学界的重视,生物电测量,对生物活体各部分的生物电位及电学特性（阻抗或导纳等）的测量 生物电位活动是生物存活的重要生命指征，人体不同部
32、位的生物电，诸如心电、脑电、肌电、神经电、眼电、细胞电及皮肤电等均与相关器官的功能密切相关，是诊断相关疾病的重要手段,心电,心脏的电活动引发心脏收缩 ,心肌规律的收缩使心脏完成泵血功能 ,维持正常的心律及全身血液循环。收缩时的电活动称为除极。舒张时的电活动称为复极。这些生物电的活动可以通过放置在体表的电极被检测和记录。 正常时,心脏电功能来源于以窦房结为主的起搏细胞,电活动的传导功能由一组贯穿心脏独立存在的起搏和传导系统来完成,即窦房结、房室结、房室束(希氏束) 、束支以及分支的网状结构。,心电传导,心电图导联（1）,1905 年 Einthoven 开始创立了心电图的 3 个标准导联 ,即、
33、导联 ,并形成 Einthoven 三角:导联左臂为正极 ,右臂为负极;导联左腿为正极 ,右臂为负极;导联则是右腿为正极 ,左臂为负极。导联中正极为探查电极 ,负极为回路电极。其反映了心脏额面电活动的变化,心电图导联（2）,此后 ,Wilson 等补充完善了额面导联系统 ,在不增加电极的基础上 ,把三个肢体电极通过电阻联在一起称为中心电端。导联中的三个负极分成 2 组 ,其中与相应导联无关的 2 个负极与中心电端相联后 ,在与相关的正、负极共同组成三个加压肢体导联 ,即 aVR、aVL 、aVF 导联。这样每个导联的正、负极之间的角度为 30 度 ,如果以导联为 0 度 ,顺时针排列时分别为:
34、、aVR 、aVF 、aVL ,形成了完整的额面 6 轴系统。,心电图导联（3）,在此基础上 ,Wilson 又进一步发展了导联系统 ,用一组电极的一端与肢体相连 ,而另一端通过吸附电极与胸前特定部分连接 ,产生了水平面(横面)上的 6 条轴线 ,即 V1、V2、V3、V4、V5 和 V6 六个胸前导联。胸前的 6 个不同位置安放的探查电极是正极 ,负极由三个肢体导联通过电阻联在一起组成的中心电端。胸前导联每个电极安放的部位以心前骨骼为标志 ,V1 导联位于第四肋间隙胸骨右侧 ,V2 导联位于第四肋间隙胸骨左侧 ,V4 导联位于锁骨中线第五肋间隙 ,V3 导联位于 V2、V 4 导联连线的中点
35、 ,V5 导联位于腋前线第五肋间隙 ,V6导联位于腋中线第五肋间隙(图 7) 。从 1905 年到1942 年 ,心电图导联系统经过 37 年的不断完善 ,最终成为至今沿用的 12 导联心电图。,心电图导联（4）,1942 年 ,心电图导联系统经过 37 年的不断完善 ,最终成为至今沿用的 12 导联心电图。,生物电的无创测量方向一,生物电位（包括心电、脑电）的体表电位标测（body surface potential mapping），以及相应的逆问题研究 近几年来也取得了长足的进步。将检测到的数十乃至数百个体表电位，利用计算机的强大信息处理功能构建体表等电位图、极值轨迹图等，使心脏和脑的电
36、活动及一些病变信息能用更清晰、明了的方法表达。,生物电的无创测量方向二,生物电阻抗测量技术也是近几年来生物电无创测量活跃的分支之一 采用先进的数字技术（激励源采用直接数字合成、测量部分采用数字解调技术，以及运用计算机分析和处理等），已能使测量精度高于0.1%，采集一组数据的时间不大于40ms，这为采用电阻抗高速和高精度断层成像打下了良好的基础。,生物磁测量,生物磁场（10-11T） 任何物质都有或强或弱的磁性，生物体也不例外一般生物体都具有弱磁性另外，生物体的生理活动还产生磁场，这些生物磁场非常微弱例如，正常人的心脏跳动产生心磁场约1010T；脑的神经活动产生脑磁场约51013T它们远比地面附
37、近的地磁场（约5IO5T）低得多但由于磁测量技术的发展，这些微弱的生物磁场能够测量出来，对于研究生物的生命活动很有意义,生物磁场的产生,1.生物体电流产生磁场： 心脏运动心电心磁场 脑电流脑磁场 2.体内铁磁性物质被外 磁场磁化后产生的剩磁： 矿工肺内的肺磁场,生物磁的测量装置（非接触）,1.超导量子干涉仪（灵敏度10-8T） 2.纤维光学磁场梯度计 测量磁场分布情况，了解测量部位活动情况,生物磁场的曲线图,生物磁场强度随时间变化的曲线图。 心磁图，脑磁图，肺磁图 作用： 1.研究磁场曲线图，了解器官功能与结构的关系信鸽根据地磁识别方位的器官。 2.了解器官的生理与病理现象。 3.对器官早期和
38、部分病变提供信息利用心磁图对心肌梗塞或部分梗塞做出早期诊断；肺磁图对肺部受铁磁性物质侵袭部位和强度做出定量的分析。,生物磁技术及工程应用,核磁共振成像 核磁共振与正电子发射层析成像,超导型核磁共振MRI,非生物电测量,对除生物电量以外的各种生命现象、状态、性质和变量的测量 包括压力、体温在内的物理量，血气及电解质在内的化学量，以及酶和蛋白质在内的生物量。各种非生物电量也是生命活动的表征，这些参量偏移正常范围后将会导致人体器官功能失衡而引发各类病变,血气分析仪（1）,血气分析仪是对人体血液及呼出气的酸碱度(pH)、二氧化碳分压(pCO2)、氧分压(pO2)以及相关参数进行定量测定的精密分析仪器。
39、也能用于其他体液和气体中pH，PCO2，pO2的分析测量。该仪器具有分析快速、准确、可靠的特点，在临床上已成为人体血气酸碱平衡状态和输氧状态进行监测、分析和评价的重要工具。,血气分析仪（2）,主要应用在胸外科、心外科、麻醉科、儿科、急救、科研和防疫部门，特别在抢救危重病人、重大手术、器官移植、心导管、体外循环及人工肾的应用上具有十分重要的意义。是现代医疗、卫生、防疫部门进行病理、生理研究、科学实验及临床检验不可缺少的高档次检验设备之一,血气分析仪,血气分析仪工作原理,血气分析仪工作原理,血气分析仪工作原理如图所示，考虑到pH，pCO2，pO2等主要参数测量的准确度，各种血气分析仪在测量过程中都
40、可完成温度恒定控制，大气压的自动追踪及人血标本Hb(血红蛋白)的预置功能。被测血液在管路系统的抽吸下进入测量仓内的测量毛细管中，管路系统停止抽吸。在测量毛细管的管壁上开有4个孔，pH，pH参比， pO2和pC024只电极的感测头密封于4个孔中。其中pH和pH参比电极共同组成对pH值的测量系统。这样，血液中的pH，pCO2和pO2同时被4支电极所感测。电极将它们转换成各自的电信号，经放大器放大，模数转换送人仪器的微机单元，经微机处理，运算再将测量和计算值送到显示器显示，亦可由打印机打印出测量及计算结果。,血气测量电极,超声诊断仪,超声是每秒超过20 000周(20千赫兹)的一种高频声波。这种声波
41、人耳听不到，能够成束地发射并用于扫查人体组织。,这里所说的脉冲型超声是指频率为210兆赫兹的声波，它产生于扫描器(1兆赫兹等于每秒100万个周期，即超声波的频率比可闻声的频率高很多倍1兆赫兹10赫兹)。一个脉冲周期的时间大约为1微秒(1秒等于100万微秒)而且这种脉冲每秒重复大约1000次。不同的组织以不同方式改变着超声波的传播：一些组织直接反射超声波而另一些则散射超声波，后者使超声波不能作为回声返回探头。超声波以不同速度穿过人体的不同组织(如通过软组织时的速度为1540米秒)。,返回到探头的超声脉冲需要在扫描仪内放大。来自人体深部组织的回声较表浅部位衰减更大，因此深部回声更需放大。超声扫描仪
42、具有调节总增益(灵敏度)的控钮，即阈值，也可改变不同深度回声的放大。任何超声仪器工作时都必须获得一幅均衡的图像，即不同深度组织的回声强度大约相等。 超声返回探头后，声束内的所有组织可以重建一个二维图像，这些信息储存于计算机内 并在监视器(电视机)上显示。密集的回声称谓“高强度回声”，荧光屏上显示为较明亮的光点。,非生物电量的转换,非生物电量的测量涉及能量的转换的问题。为测量、处理与记录方便起见，通常由各类换能器（传感器）将各种非生物电量转换为相关的电量后进行测量，这就是非电量的电测技术,传感方法与技术 （1）,生物电 心电（ECG），脑电（EEG），肌电（EMG），眼电，胃电，皮肤电，细胞电。
43、,宏电极（铜、铂、银、Ag/AgCl、液体），微电极（玻璃、金属）,Corox OWT冠状窦电极,生物电放大器,传感方法与技术 （2）,压力 血压、心内压、脑内压、胃内压、胸腔内压、肺泡内压、眼球内压,金属应力计，半导体应变片、差动变压器、压电晶体,传感方法与技术 （3）,流量与流速 血流，呼气与吸气的流量、流速，唾液的流量，排尿速度,铂电极，核磁共振，热敏电阻，电磁法，超声多普勒法，色素稀释法，同位素,传感方法与技术 （4）,变量与位移 心脏的位置，皮肤的厚度，皮下脂肪的厚度，肿瘤的位置,应变片，半导体应变片，差动变压器，电气测微仪，可变电极电容，光电位计，光电管，光二极管，超声波法,传感方
44、法与技术 （5）,振动 心音，呼吸音，血管音，柯尔岢夫音，负颤音,金属应力计，半导体应变片、差动变压器、压电晶体（以上与测压传感器相同），另有可动线轮，电容微音器，磁应变振动子，光电管，光二极管，水银加速度计等,传感方法与技术 （6）,时间 知觉时间，反应时间，脉波时间，传播时间，呼气吸气时间，脉波间隔,用电子电路作计数器，同位素稀释法,传感方法与技术 （7）,温度 皮肤温度，直肠温度，口腔温度，胃内温度，血液温度，呼气温度,热敏电阻，电阻温度计，容量温度计，热电偶，光温度计，红外温度计，液晶温度计,传感方法与技术 （8）,化学成分 血液、呼吸中的O2、CO2、N2O、CO、H2O、He气体，
45、组织内的等生化学检查,热传导式气体分析仪，导电型液体浓度计，磁气测氧仪，光电式浓度计，pH计，X线分光分析仪，质量分析仪,传感方法与技术 （9）,放射计 X射线，同位素,光传导放射线检测器，热敏电阻，光电管，发光二极管，同位素计数器，盖革计数器，光电倍增管,发展展望,1.与计算机相关的技术。包括计算机辅助诊断、智能化仪器、生物传感器、机器人和仪器网络等技术。 2.分子医学技术。包括遗传诊断和治疗以及组织工程仪器。 3.家庭与自我保健仪器。包括家庭/自我监护、诊断、治疗等方面。 4.微损伤仪器。包括医用成像装置、微型仪器、激光诊断仪器、机器人外科装置和非置入式传感器。 5.器械与药物相结合的产品。指采用医学仪器技术和药物/生物的混合型器械。 6.采用硬件和组织工程组件的器官置换/辅助装置。包括人工脏器、组织工程器官、电刺激装置。,
