第六講 遺傳病和人類基因組計(jì)劃

第六講遺傳病和人類基因組計(jì)劃第1頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

1.Introduction

Biosignalarespace,time,orspace-timerecordsofabiologicaleventsuchasabeatingheartoracontractingmuscle.Theelectrical,chemical,andmechanicalactivitythatoccursduringthisbiologicaleventoftenproducessignalsthatcanbemeasuredandanalyzed.Biosignals,therefore,containinformationthatcanbeusedtoexplaintheunderlyingphysiologicalmechanismsofaspecificbiologicaleventorsystem.Biosignalsmustbeanalyzedtoretrievethemostrelevantinformationfromthem.Thebasicmethodsofsignalanalysis,e.g.,amplification,filtering,digitization,processing,andstorage,canbeappliedtomanybiosignals.Othersignalprocessingmethodsincludesignalaveraging,waveletanalysis,andartificialintelligencetechniques.第2頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

2.PhysiologicalOriginsofBiosignals

（1）BioelectricSignalsNerveandmusclecellsgeneratebioelectricsignalsthataretheresultofelectrochemicalchangeswithinandbetweencells.Ifanerveormusclecellisstimulatedbyastimulusthatisstrongenoughtoreachanecessarythreshold,thecellwillgenerateanactionpotential.Theactionpotentialrepresentstheflowofionsacrossthecellmembraneandcanbetransmittedfromonecelltoadjacentcells.Whenmanycellsbecomeexcited,anelectricfieldisgeneratedandpropagatesthroughthebiologicalmedium.Changesinextracellularpotentialcanbemeasuredonthesurfaceoftheorganbyusingsurfaceelectrodes.(ECG,EEG,EMG)第3頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第4頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（2）BiomagneticSignalsDifferentorgans,includingtheheart,brain,andlungs,generatemagneticfieldsthatareweakcomparedtoothereventsaselectricalchangesoccurinthem.Biomagnetismisthemeasurementofthemagneticsignalsthatareassociatedwithspecificphysiologicalactivity.Biomagneticsignalsthereforecanprovidevaluableadditionalinformationthatisnotusuallycontainedinbioelectricsignals.Furthermore,theycanbeusedtoobtainadditionalinformationaboutintracellularactivity.第5頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三心磁圖儀1.概述

心磁圖（Magnetocardiogram，MCG）是低溫超導(dǎo)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，以超導(dǎo)量子介入裝置為探頭，對(duì)心動(dòng)周期中心臟電活動(dòng)引起的微小磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)定的一項(xiàng)新型心臟無(wú)創(chuàng)傷性檢查。與ECG相比，MCG具備以下特點(diǎn)：①信號(hào)高度保真。心臟與體表心電圖電極間的電場(chǎng)需通過幾個(gè)不同的介質(zhì)邊界，它們每一個(gè)都有不同的傳導(dǎo)性和其他的電特性。第6頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三由于心臟產(chǎn)生電場(chǎng)的邊界歪曲，心電電極記錄的電場(chǎng)特點(diǎn)與心臟產(chǎn)生的電場(chǎng)是不同的。界面對(duì)磁場(chǎng)不產(chǎn)生太大歪曲，MCG資料因此可提供更準(zhǔn)確的心臟活動(dòng)信息。②對(duì)局部心肌電流高度敏感。MCG有更高的空間分辨率，與ECG相比，MCG對(duì)局部電流有更高的空間敏感性。這些局部電流微弱，來自心肌邊界，有不同的電生理特點(diǎn)，即每個(gè)都有不同的動(dòng)作電位間期。在磁場(chǎng)中，這些電流比在電場(chǎng)中反映得更清晰。第7頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.心磁圖測(cè)量原理（1）測(cè)量原理

生物磁信號(hào)與生物電信號(hào)相比更為微弱，例如心臟周圍的磁場(chǎng)約為5×10－11特斯拉（T），心磁圖（MCG）的最大幅值為10－10特斯拉（T），比地球磁場(chǎng)小一百萬(wàn)倍（地球磁場(chǎng)為10－4T量級(jí)），比城市的環(huán)境磁噪聲（10－7T量級(jí)）小一萬(wàn)倍左右。腦磁圖（MEG）的信號(hào)更為微弱，在10－12T量級(jí)，因此要采用磁通門來測(cè)量生物磁，尤其是心磁圖及腦磁圖等微弱信號(hào)是不可能的。第8頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

在強(qiáng)的背景磁場(chǎng)（地磁場(chǎng)及環(huán)境磁場(chǎng)）測(cè)量微弱的生物磁信號(hào)，采用超導(dǎo)量子干涉儀（SuperconductingQUantumInterferenceDevice，SQUID）來完成。SQUID的靈敏度高達(dá)10－14~10－15T的量級(jí)，是磁通計(jì)、磁通門難以比擬的。超導(dǎo)量子干涉儀有高的生物磁場(chǎng)檢測(cè)靈敏度，是一種非接觸無(wú)創(chuàng)測(cè)量方法，不受被測(cè)對(duì)象表面狀況的影響，避免電測(cè)量中安置電極的麻煩，安全可靠，易實(shí)現(xiàn)空間掃描，甚至可建立二維圖像。第9頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

SQUID分為直流超導(dǎo)量子干涉儀（DC-SQUID）和交流超導(dǎo)量子干涉儀（RF-SQUID），它們利用約瑟夫遜（Joseffson）結(jié)超導(dǎo)環(huán)，DC-SQUID多為雙節(jié)超導(dǎo)環(huán)，而RF-SQUID為單結(jié)超導(dǎo)環(huán)。DC-SQUID的靈敏度比RF-SQUID高，但RF-SQUID的制造工藝、電路與器件的耦合比較容易，因此實(shí)用中常采用RF-SQUID系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)弱磁信號(hào)的檢測(cè)。第10頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三RF-SQUID的系統(tǒng)（圖1.11-1）的關(guān)鍵是探頭，探頭內(nèi)含磁通變換器、約瑟夫遜結(jié)超導(dǎo)環(huán)及共振回路，它們處在超低溫狀態(tài)（5K左右)。利用超低溫超導(dǎo)狀態(tài)下的量子干擾現(xiàn)象來檢測(cè)體內(nèi)弱磁場(chǎng)，并將測(cè)得的磁信號(hào)經(jīng)過變換、放大、濾波后進(jìn)行記錄。通過對(duì)心電圖ECG進(jìn)行比較，分析生理和病理信息。第11頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三圖1.11-1RF-SQUID的系統(tǒng)框圖

第12頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（2）心磁圖的記錄方法和測(cè)定部位在接受心磁圖測(cè)定前，被檢者脫去外衣及卸去身上的金屬制品，平臥于檢查床。

SQUID磁強(qiáng)計(jì)檢測(cè)部分（杜瓦）的前端放在被檢者胸前壁，但不接觸身體，并與胸前壁保持垂直。一般多采用在胸前壁作多點(diǎn)柵極系統(tǒng)式描記法。國(guó)際上普遍應(yīng)用心電圖的Einthoven氏命名法對(duì)MCG進(jìn)行命名，即P波，QRS波，T波和ST段。第13頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.臨床應(yīng)用

MCG除了能夠檢查大多數(shù)心臟疾病，如心梗后的心衰預(yù)測(cè)、室顫的危險(xiǎn)評(píng)估、心肌缺血和成活率檢測(cè)、ECG無(wú)變化的冠心病檢測(cè)、左心室肥大的檢測(cè)等外，還可用于胎兒心臟病學(xué)研究（fetalMCG，fMCG）、藥理學(xué)測(cè)試、肝臟鐵儲(chǔ)量檢查、惡性腫瘤檢查等。第14頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三腦磁圖儀1.概述

腦磁圖（Magnetoencephalogram，MEG）對(duì)腦神經(jīng)電流產(chǎn)生的微弱生物磁場(chǎng)的測(cè)量，對(duì)自發(fā)的或受到外界刺激而產(chǎn)生的腦活動(dòng)進(jìn)行功能性成像。

MEG沒有侵害性和危險(xiǎn)性，具有毫秒級(jí)的時(shí)間分辨率，對(duì)電活動(dòng)源的定位可達(dá)到2mm的精度。

MEG對(duì)腦生理活動(dòng)研究具有較好空間靈敏度和時(shí)間靈敏度，操作簡(jiǎn)單，易于掌握。第15頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三高溫超導(dǎo)腦磁圖測(cè)量系統(tǒng)和高溫超導(dǎo)冷卻屏蔽罩七個(gè)信道的高溫超導(dǎo)腦磁圖測(cè)量系統(tǒng)第16頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.

腦磁圖儀的組成原理

MEG系統(tǒng)的核心是由許多處于不同空間位置的信號(hào)探測(cè)線圈（PickupCoil）和超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）兩部分組成每一個(gè)探測(cè)器是由磁場(chǎng)梯度儀和把磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)的SQUID通過電磁感應(yīng)而耦合在一起的。第17頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三上世紀(jì)八十年代MEG由單信道發(fā)展成37信道傳感器裝置，用于癲癇診斷和其它腦功能方面的研究。九十年代初已研制出全頭型的多信道MEG測(cè)量系統(tǒng)（探測(cè)位置數(shù)量已達(dá)到275個(gè)）。現(xiàn)在，信號(hào)探測(cè)傳感器可同時(shí)快速地收集和處理整個(gè)大腦的數(shù)據(jù)，并通過抗外磁場(chǎng)干擾系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)，將信號(hào)轉(zhuǎn)換成腦磁曲線圖、等磁線圖等，還可與MRI或CT等解剖影像信息融合，形成腦功能解剖學(xué)定位，準(zhǔn)確地反映出腦功能瞬時(shí)變化狀態(tài)。第18頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.

MEG臨床應(yīng)用癲癇病的早期檢測(cè)定位腦外科手術(shù)前得到病人腦功能嚴(yán)重?fù)p傷區(qū)域的空間位置對(duì)嚴(yán)重頭部損傷昏迷的病人醒后進(jìn)行其腦神經(jīng)功能評(píng)價(jià)對(duì)受到輕微腦損傷的病人進(jìn)行功能性檢測(cè)以確定是否出現(xiàn)并發(fā)癥許多受輕微腦損傷的病人都會(huì)有各種各樣的并發(fā)癥出現(xiàn)，然而他們卻有正常的MRI、CT和EEG檢測(cè)結(jié)果。只有在經(jīng)過MEG檢測(cè)后，才能發(fā)現(xiàn)這些病人的異常腦神經(jīng)功能。第19頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（3）BiochemicalSignals

Biochemicalsignalscontaininformationaboutthelevelsandchangesinvariouschemicalinthebody.Forexample,theconcentrationofvariousions,suchascalciumandpotassium,incellscanbemeasuredandrecordedascanthechangesinthepartialpressuresofoxygen(pO2)andcarbondioxide(pCO2)intherespiratorysystemorblood.Alltheseconstitutebiochemicalsignals.Thesebiochemicalsignalscanbeusedforavarietyofpurposes,suchasdetermininglevelsofglucose

(葡萄糖),lactate(乳酸鹽),andmetabolites(代謝物)andprovidinginformationaboutthefunctionofvariousphysiologicalsystems.第20頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（4）BiomechanicalSignalsMechanicalfunctionsofbiologicalsystems,whichincludemotion,displacement,tension,force,pressure,andflow,alsoproducebiosignals.Bloodpressure,forexample,isameasurementoftheforcethatbloodexertsagainstthewallsofbloodvessels.Changesinbloodpressurecanberecordedasawaveform.Theupstrokesinthewaveformrepresentthecontractionoftheventriclesoftheheartasbloodisejectedfromtheheartintothebodyandbloodpressureincreasestothesystolic(心臟收縮的)pressure.Thedownwardportionofthewaveformdepictsventricularrelaxationasthebloodpressuredropstotheminimumvaluethatiscalledthediastolic(心臟舒張的)pressure.第21頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第22頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（5）BioacousticSignalsBioacousticsignalsareaspecialsubsetofbiomechanicalsignalsthatinvolvevibration(motion).Manybiologicaleventsproduceacousticnoise.Forinstance,theflowofbloodthroughthevalves(瓣膜)inthehearthasadistinctivesound.Measurementsofthebioacousticsignalofaheartvalvecanbeusedtohelpdeterminewhetherornotitisoperatingproperly.Therespiratorysystem,joints,andmusclesalsogeneratebioacousticsignalsthatpropagatethroughthebiologicalmediumandcanoftenbemeasuredattheskinsurfacebyusingacoustictransducerssuchasmicrophonesandaccelerometers(加速度計(jì)).第23頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（6）BioopticalSignalsBioopticalsignalsaregeneratedbytheopticalattributesofbiologicalsystems.Bioopticalsignalsmayoccurnaturallyor,insomecases,thesignalsmaybeinducedusingabiomedicaltechnique.Forexample,informationaboutthehealthofafetusmaybeobtainedbymeasuringthefluorescencecharacteristicsoftheamnioticfluid(羊水).Estimationofcardiacoutputcanbemadebyusingthedyedilutionmethodthatinvolvesmonitoringtheconcentrationofadyeasitrecirculatesthroughthebloodstream.第24頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.CharacteristicsofBiosignalscontinuoussignaldiscretesignaldeterministicsignalrandomsignalstationarysignalnonstationarysignal第25頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三Realbiosignalsalmostalwayshavesomeunpredictablenoiseorchangeinparametersand,therefore,arenotdeterministic.TheECGofanormalheartrateatrestisanexampleofasignalthatappearstobealmostperiodic.ThebasicwaveshapeconsistsofthePwave,QRScomplex,andTwave.However,thepreciseshapesofthePwaves,QRScomplexes,andTwavesvaryovertime.ThelengthoftimebetweenQRScomplexes,whichisknownastheR-Rintervals,alsochangesovertimeasaresultofheartratevariability(HRV).HRVisusedasadiagnostictooltopredictthehealthofaheartthathasexperiencedaheartattack.PatientswithlowHRVisgenerallyworsethanitisforpatientswithhighHRV.第26頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三Mathematicalfunctionscannotbeusedtopreciselydescriberandomsignals.Randomsignalsoftenshowdistributionprobabilitiesandcanbeexpressedintermsofstatisticalproperties.TheEMGwhichisusedforthediagnosisofneuromusculardisorders,isarandomsignal.Stationaryrandomsignalsaresignalsforwhichthestatisticsorfrequencyspectraremainthesameovertime.Conversely,nonstationaryrandomsignalshavestatisticalpropertiesorfrequencyspectrathatvarywithtime.Theidentificationofstationarysegmentsofrandomsignalsisimportantforsignalprocessingandpatternanalysis.第27頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三Biosignalsareoftenverysmall,containunwantednoise,andcanevenbemaskedbyotherbiosignals.Throughoutthedataacquisitionprocedure,itiscriticalthattheinformationintheoriginalbiosignalbepreserved.Sincethesesignalsareoftenusedtoaidthediagnosisofpathological(病理的)disorders,theproceduresofamplification,analogfilteringandanalog-to-digital(A/D)conversionshouldnotcausemisleadingorimperceptibledistortionsinthebiosignal.Distortionsinthebiosignalcouldleadtoanimproperdiagnosis.4.

Signal

Acquisition第28頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第29頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第30頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三Samplingananalogsignalmustbeaccomplishedsothatthedigitizedsignalprovidesanaccuraterepresentationoftheoriginalanalogsignal.Th