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文檔簡介

第六講遺傳病和人類基因組計劃第1頁,共36頁,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,共36頁,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,共36頁,2023年,2月20日,星期三第4頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三(2)BiomagneticSignalsDifferentorgans,includingtheheart,brain,andlungs,generatemagneticfieldsthatareweakcomparedtoothereventsaselectricalchangesoccurinthem.Biomagnetismisthemeasurementofthemagneticsignalsthatareassociatedwithspecificphysiologicalactivity.Biomagneticsignalsthereforecanprovidevaluableadditionalinformationthatisnotusuallycontainedinbioelectricsignals.Furthermore,theycanbeusedtoobtainadditionalinformationaboutintracellularactivity.第5頁,共36頁,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)與計算機技術(shù)相結(jié)合,以超導(dǎo)量子介入裝置為探頭,對心動周期中心臟電活動引起的微小磁場進行測定的一項新型心臟無創(chuàng)傷性檢查。與ECG相比,MCG具備以下特點:①信號高度保真。心臟與體表心電圖電極間的電場需通過幾個不同的介質(zhì)邊界,它們每一個都有不同的傳導(dǎo)性和其他的電特性。第6頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三由于心臟產(chǎn)生電場的邊界歪曲,心電電極記錄的電場特點與心臟產(chǎn)生的電場是不同的。界面對磁場不產(chǎn)生太大歪曲,MCG資料因此可提供更準確的心臟活動信息。②對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,即每個都有不同的動作電位間期。在磁場中,這些電流比在電場中反映得更清晰。第7頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三2.心磁圖測量原理(1)測量原理

生物磁信號與生物電信號相比更為微弱,例如心臟周圍的磁場約為5×10-11特斯拉(T),心磁圖(MCG)的最大幅值為10-10特斯拉(T),比地球磁場小一百萬倍(地球磁場為10-4T量級),比城市的環(huán)境磁噪聲(10-7T量級)小一萬倍左右。腦磁圖(MEG)的信號更為微弱,在10-12T量級,因此要采用磁通門來測量生物磁,尤其是心磁圖及腦磁圖等微弱信號是不可能的。第8頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三

在強的背景磁場(地磁場及環(huán)境磁場)測量微弱的生物磁信號,采用超導(dǎo)量子干涉儀(SuperconductingQUantumInterferenceDevice,SQUID)來完成。SQUID的靈敏度高達10-14~10-15T的量級,是磁通計、磁通門難以比擬的。超導(dǎo)量子干涉儀有高的生物磁場檢測靈敏度,是一種非接觸無創(chuàng)測量方法,不受被測對象表面狀況的影響,避免電測量中安置電極的麻煩,安全可靠,易實現(xiàn)空間掃描,甚至可建立二維圖像。第9頁,共36頁,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,因此實用中常采用RF-SQUID系統(tǒng)來實現(xiàn)弱磁信號的檢測。第10頁,共36頁,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)象來檢測體內(nèi)弱磁場,并將測得的磁信號經(jīng)過變換、放大、濾波后進行記錄。通過對心電圖ECG進行比較,分析生理和病理信息。第11頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三圖1.11-1RF-SQUID的系統(tǒng)框圖

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

SQUID磁強計檢測部分(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柵極系統(tǒng)式描記法。國際上普遍應(yīng)用心電圖的Einthoven氏命名法對MCG進行命名,即P波,QRS波,T波和ST段。第13頁,共36頁,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、室顫的危險評估、心肌缺血和成活率檢測、ECG無變化的冠心病檢測、左心室肥大的檢測等外,還可用于胎兒心臟病學研究(fetalMCG,fMCG)、藥理學測試、肝臟鐵儲量檢查、惡性腫瘤檢查等。第14頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三腦磁圖儀1.概述

腦磁圖(Magnetoencephalogram,MEG)對腦神經(jīng)電流產(chǎn)生的微弱生物磁場的測量,對自發(fā)的或受到外界刺激而產(chǎn)生的腦活動進行功能性成像。

MEG沒有侵害性和危險性,具有毫秒級的時間分辨率,對電活動源的定位可達到2mm的精度。

MEG對腦生理活動研究具有較好空間靈敏度和時間靈敏度,操作簡單,易于掌握。第15頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三高溫超導(dǎo)腦磁圖測量系統(tǒng)和高溫超導(dǎo)冷卻屏蔽罩七個信道的高溫超導(dǎo)腦磁圖測量系統(tǒng)第16頁,共36頁,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探測線圈(PickupCoil)和超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)兩部分組成每一個探測器是由磁場梯度儀和把磁場信號轉(zhuǎn)化成電壓信號的SQUID通過電磁感應(yīng)而耦合在一起的。第17頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三上世紀八十年代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測量系統(tǒng)(探測位置數(shù)量已達到275個)?,F(xiàn)在,信號探測傳感器可同時快速地收集和處理整個大腦的數(shù)據(jù),并通過抗外磁場干擾系統(tǒng)和計算機信息處理技術(shù),將信號轉(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,形成腦功能解剖學定位,準確地反映出腦功能瞬時變化狀態(tài)。第18頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三3.

MEG臨床應(yīng)用癲癇病的早期檢測定位腦外科手術(shù)前得到病人腦功能嚴重損傷區(qū)域的空間位置對嚴重頭部損傷昏迷的病人醒后進行其腦神經(jīng)功能評價對受到輕微腦損傷的病人進行功能性檢測以確定是否出現(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檢測結(jié)果。只有在經(jīng)過MEG檢測后,才能發(fā)現(xiàn)這些病人的異常腦神經(jīng)功能。第19頁,共36頁,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,共36頁,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,共36頁,2023年,2月20日,星期三第22頁,共36頁,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).第23頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三(6)BioopticalSignalsBioopticalsignalsaregeneratedbytheopticalattributesofbiologicalsystems.Bioopticalsignalsmayoccurnaturallyor,insomecases,thesignalsmaybeinducedusingabiomedicaltechnique.Forexample,informationaboutthehealthofafetusmaybeobtainedbymeasuringthefluorescencecharacteristicsoftheamnioticfluid(羊水).Estimationofcardiacoutputcanbemadebyusingthedyedilutionmethodthatinvolvesmonitoringtheconcentrationofadyeasitrecirculatesthroughthebloodstream.第24頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三3.CharacteristicsofBiosignalscontinuoussignaldiscretesignaldeterministicsignalrandomsignalstationarysignalnonstationarysignal第25頁,共36頁,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,共36頁,2023年,2月20日,星期三Mathematicalfunctionscannotbeusedtopreciselydescriberandomsignals.Randomsignalsoftenshowdistributionprobabilitiesandcanbeexpressedintermsofstatisticalproperties.TheEMGwhichisusedforthediagnosisofneuromusculardisorders,isarandomsignal.Stationaryrandomsignalsaresignalsforwhichthestatisticsorfrequencyspectraremainthesameovertime.Conversely,nonstationaryrandomsignalshavestatisticalpropertiesorfrequencyspectrathatvarywithtime.Theidentificationofstationarysegmentsofrandomsignalsisimportantforsignalprocessingandpatternanalysis.第27頁,共36頁,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,共36頁,2023年,2月20日,星期三第29頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三第30頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三Samplingananalogsignalmustbeaccomplishedsothatthedigitizedsignalprovidesanaccuraterepresentationoftheoriginalanalogsignal.Th

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