生物醫(yī)學信號測量的特殊性

關(guān)于生物醫(yī)學信號測量的特殊性

用電子學方法對人體結(jié)構(gòu)、機能的各種探測稱為人體的電子測量。目的是為了獲得與醫(yī)療、保健有關(guān)的診斷根據(jù)，并從生理學方面進行結(jié)構(gòu)和功能的分析。生物醫(yī)學工程領(lǐng)域內(nèi)的測量，是以電子技術(shù)為基礎(chǔ)、把人體的各種信號轉(zhuǎn)換成電信號進行測量，然后把測量結(jié)果作為信息，應(yīng)用信號處理的方法，根據(jù)不同目的進行適當?shù)奶幚?。從測量技術(shù)上來說，它屬于強噪聲背景下的低頻微弱信號測量，被測信號是由復(fù)雜的生命體發(fā)出的不穩(wěn)定的自然信號。從信號本身到拾取方式，都不同于工業(yè)工程上的電子測量，而有它的特殊性。第一章生物醫(yī)學信號測量的特殊性第2頁,共40頁，2024年2月25日，星期天學習以人體為研究對象的電子學方法時，很重要的一點是要弄清楚它與工程中測量的區(qū)別。人體是工程中任何系統(tǒng)都不能相比擬的極為復(fù)雜的系統(tǒng)，至今尚未被人類完全認識。因此，人體的測量是自然科學領(lǐng)域中難度最大的測量。

第一節(jié)

人體測量的特點人體測量是以醫(yī)學、生理學為基礎(chǔ)的，從測量的角度，對人體系統(tǒng)的特征進行一般描述。生物醫(yī)學測量的生理參數(shù)，有心電、腦電、肌電等各種生物電的電量參數(shù)，還有體溫、血壓、呼吸、血流量、脈搏、心音等非電量參數(shù)，這些非電量參數(shù)的測量實質(zhì)上就是溫度、壓力、流量、頻率、力、位移等非電量物理參數(shù)的測量。第一章生物醫(yī)學信號測量的特殊性第3頁,共40頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)

人體測量的特點

生物醫(yī)學測量與普通物理參數(shù)測量相比，雖然都可以歸結(jié)為電量和非電量的測量，但是被測量信號的特征和被測量的生命系統(tǒng)，與工程上的物的測量具有本質(zhì)的不同。

1.1.1人體測量系統(tǒng)的組成1、生命現(xiàn)象的基本特征區(qū)別于工程上的任何系統(tǒng)，人體系統(tǒng)是有生命系統(tǒng)。由于生物分子構(gòu)成的生物體，在一定的環(huán)境中才有生命現(xiàn)象。環(huán)境破壞，生命現(xiàn)象即結(jié)束。生命現(xiàn)象最基本的特征，包括新陳代謝、興奮性和生殖能力,這是生物體所共有的生命現(xiàn)象。第4頁,共40頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)

人體測量的特點

生物體總是在不斷地重新建造自身的特殊結(jié)構(gòu)，同時又不斷地揚棄自身已衰老的結(jié)構(gòu)，不斷地以新合成的生物分子代替舊的，這個過程稱為新陳代謝，停止新陳代謝，生命即結(jié)束。引起生物體出現(xiàn)反應(yīng)的各種環(huán)境變化稱為刺激，受到刺激后產(chǎn)生興奮的能力稱為興奮性。外界環(huán)境的變化，刺激了相應(yīng)的感受細胞，產(chǎn)生生物電信號，將環(huán)境變化的信息送到中樞神經(jīng)系統(tǒng)，經(jīng)過處理以后，仍以生物電信號的形式將信息傳送到機體各部分的效應(yīng)細胞(如肌肉、腺體)，使它們迅速產(chǎn)生生物電變化，并激起它們所特有的功能活力。

生命體的壽命有限，通過生殖或自我復(fù)制來延續(xù)種系，故生殖為生命的基本特征之一。

第5頁,共40頁，2024年2月25日，星期天2、生物信息的分類化學信息血液代謝物呼吸氣體其它體液等以往通過化驗來檢測現(xiàn)在很多實現(xiàn)儀器自動分析第6頁,共40頁，2024年2月25日，星期天物理信息生物電心電（electrocardiogram）腦電（electroencephalogram）肌電（electromyogram）皮膚電等生物磁心磁腦磁肺磁等生物光生物聲第7頁,共40頁，2024年2月25日，星期天生理信息聽覺視覺觸覺味覺嗅覺痛覺心理信息第8頁,共40頁，2024年2月25日，星期天生物信息的存在性及研究目標存在性有生命，就必然有生物信息研究目標認識自然，揭示生命的奧秘改造自然，為人類健康生存服務(wù)第9頁,共40頁，2024年2月25日，星期天3、按人體信號的產(chǎn)生分類（1）被動信號（外源性信號）探測的信號是人體對外源信號的響應(yīng)（反射、吸收、散射）（2）主動信號（內(nèi)源性信號）探測的信號是人體組織或器官產(chǎn)生的信號（心電、心音、血壓等）（3）感生信號或外源誘發(fā)的內(nèi)源信號第10頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

被測系統(tǒng)，無論是整個人體，還是某種器官或者組織細胞，在測量過程中部應(yīng)保持其生命活動的正常狀態(tài)。如，必須考慮到由于測量使人體感到痛苦，因而發(fā)生生理上的反射；長時間的測量對人體的節(jié)律、內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定性、適應(yīng)性和新陳代謝的影響等；在施加麻醉的狀態(tài)下測量，則麻醉深度會大大改變生理機能的狀態(tài)。測量方法的設(shè)計需精細考慮。顯而易見，遙測、遙控技術(shù)及體表無損測量是適宜的人體測量方式。

4、人體測量方式第11頁,共40頁，2024年2月25日，星期天5、人體的自控模式

人體的各種功能調(diào)節(jié)都可以認為是自動控制系統(tǒng)，可將神經(jīng)、體液或自身調(diào)節(jié)中的調(diào)節(jié)部分(如反射中樞、內(nèi)分泌腺等)看作是控制部分，將效應(yīng)器官看作是受控部分。受控部分的狀態(tài)或所產(chǎn)生的效應(yīng)叫做輸出變量。人體系統(tǒng)中也存在生理功能的負反饋調(diào)節(jié)。第12頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

在控制部分和受控部分之間，通過化學的或電的信號和其它種類信號等不同形式的信號進行信息傳遞。由控制部分發(fā)出信息來改變受控部分的狀態(tài)，受控部分不斷有信息反饋到控制部分，隨時糾正和調(diào)整控制部分對受控部分的影響，以達到精確的調(diào)節(jié)。人體的軀體運動與內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，都依靠反饋信息對控制信息的糾正和調(diào)整作用而達到調(diào)節(jié)。第13頁,共40頁，2024年2月25日，星期天6、人體測量系統(tǒng)的組成

人體測量系統(tǒng)通常包括三個基本環(huán)節(jié)：傳感環(huán)節(jié)、信息處理環(huán)節(jié)、顯示記錄環(huán)節(jié)被測對象傳感器電源信息處理控制與反饋顯示與記錄輸出第14頁,共40頁，2024年2月25日，星期天1.1.2限制性測量條件(一)生理參數(shù)的范圍表1.1列出了人體測量中一般的參數(shù)范圍，各文獻報導(dǎo)的參數(shù)值范圍不盡一致，因為人體生理參數(shù)本身就是具有顯著的離散性，測量目的也不相同，或者被測量的人體系統(tǒng)處在某種特定的狀態(tài)，某一生理參數(shù)值范圍也可能有很大的變化。第15頁,共40頁，2024年2月25日，星期天第16頁,共40頁，2024年2月25日，星期天表1-1可以對人體醫(yī)學參數(shù)的測量范圍有個初步概念，為生物醫(yī)學儀器的設(shè)計提供依據(jù)。和工程上的大多數(shù)物理參數(shù)相比，醫(yī)學生理參數(shù)的強度都很微弱，如電壓大多在微伏級，壓力也很小，頻率范圍都在音頻段(20Hz-20000Hz)，大多數(shù)生理信號是在甚低頻段，甚至是直流。第17頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

人體雖然可以分為神經(jīng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)等子系統(tǒng)，但各個子系統(tǒng)卻不是互不相關(guān)、各自獨立的。每—個子系統(tǒng)實際上是整個人體的復(fù)雜的物理和化學過程的綜合，它們之間保持著有機的聯(lián)系，互相交織，互相影響，用以維持生命。一種生理參數(shù)的測量將受到多種其它參數(shù)(如血壓、呼吸、體溫等)的影響，對于被測參數(shù)而言，它們就是噪聲。噪聲有時可特被測信號淹沒。人體的正?；顒雍图◇w的運動也無時不成為測量系統(tǒng)的機械性的外部干擾。(二)強噪聲背景第18頁,共40頁，2024年2月25日，星期天在各生理系統(tǒng)之間的反饋環(huán)路和內(nèi)部關(guān)系還都未知的情況，要控制被測量的生理參數(shù)，或抵消別的系統(tǒng)的影響是很難的。與工程系統(tǒng)不同，人體在測量過程中不能隨意停止運轉(zhuǎn)，也不能暫時拆除某些部分，所以某些器官或組織的參數(shù)難以直接測量出來。另外，人體個體的差異相當大，每一個體的外部形態(tài)不同，它們的內(nèi)部組織也有許多差別，參數(shù)值的分布范圍很廣，而且多數(shù)參數(shù)是隨時間變化的，許多醫(yī)學測量即使條件一樣，正常值的變化也很大?？傊?，人體測量同時處理多方面復(fù)雜因素的影響，精密設(shè)計測量方案，進行繁復(fù)的數(shù)據(jù)處理。第19頁,共40頁，2024年2月25日，星期天(三)安全性限制

為了用電子儀器獲取人體信息或施加于人體某種物理作用，必須把儀器與人體緊密地連接在一起。例如，把生物換能器貼緊到軀體上。再如，進行心臟導(dǎo)管檢查時，要在一定時間內(nèi)把儀器放入人體，甚至長期放置在人體體內(nèi)(如植入型心臟起搏器)，以替代人體的器官，維持生命，這是其他儀器測量領(lǐng)域中所沒有的?？梢?，人體測量的安全性是最終的測量限制性條件。人體測量，尤其是包含幾種參數(shù)測量的復(fù)雜系統(tǒng)的安全，是—個復(fù)雜的、有待深入研究的課題。第20頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

(1)測量中施加于人體的各種能量

為了測量和收集生物體信息，診斷、治療疾病，常利用各種能量施加于人體組織，然后測量人體組織對其的反應(yīng)。如通過人體的電流、放射性射線、超聲波、高頻能量、加速粒子等。人體在測量中所承受的力、加速度和振動，以及聲、光、放射性射線的作用，是有一定限度的。不僅取決于生物組織本身的物理、化學性質(zhì)，而且受到由這些作用而產(chǎn)生的生理學、心理學變化的限制。各種能量對人體的作用不同，應(yīng)對能量的種類、施加部位、強度、作用時間以及諸如頻率、波形等各種參數(shù)作認真仔細的研究，給出明確的規(guī)定。第21頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

例如超聲波可給予生物體加熱、振蕩、空化、氧化、還原、調(diào)節(jié)滲透壓等物理和化學作用。大量使用的超聲波斷層診斷裝置和多普勒裝置，其輸出強度應(yīng)小于10mw／cm2左右，一般超聲波能量對生物體給以影響的最小值，大致定為100mw／cm2。按這個限度，用于生物體測量的超聲裝置是安全的。但是對于胎兒、腦、眼球等，即使用低能量也容易受到影響。關(guān)于超聲波的安全問題，胚胎和胎兒受超聲波的影響和安全閾值是現(xiàn)在仍然受到重視的問題。第22頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

再如，低頻電流對人體的作用呈現(xiàn)出一定的閾值，在閾值以下，對人體組織完全沒有影響。而放射性射線則不然，它對人體的作用具有累積效應(yīng)，并不呈現(xiàn)出一個確定的閾值。能量對于人體組織的作用，與生物體的物理性質(zhì)密切相關(guān)，如生物體的電特性、機械性質(zhì)、對光和熱等能量的作用等，隨著對生物體物理性質(zhì)研究的進展，對能量與人體組織作用的認識也將不斷深化和完善。第23頁,共40頁，2024年2月25日，星期天(2)測量的精確度、可靠性

它直接關(guān)系到診斷、治療的正確與否，包括是否容易發(fā)生誤操作等。例如，心電圖是根據(jù)波形診斷疾病的，因此波形的失真是一個嚴重問題。測量精度不夠或由于可靠性差而產(chǎn)生過大的誤差，在診療上將造成很大的危險，這是不言而喻的。在生命由設(shè)備維持的情況下，若設(shè)備出現(xiàn)故障，如心臟手術(shù)中人工心臟停止工作，心臟起搏器沒有刺激脈沖輸出等，可造成致命的事故。對于人體測量，尤其作為診療設(shè)備，精度和可靠性的設(shè)計，與一般工業(yè)設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計相比，無疑具有更加重要的意義。

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目前體內(nèi)工作、測量的設(shè)備，在診療技術(shù)中應(yīng)用逐漸增多。體內(nèi)或有創(chuàng)測量，比體外測量，需更加細致地考慮其安全性。如醫(yī)用遙測膠囊發(fā)射體內(nèi)；有創(chuàng)測量時深入體內(nèi)的電極、導(dǎo)管、探頭等，一旦在測量過程中發(fā)生問題，就不只是在體內(nèi)放入異物的問題，其惡果遠比體外測量時嚴重。

埋植或插入物質(zhì)對生物體存在一定的生物學影響，特別是長期埋入，有相容性的問題，引起溶血、破壞組織等。其次，滅菌不徹底造成細菌感染，探頭損傷造成出血等都會發(fā)生。還有化學性危險，從插入體內(nèi)物中溶出有害物質(zhì)，從電極中溶出有害雜質(zhì)等，均造成危險。第25頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

這是測量安全性中最主要考慮的方面。尤其在應(yīng)用多種裝置同時測量時，如何防止發(fā)生微電擊（電流直接加到心臟上產(chǎn)生的電流效應(yīng)），幾乎成為十分難辦的事情。測量中的電擊事故，除了威脅醫(yī)護人員的安全而外，對于處在麻醉、手術(shù)昏迷狀態(tài)或行動不便、感覺遲鈍和體質(zhì)衰弱的病人來說，威脅更大。(3)電子測量中的電擊(主要是微電擊)第26頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

通過人體的低頻電流(1kHz以下)三個作用：產(chǎn)生焦耳熱；刺激神經(jīng)、肌肉等細胞；使離子、大分子等粒子振動、運動、取向。

當電流達到1mA／cm2以上時，神經(jīng)肌肉感覺器官的細胞出現(xiàn)興奮現(xiàn)象。如果在重要器官上形成的局部電流密度大到一定程度，則使器官功能喪失。當從體外流入電流時，電流在體內(nèi)擴散，考慮人體相對于電極是很大的，而且人體具有均勻?qū)щ娐?，則電流密度急劇減小，受到刺激的主要是距電極很近的神經(jīng)與肌肉細胞。

第27頁,共40頁，2024年2月25日，星期天流過人體的電流，使感受器或神經(jīng)細胞興奮，把刺激傳到大腦。如果直接電刺激有關(guān)運動的神經(jīng)或細胞，可出現(xiàn)和意識無關(guān)的肌肉收縮。在考慮人體的電安全性時，心臟的安全具有最重要的意義。

心臟按一定的節(jié)律收縮與舒張，使血液在全身循環(huán)。心肌興奮從竇房結(jié)開始，使相鄰的細胞依次興奮，把興奮傳遞下去，以此和諧地保持兩個心房和兩個心室的收縮。假如有電流流過心肌，就會破壞這種同步的收縮作用，心肌細胞將隨意收縮，這樣血液便射不出去，這種狀態(tài)稱為顫動。當有器件放入或者靠近心臟時，應(yīng)特別警惕。第28頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

由上述我們已經(jīng)可以看出，深入到人體的電流和從人體外流入體內(nèi)的電流，對心臟的影響有很大區(qū)別。電流直接加到患者的心臟上產(chǎn)生的電流效應(yīng)稱為微電擊，而加于體表引起的電流效應(yīng)稱為宏電擊。顯然，造成微電擊，是構(gòu)成不安全的重要因素。第29頁,共40頁，2024年2月25日，星期天流入人體的電流等于電壓除以人體阻抗。

人體阻抗可分為兩部分：（1）人體內(nèi)部阻抗：與人體接觸的電極之間的阻抗（去掉電極下的皮膚）。主要是電阻性的，不同通路的值見圖1-3（p5）（2）皮膚阻抗：與皮膚接觸的電極和皮下導(dǎo)電組織之間的阻抗。是電阻和電容組成的網(wǎng)絡(luò)，受電流、電壓、頻率、通電時間、接觸面積、壓力、皮膚濕度的影響，變化趨勢見圖1-4、1-5（p5）人體等效阻抗第30頁,共40頁，2024年2月25日，星期天低頗電流對人體作用的粗略數(shù)值：

100μA電極植入體內(nèi)，有電流通入，引起心室顫動；1mA電流從體外流入，有電流刺激感；10mA電流從體外流入，發(fā)生不隨意運動；100mA電流從體外流入，造成心室顫動。引起室顫的電流與體重和持續(xù)時間有關(guān)，例如兩歲兒童的室顫值僅為30mA。詳細情況請看p8圖1-6交流電流對人體的效應(yīng)。第31頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

在人體測量中，作為安全措施，應(yīng)取以上數(shù)值的1／10作為安全閾值。例如，造成室顫的體內(nèi)電流應(yīng)在10μA以下。醫(yī)療設(shè)備的允許漏電標準比其他應(yīng)用設(shè)備允許漏電標準嚴格的多。為防止微電擊，一些醫(yī)用儀器允許用電要限制在10μA以下。心室顫動是電擊致死的主要原因。因此，人體測量系統(tǒng)的電安全設(shè)計，尤其對于心導(dǎo)管患者，必須嚴肅認真對待。

第32頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

電流放率增高時，不易引起興奮，因而刺激作用逐漸減小，一般認為當頻率超過1kHz時，它的刺激作用和頻率成反比例地減小，即電流刺激的閾值數(shù)據(jù)隨頻率的增加而上升。局部或全身通入高頻電流，產(chǎn)生焦耳熱使體溫上升。如果體溫上升在一定范圍之內(nèi)，則產(chǎn)生循環(huán)量增大和促進生物化學反應(yīng)等良好效果，但體溫上升到超過某一限度時，則產(chǎn)生不良效應(yīng)甚至燒傷。當電流頻率更高，進入微波段后，幾乎沒有刺激作用了，只有熱作用。

第33頁,共40頁，2024年2月25日，星期天癲癇與伽瑪?shù)叮℅ammaknife）第34頁,共40頁，2024年2月25日，星期天伽瑪?shù)逗喗榘d癇刀（伽瑪?shù)叮┦悄X電圖機配了一個軟件，學術(shù)名稱為：全數(shù)字化偶極子定位、三維圖像融合長程視頻腦電監(jiān)測系統(tǒng)。是一套由普通腦電圖、24小時腦電Holter、128導(dǎo)全數(shù)字化視頻腦圖、術(shù)中全數(shù)字化腦電系統(tǒng)及偶極子定位系統(tǒng)、三維圖像融合系統(tǒng)等組成的一套完整的癲癇術(shù)前、術(shù)中定位和術(shù)后評估系統(tǒng)，是癲癇的外科治療的有力設(shè)備，所以俗稱癲癇刀。癲癇刀的適應(yīng)癥顱內(nèi)有占位性病變、腦血管畸形等器質(zhì)性疾病；經(jīng)充分而合理的抗癲癇藥物治療達2年以上，仍然頻繁發(fā)作，明顯影響患者生活質(zhì)量者；對只有單個局限的小癲癇灶又不累及重要生理功能的病例效果最好。第35頁,共40頁，20