06生物医学测量概述

单维测量、多维测量；
接触式测量、非接触 式测量；
生物电测量、非生物 电测量；
形态测量、功能测量
常用的测量方法分类
按照测量过程是否直接在生物活体 上进行：离体测量和在体测量
按照被测量的性质来进行分类：生 物电测量和非生物电测量
离体测量（in vitro）
离体测量：对离 体的体液、尿、 血、活体组织和 病理标本之类的 生物样品进行的 测量。
在“有效性、安全性和适用性”，三方面 要重视
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。
称非侵入式测量， 机体的创伤，易
通常采用间接测 被受试者接受，
量方法
但大部分方法的
准确度和稳定性
较差
有创测量
在体内测量，又称侵 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
离体测量的特点： 离体测量检测条 件稳定性和准确 度高，已广泛用 于病理检查和生 化分析中。
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
在体表测量，又 特点：不会造成
趋势一：大型化、复杂化、多功能化
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）
电学基础：电路分析、模拟/数字电路、信 号与系统
计算机基础：计算机原理、数据结构、计 算机语言（C/C++)
测量
信号与系统、数字信号处理、随机信号 处理、传感器技术、电子测量（误差分 析）、数据采集技术、信号放大（集成 运算放大器）、计算机接口技术、自动 测试系统、嵌入式系统（OS、DSP、 FPGA）、计算机网络、电磁兼容及抗干 扰、LabView
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。
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。
宏电极（铜、铂、银、 Ag/AgCl、液体）， 微电极（玻璃、金属）
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
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、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
被测量主要包括物理量（压力、流量、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
有创测量、无创测量 无线测量、有线测量 直接测量、间接测量 在体测量、离体测量 体表测量、体内测量
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
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（6）
新方法建立与评估的困难 生物医学测量新方法，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、
生物医学测量及传感器概述
信息流向
测量 控制
处理
结果
生物医学电子学
生物医学电子学是综合应用电子技术、信 号处理技术、计算机技术和工程科学的理 论和方法，研究生物和人体内各种结构与 功能的关系，解决生物医学的问题。它是 生物医学工程一个重要组成部分，同时也 是其它分支的支持。
生物医学电子学内容
生物医学测量（传感、采集与预处理） 生物医学信号处理（如相干平均、匹配滤
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。
处理
信号与系统、数字信号处理、随机信号 处理、模式识别、谱估计、滤波算法、 信号重构、小波分析、神经网络
控制
信号与系统、数字信号处理、信息论基 础、自动控制原理、线性系统、系统建 模与仿真、智能控制、模糊控制、神经 网络控制
生物医学测量
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。
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
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
生物医学信息与生理相结合 （2）
生物磁学
研究生物磁场，磁场与生命活动间的相互 关系和影响以及磁在生物医学中的应用等。
生物磁信号的产生、检测技术（如超导量 子干涉仪）；磁场的生物效应及机制；应 用（心磁图、脑磁图、磁疗技术）
生物医学电子学基础 （课程学习）
测量、处理、控制
基本要求
数学：工程数学（高等数学、线性代数、 复变函数、概率与统计）
波、维纳滤波、自适应处理等，是医学图 像处理、生理系统辨识与建模等研究工作 的基础） 生物医学控制（生理参数控制）
生物医学信息与生理相结合 （1）
生物电学
研究生物与人体的电学特性和生物电活动 规律的科学，将大量生物电信号与同生物 体的活动联系起来。
细胞与组织的电学特性、生物电阻抗、人 体电图（心电图、脑电图）
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
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（µA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
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）