傳感器技術(shù)生理部分

1、現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù),,第一章 緒論,傳感器 生物醫(yī)學(xué)傳感器及其特點和要求 生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)的發(fā)展檢測 生物醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)的發(fā)展,一、傳感器的定義,《傳感器通用術(shù)語》：能感受（或響應(yīng)）規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號輸出的器件或裝置 定義包含的意思：①傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；②它的輸入量是某一種被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等。③它的輸出量是某種物理量，這種量應(yīng)便于傳輸、轉(zhuǎn)

2、換、處理、顯示等等，這種量主要是電物理量；狹義定義：能把外界非電信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出的器件或裝置,組成：一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、電子線路三部分組成。,敏感元件：它是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換成一定的電路參數(shù)。有時敏感元件和轉(zhuǎn)換元件的功能是由一個元件（敏感元件）實現(xiàn)的。,二、傳感器的分類,按傳感器的基本效應(yīng)分：如物理型、化學(xué)型、生物型傳感器等；,力傳感器的應(yīng)用———,電

3、子秤,1、梁受力彎曲時，上表面應(yīng)變片被拉伸，應(yīng)變片內(nèi)的金屬絲被拉長，橫截面積減小，電阻變大； 2 、梁受力彎曲時，下表面應(yīng)變片被壓縮，應(yīng)變片內(nèi)的金屬絲被壓縮，橫截面積增大，電阻變小,按照傳感器的工作原理分：如：電阻式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器、熱電式傳感器、光電式傳感器等；按照傳感器轉(zhuǎn)換能量的方式分： （1）能量轉(zhuǎn)換型：如：壓電式、熱電偶、光電式傳感器等； （2）能量控制型：如：電阻式、電感式、霍爾式等傳感器以及熱

4、敏電阻、光敏電阻、濕敏電阻等；按照傳感器輸出信號的形式分： （1）模擬式：傳感器輸出為模擬電壓量； （2）數(shù)字式：傳感器輸出為數(shù)字量，如：編碼器式傳感器。,三、生物醫(yī)學(xué)傳感器,1. 定義：能把各種被觀測的生物醫(yī)學(xué)中的非電量轉(zhuǎn)換為易觀測的電量的器件或裝置。2. 功能：是醫(yī)學(xué)測量的第一個環(huán)節(jié)，能擴(kuò)大人的感官功能，是構(gòu)成各種醫(yī)療分析和診斷儀器的關(guān)鍵部件。3. 用途：早期診斷、快速診斷、床邊檢測、在體檢測；生命科學(xué)深層次研究、分子

5、識別、基因探針、神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)控等。,4.生物醫(yī)學(xué)傳感器的分類,,5.生物醫(yī)學(xué)傳感器的特點,６.特殊要求,生物相容性形狀尺寸適應(yīng)解剖結(jié)構(gòu)牢固性電絕緣性不干擾正常生理功能能長期植入體內(nèi)便于消毒,７.現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,（１）人體用傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域,（２）發(fā)展方向,生物醫(yī)學(xué)傳感器的發(fā)展方向高度集成化 多功能化 數(shù)字化和智能化,四、生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)的發(fā)展,,五、檢測與生物醫(yī)學(xué)檢測,檢測：是檢出和測量的總稱。檢出為：指示某些特殊量的

6、存在，但無需提供量值的過程；測量：以確定被測對象量值為目的的全部操作 。傳感器檢測技術(shù)：應(yīng)用傳感器將被測量信息轉(zhuǎn)換成便于傳輸和處理的物理量，進(jìn)而進(jìn)行變換、傳輸、顯示、記錄、分析和處理的技術(shù)。生物醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)：是對生物體包含的生命現(xiàn)象、狀態(tài)、性質(zhì)等信息進(jìn)行檢測和量化的技術(shù)。生物醫(yī)學(xué)傳感器是獲取各種生物信息并將其轉(zhuǎn)換成電信號的器件，是生物醫(yī)學(xué)檢測的關(guān)鍵技術(shù)。,生物醫(yī)學(xué)檢測的主要部分,傳感器：把各種生理信息轉(zhuǎn)換成電信號；放大器和測量電

7、路：把傳感器所獲得的微弱信號加以放大、轉(zhuǎn)換、去偽存真，從而得到可處理的信號；數(shù)據(jù)處理和顯示裝置：現(xiàn)為計算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄、存貯、計算、顯示。,生物醫(yī)學(xué)檢測的模式,,患者,,生理信號,傳感器,,檢測電路,,處理器和算法,,顯示、記錄/網(wǎng)絡(luò)傳輸,,醫(yī)生,,,控制裝置,,,,,反饋,作用（刺激）,開環(huán)系統(tǒng),信息,閉環(huán)系統(tǒng),六、生物醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)的發(fā)展,,,Summary,傳感器的定義及組成生物醫(yī)學(xué)傳感器的概念、特點及要求檢測的定義生物

8、醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)的發(fā)展,第二章 人體生理信息及分子生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ),2.1 人體生理信息與分析,2.1.1 人體生理信息與診斷,一、診斷與生理信息,2.1.2 人體細(xì)胞電位,一、單細(xì)胞電位1. 靜息電位產(chǎn)生的機(jī)制：（1）概念：細(xì)胞未受刺激時存在于細(xì)胞膜內(nèi)外的電位差。（2）測量方法：細(xì)胞內(nèi)測量，跨膜電位（3）產(chǎn)生原理,細(xì)胞安靜時膜對鉀的通透性較大，而細(xì)胞內(nèi)鉀濃度高于細(xì)胞外，故鉀由于濃度差外流。當(dāng)促使鉀外流的鉀濃度勢能差同阻礙鉀外流的電

9、勢能差（鉀外流導(dǎo)致的外正內(nèi)負(fù)）相等時，鉀跨膜凈移動量為零，故靜息電位相當(dāng)于Ek。,K+的平衡電位 (equilibrium potential),實際值比計算值略小，與膜對Na+有很小的通透性有關(guān)。,Nernst公式：,靜息電位：細(xì)胞在未受刺激時存在于細(xì)胞內(nèi)外的電位差 骨骼肌細(xì)胞靜息電位-90mv 神經(jīng)細(xì)胞-70mv 紅細(xì)胞-10mv把靜息電位存在時細(xì)胞膜電位外正內(nèi)負(fù)的狀態(tài)稱極化狀態(tài) 靜息電位增大稱超

10、極化 減小稱去極化 細(xì)胞膜去極化后再向靜息電位方向恢復(fù)的過程稱復(fù)極化,2. 動作電位形成機(jī)制,概念： 可興奮細(xì)胞受到閾上刺激時，在靜息電位基礎(chǔ)上發(fā)生的快速、可逆轉(zhuǎn)、可傳播的細(xì)胞膜兩側(cè)的電變化。動作電位的主要成份是峰電位。,去極化：刺激②引起細(xì)胞膜上Na+通道開放，Na+在膜兩側(cè)濃度差驅(qū)動下內(nèi)流，膜發(fā)生去極化；當(dāng)去極化到某個臨界膜電位水平時，發(fā)生Na+通道大量開放。這個臨界膜電位稱為閾電位（threshold p

11、otential ）③ ,Na+大量內(nèi)流形成陡峭的動作電位上升支④。反極化：當(dāng)細(xì)胞膜為零時，Na+在膜兩側(cè)濃度差的驅(qū)動下繼續(xù)內(nèi)流，出現(xiàn)“內(nèi)正外負(fù)”反極化電位。隨著膜內(nèi)電位的增大，Na+內(nèi)流的阻力逐漸增大，Na+跨膜凈移動逐漸減少直至為零，這時的膜內(nèi)電位為Na+平衡電位⑤。,復(fù)極化：膜內(nèi)電位達(dá)到Na+平衡電位時，Na+通道關(guān)閉， K+外流出現(xiàn)復(fù)極化⑥，并最終達(dá)到K+平衡電位。超極化：這是由于細(xì)胞膜Na+-K+泵（生電性鈉泵）運(yùn)行導(dǎo)致膜

12、內(nèi)電位朝更負(fù)的方向進(jìn)行的結(jié)果⑦，隨著該過程的減弱⑧，膜內(nèi)電位恢復(fù)到靜息電位水平⑨。,3.細(xì)胞膜的模擬電路,,二、細(xì)胞群電位,2.1.3 一、心電,心室肌動作電位形成機(jī)制,去極化： 0期，在外來刺激作用下，首先引起部分電壓門控式Na+通道開放和少量Na+內(nèi)流，造成細(xì)胞膜部分去極化。當(dāng)去極化達(dá)到閾電位水平（約-70mv）時， Na+通道大量開放，膜進(jìn)一步去極化，由負(fù)

13、電位向正電位轉(zhuǎn)化，直至接近Na+平衡電位（+30mv），形成動作電位的上升支。,復(fù)極化： １期：復(fù)極初期，膜電位由+30mv迅速下降到0mv左右，此時Ｎa+通道失活，Ｋ+離子外流。 2期：平臺期，外向電流（K+外流）和內(nèi)向電流（主要是Ca+內(nèi)流）同時存在 。 3期：又稱快速復(fù)極末期，由0mv較快下降到-90mv ，內(nèi)向離子流終止，而外向K+流進(jìn)一步增加。,,,(1)定義：將測量電極放置在人體表面的一定部位，可以記錄到心臟興奮過

14、程中發(fā)生的電變化，所記錄到的圖形稱心電圖。 (2)原理：把瞬時描述的各個向量按向量疊加原理加起來，形成瞬間心電向量。如果把這些瞬間心電向量的箭頭連接起來，就構(gòu)成了一個位于立體空間的心電向量環(huán)，稱空間心電向量環(huán)。而體表心電圖是心電向量環(huán)在不同導(dǎo)聯(lián)軸上的投影。,,這種既其有強(qiáng)度，又具有方向性的電位幅度稱為心電“向量”（ vector ） ，通常用箭頭表示其方向，而其長度表示其電位強(qiáng)度。心臟的電激動過程中產(chǎn)生許多心電向量。,(3)心電圖的導(dǎo)

15、聯(lián) I、II、III為標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián) aVR、aVL、aVF為肢體加壓導(dǎo)聯(lián) V1-V6為胸前導(dǎo)聯(lián),(4)心電圖波形,P波：代表左右心房去極化；P-R間期：興奮經(jīng)心房、房室交界、房室束到達(dá)心室，并引起心室開始興奮所需的時間，一般為0.12-0.20s；QRS波群：代表左右心室的去極化，一般0.06-0.10s；T波：代表心室復(fù)極化。QT間期：心室去極到復(fù)極完成。與心率成反比；ST段： QRS終點到T波起點。,標(biāo)

16、準(zhǔn)走紙速度為25mm/s，靈敏度為10mm/mv時，每小橫（1mm）格代表0.04s，每小縱格代表0.1mv。,二、心音,三、血壓,四、脈搏,心室射血后期，動脈血壓降低，形成前段；心室舒張，形成后段,五、血流,,,Summary,靜息電位的概念和形成機(jī)制動作電位的概念和形成機(jī)制心室肌細(xì)胞動作電位的特點和形成機(jī)制心電圖各波形的意義第一、第二心音的產(chǎn)生和特點測量血流參數(shù)的臨床意義,呼吸系統(tǒng)生理信息,,機(jī)體與外界環(huán)境之間的氣體交換過

17、程稱呼吸,一、肺容量,,,,,,,,,,二、呼吸氣體的成分,,混合氣體中，每種氣體分子所產(chǎn)生的壓力稱該氣體的分壓,氣體分壓＝總壓力×該氣體的容積百分比,,,Summary,一些概念肺活量的測量方法胸內(nèi)壓的測量方法肺順應(yīng)性測量方法氣體成分測定方法,一、神經(jīng)纖維的傳導(dǎo)機(jī)能,,,,二、大腦皮層的生物電活動,自發(fā)腦電活動：在無明顯刺激情況下，大腦皮層經(jīng)常性地自發(fā)產(chǎn)生節(jié)律性的電位變化。皮層誘發(fā)電位：感覺傳入系統(tǒng)或或腦的某一部位

18、受刺激時，在皮層某一局限區(qū)域引出的電位變化。腦電圖：在頭皮表面記錄到的自發(fā)腦電活動。,,腦電圖的一般性質(zhì)： 周期（頻率）：指由一個波低到下一個波低的時間。正常腦電頻率8-12Hz。 振幅：正相和負(fù)相波峰值之差表示。 相位：有正負(fù)之分。以基線為準(zhǔn)，波頂朝上者為負(fù)相，反之為正相。,,腦電圖的波形：根據(jù)自發(fā)腦電的頻率區(qū)分,睡眠時的腦電變化,三、肌電圖,肌肉的生物電活動形成的電位隨時間的變化曲線稱肌電圖。肌電圖是一個對神經(jīng)

19、、肌肉疾病的診斷很有價值的檢測方法，它能鑒別神經(jīng)原性和肌原性疾病，神經(jīng)傳導(dǎo)速度的測定能確定神經(jīng)病變的部位，此外，肌電圖能估計神經(jīng)肌肉病變的恢復(fù)程度和預(yù)后。,,正常肌電圖成分： 插入電位：將針電極插入肌肉或移動針電極的 瞬間，由于肌肉纖維或神經(jīng)支受到刺激而出現(xiàn)短暫的電位變化，稱為插入電位。正常時，插入電位持續(xù)1s，電壓一般為100uV，隨后插入電位消逝 。 電靜息：在正常肌肉當(dāng)電極插入肌肉內(nèi)，看不到任何電活動。 運(yùn)動

20、單位電位：被檢測者主動輕微收縮肌肉，可記錄到的電位就是運(yùn)動單位電位?？煞譃椋簡蜗?、雙相和多相。,,正常運(yùn)動單位電位的特征：相位：根據(jù)離開基線偏轉(zhuǎn)的相位的次數(shù)分為單相、雙相、三相、多相。時程：從離開基線的偏轉(zhuǎn)起到返回基線所經(jīng)歷的時間，一般6-12ms。電壓：正負(fù)波最高偏轉(zhuǎn)點的差，一般100-2000uv。,不同程度肌肉收縮時的肌電圖,四、傳導(dǎo)速度的測定,,,,Summary,自發(fā)腦電的概念自發(fā)腦電的四種波形特點及分析方法正常肌電

21、圖的成分不同程度收縮時肌電圖的特點神經(jīng)傳導(dǎo)速度的測量方法,第六小節(jié) 感覺器官的生理信息,感受器：是分布于體表或組織內(nèi)的一些專門感受機(jī)體內(nèi)、外環(huán)境變化的結(jié)構(gòu)或裝置。主要功能：換能作用。相當(dāng)于生物換能器。感受器電位：在換能過程中，在感受器產(chǎn)生的一種過渡性的電位變化。,一、眼的電生理,,,,,,,ERG為感受器電位：a波來自感光層，b波來自雙極細(xì)胞層，c波來自色素上皮層，d波為振蕩電位。臨床意義：(1)視網(wǎng)膜遺傳和變性疾病

22、(2)屈光渾濁時視網(wǎng)膜功能(3)視網(wǎng)膜藥物中毒性反應(yīng)(4)視網(wǎng)膜鐵銹癥的損害程度(5)視網(wǎng)膜血管性,炎癥性和外傷性等疾患,,二、聽覺器官的生理參數(shù),聲強(qiáng)：單位時間內(nèi)通過垂直于聲波傳播方向的單位面積的聲波能量。,描述聲音強(qiáng)弱的兩個物理量：,,,耳蝸內(nèi)電位又稱內(nèi)淋巴電位，靜息時蝸管內(nèi)淋巴電位為＋80mV。毛細(xì)胞內(nèi)電位為－80mV，毛細(xì)胞頂端處于內(nèi)淋巴內(nèi)，該處膜內(nèi)外電位差達(dá)160mV。,：起源于基底膜不同部位的多條神經(jīng)纖維的放電,,,

23、Summary,眼活動電位明適應(yīng)、暗適應(yīng)耳蝸的生物電,第七小節(jié) 消化系統(tǒng)生理信息,,二、消化系統(tǒng)的電節(jié)律,靜息電位：胃腸平滑肌的靜息電位為-50mv—-60mv，產(chǎn)生機(jī)制是K+向膜外擴(kuò)散。迷走神經(jīng)興奮可使靜息電位水平上移，交感神經(jīng)興奮可使靜息電位水平下移。慢波或基本電節(jié)律：許多胃腸平滑肌細(xì)胞的靜息電位不穩(wěn)定，表現(xiàn)為緩慢的起伏波動，即周期性去極化和復(fù)極化，稱慢波，也稱基本電節(jié)律，其波動范圍5-15mv。當(dāng)去極化到閾電位水平時，就爆發(fā)

24、動作電位，引起平滑肌收縮。慢波的頻率變動因部位而異，胃體3次/分，十二指腸12次/分，回腸8-9次/分。動作電位：當(dāng)慢波去極化到閾電位水平（約-40mv）時，便在慢波的基礎(chǔ)上產(chǎn)生每秒1-10次的動作電位，引起平滑肌的收縮。,三、消化系統(tǒng)內(nèi)壓的測量,,,,第八小節(jié) 其他生理參數(shù)及測量,產(chǎn)婦生理現(xiàn)象1產(chǎn)婦生理現(xiàn)象2胎兒心電圖的測量,第二節(jié) 分子生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ),,第一小節(jié) 細(xì)胞,,,一、細(xì)胞核,二、細(xì)胞膜,,,1、脂質(zhì)雙分子層：70％

25、磷脂、30％膽固醇 特點：液態(tài)和可流動性功能2、蛋白質(zhì)：功能：細(xì)胞膜的大部分功能由膜蛋白的功能決定，例如物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能（轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）、信息傳遞、免疫功能等3、糖類：膜上糖鏈的單糖排列順序不同而給不同細(xì)胞做了不同的“記號”或使細(xì)胞具有了不同的“標(biāo)志”。例如， 血型,,2.膜的功能：舉例：質(zhì)能的轉(zhuǎn)換 信息的傳遞,,,,,,第二小節(jié) 基因,一、核酸,,,,,,,二、蛋白

26、質(zhì)的合成,,三、基因工程,又稱重組DNA技術(shù) ，一般包括4個步驟：一是克隆目的基因，取得所需要的DNA特異片段；二是將目的基因與DNA載體連接成重組DNA；三是將重組DNA引入細(xì)菌或動植物細(xì)胞內(nèi)使其增殖；四是將表達(dá)目的基因的受體細(xì)胞挑選出來，使目的基因表達(dá)相應(yīng)的蛋白質(zhì)或其他產(chǎn)物，從而育成動植物優(yōu)良新品種(系)。,,應(yīng)用：　醫(yī)療－－疾病基因的發(fā)現(xiàn) 　　　　　發(fā)展生物制藥 　　　　　DNA診斷 　　　　　基因治療 　　　　　遺傳病

27、的預(yù)防 　化工、輕工、食品　分子器件的研制,,基因突變：由于DNA分子中發(fā)生堿基對的增添、缺失或改變，而引起的基因結(jié)構(gòu)的改變 。　　誘發(fā)突變　　自發(fā)突變基因突變也是生物進(jìn)化的重要因素之一。,,第三小節(jié) 受體,定義：一種能夠識別和選擇性結(jié)合某種配體（信號分子）的大分子物質(zhì)，多為糖蛋白 功能：①識別特異的信號物質(zhì)--配體，識別的表現(xiàn)在于兩者結(jié)合。②把識別和接受的信號準(zhǔn)確無誤的放大并傳遞到細(xì)胞內(nèi)部，啟動一系列胞內(nèi)生化反應(yīng)，最后導(dǎo)

28、致特定的細(xì)胞反應(yīng)。使得胞間信號轉(zhuǎn)換為胞內(nèi)信號。主要特征：①特異性；②飽和性；③高度的親和力。分類： ①細(xì)胞內(nèi)受體②細(xì)胞表面受體,,,一、受體-配體的劑量效應(yīng)關(guān)系,,二、配體-受體識別,,,,,三、受體的功能,第四小節(jié)　酶,,一、酶催化的動力學(xué),,,1/V對1/[S]的作圖得一直線，其斜率是Km/Vmax，在縱軸上的截距為1/Vmax,橫軸上的截距為-1/Km,以V為縱坐標(biāo)對V／[S]橫坐標(biāo)作圖，所得直線，其縱軸的截距為Vmax，斜率

29、為Km。,,,競爭性抑制：抑制劑與底物競爭與酶的同一活性中心結(jié)合，從而干擾了酶與底物的結(jié)合，使酶的催化活性降低，這種作用就稱為競爭性抑制作用。其特點為：a.競爭性抑制劑往往是酶的底物類似物或反應(yīng)產(chǎn)物；b.抑制劑與酶的結(jié)合部位與底物與酶的結(jié)合部位相同；c.抑制劑濃度越大，則抑制作用越大；但增加底物濃度可使抑制程度減??；d.動力學(xué)參數(shù)：Km值增大，Vm值不變。非競爭性抑制：抑制劑既可以與游離酶結(jié)合，也可以與ES復(fù)合物結(jié)合，使酶的催化活性

30、降低，稱為非競爭性抑制。其特點為：a.底物和抑制劑分別獨立地與酶的不同部位相結(jié)合；b.抑制劑對酶與底物的結(jié)合無影響，故底物濃度的改變對抑制程度無影響；c.動力學(xué)參數(shù)：Km值不變，Vm值降低。,二、酶催化的機(jī)制,在任何化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)物分子必須超過一定的能閾，成為活化的狀態(tài)，才能參與反應(yīng)。這種提高低能分子達(dá)到活化狀態(tài)的能量，稱為活化能。催化劑的作用，主要是降低反應(yīng)所需的活化能，以致相同的能量能使更多的分子活化，從而加速反應(yīng)的進(jìn)行。酶