传感器技术生理部分

现代生物医学传感技术,第一章 绪论,传感器 生物医学传感器及其特点和要求 生物医学传感技术的发展检测 生物医学检测技术的发展,一、传感器的定义,传感器通用术语：能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置 定义包含的意思：传感器是测量装置，能完成检测任务；它的输入量是某一种被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。它的输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处理、显示等等，这种量主要是电物理量；狭义定义：能把外界非电信号转换成电信号输出的器件或装置,组成：一般由敏感元件、转换元件、电子线路三部分组成。,敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：将敏感元件的输出转换成一定的电路参数。有时敏感元件和转换元件的功能是由一个元件（敏感元件）实现的。,二、传感器的分类,按传感器的基本效应分：如物理型、化学型、生物型传感器等；,力传感器的应用,电子秤,1、梁受力弯曲时，上表面应变片被拉伸，应变片内的金属丝被拉长，横截面积减小，电阻变大； 2 、梁受力弯曲时，下表面应变片被压缩，应变片内的金属丝被压缩，横截面积增大，电阻变小,按照传感器的工作原理分：如：电阻式传感器、电容式传感器、压电式传感器、热电式传感器、光电式传感器等；按照传感器转换能量的方式分： （1）能量转换型：如：压电式、热电偶、光电式传感器等； （2）能量控制型：如：电阻式、电感式、霍尔式等传感器以及热敏电阻、光敏电阻、湿敏电阻等；按照传感器输出信号的形式分： （1）模拟式：传感器输出为模拟电压量； （2）数字式：传感器输出为数字量，如：编码器式传感器。,三、生物医学传感器,1. 定义：能把各种被观测的生物医学中的非电量转换为易观测的电量的器件或装置。2. 功能：是医学测量的第一个环节，能扩大人的感官功能，是构成各种医疗分析和诊断仪器的关键部件。3. 用途：早期诊断、快速诊断、床边检测、在体检测；生命科学深层次研究、分子识别、基因探针、神经递质的调控等。,4.生物医学传感器的分类,5.生物医学传感器的特点,.特殊要求,生物相容性形状尺寸适应解剖结构牢固性电绝缘性不干扰正常生理功能能长期植入体内便于消毒,.现状及发展趋势,（）人体用传感器的应用领域,（）发展方向,生物医学传感器的发展方向高度集成化 多功能化 数字化和智能化,四、生物医学传感技术的发展,五、检测与生物医学检测,检测：是检出和测量的总称。检出为：指示某些特殊量的存在，但无需提供量值的过程；测量：以确定被测对象量值为目的的全部操作 。传感器检测技术：应用传感器将被测量信息转换成便于传输和处理的物理量，进而进行变换、传输、显示、记录、分析和处理的技术。生物医学检测技术：是对生物体包含的生命现象、状态、性质等信息进行检测和量化的技术。生物医学传感器是获取各种生物信息并将其转换成电信号的器件，是生物医学检测的关键技术。,生物医学检测的主要部分,传感器：把各种生理信息转换成电信号；放大器和测量电路：把传感器所获得的微弱信号加以放大、转换、去伪存真，从而得到可处理的信号；数据处理和显示装置：现为计算机，进行数据的记录、存贮、计算、显示。,生物医学检测的模式,患者,生理信号,传感器,检测电路,处理器和算法,显示、记录/网络传输,医生,控制装置,反馈,作用（刺激）,开环系统,信息,闭环系统,六、生物医学检测技术的发展,Summary,传感器的定义及组成生物医学传感器的概念、特点及要求检测的定义生物医学检测技术的发展,第二章 人体生理信息及分子生物医学基础,2.1 人体生理信息与分析,2.1.1 人体生理信息与诊断,一、诊断与生理信息,2.1.2 人体细胞电位,一、单细胞电位1. 静息电位产生的机制：（1）概念：细胞未受刺激时存在于细胞膜内外的电位差。（2）测量方法：细胞内测量，跨膜电位（3）产生原理,细胞安静时膜对钾的通透性较大，而细胞内钾浓度高于细胞外，故钾由于浓度差外流。当促使钾外流的钾浓度势能差同阻碍钾外流的电势能差（钾外流导致的外正内负）相等时，钾跨膜净移动量为零，故静息电位相当于Ek。,K+的平衡电位 (equilibrium potential),实际值比计算值略小，与膜对Na+有很小的通透性有关。,Nernst公式：,静息电位：细胞在未受刺激时存在于细胞内外的电位差 骨骼肌细胞静息电位-90mv 神经细胞-70mv 红细胞-10mv把静息电位存在时细胞膜电位外正内负的状态称极化状态 静息电位增大称超极化 减小称去极化 细胞膜去极化后再向静息电位方向恢复的过程称复极化,2. 动作电位形成机制,概念： 可兴奋细胞受到阈上刺激时，在静息电位基础上发生的快速、可逆转、可传播的细胞膜两侧的电变化。动作电位的主要成份是峰电位。,去极化：刺激引起细胞膜上Na+通道开放，Na+在膜两侧浓度差驱动下内流，膜发生去极化；当去极化到某个临界膜电位水平时，发生Na+通道大量开放。这个临界膜电位称为阈电位（threshold potential ） ,Na+大量内流形成陡峭的动作电位上升支。反极化：当细胞膜为零时，Na+在膜两侧浓度差的驱动下继续内流，出现“内正外负”反极化电位。随着膜内电位的增大，Na+内流的阻力逐渐增大，Na+跨膜净移动逐渐减少直至为零，这时的膜内电位为Na+平衡电位。,复极化：膜内电位达到Na+平衡电位时，Na+通道关闭， K+外流出现复极化，并最终达到K+平衡电位。超极化：这是由于细胞膜Na+-K+泵（生电性钠泵）运行导致膜内电位朝更负的方向进行的结果，随着该过程的减弱，膜内电位恢复到静息电位水平。,3.细胞膜的模拟电路,二、细胞群电位,2.1.3 一、心电,心室肌动作电位形成机制,去极化： 0期，在外来刺激作用下，首先引起部分电压门控式Na+通道开放和少量Na+内流，造成细胞膜部分去极化。当去极化达到阈电位水平（约-70mv）时， Na+通道大量开放，膜进一步去极化，由负电位向正电位转化，直至接近Na+平衡电位（+30mv），形成动作电位的上升支。,复极化： 期：复极初期，膜电位由+30mv迅速下降到0mv左右，此时a+通道失活，+离子外流。 2期：平台期，外向电流（K+外流）和内向电流（主要是Ca+内流）同时存在 。 3期：又称快速复极末期，由0mv较快下降到-90mv ，内向离子流终止，而外向K+流进一步增加。,(1)定义：将测量电极放置在人体表面的一定部位，可以记录到心脏兴奋过程中发生的电变化，所记录到的图形称心电图。 (2)原理：把瞬时描述的各个向量按向量叠加原理加起来，形成瞬间心电向量。如果把这些瞬间心电向量的箭头连接起来，就构成了一个位于立体空间的心电向量环，称空间心电向量环。而体表心电图是心电向量环在不同导联轴上的投影。,这种既其有强度，又具有方向性的电位幅度称为心电“向量”（ vector ） ，通常用箭头表示其方向，而其长度表示其电位强度。心脏的电激动过程中产生许多心电向量。,(3)心电图的导联 I、II、III为标准肢体导联 aVR、aVL、aVF为肢体加压导联 V1-V6为胸前导联,(4)心电图波形,P波：代表左右心房去极化；P-R间期：兴奋经心房、房室交界、房室束到达心室，并引起心室开始兴奋所需的时间，一般为0.12-0.20s；QRS波群：代表左右心室的去极化，一般0.06-0.10s；T波：代表心室复极化。QT间期：心室去极到复极完成。与心率成反比；ST段： QRS终点到T波起点。,标准走纸速度为25mm/s，灵敏度为10mm/mv时，每小横（1mm）格代表0.04s，每小纵格代表0.1mv。,二、心音,三、血压,四、脉搏,心室射血后期，动脉血压降低，形成前段；心室舒张，形成后段,五、血流,Summary,静息电位的概念和形成机制动作电位的概念和形成机制心室肌细胞动作电位的特点和形成机制心电图各波形的意义第一、第二心音的产生和特点测量血流参数的临床意义,呼吸系统生理信息,机体与外界环境之间的气体交换过程称呼吸,一、肺容量,二、呼吸气体的成分,混合气体中，每种气体分子所产生的压力称该气体的分压,气体分压总压力该气体的容积百分比,Summary,一些概念肺活量的测量方法胸内压的测量方法肺顺应性测量方法气体成分测定方法,一、神经纤维的传导机能,二、大脑皮层的生物电活动,自发脑电活动：在无明显刺激情况下，大脑皮层经常性地自发产生节律性的电位变化。皮层诱发电位：感觉传入系统或或脑的某一部位受刺激时，在皮层某一局限区域引出的电位变化。脑电图：在头皮表面记录到的自发脑电活动。,脑电图的一般性质： 周期（频率）：指由一个波低到下一个波低的时间。正常脑电频率8-12Hz。 振幅：正相和负相波峰值之差表示。 相位：有正负之分。以基线为准，波顶朝上者为负相，反之为正相。,脑电图的波形：根据自发脑电的频率区分,睡眠时的脑电变化,三、肌电图,肌肉的生物电活动形成的电位随时间的变化曲线称肌电图。肌电图是一个对神经、肌肉疾病的诊断很有价值的检测方法，它能鉴别神经原性和肌原性疾病，神经传导速度的测定能确定神经病变的部位，此外，肌电图能估计神经肌肉病变的恢复程度和预后。,正常肌电图成分： 插入电位：将针电极插入肌肉或移动针电极的 瞬间，由于肌肉纤维或神经支受到刺激而出现短暂的电位变化，称为插入电位。正常时，插入电位持续1s，电压一般为100uV，随后插入电位消逝 。 电静息：在正常肌肉当电极插入肌肉内，看不到任何电活动。 运动单位电位：被检测者主动轻微收缩肌肉，可记录到的电位就是运动单位电位。可分为：单相、双相和多相。,正常运动单位电位的特征：相位：根据离开基线偏转的相位的次数分为单相、双相、三相、多相。时程：从离开基线的偏转起到返回基线所经历的时间，一般6-12ms。电压：正负波最高偏转点的差，一般100-2000uv。,不同程度肌肉收缩时的肌电图,四、传导速度的测定,Summary,自发脑电的概念自发脑电的四种波形特点及分析方法正常肌电图的成分不同程度收缩时肌电图的特点神经传导速度的测量方法,第六小节 感觉器官的生理信息,感受器：是分布于体表或组织内的一些专门感受机体内、外环境变化的结构或装置。主要功能：换能作用。相当于生物换能器。感受器电位：在换能过程中，在感受器产生的一种过渡性的电位变化。,一、眼的电生理,ERG为感受器电位：a波来自感光层，b波来自双极细胞层，c波来自色素上皮层，d波为振荡电位。临床意义：(1)视网膜遗传和变性疾病(2)屈光浑浊时视网膜功能(3)视网膜药物中毒性反应(4)视网膜铁锈症的损害程度(5)视网膜血管性,炎症性和外伤性等疾患,二、听觉器官的生理参数,声强：单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声波能量。,描述声音强弱的两个物理量：,耳蜗内电位又称内淋巴电位，静息时蜗管内淋巴电位为80mV。毛细胞内电位为80mV，毛细胞顶端处于内淋巴内，该处膜内外电位差达160mV。,：起源于基底膜不同部位的多条神经纤维的放电,Summary,眼活动电位明适应、暗适应耳蜗的生物电,第七小节 消化系统生理信息,二、消化系统的电节律,静息电位：胃肠平滑肌的静息电位为-50mv-60mv，产生机制是K+向膜外扩散。迷走神经兴奋可使静息电位水平上移，交感神经兴奋可使静息电位水平下移。慢波或基本电节律：许多胃肠平滑肌细胞的静息电位不稳定，表现为缓慢的起伏波动，即周期性去极化和复极化，称慢波，也称基本电节律，其波动范围5-15mv。当去极化到阈电位水平时，就爆发动作电位，引起平滑肌收缩。慢波的频率变动因部位而异，胃体3次/分，十二指肠12次/分，回肠8-9次/分。动作电位：当慢波去极化到阈电位水平（约-40mv）时，便在慢波的基础上产生每秒1-10次的动作电位，引起平滑肌的收缩。,三、消化系统内压的测量,第八小节 其他生理参数及测量,产妇生理现象1产妇生理现象2胎儿心电图的测量,第二节 分子生物医学基础,第一小节 细胞,一、细胞核,二、细胞膜,1、脂质双分子层：70磷脂、30胆固醇 特点：液态和可流动性功能2、蛋白质：功能：细胞膜的大部分功能由膜蛋白的功能决定，例如物质转运功能（转运蛋白）、信息传递、免疫功能等3、糖类：膜上糖链的单糖排列顺序不同而给不同细胞做了不同的“记号”或使细胞具有了不同的“标志”。例如， 血型,2.膜的功能：举例：质能的转换 信息的传递,第二小节 基因,一、核酸,二、蛋白质的合成,三、基因工程,又称重组DNA技术 ，一般包括4个步骤：一是克隆目的基因，取得所需要的DNA特异片段；二是将目的基因与DNA载体连接成重组DNA；三是将重组DNA引入细菌或动植物细胞内使其增殖；四是将表达目的基因的受体细胞挑选出来，使目的基因表达相应的蛋白质或其他产物，从而育成动植物优良新品种(系)。,应用：医疗疾病基因的发现 发展生物制药 DNA诊断 基因治疗 遗传病的预防 化工、轻工、食品分子器件的研制,基因突变：由于DNA分子中发生碱基对的增添、缺失或改变，而引起的基因结构的改变 。诱发突变自发突变基因突变也是生物进化的重要因素之一。,第三小节 受体,定义：一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子物质，多为糖蛋白 功能：识别特异的信号物质-配体，识别的表现在于两者结合。把识别和接受的信号准确无误的放大并传递到细胞内部，启动一系列胞内生化反应，最后导致特定的细胞反应。使得胞间信号转换为胞内信号。主要特征：特异性；饱和性；高度的亲和力。分类： 细胞内受体细胞表面受体,一、受体-配体的剂量效应关系,二、配体-受体识