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8.生物医学信号检测与传感器生物医学信号检测是对生物体中包含生命现象、状态、性质、变量和成份等信息的信号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易于测量和处理的信号（一般为电信号）的器件，是生物医学信号检测的关键技术。生物医学信号的种类生物医学信号涉及生物体各层次的生理、生化和生物信号，如心电、脑电、肌电等生物电信号；心磁、脑磁、眼磁等生物磁信号；血压、体温、呼吸、血流、脉搏等非电磁生理信号；血液、尿液、血气等生物化学量信号；酶、蛋白、抗体、抗原等生物量信号。生物医学信号及传感监测的要求生物医学信号的一般特点是信号微弱，随机性强，噪声和干扰背景强，动态变化和个体差异大，因此要求检测传感器和系统的灵敏度高，噪声小，抗干扰能力强，分辨力强，动态特性好。由于以人体为检测对象，故对检测传感器和系统的可靠性和安全性有特别严格的要求。由于生物体特别是人体的复杂性和特殊要求，所以生物医学信号检测与传感器技术往往比一般工业检测技术要求复杂而严格。•生物医学传感器按被检测量划分为物理传感器、化学传感器和生物传感器三类。•物理传感器用于血压、体温、心音、脉搏、呼吸、血流、血液粘度等生理量的测量；•化学传感器用于体液（血液、尿液、脑脊液等）中的Ca、K、Na、Mg、Li、Cl、pH、PO2、PCO2等的测量；•生物传感器用于酶、抗原、抗体、受体、激素、神经递质、DNA与RNA的检测。•目前，物理传感器已经实用化，化学传感器也多已达到实用水平，生物传感器大多数尚处于试验开发阶段。生物医学传感器的分类生物医学信号检测技术已广泛应用于临床检查、病人监护、医学实验、在体控制、人工器官和运动医学等领域，并成为生物医学工程研究各领域的共同性技术。信息流向测量处理控制结果五个发展趋向•发展新的以生物电、生物磁为代表的无创和微创检测技术；•发展心电、脑电、血压和血氧饱和度等信号的实时和长时间检测技术；•发展吞入式、固定植入式和介入式检测与传感器技术；•发展生物医学信号的遥测遥控技术；•发展细胞和分子水平的离体和在体检测与传感器技术。生物医学传感器将继续是一个重要研究领域。随着微电子学、光电子学和生物化学与传统传感技术相结合，用于检测复杂生物物质的生物传感器的研究将展现广阔的前景，生物医学传感器将继续向微型化、多参数、实用化发展。微电子和微加工技术的进步，将导致集微传感器、微处理器和微执行器于一体的微系统的问世和应用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•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。内容：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）•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。内容：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•内容测量、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）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++)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。测量信号与系统、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。处理信号与系统、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。•是一种最重要的基础性技术，应用领域：生命科学研究、医学研究及临床诊断、病人监护、治疗控制、人工器官及其测评等等。在生物医学的所有领域，包括生物力学、生物材料、生物医学电磁学、生理系统的建模与仿真等等，必须直接或间接应用生物医学测量技术生物医学测量方法的分类•生物医学测量的对象涉及人体各个系统的形态与功能。•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•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、功能测量离体测量（invitro）•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。•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（invivo）•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，又称非侵入式测量，通常采用间接测量方法•特点：不会造成机体的创伤，易被受试者接受，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-生物电•心电（ECG）•脑电（EEG）•肌电（EMG）•眼电•胃电•皮肤电•细胞电•宏电极（铜、铂、银、Ag/AgCl、液体）•微电极（玻璃、金属）传感方法与技术-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-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•核磁共振•热敏电阻•电磁法•超声多普勒法•色素稀释法•同位素传感方法与技术-变量与位移•心脏的位置•皮肤的厚度•皮下脂肪的厚度•肿瘤的位置•应变片•半导体应变片•差动变压器•电气测微仪•可变电极电容•光电位计•光电管•光二极管•超声波法传感方法与技术-振动•心音•呼吸音•血管音•柯尔岢夫音•负颤音•测压传感器•可动线轮•电容微音器•磁应变振动子•光电管•光二极管•水银加速度计传感方法与技术-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•电子电路作计数器•同位素稀释法传感方法与技术-温度•皮肤温度•直肠温度•口腔温度•胃内温度•血液温度•呼气温度•热敏电阻•电阻温度计•容量温度计•热电偶•光温度计•红外温度计•液晶温度计传感方法与技术-化学成分•血液、呼吸中的O2、CO2、N2O、CO、H2O、He气体，组织内的等生化学检查•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-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。（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（2）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。信号微弱，系统敏感易干扰生理信号及参数幅度范围频率范围心电ECG0.01~5mV0.05-100HZ脑电EEG2～200uV0.1-100HZ肌电EMG0.02~5mV5-2000HZ胃电EGG0.01~1mVDC-1HZ（3）测量结果会受被测对象的生理和心理因素的影响在测量过程中，由于被测对象出现紧张，生理和心理都会发生变化。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。（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。趋势一：大型化、复杂化、多功能化多功能睡眠检测分析系统（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，因此其安全性是极其重要的。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（6）新方法建立与评估的困难生物医学测量的新方法，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。（7）环境的限制测量环境，例如温度、湿度、电磁场干扰、振动、冲击等，都会使测量产生困难。尤其是在进行细胞级的测量时，利用微电极测量细胞内的电位变化时，对环境要求很严，否则会影响测量结果的可靠性。（8）对生物医学先验知识的应用由于研究者、设计者乃至操作者缺乏对生物医学的先验知识，可能对生物医学测量的结果以及表达产生影响。在临