2.3-生物医学测量方法-有创测量.pptx

LOGO2.32.3 在体测量在体测量在体测量在体测量有有有有创测量创测量创测量创测量 1 有创测量方法有创测量方法v有创测量也称为侵入式测量，通常通过将测量探头侵入机体直接与被测对象接触的方式，引导或传感有关生命体的生理和生化参数，故也称直接测量。v有创测量会对机体造成一定程度的创伤，这种方法主要用于手术过程中的测量或术后危重病人的监测，以及实验动物的科学研究。v有创测量由于原理明确、方法可靠、测量精度高，因此也可作为精度较低的无创测量(通常采用间接测量)方法的对照评估标准。有创测量按实现方法可分为有创测量按实现方法可分为3 3种种:(1)通过手术的测量方法v通过手术后，被测量的组织和器官可直接暴露，可用测量探头直接置于被测部位，例如采用各种温度探头探测体内各器官的温度分布，用电磁测量探头夹套在被测动脉血管外而测量动脉血流等。(2)导管测量方法v利用导管经食道和血管等进入人体内部测定机体的生理及生化信息的方法，其优点在于不需经手术(或只需经较小的手术)，创伤性相对较小，导管可通过x光引导的方法进入人体，因而测量位置的定位也相当准确。测量用导管进入人体前，需经严格的消毒、处理和检查，以确保无感染与安全。(3)植入式测量方法v将测量用的电子装置埋置在体内，体内信息可通过无线方式经皮传送至体外进行测量。这种方法只是在埋植电子装置时动一次手术，以后便可在体外进行连续的实时测量，且可使患者处于无拘束的自然状态下，测量结果更逼近生命体的实际情况，因而目前已广泛应用于动物研究。v随着微电子技术、长寿命电池及体外供电技术等相关技术的进步，这种方法已逐步进入临床，并与植入式控制及治疗装置配合构成闭环测控系统，已在许多人工器官及肢体中广泛应用。v另一种方法是吞服用于测量用无线电胶囊(radio capsule)。采用X光引导或采用无线电定位的方法进行跟踪。可以进行消化道器官内的温度、压力、pH值及出血部位信息的测量。2 有创测量的典型实例有创测量的典型实例1)1)电磁血流计电磁血流计v电磁血流计测量血流的方法基于电磁感应原理：当导电体在磁场内移动切割磁力线时，将产生一电动势，任何时刻的感应电动势的数值正比于该时刻的速度。血流是流动的液体，它相当于导电体。按法拉第电磁感应定律，若能测出感应电动势e，就能测定血液的平均流速，再乘以血管的截面积，就能求出血流量。1)1)电磁血流计电磁血流计在测量动脉血流时，可将特制的探头夹套在被测动脉血管外壁(探头的直径为1mm-3cm)。磁场强度B垂直加至流速为v的血液体上，在电极上产生与血流和磁场方向均相互垂直的感应电动势e(单位为V)：e=BDv10-8 (1)式中，D为两电极间的距离。由式(1)可知，当磁场强度B和两电极间的距离D一定时，感应电动势e正比于血流速度v。1)1)电磁血流计电磁血流计v为了避免电极被磁场极化，通常采用交流激励磁场，频率为几十Hz至几百Hz。由于电磁血流计一般是在血管直接暴露的情况下在血管外壁直接进行测量，因而具有很高的测量精度(大血管的测量精度可控制在 5)，所以电磁血流计已作为完整血管内脉动血流量测量的标准方法。9:3月 302)位移、压力的测量位移、压力的测量-方法方法1v利用单个线圈的电感变化或两个线圈的互感变化来测量位移和压力。可可变电感感压力力传感器感器采用合金(镍铁高导磁合金)可动铁心的单线圈来测量薄膜的位移。当外界压力增加时，合金铁芯向线圈内位移，使线圈的电感量增加。如将该线圈作为调频振荡器中的振荡回路元件，则该调频振荡器的频率将随位移(压力)而变。若将铁心的移动范围作适当的限制，可使频率变化与两薄膜间压力差成正比，从而测量压力值。v由于薄片及合金质量很小，因而该传感器可获得1kHz以上的频率响应。v当该传感器进人心腔时，可同时用来测量压力波形和心音，由于血压和心音的频率范围不同(心音的频率一般超过50Hz)，因而可用低通滤波器和高通滤波器有效地分离血压信号和心音信号。2)位移、压力的测量位移、压力的测量-方法方法2利用平衡双线圈连接方法可获得更好的测量精度利用平衡双线圈连接方法可获得更好的测量精度v两个线圈分别接入调频振荡器调控各自的振荡频率。当位移等于0时，两个振荡器的振荡频率f1和和f2相差很小，混频器的输出频率f0=f1-f2，且远小于f1或或f2。当可动铁芯向线圈I位移时，L1增加、L2减小，从而使两个振荡器频率分别改变为：f1=f1-f+k(f)2 L1增大,振荡频率降低 f2=f2+f+k(f)2 L2减小,振荡频率升高v由于混频器和滤波器取其频率之差，故二次非线性抵消，产生的频率 f0=f1-f2=f1-f2-2 f=f0-2 fv可将输出的频率变化 f0-f0=2 f 通过频率一电压变换器转换成模拟电压输出，或者用数字计数方法直接表示频率变化。2)位移、压力的测量位移、压力的测量-方法方法3v利用两线圈的相对位移引起线圈间耦合的变化，是测量体内器官大小变化的有效方法。v若在一个线圈上加上正弦电动势，则另一个线圈中的感应电动势取决于激励频率和幅度，以及两线圈的几何形状、距离、同轴度和线圈圈数。若将距离以外的其他因素固定，使感应电动势的变化只由距离来确定，这样，就很容易将感应电动势输出由距离(尺寸)来定标。v这种方法已被用来测量肾脏、腔静脉、主动脉和左心室的尺寸变化。3)液耦式导管心脏测压液耦式导管心脏测压v采用心导管测量心腔及大血管中的压力变化及压力值，是临床直接测压的常用方法。v心导管测压常用方法：右心导管术右心导管术左心导管术左心导管术(逆行逆行)见下图。a)右心导管术 (b)左心导管术(逆行)心导管测压技术右心右心导管测压导管测压v右心导管测压也称静脉导管测压，是将心导管插入静脉后，沿臂部静脉送达右心房、右心室、肺动脉及其分支。v右心导管测量可得到心脏血流动力学的测量数据，了解上腔静脉、下腔静脉、右心房、右心室、肺动脉及其分支压力，心导管嵌入肺小动脉的末梢部，可以测量肺动脉楔(嵌)压，从而间接了解左心房的压力变化。v心导管还可从右心房进入冠状静脉窦，了解心脏静脉血的化学变化等。右心右心导管测压导管测压v右心导管测压：液液耦耦式式测测压压：采采用用充充满满液液体体的的导导管管，将将压压力力传传递递到到体外的压力传感器后转换成电量来测定血压。体外的压力传感器后转换成电量来测定血压。导导管管端端头头测测压压：将将压压力力传传感感器器置置于于导导管管的的顶顶端端直直接接测量血压（前面已介绍）。测量血压（前面已介绍）。v右心导管可用来测定右心房压(RAP)、右心室压(RVP)、肺动脉压(PAP)、肺动脉楔压(PAWP)的波形和血压。v下图为液耦式导管心脏测压系统 右心导管心脏测压系统右心导管测压右心导管测压v该系统由3部分组成：1)1)心心导导管管联联接接压压力力导导管管和和三三通通活活塞塞开开关关组组成成的的液液压压(导管导管)系统系统；2)2)机机电变换电变换(传感器传感器)系统系统；3)3)电电子子系系统统，将将传传感感器器转转换换后后输输出出的的压压力力信信号号经经放放大大、滤波及信号处理后进行显示和记录。滤波及信号处理后进行显示和记录。v相对说来，电子系统是这3个系统中带宽最宽的部分，因而系统响应主要由液压与传感系统决定。通过机电对偶法可以将其等效成一个简化的二阶系统，通过分析，可以求得该二阶测压系统的自然频率fn和阻尼系数。右心右心导管测压导管测压v如在导管顶部加一热敏电阻探头，则可以采用热稀释法进行心输出量的测定。具体方法：通通过过另另一一腔腔将将冷冷液液指指示示剂剂注注入入右右心心房房。冷冷液液指指示示剂剂在在右心室内和血液混合，造成温度下降。右心室内和血液混合，造成温度下降。温温度度变变化化由由靠靠近近肺肺动动脉脉中中接接近近导导管管端端部部的的热热敏敏电电阻阻检检测，获得测，获得热稀释曲线热稀释曲线。计计算算热热稀稀释释曲曲线线下下的的面面积积(可可由由计计算算机机完完成成)，便便可可自自动测定心输出量。动测定心输出量。左心导管测压左心导管测压v左心导管测压则是将心导管插入左心房、左心室和主动脉，从而测量左心房、左心室、主动脉及其分支的压力变化。v左心导管可通过肱动脉、股动脉和腋动脉送入，并逆血流向上推进，送至主动脉瓣前，并乘左心室收缩、主动脉瓣开启的机会，将心导管送入左心室，在左心室和主动脉中分别测定压力，或采取血液标本，或进行选择性心血管造影等。4)导管心腔内心电图和导管心腔内心电图和房室束电图的测量房室束电图的测量v用带电极的心导管可测量心腔内心电图和房室束电图；用带微音器的心导管可以测量心腔内心音图。v例如，采用心导管测量希氏束电图的方法：局局部部麻麻醉醉后后，采采用用右右股股静静脉脉穿穿刺刺的的方方法法将将心心导导管管送送入入，在在x线线的的引引导导下下，进进入入三三尖尖瓣瓣下下方方1-2cm处处，就就可可观观测希氏束信号。测希氏束信号。心心导导管管大大都都采采用用多多极极导导管管电电极极，用用三三极极导导管管测测量量ECG、高高位位右右心心房房电电位位(HRA)和和希希氏氏束束电电图图(HBE)，若若用用六六极极导导管管和和七七极极导导管管，还还可可记记录录低低位位右右心心房房及及右右心心室室的的电位。电位。可以同步记录体表ECG,希氏束电图,心率(HR),P-R间期,P-A间期,A-H间期,H-V间期,H-H间期,A-H/A-V间期,H-R间期等,可有效判断传导系统传导障碍的部位及其程度,判断有些快速心律失常的发生机理,研究预激励综合症的发生机理等.有有创测量展望量展望v除了对血流、血压、心输出量、心音、希氏束电位等进行有创测量外，还可对体温、pH值、血气(PO2和PC02)等许多生理量及生化量进行在体有创测量。v有创测量方法具有较高的测量精度，因而仍在不断发展和进步之中.有有创测量展望量展望v植入式测量是有创测量方法的种演变。植入式探头(包括电极和传感器)直接与机体接触，用无线方法传输被测信号，所以仍具有很高的测量精度，并兼有长期实时、连续、无拘束测量等优势，是有创测量的发展方向之一。有有创测量展望量展望v今后发展中，在体有创测量、无创测量、离体测量三者相辅相成的关系不会改变。v同时，有创测量与生物材料(尤其是生物相容性材料)、生物力学(例如血流动力学等)、心脏起搏与除颤、人工器官、生命科学(神经生物学等)的研究紧密相连，这些研究中需要精确的直接测量技术，从而使生理学的研究逐步定量化。有有创测量展望量展望v有创测量与许多治疗技术紧密配合。v例如：各种介入式手术和治疗方法，心内膜人工心脏起搏，前列腺增生的射频热疗及温度测量，通过导管向腔内注射药物，以及正在发展中的微机械电子系统(MEMS)，都将采用许多有创测量方法来组成闭环测控系统，或用来评估各种药物、非药物治疗的效果。本节结束