傳感器技術5課件

現(xiàn)代生物醫(yī)學傳感技術

生物醫(yī)學信號及其檢測第一章生物醫(yī)學傳感器和生物醫(yī)學檢測一、生物醫(yī)學傳感器1.定義：能把各種被觀測的生物醫(yī)學中的非電量轉(zhuǎn)換為易觀測的電量的器件或裝置。2.功能：是醫(yī)學測量的第一個環(huán)節(jié)，能擴大人的感官功能，是構(gòu)成各種醫(yī)療分析和診斷儀器的關鍵部件。3.用途：床邊檢測、在體檢測、早期診斷、快速診斷；生命科學深層次研究、分子識別、基因探針、神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)控等。4.生物醫(yī)學傳感器的分類6.現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢7、人體用傳感器的應用領域8、發(fā)展方向和趨勢生物醫(yī)學傳感器的發(fā)展方向高度集成化多功能化數(shù)字化和智能化1、生物醫(yī)學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，進行數(shù)據(jù)的記錄、存貯、計算、顯示。3、生物醫(yī)學檢測技術的發(fā)展

第二章人體生理信息及分子生物醫(yī)學基礎一、人體生理信息與分析二、單細胞電位1.靜息電位產(chǎn)生的機制（1）概念：細胞未受刺激時存在于細胞膜內(nèi)外的電位差。（2）測量方法：細胞內(nèi)測量，跨膜電位（3）產(chǎn)生原理K+的平衡電位

(equilibriumpotential)Ek=60log[K+]o[K+]i(mV)實際值比計算值略小，與膜對Na+有很小的通透性有關。Nernst公式：RT[X+]OEX=ln

ZF[X+]i[X+]O

=

60lg(mv)[X+]i靜息電位：細胞在未受刺激時存在于細胞內(nèi)外的電位差骨骼肌細胞靜息電位-90mv神經(jīng)細胞-70mv紅細胞-10mv把靜息電位存在時細胞膜電位外正內(nèi)負的狀態(tài)稱極化狀態(tài)靜息電位增大稱超極化減小稱去極化細胞膜去極化后再向靜息電位方向恢復的過程稱復極化去極化：刺激②引起細胞膜上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（thresholdpotential）③,Na+大量內(nèi)流形成陡峭的動作電位上升支④。反極化：當細胞膜為零時，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”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。復極化：膜內(nèi)電位達到Na+平衡電位時，Na+通道關閉，K+外流出現(xiàn)復極化⑥，并最終達到K+平衡電位。超極化：這是由于細胞膜Na+-K+泵（生電性鈉泵）運行導致膜內(nèi)電位朝更負的方向進行的結(jié)果⑦，隨著該過程的減弱⑧，膜內(nèi)電位恢復到靜息電位水平⑨。3.細胞膜的模擬電路三、細胞群電位（多細胞電位）

記錄方法：細胞外記錄

心室肌動作電位形成機制去極化：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，造成細胞膜部分去極化。當去極化達到閾電位水平（約-70mv）時，Na+通道大量開放，膜進一步去極化，由負電位向正電位轉(zhuǎn)化，直至接近Na+平衡電位（+30mv），形成動作電位的上升支。復極化：１期：復極初期，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+流進一步增加。4期：鈉鉀泵、鈉鈣交換、鈣泵。(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)在不同導聯(lián)軸上的投影。這種既其有強度，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)心電圖的導聯(lián)I、II、III為標準肢體導聯(lián)aVR、aVL、aVF為肢體加壓導聯(lián)V1-V6為胸前導聯(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：代表心室復極化。QT間期：心室去極到復極完成。與心率成反比；ST段：QRS終點到T波起點。標準走紙速度為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、循環(huán)系統(tǒng)信息檢測

1、心音2、血壓3、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4、血流三、呼吸系統(tǒng)生理信息機體與外界環(huán)境之間的氣體交換過程稱呼吸1、肺容量2、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四、神經(jīng)系統(tǒng)信息檢測

1、神經(jīng)纖維的傳導機能2、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：正相和負相波峰值之差表示。

相位：有正負之分。以基線為準，波頂朝上者為負相，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3、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)、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)肌肉病變的恢復程度和預后。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：在正常肌肉當電極插入肌肉內(nèi)，看不到任何電活動。

運動單位電位：被檢測者主動輕微收縮肌肉，可記錄到的電位就是運動單位電位。可分為：單相、雙相和多相。正常運動單位電位的特征：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4、傳導速度的測定五、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。1、眼的生理信息ERG為感受器電位：a波來自感光層，b波來自雙極細胞層，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(2)屈光渾濁時視網(wǎng)膜功能(3)視網(wǎng)膜藥物中毒性反應(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2、聽覺器官的生理參數(shù)聲強：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。毛細胞內(nèi)電位為－80mV，毛細胞頂端處于內(nèi)淋巴內(nèi)，該處膜內(nèi)外電位差達160mV。：起源于基底膜不同部位的多條神經(jīng)纖維的放電六、消化系統(tǒng)生理信息1、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)生機制是K+向膜外擴散。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極化，稱慢波，也稱基本電節(jié)律，其波動范圍5-15mv。當去極化到閾電位水平時，就爆發(fā)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：當慢波去極化到閾電位水平（約-40mv）時，便在慢波的基礎上產(chǎn)生每秒1-10次的動作電位，引起平滑肌的收縮。2、消化系統(tǒng)內(nèi)壓的測量七、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Summary靜息電位的概念和形成機制動作電位的概念和形成機制心室肌細胞動作電位的特點和形成機制心電圖各波形的意義自發(fā)腦電的四種波形特點及分析方法正常肌電圖的成分第二節(jié)分子生物醫(yī)學基礎第一小節(jié)細胞一、細胞核二、細胞膜1、脂質(zhì)雙分子層：70％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)運功能（轉(zhuǎn)運蛋白）、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胞做了不同的“記號”或使細胞具有了不同的“標志”。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、蛋白質(zhì)的合成三、基因工程又稱重組DNA技術，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引入細菌或動植物細胞內(nèi)使其增殖；四是將表達目的基因的受體細胞挑選出來，使目的基因表達相應的蛋白質(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的預防化工、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確無誤的放大并傳遞到細胞內(nèi)部，啟動一系列胞內(nèi)生化反應，最后導致特定的細胞反應。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細胞內(nèi)受體②細胞表面受體一、受體-配體的劑量效應關系二、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為縱坐標對V／[S]橫坐標作圖，所得直線，其縱軸的截距為Vmax，斜率為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小；d.動力學參數(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復合物結(jié)合，使酶的催化活性降低，稱為非競爭性抑制。其特點為：a.底物和抑制劑