2.2 在体测量无创测量与微创测量,1 无创测量与微创测量的特点,无创测量(Non-invasive Measurements)，又称为非侵人式测量或间接测量。 其重要特征：测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，测量时通常在体外，尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。微创测量(Minimally Invasive Measurements)是为了提高检测效果而采取的一种损伤最小的测量方法。无创测量和微创测量是生物医学研究中，尤其是临床诊断中最易被人们接受的一种测量方法。,缺 点,人体内部的生理、生化信息经过组织传递到皮肤表面，信号幅度被衰减，信号形态发生畸变，因而在体表实现无创及微创测量的精确度和稳定性远不如采用直接测量。无创测量的结果取决于许多器官及人体系统的特性，因此对结果的解释需要涉及许多生理和生化知识。,无创测量的主要技术手段,在体外(尤其在体表)采用光、电、声、化学、热等手段检测人体的各种机体功能参数，以及利用各种电离辐射(x射线、射线等)和非电离辐射(例如超声波)方法检测体内器官、组织的形态信息。,特 点,无创测量技术因被测对象不同，同一测量对象也可能有不同的检测方法。研究精确而简洁的测量方法是无创测量的主要任务。无创测量进行的是非侵入机体的测量，但不一定都对人体无损害。 例如，x射线、射线、射频波乃至超声波的能量经皮肤进入人体后，在体内传递的过程中，能携带许多人体生理和病理信息，但同时将有很大一部分能量积存在人体组织内，并转换成热能和化学能，这些能量会产生许多生物效应，有些生物效应在一定程度上有损于人体。,特 点,在选择无创测量技术时，应优选无损害的方法。不能反复滥用各种无创检测手段 (例如超声胎儿检查,CT检查等)，否则也同样会造成许多不良后果。总希望无创测量能实时、连续、长期、精确、无拘束地进行测量，并实现测量的自动化。,特 点,每一种要求均会对无创测量技术提出许多制约，而且这些要求之间有时也往往互为制约因素。因此，必须根据被测对象和测量目的来提出无创测量的合理要求。例如：可行走病人的测量应采取无拘束或遥测技术，可采用磁记录等非实时测量方法；而在危重病人监护室内，危重病人生理参数的监测应要求长期、连续和实时，以便一旦出现危及生命的生理参数失常时，能立即报警，并及时采取抢救措施。,2 无创测量与微创测量的方法与技术,无创测量往往是经皮测量技术，在体表测量的许多生理和生化信息通常是微弱的，而且淹没在噪声和干扰之中(特别是机体中其他同类信息所造成的噪声与干扰)，因而需要采用许多合适的信号检测与处理技术，以提取有用信号，保证测量的精确度和可靠性。,1)常规生物电的无创测量,生物电的无创测量是指在体表进行的生物电位及其他电特性(阻抗和导纳)测量。常规的心电、脑电、肌电、胃电、眼电、眼震电、皮肤电等生物电位的无创测量已渐趋成熟，是临床上应用最广的检查手段。随着电子与信息科学技术及生命科学研究的进展，生物电位的无创测量也在不断深入与拓宽。,生物电测量,以R波检测为例，由于多类别心律失常自动分析的需要，自80年代起就出现了数以千计的算法，其目的均是在强干扰和噪声(包括人体的其他生物电噪声)背景下提高R波的检出率。心电图中的P波检测、S-T段分析、在母体体表提取胎儿心电的研究也在逐步深化。,生物电测量,眼电、脑电的无创检测研究，大部分集中在诱发电位的测量上；采用电、光(含图像)、声、触觉、嗅觉和味觉等外界刺激诱发生物电的研究；在自然环境或在特殊环境下的生理（Physiology）、病理（Pathology）、心理（Psychology）以及新的机体的整体反应规律的研究；对人类的认知规律（Cognize）的研究等；,生物电测量,生物电位(包括心电、脑电)的体表电位标测(body surface potential mapping，BSPM)及逆问题研究。将检测到的数十乃至数百个体表电位，利用计算机的强大信息处理功能构建体表等电位图、极值轨迹图等，使心脏和脑的电活动及一些病变信息能用更清晰、明了的方法表达。,生物电测量,生物电阻抗测量技术也是近几年来生物电无创测量活跃的分支之一。由于生物电阻抗测量(包括生物电阻抗成像)的精度较差，临床标准也难以建立，生物电阻抗测量一度曾受到非议。 近几年来由于技术的进步，采用先进的数字技术(激励源采用直接数字合成、测量部分采用数字解调技术，以及运用计算机分析和处理等)，已能使测量精确度高于0.1，采集一组数据的时间不大于40ms，这就为采用电阻抗高速和高精度断层成像打下了良好的基础。,高频、低幅、多型非常规ECG的检测,体表希氏束电位（His Bundle Potential）、心室晚电位（Ventricle Late Potential）、高频心电图（High Frequency ECG）等低幅(几uV几百uV)、 高频(100Hz， 延伸到 3kHz)、多型的心电信息对诊断某些疾病有重要意义。,高频ECG,由于显示和记录高频生理信息的技术的发展，非常规心电图检测技术在以下三个方面取得不少进展：1）高频心电图相关的动物实验模型的研究2）在噪声与高频干扰中检测微弱生理信号的 研究3）临床诊断标准的研究,高频ECG,研究面临的困难：1)怎样在体表无损、实时、连续地在强噪声环境下检测每一心电节拍中的微弱高频信息?2)如何解释以及在临床上如何评估这些信息?,高频ECG,3)大量动物实验已表明，在高频心电图中，切迹（Notch）和扭挫（Slur）均携带许多生理和病理信息，但形成高频心电图的因素很多，切迹和扭挫的成因可能是病理的，也可能是非病理的，它们可能是病理和非病理成因的综合结果，而且非病理信息在很大程度上取决于个体差异，因此在临床上难以确定这种高频心电图的病理指标。非常规心电图的特征及检测技术如下表：,弱生物磁测量技术,在强背景磁场(地磁场和环境磁场)下测量心磁图(MCG)和脑磁图(MEG)等微弱生物磁信息场合，除靠屏蔽措施外，可采用SQUID超导量子干扰仪，它们具有高达10-14T10-15T的弱磁测量灵敏度，完全可测量心磁图的磁场(10-10T)和脑磁图的磁场(10-12T)等弱磁生物信号。SQUlD分为DC-SQUID(直流超导量子干涉仪)和RF-SQUID(射频超导量子干涉仪)两种。前者的灵敏度更高，但RF-SQUID的制造工艺、电路与器件的耦合比较容易，因而在实用中采用得较多。,生物磁测量,SQUID除具有高的弱磁测量灵敏度外，还由于它是一种非接触的无创测量方法，因而不受被测对象表面干扰状况的影响，可避免生物电测量中安放电极的麻烦，安全可靠。另外，SQUID不像生物电那样，需测量体表两点之间的电位差，而只需在人体的某点或某一部位进行非接触测量。而且SQUID能直接提取体内的生物磁信息，就不会像生物电那样需经人体组织传导至体表进行检测而导致信号的畸变。由于采用非接触测量，因而生物磁信息可采用探头在空间扫描的方法直接提取磁场强度分布，可以建立二维图像，而且还可提取多类别的人体功能信息。,用于心磁图测量的基于高温超导量子干涉仪,中科大,物理所等单位合作建立了一套基于高温超导量子干涉仪(SQUID)的可靠的、经济型的单通道心磁图(MCG)系统,该系统在一个简易的磁屏蔽室(MSR)中运行.实验结果表明,对于消除心磁测量中的环境噪声,简易磁屏蔽室和有源补偿相结合是一个很合适的方案,这种方案对心磁图的普及有实际的帮助. -低温物理学报2006年03期,生理声信息的检测,人体中许多器官都在按一定的规律运动，运动时的振动会发出声(音)信息，这些生理声信息携带了许多相关器官的生理和病理特征，因而生理声信息的无创测量具有重要意义。心音、肌音、语音、关节音、肺音、牙齿叩击音、吞水音、肠鸣音及耳声等生理声信息的测量，是无创测量的一个重要分支。要能够让生理声信息测量在疾病诊断和治疗中发挥作用，需要弄清生理声信息的发声机理、声传播特性以及声信息特征与临床病理和生理之间的相关性。,生理声,技术难点： 生理声信息的无创测量过程中，也常伴有其他声信息的于扰(包括来自外部或者机体内部)，因而也属微弱信号检测范畴，需要采用低噪声放大、滤波、相关处理和自适应滤波等微弱信号检测方法。,生理声,方法分类：自发(声信息)，诱发(声信息)。以耳声发射的测量为例，自发的或诱发的耳声，用微型扬声器和传声器检测得到的电信号，经计算机分析处理后，可找到耳声信号波形与外周听觉系统，特别是耳蜗功能的相关性。耳声发射的无创检测系统可用于新生儿听力筛选，以及听力研究和耳科临床检查。,深部体温的测量,深部体温的测量随着各种热作用治疗而被广泛重视，尤其是加温治癌疗法的成功应用，要求加热温度控制在一个较窄的范围后，深部温度的测量成了一个研究的热点，各种有创、微创及无创方法都有报道。例如: 在体表检测的深度体温检测方法热流补偿法。,用热补偿法测量深部体温,深部体温的测量,探头中有2个温度敏感元件T1和T2，测量通过探头的热流。将探头内部的外侧加热器加温至热流t1 - t2 = 0，使热绝缘层几乎完全无热失散，由此体表温度与深部组织的温度就可达到平衡，深部体温的测量就变成了体表温度t1的测量。实验及临床均已证明热流补偿法的有效性。其缺点是加热器功耗较大，可采用绝热材料包覆的方法来减小功耗。,口腔内压力的测量,可采用双向传送的遥测体制。用电磁耦合供电方式自体外经皮供给口腔内的测量装置能源，并将口腔内的压力测量装置测量的结果通过腔内线圈与体外线圈的耦合送至体外指示或显示。这种双向耦合方式在体内植入式电子系统中大量应用。这里用来作为口腔内压力的测量，可看作是无创的。测量电路由齿科用树脂充填，以防水渗入。压力敏感元件采用单向偏移半导体应变片。,口腔内压测量原理,8: 3月 26日,运动量的测量,随着运动医学的发展，人体运动量及能耗的测量显得非常重要。人在运动过程中通过摄取物质而得到的能量，以热量和做功的形式消耗出去，故常用耗氧量V(O2)和能量消耗(EE, Expended Energy)来衡量运动量，运动量大时，耗氧量EE也随之增加。耗氧量和能量消耗可用运动传感器实时和准确测量。大量实验数据表明：运动加速度对时间的积分与能量消耗或耗氧量成线性关系，故测量身体加速度绝对值的积分，即可对能量消耗进行较好的评估。目前已开发了对心电(ECG)、身体加速度(ACCEL)进行长期、连续测量和记录的装置。,运动量测量,如图，用电极测量心电(心率)，用加速度传感器测量加速度，用倾斜开关测量体位(姿态)。,运动量的测量,心率、加速度、体位等数据通过编码后存放在便携式记录盒中，可得到24 h的连续记录。记录数据进行高速回放和分析处理，获得心率(HR)、加速度输出(AO)。根据能量消耗与加速度输出的线性关系，可从加速度求出能量消耗。实验还证明：加速度输出(AO)与心率(HR)间也有较好的对应关系。,经皮血气参数的测量,血气PO2和PCO2反映血液中酸碱平衡状态。一般通过间断地采集动脉血样来完成血气测量。许多情况下，血气变化迅速，需要采用无创监测方法。日前常采用经皮方法：选择具有良好的组织灌注的皮肤部位。用一个扁平的双边胶圈将电化学传感器（电极）固定在体肤上，被测血气从真皮至表皮，与一层耦合液一起渗透到传感器。测量过程中，皮温要保持在3335。低于，则皮肤内外的交换会受到扩散的限制；高于，则通透性会急剧增加。应采用不断加热方式，使皮肤保持一定通透性。经皮血气检测的关键是经皮血气传感器(电极)的开发，以及经皮血气监测方法的研究。,经皮血气参数测量,实验研究证明，采用电化学传感技术、质谱仪和气相色谱分析方法，均能有效地测量经皮氧分压tcPO2和经皮二氧化碳分压tcPCO2。这种经皮无创测量方法已在临床上用于心肺疾病患者的应急试验，用于麻醉病人监测、呼吸治疗处理、最佳截肢位置估计、移植皮瓣存活力预测，以及一些药物疗效评估。,