傳感器技術(shù)5課件

現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)

生物醫(yī)學(xué)信號及其檢測第一章生物醫(yī)學(xué)傳感器和生物醫(yī)學(xué)檢測一、生物醫(yī)學(xué)傳感器1.定義：能把各種被觀測的生物醫(yī)學(xué)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(xué)測量的第一個(gè)環(huán)節(jié)，能擴(kuò)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(guān)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(xué)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(xué)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(yīng)用領(lǐng)域8、發(fā)展方向和趨勢生物醫(yī)學(xué)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(xué)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(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄、存貯、計(jì)算、顯示。3、生物醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)的發(fā)展

第二章人體生理信息及分子生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)一、人體生理信息與分析二、單細(xì)胞電位1.靜息電位產(chǎn)生的機(jī)制（1）概念：細(xì)胞未受刺激時(shí)存在于細(xì)胞膜內(nèi)外的電位差。（2）測量方法：細(xì)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(shí)際值比計(jì)算值略小，與膜對Na+有很小的通透性有關(guān)。Nernst公式：RT[X+]OEX=ln

ZF[X+]i[X+]O

=

60lg(mv)[X+]i靜息電位：細(xì)胞在未受刺激時(shí)存在于細(xì)胞內(nèi)外的電位差骨骼肌細(xì)胞靜息電位-90mv神經(jīng)細(xì)胞-70mv紅細(xì)胞-10mv把靜息電位存在時(shí)細(xì)胞膜電位外正內(nèi)負(fù)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(xì)胞膜去極化后再向靜息電位方向恢復(fù)的過程稱復(fù)極化去極化：刺激②引起細(xì)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(dāng)去極化到某個(gè)臨界膜電位水平時(shí)，發(fā)生Na+通道大量開放。這個(gè)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(dāng)細(xì)胞膜為零時(shí)，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(fù)”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(shí)的膜內(nèi)電位為Na+平衡電位⑤。復(fù)極化：膜內(nèi)電位達(dá)到Na+平衡電位時(shí)，Na+通道關(guān)閉，K+外流出現(xiàn)復(fù)極化⑥，并最終達(dá)到K+平衡電位。超極化：這是由于細(xì)胞膜Na+-K+泵（生電性鈉泵）運(yùn)行導(dǎo)致膜內(nèi)電位朝更負(fù)的方向進(jìn)行的結(jié)果⑦，隨著該過程的減弱⑧，膜內(nèi)電位恢復(fù)到靜息電位水平⑨。3.細(xì)胞膜的模擬電路三、細(xì)胞群電位（多細(xì)胞電位）

記錄方法：細(xì)胞外記錄

心室肌動作電位形成機(jī)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(xì)胞膜部分去極化。當(dāng)去極化達(dá)到閾電位水平（約-70mv）時(shí)，Na+通道大量開放，膜進(jìn)一步去極化，由負(fù)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(fù)極化：１期：復(fù)極初期，膜電位由+30mv迅速下降到0mv左右，此時(shí)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(shí)存在。3期：又稱快速復(fù)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(jìn)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(shí)描述的各個(gè)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(gè)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(dǎo)聯(lián)軸上的投影。這種既其有強(qiáng)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(qiáng)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(dǎo)聯(lián)I、II、III為標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)aVR、aVL、aVF為肢體加壓導(dǎo)聯(lián)V1-V6為胸前導(dǎo)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(dá)心室，并引起心室開始興奮所需的時(shí)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(fù)極化。QT間期：心室去極到復(fù)極完成。與心率成反比；ST段：QRS終點(diǎn)到T波起點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)走紙速度為25mm/s，靈敏度為10mm/mv時(shí)，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(jī)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(dǎo)機(jī)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(shí)，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(gè)波低到下一個(gè)波低的時(shí)間。正常腦電頻率8-12Hz。

振幅：正相和負(fù)相波峰值之差表示。

相位：有正負(fù)之分。以基線為準(zhǔn)，波頂朝上者為負(fù)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(shí)的腦電變化3、肌電圖肌肉的生物電活動形成的電位隨時(shí)間的變化曲線稱肌電圖。肌電圖是一個(gè)對神經(jīng)、肌肉疾病的診斷很有價(jià)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(dǎo)速度的測定能確定神經(jīng)病變的部位，此外，肌電圖能估計(jì)神經(jīng)肌肉病變的恢復(fù)程度和預(yù)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(shí)，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(dāng)電極插入肌肉內(nèi)，看不到任何電活動。

運(yùn)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(yùn)動單位電位?？煞譃椋簡蜗唷㈦p相和多相。正常運(yùn)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(shí)程：從離開基線的偏轉(zhuǎn)起到返回基線所經(jīng)歷的時(shí)間，一般6-12ms。電壓：正負(fù)波最高偏轉(zhuǎn)點(diǎn)的差，一般100-2000uv。不同程度肌肉收縮時(shí)的肌電圖4、傳導(dǎo)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(jī)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(dāng)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(xì)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(shí)視網(wǎng)膜功能(3)視網(wǎng)膜藥物中毒性反應(yīng)(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(qiáng)：單位時(shí)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(qiáng)弱的兩個(gè)物理量：

耳蝸內(nèi)電位又稱內(nèi)淋巴電位，靜息時(shí)蝸管內(nèi)淋巴電位為＋80mV。毛細(xì)胞內(nèi)電位為－80mV，毛細(xì)胞頂端處于內(nèi)淋巴內(nèi)，該處膜內(nèi)外電位差達(dá)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(jī)制是K+向膜外擴(kuò)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(xì)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(fù)極化，稱慢波，也稱基本電節(jié)律，其波動范圍5-15mv。當(dāng)去極化到閾電位水平時(shí)，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(dāng)慢波去極化到閾電位水平（約-40mv）時(shí)，便在慢波的基礎(chǔ)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(jī)制動作電位的概念和形成機(jī)制心室肌細(xì)胞動作電位的特點(diǎn)和形成機(jī)制心電圖各波形的意義自發(fā)腦電的四種波形特點(diǎn)及分析方法正常肌電圖的成分第二節(jié)分子生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)第一小節(jié)細(xì)胞一、細(xì)胞核二、細(xì)胞膜1、脂質(zhì)雙分子層：70％磷脂、30％膽固醇特點(diǎn)：液態(tài)和可流動性功能2、蛋白質(zhì)：功能：細(xì)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(yùn)功能（轉(zhuǎn)運(yùn)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(xì)胞做了不同的“記號”或使細(xì)胞具有了不同的“標(biāo)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(shù)，一般包括4個(gè)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(xì)菌或動植物細(xì)胞內(nèi)使其增殖；四是將表達(dá)目的基因的受體細(xì)胞挑選出來，使目的基因表達(dá)相應(yīng)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(yīng)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(yù)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(jìn)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(zhǔn)確無誤的放大并傳遞到細(xì)胞內(nèi)部，啟動一系列胞內(nèi)生化反應(yīng)，最后導(dǎo)致特定的細(xì)胞反應(yīng)。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(xì)胞內(nèi)受體②細(xì)胞表面受體一、受體-配體的劑量效應(yīng)關(guān)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(xué)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(biāo)對V／[S]橫坐標(biāo)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(diǎn)為：a.競爭性抑制劑往往是酶的底物類似物或反應(yīng)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?。籨.動力學(xué)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(fù)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(diǎn)為：a.底物和抑制劑