理学生物医学工程学的基础理论.ppt
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1、生物医学工程概论,戴启军生物医学工程系,内容目录,生物医学工程学的内涵生物医学工程学的基础理论生物医学工程学的应用技术生物医学工程学的新理论和新技术,生物医学工程学的理论基础,生物电磁学,生物电磁学,生物电磁学的早期研究生物电磁学的定义及其研究范围生物电磁现象电磁波的生物学效应及其在医学上的应用生物电磁剂量学和电磁辐射的安全标准生物电磁场热点问题,生命的火花,生物电磁学的早期研究,GalvaniVoltEinthovenBergerMcFee,生物电磁学的定义,生物电磁学是研究生物体电现象和磁现象以及生物电磁的应用的一门学科。生物电磁学是建立在膜生物物理学基础之上的侧重于从宏观角度研究生物电现
2、象和生物磁现象。现代生物电磁学在很多方面都已深入到细胞级甚至是分子级的研究水平。,生物电磁学的研究范围,外界电磁波(场)与生物体的相互作用主要包括生物组织的介电特性、各层次的生物学效应及其作用机理、生物电磁剂量容许暴露限值、生物医学中的应用及用于生物和医疗的辐射系统等。Bioelectromagnetics生物体自身产生的电磁现象主要包括电磁现象的产生机理,电磁信号的测量、处理和应用等。Bioelectromagnetism,生物电磁现象,生物电现象心电脑电肌电其它生物电生物磁场现象,心电,心脏的传导系统是指由一系列特殊心脏细胞联结组成的传导系统。心脏传导系统的细胞组织既有自动产生兴奋的功能,
3、又有较一般心肌细胞更快的传导功能,使兴奋有节律地按一定顺序传播,使心脏保持正常的有节律的收缩和舒张,以维持血液循环。,心脏在搏动之前,心肌首先发生兴奋,在兴奋过程中产生微弱电流,该电流经人体组织向各部分传导。由于身体各部分的组织不同,各部分与心脏间的距离不同,因此在人体体表各部位,表现出不同的电位变化,这种人体心脏内电活动所产生的表面电位与时间的关系称为心电图,也称体表心电图。,心电活动的信息可以通过固定在皮肤上的电极取得。根据电极放置位置的不同可组成各种导联。在实用上为了统一标准以便进行对比分析,国际上均采用标准12导联。,心电基础理论的研究,心导管术希氏束电图心室晚电位体表等电位标测Hol
4、ter动态心电图高频心电图,心电正问题,心电正问题是在已知心脏状态下,依据心肌的电生理特性参数,通过建立心脏模型和人体躯干模型用仿真的方法来研究心肌的兴奋是如何传播及如和形成体表电位的。,正常心脏状态下,窦房结周期性产生的兴奋按心房肌、房室结、His束、左右束支、浦肯野氏纤维网和心室肌这样一个顺序传播的。心电仿真首先按某一仿真算法模拟这个兴奋传播过程,然后由心动周期中某一时刻各兴奋的心肌所产生的动作电位求出该时刻的心电源大小,再用边界元法等数值算法求出心电源在体表产生的电位。,有了心电仿真模型,通过设置其模型参数可以仿真多种心脏病。例如,通过去除心脏模型中某一区域的心肌单元可以仿真心肌梗塞;通
5、过减慢束支的兴奋传导速度可以仿真束支传导阻滞;通过设置预激点可以仿真预激综合征;通过增加心室的心肌单元可以仿真心室肥大等等。只要你有充分的想象力,你可以利用心电仿真模型来研究任意心脏生理病理状态下的电兴奋传播过程及其在体表面产生的电位分布。,应用心电仿真模型还可以研究许多心脏病的形成机理。例如引发心律失常的折返的形成机理是什么?在什么样的情况下才能建立起折返?心肌兴奋传播的速度对心律失常有何影响?心肌缺血达到何种程度才能在心电图上有所反映?这些对心脏病的诊断特别是定量诊断方面有重要意义。,心电逆问题,心电逆问题是指根据体表电位的分布、人体的几何形状以及躯干容积导体的电特性,通过数学物理方法来求
6、得心脏电活动的定量解。,心电正问题:通过设置心电仿真模型的模型参数,可以研究不同心脏生理病理状态下的体表电位分布情况。心电逆问题:如果能从体表电位逆推出心电仿真模型的模型参数,那么由这些模型参数就可确定心脏所处的状态。利用心电逆问题的解反映出病变心肌的位置、大小及病变程度等定量信息。,脑电,人类大脑神经细胞数量达150亿个。神经元像人体中的其他细胞一样,具有生物电活动。大脑皮层中单个神经元的膜电位通常在头皮上检测不到,在头皮上检测到的电位变化脑电波是由大脑皮层中无数个神经元同步化的电活动所形成。,脑电图的医学应用脑功能的临床诊断和神经生理研究诸如诊断颅内占位性病变、癫痫、针麻观察及航空神经生理
7、研究等。脑电图的记录方法电极在头皮上安放的方法通常采用国际标准10/20电极位置系统。和心电图相同,脑电图的电极连接可采用单极或双极导联方式。,自发脑电图(EEG)产生的基本原理脑神经细胞的生物电活动。同步化作用通常被认为受脑干(皮下层中枢)的控制。因此,大脑皮层具有持续、广泛而有节律的电位变化,这种不受外界刺激的脑电变化称为自发脑电位。诱发脑电位(EP)脑的自发电活动(脑电)可以为直接的或外界的确定性刺激(电、光、声等刺激)所影响,产生另一种局部化的电位变化称为诱发脑电位。,脑电图的特点脑电图是一种随机性很强的生理信号,其规律性不如心电图明确,通常将脑电图的振幅和频率成分作为脑电诊断时的主要
8、依据,而频率成分显得尤为重要,因为大脑活动的程度与脑电图的平均频率之间有密切的关系。在国际上,一般将正常脑电活动相关的脑电波频率范围划分成五种类型,频率由高到低依次为波、波、波、波、波。,波通常在觉醒、安静和闭眼时出现在枕叶。波具有较高的频率,常见于紧张的精神活动期间。波主要见于儿童和成人浅睡时,出现在顶部和颞部。波出现于成人深睡时,以及早产婴儿和幼儿。成人极度疲劳和麻醉时也出现波。波是由注意或感觉刺激引起的一种低幅高频波。,自发脑电活动通常以一种占优势的频率为其标志。自发脑电信号较弱,在正常情况下,从波峰到波谷(幅值)为10-100V,其频率范围为150Hz。波形因不同的脑部位置而异,并与觉
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