Non-Invasive Instrumentation and Measurement in Medical Diagnosis, Second Edition

527 Pages·2018·72.67 MB·English

by  Robert B. Northrop

Noninvasive
Instrumentation
and Measurement in
Medical Diagnosis
Second Edition

Noninvasive
Instrumentation
and Measurement in
Medical Diagnosis
Second Edition
Robert B. Northrop
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I dedicate this text to my former teachers and students.

Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xvii
About the Author . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi
Acronyms and Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xxiii
1 . Introduction to Noninvasive Medical Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1 .1 Definitions of Noninvasive, Minimally Invasive, and Invasive Medical Measurements . . .1
1 .2 Modalities of NI Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2
1 .3 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
2 . Visual Inspection of Tissues with Certain Endoscopes and Other Optical Devices . . . . . . . . . .5
2 .1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
2 .2 Ophthalmoscopes, Slit Lamps, and Otoscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
2 .2 .1 Ophthalmoscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
2 .2 .2 Slit Lamps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8
2 .2 .3 Otoscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8
2 .3 Endoscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
2 .4 CCD and CMOS Active Pixel Image Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
2 .4 .1 CCD Image Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
2 .4 .2 CMOS Active Pixel Image Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
2 .5 NI Diagnosis of Skin Lesions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
2 .5 .1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
2 .5 .2 Malignant Melanoma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
2 .5 .3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
2 .6 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
3 . Noninvasive Diagnosis Using Sounds Originating from within the Body . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3 .1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
3 .1 .1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
3 .1 .2 Stethoscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
3 .1 .3 Microphones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
3 .1 .4 Acoustic Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
3 .1 .5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26
3 .2 Means of Analysis for Acoustic Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
3 .2 .1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
3 .2 .2 Discrete Fourier Transform and the Power Density Spectrum . . . . . . . . . . . . . .28
3 .2 .3 Time–Frequency Analysis for Transient Sounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
3 .2 .4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
3 .3 Heart Sounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
3 .3 .1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
3 .3 .2 Abnormal Heart Sounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
3 .3 .3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
vii
3 .4 Breath Sounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
3 .4 .1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
3 .4 .2 Abnormal Breath Sounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
3 .4 .3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
3 .5 Otoacoustic Emissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
3 .5 .1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
3 .5 .2 Otoacoustic Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
3 .5 .3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
3 .6 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
4 . Measurement of Electrical Potentials and Magnetic Fields from the Body Surface . . . . . . . . .43
4 .1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
4 .2 Electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
4 .2 .1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
4 .2 .2 Electrode Half-Cell Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44
4 .2 .3 Equivalent Circuits for AgCl Skin Electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
4 .2 .4 Dry Electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46
4 .2 .5 Invasive Electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
4 .3 Biopotential Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
4 .3 .1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
4 .3 .2 Single-Ended Input Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
4 .3 .3 Differential Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
4 .3 .4 Op-amps Used for Signal Conditioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
4 .3 .5 Noise and Low-Noise Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
4 .3 .6 Medical Isolation Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
4 .3 .7 Driven-Leg ECG Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67
4 .3 .8 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
4 .4 ECG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
4 .4 .1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
4 .4 .2 Electrode Placements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
4 .4 .3 Vector Cardiography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75
4 .4 .4 ECG Analysis, Feature Extraction, and Diagnosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
4 .4 .5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77
4 .5 EMG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
4 .5 .1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
4 .5 .2 Origin of EMGs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79
4 .5 .3 EMG Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81
4 .5 .4 What EMGs Can Tell Us . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
4 .5 .5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
4 .6 Electroencephalogram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
4 .6 .1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
4 .6 .2 Sources and Classification of the EEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
viii
4 .6 .3 EEG Recording Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
4 .6 .4 2-D Spatial Sampling of Scalp EEG Potentials by Electrode Arrays . . . . . . . . . .87
4 .6 .5 EEG Amplifiers, Interfaces, and Signal Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91
4 .6 .6 Event-Related Potentials and Signal Averaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92
4 .6 .7 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94
4 .7 Other Body Surface Potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94
4 .7 .1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94
4 .7 .2 EOG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95
4 .7 .3 Electroretinogram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95
4 .7 .4 Electrocochleogram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99
4 .7 .5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100
4 .8 Magnetoelectric Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102
4 .8 .1 Introduction: SQUID and SQUID Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102
4 .8 .2 Magnetoencephalogram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104
4 .8 .3 Magnetocardiography Using SQUIDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108
4 .8 .4 Other Magnetoelectric Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109
4 .8 .5 Optical Atomic Magnetometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109
4 .8 .6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4 .9 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112
5 . Noninvasive Measurements of Blood Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5 .1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5 .2 Cuff Sphygmomanometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5 .3 Other Means of Noninvasively Estimating BP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5 .4 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6 . Body Temperature Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6 .1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6 .2 Conductive Heat Transfer and Thermometer Response Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
6 .3 LIR BB Thermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
6 .3 .1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
6 .3 .2 Physics of BB Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122
6 .3 .3 Temperature Measurement with PYMs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124
6 .3 .4 ThermoScan LIR Thermometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127
6 .3 .5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129
6 .4 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129
7 . Noninvasive Blood Gas Sensing with Electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
7 .1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
7 .2 Transcutaneous O Sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
2
7 .2 .1 Introduction: The Clark Electrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
7 .2 .2 Transcutaneous [O] (tcpO) Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133
2 2
7 .3 Transcutaneous CO Sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133
2
7 .3 .1 Introduction: The Stow–Severinghaus Electrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133
ix