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1、现代医学电子仪器原理与设计复习指导现代医学电子仪器原理与设计复习指导 含含 答案答案 第一章医学仪器概述 1 依据检测和处理信号的方法不同 医学仪器的工作方式分为 直 接 和间接 实时 和延时 间断和连续 模拟和 数字 2 依据医学仪器的用途不同 医学仪器通常分为 诊断 用仪器 如生物电诊断与监护 生理功能诊断与监护 人体组织成分的电子分 析 人体组织结构形态影像诊断 理疗 用仪器 如电疗 光疗 磁疗与超声波治疗 3 生理系统的建模与仿真 方法 即是为了研究 分析生理系统而 建立的一个与真实系统具有某种相似性的模型 然后利用这一模型对 生理系统进行一系列实验 这种在模型上进行实验的过程就称为系
2、统 仿真 4 建模 是医学仪器设计的第一步和关键 是对生命对象进行科学 定量描述的产物 5 建模关系即模型的 有效性 度量主要包括 复制有效 在系统输 入与输出上认识系统 预测有效 对系统内部状态及总体结构认识清 楚 结构有效 内部状态 总体结构及分解结构均有了解等三个层次 6 广义而言 生理系统的模型不仅包括人造的物理或 数学 的模型 也应包括动物模型 7 建模 即建立一个在某一特定方面与真实系 统具有相似性的系统 真实系统称为原型 而这种相似性的系统就称 为该原型系统的模型 8 模型的建立蕴含的三层意思即 理想化 抽象化 和 简单化 9 模型可分为 数学模型 物理模型 和 描述模型 三种
3、10 按照真实系统的性质而构造的实体模型即 物理模型 对生理系 统而言 其物理模型通常是由非生物物质构成的 根据其与原型相似 的形式可分为如下四种类型 几何相似模型 力学相似模型 生 理特性相似模型 等效电路模型 11 所谓 数学 模型 就是用数学表达式来描述事物的数学特性 它不像物理模型那样追求与客观事物的几何结构或物理结构的相似 性 但可较好地刻划系统内在的数量联系 从而可定量地探求系统的 运转规律 12 构造一个数学模型主要包括 系统中各个作用环节的描述 即寻 求一个适当的数学运算关系来描述系统的结构 功能和内在联系和 表征系统的固有特征量的提取 即主要来源于实验数据的参量提取 两个方面
4、的内容 13 建立生理系统数学模型的方法主要有 黑箱方法 推导方法 两种 14 数学模型的 黑箱 研究方法是指对所研究的系统的内部构造和 机理一无所知 仅仅能从外部的客观测量 如系统的输入与输出来考 察系统 对于黑箱 其数学模型即为 满足某一特定输入输出关系的 传递函数 15 数学模型的 推导 研究方法适用于那些内部结构和机理已部分 地被人们所认识的系统 根据该系统的物理化学过程以及解剖学与生 物学知识 用分析的方法推导出描述系统功能和特性的模型 16 理论分析法 建模应用自然科学中已经被证明的正确的理论 原理和定律 对被研究系统的有关要素进行分析 演绎 归纳 从而 建立系统的数学模型 17
5、类比分析法 建模根据两个或者两类系统某些属性或关系的相 似 去推论两者的其他属性或者关系也可能相似的方法 18 数据分析法 建模对无法运用理论分析或结构难于类比 但能 获得一定表征系统规律 描述系统状态的实验数据 可用回归分析等 方法建立系统的数学模型或对模型进行验证 19 影响仪器设计的基本因素有 信号因素 环境因素 医学因 素 经济因素 和 时代因素 五种 这些因素都是进行设计时考 虑的基本原则 20 医学处理信号的特点由 信号源 人体 和 测量方法 共同决定 信号检测与处理中 对信号有效提取和和处理的前提是获取干净的信 号 这是仪器设计中面临的主要问题和挑战之一 21 在现代的医学仪器设
6、计中 构建生理模型的方法很多 最常用的 方法有理论分析法建模 类比分析法建模和数据分析法建模三种方 法 22 物理模型是简化的 类似于实际系统的某些突出特征而设想的一 种物理系 统 它较之于真实系统更易于进行分析研究 23 频率响应反映的是仪器对不同频率的信号的不同的灵敏度 要求 心电图机对 0 1 到 25Hz 的频率范围内的信号 频率响应曲线必须是 平坦的 0 5dB 24 截止频率是指灵敏度下降到 70 7 3dB 时的频率 25 共模抑制比可表示为 CMRR Ad Acm 其中 Ad 为系统总的差模增 益 Acm 为系统总的共模增益 共模抑制比常用分贝 dB 表示 即 CMRR 20l
7、g Ad Acm 该值体现了仪器的抗共模干扰的能力 26 医学仪器的主要技术特性有哪些 答 1 准确度 Accuracy 准确度是衡量仪器测量系统误差的一个 尺度 准确度可理解为测量值与理论值之间的接近程度 2 精密度 Precision 精密度是指仪器对测量结果区分程度的一种度 量 表示从所选定的已知数据中可能分辨的数值 3 输入阻抗 Input impedence 通常称外加输入变量 如电压 力 压强等 与相应应变量 如电流 速度 流量等 之比为仪器的输入 阻抗 输入阻抗 Z 为被测量的输入变量 X1 和另一固有变量 X2 的比 值 4 灵敏度 Sensitivity 仪器的灵敏度是指输出
8、变化量与引起它变化 的输入变化量之比 5 频率响应 Frequency response 仪器保持线 性输出时 允许其输入频率变化的范围 它是衡量系统增益随频率变 化的一个尺度 6 信噪比 Signal to Noise Ratio 信噪比定义为信号功率 PS 与噪声 功率 PN 之比 为了便于对信噪比作定量比较 常以输入端短路时的 内部噪声电压作为衡量信噪比的指标 7 零点漂移 Zero drift 仪器的输入量在恒定不变 或无输入信号 时 输出量偏离原来起始值而上 下漂动 缓慢变化的现象称为零点 漂移 8 共摸抑制比 CMRR common mode rejection ratio 定义为
9、放大差模 信号和抑制共模信号的能力 27 医学仪器有哪些特殊性 答 被作用对象 人 的特殊性决定了医学仪器的特殊性 1 噪声特性 交流与电磁感应噪声 从人体拾取的生物信号不仅幅度 微小 而且频率也低 必须尽量采取各种抑制措施 使噪声影响减至 最小 一般来说 限制噪声比放大信号更有意义 2 个体差异与系统性 人体个体差异相当大 用医学仪器作检测时 应从适应人体的差异性出发 要有相应的测量手段 人体又是一个复 杂的系统 测定人体某部分的机能状态时 必须考虑与之相关因素的 影响 要选择适当的检测方法 消除相互影响 保持人体的系统性相 对稳定 3 生理机能的自然性 无损测量的趋势 在检测时 应防止仪器
10、 探 头 因接触而造成被测对象生理机能的变化 因为只有保证人体机能 处于自然状态下 所测得的信息才是可靠的 准确的 4 接触界面的多样性 接触不良或面积不好 5 操作与安全性 操作者与受检差者 28 医学仪器基本分类方法依据有 答 主要包括 1 检测的生理参数 2 检测转换原理 传感器及电极 3 在生理系统中的应用 4 临床运用 29 简述医学仪器设计的基本步骤 生理模型的构建 这是现代医学仪器设计中十分关键的一步 在对 生理 病理 生化或解剖等相关知识分析的基础上 根据物理 化学 数学和生物医学的基本理论 或对实验所获数据的统计分析 构建设 计目标的数学模型 或物理模型 或描述模型 并提出仪
11、器设计应 实现的技术指标 系统设计根据构建的生理模型和设计指标 提出系统总体设计方案 和工程实现的方法 途径 并根据产品成本要求和性价比优选的原则 进行软硬件设计 并绘制出系统总框图 实验样机研制包括仪器的软硬件设计 工艺设计和安全可靠性设 计 并制作出实验样机 在实验室条件下进行仪器样机的性能测量和 模拟实验 各项指标应达到设计要求 动物实验研究在进行临床试验前 先进行动物试验 选好适当的动 物 对样机的性能进行全面的考察验证 并将结果反馈到1 3 步 临床试验在产品标准经有关部门审定 备案 并经检测中心对样机 进行测试后 达到标准进入临床实验 对所获数据进行分析并反馈到 1 3 步 仪器的
12、认证与注册提交仪器认证与注册的申请获准后 可进行仪器 的生产 30 用框图说明医学电子仪器的基本结构并简要说明各部分的功能 答 1 生物信息的检测 采集系统 根据生物信息的特点 针对 不同的生理参量 采用不同的方式 传感器和处理电路 2 生物信息的处理 为了从检测到的信号中获得更多的有用信息 同时使信息的特征更明确 更准确 更直观 3 生物信息的记录与显示系统 直接描记式记录器 磁记录器 数字 式显示器 4 辅助系统 第二章生物信息测量中的噪声和干扰 1 实现生物信号测量的基本条件是 抗干扰 和 低噪声 2 噪声 是电路系统中除了有用信号以外的其他信号 包括人体和 测试系统 干扰 是由测试系统
13、外部所引起的电路系统中的不期望 动作 3 能产生一定的电磁能量而影响周围电路正常工作的物体或设备称 为 干扰源 4 EMC 即电磁兼容设计原则是在电子系统之间实现不互相干扰 协调混同工作的原则 即抑制来自外部的干扰和抑制系统本身对外界 其它设备产生干扰 5 经 导线 传播将干扰引入测试系统的耦合方式称为 传导耦合干 扰 6 干扰经 公共阻抗 耦合是在测试系统内部各单元电路之间 或者 两种测试系统之间存在公共阻抗 由电流流经公共阻抗形成压降造成 干扰 7 在电子系统内部元件和元件之间 导线和导线之间以及导线与元 件 导线 元件和结构件之间都存在分布电容 一个导体上的电压或 干扰成分通过分布电容使
14、其它导体上的电位受到影响 这种现象称为 电容性耦合 8 用的金属板 金属网作为屏蔽体的屏蔽效果用 屏蔽后场强被衰减 的程度 来描述 9 屏蔽电场或远场的平面波即辐射场时 宜选择铜 铝 钢等 高电 导率 材料 屏蔽低频磁场 宜选玻莫合金 锰合金 磁钢 铁等 高 导磁率 材料 42 测试系统的噪声一般包括 非需要医学信号即人 体噪声 和测量系统内部由器件 材料 部件的物理因素产生的自然 扰动即电压或电流 通过噪声过程的分析进行合理的电路设计 降低 噪声限度 10 噪声电压或噪声电流是随机的 不能用一个确定的时间函数来描 述 但服从一定的 统计 规律 生物医学电子学中常遇到的噪声源 热噪声和散粒噪声
15、的概率密度服从 高斯或正态 分布 11 功率谱密度表示单位频带内噪声功率随频率的变化 此曲线覆盖 的面积在数值上等于噪声的总功率 低频噪声的谱密度随频率的减小 而 上升 通常称为粉红色噪声 蓝噪声谱密度随频率的增大而 上 升 12 低频 噪声是造成生物医学信号提取过程中的主要障碍 主要 有两种材料之间不完全接触 形成起伏的电导率 如开关 继电器或 晶体管 二极管的不良接触 电流流过合成碳质电阻的不连续介质等 有源器件在制作工艺过程中 材料表面特性及半导体器件中结点的缺 陷等 13 热 噪声由导体中载流子随机热运动引起 任何处于绝对零度 以上的导体中 电子都在做随机热运动 利用 超低温技术 减小
16、 信号的频带 以及降低提取传感器的电阻可以限制信号热噪声 14 半导体器件中载流子产生与消失的随机性是产生 散粒 噪声的 主要原因 15 低噪声设计的目的是指把总输入噪声减小到最低程度 通常用输 入端对地短路时放大器的 固有噪声 作为放大器的噪声性能指标 16 生理仪器对来自测量系统之外的干扰以及测量系统内部的噪声都 很敏感 因此抗干扰和低噪声构成生物信号测量的两个基本条件 17 在生物医学测量系统中 主要的噪声类型是 1 f 噪声 热噪声和 散粒噪声三种 18 在场效应管中经常发生的噪声主要有 1 f 噪声和热噪声两种 19 减小电感性耦合的措施有哪些 答 主要包括远离干扰源 削弱干扰源的影响 采用绞合线的走线方 式 尽量减小耦合通路 即减小面积 A 和 cosq 值 20 电磁干扰的处理措施主要包括那些 答 主要包括 1 合理接地 2 屏蔽 3 隔离 4 去耦 5 滤波 6 系统 内部干扰的抑制 第三章信号处理 1 简述低噪声放大器设计程序 答 1 根据噪声要求 源阻抗特性确定输入级网络 选择电路结构 形式 选择器件 确定低噪声工作点 进行噪声匹配 2 根据放大器要求的总增益 频率
