[医学]01医学仪器原理绪论

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1、医学仪器原理Instructor: Wang Yu School of Measuring and Optical EngineeringFor undergraduate student in major of BME2011-3课程安排 课程性质、地位和任务 v本课程是本科生物医学工程专业的一门专业必修课。 v介绍了各类医疗仪器的基本原理和基本分析方法，主 要讨论了现代医学仪器所采用的先进技术和发展方向 。 课程基本要求 v了解医学仪器系统的构成及分类、人体信息测量的特 点和医学仪器设计考虑。 v掌握医用生物电测量仪器、生物物理参数测量仪器、 治疗和化学类仪器及监护类仪器等常见临床医疗仪器

2、 的原理。 v熟练掌握生理测量放大器的设计方法。 v了解医学仪器的电气安全和医学仪器最新发展动态。 预备知识 数学 大学物理 模拟电子技术基础 数字电子技术基础 医学传感器原理 生物化学 生理学 解剖学教材及参考书 NOTE OF YOUR OWN； 蔡建新，张唯真，生物医学电子学，北京大学 出版社，1997年. 严红剑，有源医疗器械检测技术，科学出版社 ，2007年. 彭承林，生物医学传感器原理及应用，高等教 育出版社，2000年. 上课时间与地点 vSection 3-4 on Tuesday (Week 1-12) at B202 vSection 3-4 on Thursday (Od

3、dWeek 1-12) at A207 成绩评估方法 vFinal Exam : 50% vProject: 30% vExperiments: 10% vAttendance: 10% 课程内容 绪论（概况，发展） (虚拟仪器) 生理量电测量（心电，脑电，肌电，血压） 监护类仪器（QRS波心率检测，无创血氧，呼 吸机） 治疗类仪器（血透机） 医用化学类仪器（电解质分析，血球仪等）绪论 生物医学测量及其仪器的发展简史 生物医学测量的范围 生物医学测量的基本特点 生物医学测量的方法分类 生物医学仪器 v系统组成 v种类 v技术指标 常用医学传感器和开关生物医学知识简介医学仪器的定义：以医学临床和

4、医学研究 为目的的仪器。目的:把人（使用对象和使用者）和医疗装 置看作是一个系统整体，强调其间的相互 作用，进而用系统工程的观念研究发展所 需要的医疗装置，实现预定的医疗目的。 1. 生物医学测量及其仪器的发展简史和趋 势 J.E.Beneken(1994)曾经把医疗器械 行业的产业技术发展归纳为： v19601970年：生产效率 v19701980年：产品质量控制 v19801990年：生产的机动性和灵活 性 v19902000年：创新能力 v21世纪：多领域技术融合生物医学工程在医疗系统中的作 用生物医学工程的发展展望 1984年由美国科学院、美国工程科学院、美国国 立卫生研究院（NIH）

5、等组织的一个专家委员会 给美国国会的战略研究报告认为，生物医学工程 在20世纪最后15年中将有重大发展。 1995年美国BME产业的年销售额超过510亿美元 。全球市场占有率始终保持4142，稳居“龙 头”。2000年12月，克林顿签署了美国国会通过 的国家生物医学成像和生物工程研究所设立法 。 我国医疗器械市场2008 2008年111月，我国医院诊断与治疗设备出口 总额达到32亿美元，同比增长31.4% 2008年111月，我国医院诊断与治疗设备出口的 国家与地区达到203个 2008年111月份，我对美国出口额达9.04亿美元 ，同比增长36.9%，高于同类产品出口增速5个百 分点 品种

6、出口总量出口总额血压测压测 量3953万3.64亿亿美元MRI389台1.39亿亿美元X射线线断层诊疗设层诊疗设 备备1491台2.05亿亿美元监护设备监护设备9.35万1.36亿亿美元我国医疗器械市场2009 2009年，我国医疗器械类产品进出口总额 达183.49亿美元，同比增长12.69%。 医疗器械进出口额占医药保健品类产品同 期进出口总额的33.66%。 v其中，进口总额为61.05亿美元，同比增长 17.03%； v出口总额为122.45亿美元，同比增长10.64% 。 v贸易顺差为61.40亿美元，与去年同期的40.9 亿美元相比，增长50.13%。我国医疗器械市场2009200

7、9年，我国向214个国家或地区出口医疗器械产品，从99 个国家或地区进口医疗器械产品。在美国、日本、德国、中 国香港和英国前五位市场占比达55.44%，与去年同期相比提 高了1.89个百分点；在进口目标市场中，美国、德国、日本 、瑞士和荷兰前五位市场占比达71.47%，与去年同期相比提 高了0.67个百分点。 从进口产品来看，2009年我国进口的主要产品为X射线应用 设备、彩超诊断仪、弥补生理缺陷残疾穿戴或植入人体的器 具、导管、插管、X射线断层检查（CT）仪、核磁共振成像 装置等，均有不同程度的增长，增幅最大的产品为CT仪。 2009年，我国医疗器械出口产品主要是医用敷料、按摩器具 、医用高

8、分子制品（导管等）、医用仪器、医用家具等产品 。其中，敷料类产品增幅较大，体现出我国现阶段出口产品 以敷料、低值耗材及中低端设备为主，部分高端产品为在华 跨国企业出口为主的特点，前20种产品份额占到79.12%。我国医疗器械市场 在发达国家,医疗设备与器械产业和制药业的产 值比为11.9。而在中国,这个比率仅为15。 06年和08年共投入82.71亿人民币用于新增农村 医疗器械投资。 通过严格的GMP认证，未来3年将淘汰80%的企 业，而能够通过认证的不会超过3000家。 计划在未来几年内超过日本，成为全球第二大医 疗器械市场。2010年总产值超过10000亿，全球 市场份额达5%，而2050

9、年达25%。 我国现有医疗器械生产企业超过1.3万家， 经营对外贸易的医疗器械企业达到2.9万家 。现有生产企业主要分布在珠三角、长三 角和环渤海湾区域，经营企业则遍布全国 ，沿海发达地区生产和经营企业更为集中 。中国医疗卫生工作的指导方 针 “人人享有基本医疗卫生服务” “战略前移，重心下移” （多元、综合、个体） 群体到个人；看病到防病（中医养生）； 生理到心理（社会、环境）1）. 基本科学问题和关键技术 v生理特征参数的测量及它们之间的关系； v生理状态的分析和辨认； v长期、连续、动态检测（国外无创Memos微 创BioMemos）,周期性定时检测（如血糖）， 信息在线处理、融合技术及

10、其与专家系统的结 合，信息传递（有线/无线，存储及管理）； 2. 生物医学工程的发展展 望生物医学工程学科领域的拓 展2）. 进展状况 v微动敏感床垫式睡眠监测系统 俞梦孙 睡眠Holter 数字化全病区医学 (信息监测)控制系统 DAMICS 可穿戴技术（wearable technology） vLifeshirt vSmartshirtvLifeshirt 基于模块集成技术或者嵌入式技术 集成了心电、呼吸、体温及体动测量系统vSmartshirt 完全基于纺织技术 “可穿戴模板”Levi的音乐夹克的键区控制部分完全由纤维制成，甚至可以无限连接MIT Media Lab的全纤维开关触点键盘

11、甚至是可洗的佐治亚理工研制的smartshirt的早期原型 无线人体体域网（BAN） v一个以人体为重心覆盖范围、按照一定组织形 式构成的微型传感器无线通讯网络 v可以是外置的，也可以是长期植入的生物系统 v用于慢性病患者或者是士兵等特殊人群美军研究野战手术机器人系统：Trauma Pod Robot3.1 生物医学测量的范围 离散参量的离散信息 ： 离散参数的连续信息 ： 连续参量的连续信息 ： 连续参量的离散信息 ：白细胞数值 人体体温 心电波、脑电波 医学图像3.2 生物医学仪器测量的基本特点 弱信号 噪声影响大 容易引入干扰 信息多变 特殊的安全要求3.3 生物医学测量方法的分类 按测

12、量对象 v离体测量 v在体测量 按测量条件 v无创测量 v有创测量 v微创测量 按结果表达方式 v一维信息测量 v二维信息测量 v多维信息测量3.4 生物医学测量仪器1）生物医学测量系统的基本组成 2）生物医学测量仪器的种类 3）生物医学测量仪器的主要技术指标1） 生物医学测量系统的基本组 成 概念和思路控制论创始人N.维纳：“人是一个维持稳态的机构” 、“人的生命在于稳态的维持之中”。 v负反馈生物医学测量系统基本构成医疗仪器的一般原理框图 生物医学测量系统基本构成a) 应用部分采集信号、施加作用 v传感器：把各种生理信息转换成可供测量的电 信号或其它可用信号。 生物医学测量系统基本构成b)

13、 前置放大电路（预处理）信号的整理 v信号抗干扰的方法 屏蔽罩 屏蔽线 线路板大面积接地阻抗变换/放大 共模抑制生物医学测量系统基本构成c) 隔离安全 v隔离方法： 电源隔离：不共地 信号隔离：光电耦合； 变压器耦合；生物医学测量系统基本构成d) 放大变换处理 e) 主控CPU 程序、存储、指令、人机接口。 f) 输出后处理和伺服反馈 g) 输出执行电路和执行器 h) 电源 i) 安全保护电路 人体安全和仪器安全携式心电监护系统总体框图 2)生物医学测量仪器的种类 电生理仪器 生化检查与分析仪器 医学图像仪器 临床监护装置 治疗类仪器3)生物医学测量仪器的主要技术指标 静态特性：描述仪器对于直

14、流或甚低频信 号的性能。对于输入是恒值的信号，由输 出信号特性说明测量的质量。 动态特性：它需要用微分和（或）积分方 程来描述仪器的质量。a) 灵敏度（sensitivity） v仪器的灵敏度是指输出变化量与引起它变化的输入 变化量之比。 v对于线性系统，灵敏度为常数。非线性系统则不然 。 v任何仪器不可能是理想的线性系统。 例：带有两个电感线圈 的可变阻抗差压传感器 。一个电感由于压力的 作用稍微增加L，而另 一个电感，按同一数值 减小L。在交流电桥中 介入这些电感的两种方 法如图。构成电桥的电 阻之是RL。求两种 接法的灵敏度（ Vo/Vi ） (注意， L很小)b) 频率响应（frequ

15、ency response） v频率响应指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 的尺度。 v放大生物电信号时，总是希望能对信号中一切 频率成分快速均匀的放大，而实际做不到。一 般要求在通频带内由平坦的响应。c) 精密度(precision) v指仪器对测量结果区分程度的一种度量。 v Ep精密度，Ai和Aj是任意两次测量的结果，H 是仪器的最大测量范围d) 准确度（accuracy）又叫精度 v衡量仪器测量系统误差的一个尺度。v 影响准确度的误差一般是元件误差，指示或 记录系统的机械误差等，减小系统总误差就可 以提高准确度。 v准确度是衡量总误差的一个尺度，

16、而不考虑误 差的类型和原因。 高精密度高精度e) 非线性度表示仪器线性度； 全量程内的实测值与理 论值间的最大偏差；H仪器满量程 v仪器的非线性度常取决于传感器，应尽量选 择线性传感器，仪器的信号处理部分要做线 性化的处理。 v仪器的非线性度与测量范围有关。f) 零点漂移（zero drift） v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。 v引起零点漂移的原因：制造误差，环境温度和 湿度变化，滞后现象，振动，冲击等。 输入为零时输出量的最大变化 g) 输入阻抗（input impedance）和输出阻 抗（output impeda