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1、医学电子仪器设计,贺忠海 主编 机械工业出版社 2014,第一章 医学电子仪器的特点,医学仪器主要用于对人的疾病进行诊断和治疗，其作用对象是条件复杂的人体，由于人体本身信号有一些特有的性质，所以医学仪器与其他仪器相比有其特殊性。,1.1 生理信号的基本特征,1 不稳定性 2 非线性 3 概率性 4 生物电信号的检测与处理,生理信号的特点,（1）低频率特性 （2）低幅值特性 （3）源阻抗大 （4）信噪比低，噪声来源可能是多方面的。 （5）各类生理信号常常复合交织在一起,1.2 生理信号建模与仪器设计,生理系统建模与仿真可以将生物系统简化为数学模型并对此模型进行计算机分析，从而代替实际的复杂、长期
2、、昂贵甚至无法实现的实验，大大提高研究效率和定量性，并可研究人为施加控制条件以影响生物系统运行过程。,1.2.1 系统建模与模型特点,系统模型的结构具有以下一些性质： （1）相似性 （2）简单性 （3）多面性,模型的有效性,模型的有效性用符合程度来度量，它可分以下三个不同级别的模型有效： （1）复制有效 （2）预测有效 （3）结构有效,图1-1 系统建模的一般过程,1.2.2 建立生理系统模型的基本方法,构造一个数学模型主要包括两个方面的内容： 系统中各个作用环节的描述； 表征系统的固有特征量的提取。,1 理论分析法建模,若两个不同的系统，可以用同一形式的数学模型来描述，则这两个系统就可以互相
3、类比。即是说类比分析法是根据两个（或两类）系统某些属性或关系的近似，去推论两者的其他属性或者关系也可能相似的一种方法。,2 类比分析法建模,假设血液为不可压缩的牛顿液体，且血管截面为圆形，则血液在血管中的流动过程可以用流体力学中的纳维-斯托克斯方程来描述：,血管中血流的流体动力学模型,图1-2 血管中血压和血流关系的等效电路,电学类比模型,图1-3 肌肉的类比模型 （a）肌肉在受外力f(t)作用时被拉伸；（b）肌肉的力学类比模型；（c）肌肉的电路类比模型,肌肉的类比模型,无源肌肉的物理类比模型,图1-3(b) 的数学表达式为 图1-3(C)的数学表达式为,1.3 医学电子仪器的基本构成,医学电
4、子仪器从功能上来说主要有生理信号检测和治疗两大类，通用结构由四个主要模块组成，分别是： 生物信号采集系统，包括传感器接口、放大、模数转换等部分； 控制和数据处理模块； 用户界面和显示； 电源/电池管理系统。,1.3.1 生物信号采集系统,图1-4 医学电子仪器结构框图,1.3.1 生物信号采集系统,传感器需要根据生物信号本身的特点来选择 与传感器配套的信号提取电路根据传感器的类型和特点进行设计 前置放大器设计时要重点考虑与传感器电路信号接口问题，主要有电压大小和接口电阻两方面的问题 中间放大阶段，主要放大信号的幅值,把信号调整到符合A/D转换器工作所需要的数值。 滤除信号中的不需要成分。 把信
5、号调整到便于进一步处理的需要。 减轻对后续电路性能指标的过高要求。,1.3.2 生物信号处理和控制系统,1 存储记录器 现在的存储芯片主要是闪存，存储设备是以闪存为核心存储器的TF卡，U盘等。 2 数字式显示器 发光二极管，液晶显示器，有机发光二极管 单片机与点阵液晶的接口：6800并行接口，8080并行接口，SPI/IIC串行接口，RGB接口。,1.3.3生物医学信号的记录与显示系统,要提供所需的电压类型 要保证电源的功率足够 对于通常的便携式仪器，要减小仪器的功耗,1.3.4 电源管理系统,控制和反馈 数据存储和传输 标准信号产生 外加能量源,1.3.5 辅助系统,直接的和间接的 实时的和
6、延时的 间断的和连续的 模拟的和数字的,1.3.6 医学仪器的工作方式,1.4 医学仪器的特性与分类,1.4.1 医学仪器的主要技术指标 1、准确度(accuracy),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，用它可以表示出在相同条件下用同一种方法多次测量所得数值的接近程度。它不同于准确度，精密度高的仪器其准确度未必高。若两台仪器在相同条件下使用，就比较容易比较出准确度与精密度的不同。,3、阻抗（impedence） 医学仪器的输入阻抗与被测对象的阻抗特性、所用电极或传感器的类型及生物体接触界面有关。,4、灵敏度（sensitivity）,仪器的灵敏度是指
7、输出变化量与引起它变化的输入变化量之比。当输入为单位输入量时，输出量的大小即为灵敏度的量值。所以，灵敏度与被测参数的绝对水平无关，当输入变化一定时，灵敏度愈高的仪器对微弱输入信号反应的能力愈强。,5、频率响应（frequency response） 频率响应是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一个尺度。,6、信噪比(signal to noise ratio) 信噪比定义为信号功率与噪声功率之比，即:,7 零点漂移(zero drift) 8 共模抑制比（common mode rejection ratio, CMRR） 定义衡量放大差模信号和抑制共模
8、信号的能力为共模抑制比，用下式表示：,1 噪声特性 2 个体差异与系统性 3 生理机能的自然性 4 接触界面的多样性 5 操作与安全性,1.4.2 医学仪器的特殊性,1.4.3 典型医学参数,1基本分类方法 根据检测的生理参数来对医学仪器分类 2 医学仪器按用途分类 医学仪器按用途可分为两大类，诊断用仪器和理疗用仪器,1.4.4 医学仪器的分类,诊断用仪器分类,（1）生物电诊断与监护仪器。如心电图机、脑电图机、肌电图机等。 （2）生理功能诊断与监护仪器。如血压计、血流图仪、呼吸机及检测脉搏、听力、肺功能参数的仪器等。 （3）人体组织成分的电子分析检验仪器。如血球计数器、生化分析仪、血液气体分析
9、仪等。 （4）人体组织结构形态的影像诊断仪器。如超声仪器、X线计算机层析（断层）摄影、核磁共振计算机断层摄影(NMR-CT)及电子内窥镜等。,理疗用仪器分类,（1）电疗机。包括静电治疗机，低、中、高频治疗机。 （2）光疗机。包括红外线治疗机、紫外线治疗机、激光治疗机等。 （3）磁疗机。包括旋磁治疗机、中频交变治疗机等。 （4）超声波治疗机。包括超声雾化吸入器、超声波治疗机等。,1.5 生物医学仪器的设计原则与步骤,1.5.1医学电子仪器的设计原则 1 采用自顶向下(Top-Down)的设计方法，从总体到局部，再到细节 先考虑整体目标，明确任务，把整体分解成一个个子任务，并考虑子任务之间的关系。
10、这样就把较大的、复杂的、难解决的问题分解成若干个小的、简单的、易解决的问题。,2 模块设计原则,尽量采用现有的元器件与功能模块 尽量使用大规模集成电路或可编程硬件 单片机的主频和存储容量都有了很大提高，对程序运行效率的要求已经不再是第一要求，现在主流的编程语言是C语言,为了降低硬件成本，可以将硬件的功能用软件实现，即所谓“硬件软化”。 “软件硬化”的趋势，即将软件实现的功能用硬件实现，其中最典型是数字信号处理芯片（DSP）。 “硬件是不可改变的”这一传统观念已被打破。CPLD、FPGA,3 软硬件折中,软件和硬件各有千秋，多使用硬件可以提高仪器的工作速度，减轻软件负担，但结构较复杂；使用软件代替部分硬件会简化仪器结构，降低硬件成本，同时也增加软件开放的成本。在大批量投产时，软件的易复制性可以降低成本。软件运行速度慢，实时性不如硬件。在工作速度允许的情况下，还是应该尽量充分发挥计算机的功能，多利用软件。,3 软硬件折中,（1）需求分析，确定设计任务 （2）设计任务分析，制订设计任务书 （3）调查研究，熟悉现有资料 （4）总体方案设计 (5) 技术设计 （6）样机试制,1.5.2 仪器的设计步骤,（7）动物实验研究 （8）临床实验 （9）认证及注册,图1-6 生物医学仪器的设计流程,
