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1、2024/8/21医学电子仪器原理与设计医学电子仪器原理与设计主讲主讲 蒋欣蒋欣2024/8/22学习本课程的目的和方法学习本课程的目的和方法n目的：目的：1）各种各样医学仪器为医生诊治疾病提供了强有力的手段。2）新技术、新材料不断发展，对从事生物医学工程人员提出了更高要求。n学习方法学习方法： 博览、勤查、多问2024/8/23主要参考书：主要参考书：&医用电子仪器原理、构造与维修医用电子仪器原理、构造与维修 刘凤军主编刘凤军主编 中国医药科技出版社中国医药科技出版社 1997年年&医学仪器医学仪器齐颁扬主编齐颁扬主编 高等教育出版社高等教育出版社1991年年&生物医学测量与仪器生物医学测量
2、与仪器 王保华主编王保华主编 复旦大学出复旦大学出 版社版社&常用医疗电子设备阅图与维修常用医疗电子设备阅图与维修 李文峰等编李文峰等编 人民邮电出版社人民邮电出版社 1996年年&常用医疗诊断电子仪器常用医疗诊断电子仪器 甘心照主编甘心照主编 南京大学出版社南京大学出版社 1995年年2024/8/24第一章第一章 医学仪器概论医学仪器概论n医学仪器的发展历史n人体系统的特征n人体生理信号及其特征n人-仪器系统结构n医学仪器的特性分类及制约2024/8/25医学仪器的发展历史医学仪器的发展历史n1903年威廉.爱因霍文研制成第一部心电图机是医学仪器的最早发明n20世纪以来医学仪器的发展进入了
3、一个旺盛时期新产品不断涌现 n1932年以来心脏起搏器应用于临床 n1950年后超声诊断技术得到了飞速发展 n1953年美国最早使用自动生化装置n1963年Holter 采用存储遥测技术诊断 n1962年国外开始建立ICU和CCU n60年代以来又发明了CT2024/8/26人体系统的特征n运用现代理论分析研究人体，可将人体系统分为：n器官自控制系统n神经控制系统n内分泌系统n免疫系统2024/8/27人体生理信息的种类n物理量：包括器官的生物电信息、磁信息、压力、速度、流量、温度、形态等n化学量：O2、CO2、CO、H2O、K、Na、Ca等以及多种生化参量 形态振动压力速度流量温度生物电生物
4、磁化学量各种图像心音呼吸音血管音血压心内压颅内压胃内压肠内压血流速神经传导速度血流量呼吸流量尿流量体表温度口腔温度血液温度细胞电位心电脑电肌电心磁脑磁胃磁O2、CO2、CO、H2O、K、Ca生化参量等2024/8/28人体生理信息n人体细胞电位n单细胞电位：细胞膜内、外的离子浓度差产生电位差。n静息电位：细胞未受刺激时，细胞膜内外的电位差。n动作电位：因细胞受到刺激而造成的电位变化。n细胞群电位n循环系统生理信息n心电、心音、血压、脉搏、血流n呼吸系统生理信息n肺容量、呼吸气体的成分2024/8/29人体生理信息n神经系统生理信息n神经纤维的传导机能n大脑皮质的生物电活动（脑电波）n兴奋由神经
5、向肌肉的传递（肌电图）n传导速度的测定n特殊感觉器官的生理信息n眼的电生理n听觉器官的生理参数n消化系统的生理信息n消化系的运动、消化系的电节律、内压等2024/8/210生物信息的基本特点生物信息的基本特点n幅值小，频率低，有的接近于直流n不稳定性n非线性n概率性2024/8/211生物信息的类型生物信息的类型n离散参量的离散信息离散参量的离散信息 如：每天测量的白细胞数值n离散参数的连续信息离散参数的连续信息 如：每次给受检者所测的体温值n连续参量的连续信息连续参量的连续信息 如：心电波、脑电波n连续参量的离散信息连续参量的离散信息 如：不同灰度等级的医学图像信号通常生物信息具体为某种医学
6、生理参量时，就可直接称其为生物信号，简称信号信号。2024/8/212医学仪器的结构医学仪器的结构n信息检测系统 信息处理系统 辅助系统 记录显示系统2024/8/213信息检测系统n主要包括被测对象、传感器或电极，它是医学仪器的信号源n在生物体中，将需用仪器测量的物理（化学）量，特性和状态等称为被测对象被测对象n传感器传感器的作用是将人体机能状态信息的物理量或化学量转变为电（或电磁）信号；n电极电极的作用是直接从生物（人）体上提取电信号2024/8/214传感器传感器n传感器(Transducer)又称为换能器或转换器，是一种用来转换能量形式的器件。医用传感器就是把人体中的非电量的生理参数，
7、即物理和化学的能量信号转换成电信号。n医用传感器根据变换能量的原理不同，分为有源传感器有源传感器和无源传感器无源传感器。2024/8/215有源和无源传感器n有源传感器有源传感器又称为主动传感器或直接传感器，它可以把生物体非电参数直接转换为电信号，无需外加任何激励能量或进行载波信号的调制。n如电磁传感器、温度传感器和光电传感器等n无源传感器无源传感器又称为被动传感器，它是利用生物体的电阻、电容和电感性，外加激励电压或交流载波信号，把被测的非电生理参数转换成电信号。n电阻式传感器、电容式传感器和电感式传感器2024/8/216传感器测量对象的各种量的分类：1）位移（长度）：心脏位移、肿瘤位置、结
8、石位置等。2）声音（振动、加速度）：心音、呼吸音、胎心音等。3）压力、力：血压、心内压、颅内压、胃内压、眼压等。4）时间（频率）：心律、脉搏、心动周期、凝血时间等。5）速度：血流速度、神经传道速度。6）温度：皮肤温度、口内温度等。2024/8/217传感器的特性要求传感器的特性要求n具有良好的技术性能n对被测组织损害小n不干扰正常生理活动n有足够的牢固性和安全性n能适应生物体内化学作用n易于操作维护和消毒2024/8/218电极 电极是测量人体的电学量参数，它把人体内的离子电流转化为电路中的电流。分为：n体表电极（金属板电极、吸附电极）n针型电极n微电极。 电极材料一般为一些金属AgZnAl等
9、2024/8/219电极 电极是测量人体的电学量参数，它把人体内的离子电流转化为电路中的电流。电极的分类： 1）按所用材料分： 金属电极、半导体电极、生物电极 2）按外形结构分： 针状电极、夹钳电极、盘状电极、吸附电极 3）按使用时接触身体的部位分： 体表电极、体内（或皮下）电极 4）按用途分： 测量电极和刺激电极2024/8/220信息处理系统n其包括放大、识别（滤波）、变换、运算等各种处理和分析n信息处理系统被视为医学仪器的核心2024/8/221记录显示系统n其作用是将处理后的生物信息变为可供人们直接观察的形式n记录与显示设备按工作原理不同，可分为：n直接描记式记录器直接描记式记录器n描
10、笔偏转式和自动平衡式n磁记录器磁记录器n模拟式和数字式n数字式显示器数字式显示器n荧光数码管和液晶显示器2024/8/222辅助系统n该系统一般包括控制和反馈、数据存储和运输、标准信号产生和外加能量源等。2024/8/223医学仪器的工作方式医学仪器的工作方式 医学仪器的工作方式是指因其检测和处医学仪器的工作方式是指因其检测和处理生物信息方法的不同，而采用不同的理生物信息方法的不同，而采用不同的工作方式。可分为：工作方式。可分为：n直接和间接n实时和延时n间断和连续n模拟和数字2024/8/224医学仪器的特性与分类医学仪器的特性与分类n医学仪器的主要技术特性医学仪器的主要技术特性n医学仪器的
11、特殊性医学仪器的特殊性n医学仪器的分类医学仪器的分类2024/8/225医学仪器的医学仪器的主要技术主要技术特性特性n准确度准确度(精度精度): 衡量仪器测量系统误差的尺度。仪器的准确度越高，它的测量值与理论值间的偏离越小。 理论值-测量值 准确度= *100% 理论值2024/8/226n精密度：用相同条件下重复测量间的最大偏差与仪器满量程之比表示，即式中，式中，A Ai i、A Aj j分别为任意两次测量的结果值，分别为任意两次测量的结果值， 为仪器的最大测量范围（满量程）。为仪器的最大测量范围（满量程）。 2024/8/227n灵敏度：灵敏度：灵敏度是指仪器在稳态下输出变化量和输入变化量
12、之比，可表示为：式中式中S S为灵敏度，为灵敏度， A A0 0和和 A Ai i分别为输出量变化和输入分别为输出量变化和输入量变化。量变化。 2024/8/228输入阻抗与输入阻抗与输出阻抗n输入阻抗：输入阻抗：与被测对象阻抗特性、使用电极或传感器的类型及生物体接触界面有关.n输入阻抗：指从一测量系统或线路环节的输入端测得的系统自身的阻抗，即Z Zi i为系统的输入阻抗，为系统的输入阻抗，V Vi i和和I Ii i分别为从系统输入端测得的输入电压和输入电流分别为从系统输入端测得的输入电压和输入电流 2024/8/229n输出阻抗：指从一测量系统或线路环节的输出端测得的系统自身的阻抗，即Z
13、Zo o为系统的输出阻抗为系统的输出阻抗Z Zh h为输出端接入的负载阻抗为输出端接入的负载阻抗V Vo o和和V Vh h分别为系统输出端开路和接入负载阻抗分别为系统输出端开路和接入负载阻抗Z Zh h时时的输出电压的输出电压 2024/8/230输出阻抗的计算V0Z0ZhVh2024/8/231n频率响应：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，是衡量系统增益随频率变化的尺度。n反映在输入信号幅度恒定条件下输出幅度与输入正弦信号频率关系的曲线称为幅频特性曲线幅频特性曲线；n反映输出量与输入正弦信号间的相角与输入信号频率关系的曲线称为相频特性曲线相频特性曲线。n使仪器的输出幅
14、度随频率的变化不超过规定值（如3dB）的输入信号频率范围称为响应频率响应频率，又称为通频带。2024/8/232n非线性度：非线性度用实测值和与相应输入量成正比关系的理论值间最大偏差同满量程之比表示，即 式中，EL为仪器的线性度 ALmax为全量程内的实测值 与理论值间的最大偏差 H为全量程， 2024/8/233n漂移：漂移是指仪器的输出量随时间或外部环境变化而变化的程度。n零点漂移：用无输入信号和恒定环境条件下的仪器输出量在一定时间内的最大变化与满量程之比来表示，即 Dz 为零点漂移Amax 为指定时间内在输入量为零时输出量的最大变化H 为仪器的满量程 2024/8/234n温度漂移：用无
15、输入信号条件下仪器的输出量随环境温度的变化与仪器的满量之比来表示，即DT为温度漂移AT为环境温度变化T时引起的仪器输出量的变化H为仪器的满量程 2024/8/235n信噪比信噪比（SN=PsPn）n除被测信号以外的任何干扰都可称为噪声。n外部噪声：电磁场干扰；n内部噪声：电子器件的热噪声、粒散噪声和1/f噪声n在具体讨论放大电路放大微弱信号的能力时，常常用信噪比来描述在弱信号工作时的情况，定义为：信号功率Ps与噪声功率Pn之比2024/8/236n共模抑制比：共模抑制比：衡量生物电信号放大器对共模干扰的抑制能力（CMRR=AdAc）n为Ad差模增益， Ac为共模增益n共模抑制比主要由电路的对称
16、度决定，共模抑制比主要由电路的对称度决定，也是克服温度漂移的重要因素。也是克服温度漂移的重要因素。2024/8/237典型医学和生理学参数典型医学和生理学参数典型参数幅度范围频率范围检测方法心电（ECG)0.01-5mv0.05-100HZ表面电极脑电（EEG)2-200v0.1-100HZ电极肌电（EMG) 0.02-5mv5-2000HZ表面电极胃电（EGG) 0.01-1mvDC-1HZ表面电极心音（PCG)0.05-2000HZ心音传感器血流1-300ml/sDC-20HZ电磁超声学流计心输出量4-25L/minDC-20HZ染料稀释法心阻抗15-500DC-60HZ电极体温32-40
17、DC-0.1HZ温度传感器2024/8/238医学仪器的特殊性n噪声特性n个性差异与系统性n生理机能的自然性n接触界面的多样性n操作与安全性2024/8/239医学仪器的分类医学仪器的分类 医学仪器按用途可分为：医学仪器按用途可分为：n诊断用仪器诊断用仪器生物电诊断与监护仪器生理功能诊断与监护仪器人体组织成分的电子分析检验仪器人体组织结构形态的影像诊断仪器n理疗用仪器理疗用仪器 电疗仪/光疗仪/磁疗仪/超声波治疗n治疗用仪器治疗用仪器 起搏器/除颤器2024/8/240医学仪器的制约医学仪器的制约n被测生理量难接近性n生理数据变异性n生理系统间存在相互作用n人们缺乏对系统间相互关系的了解n传感
18、器对被测量影响n伪迹n能量限制n安全问题2024/8/241医学仪器的设计原则医学仪器的设计原则n信号因素n环境因素n医学因素n经济因素n时代因素2024/8/242医学仪器发展展望n与计算机相关的技术n分子医学技术n家庭与自我保健技术n微损伤仪器n器械与药物相结合的产品n采用硬件和组织工程组建的器官置换/辅助装置2024/8/243医学仪器的发展趋势医学仪器的发展趋势n医用硬件将变得更小，反映出智能化带来的更为综合的性能。n更小更简易的产品将使分散性护理应用更广。n产品的发展将大大冲破目前的界限。n产品技术的进步将促使临床手术空间和时间精度大大提高。2024/8/244问题讨论问题讨论n心电、心音信号分别用下列什么装置提取？ a)传感器和电极；b)电极和传感器nCMRR表示的是 a)灵敏度；b)共模抑制比；c)信噪比nB超和超声波治疗仪分别属于： a)诊断仪和理疗仪；b)理疗仪和诊断仪n医学仪器的结构大致可分为哪四个部分？
