医用电子仪器.ppt

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1、 现代医学现代医学电子仪器电子仪器Medical Instrumentation常见的现代医学仪器医用医用X线诊断装置断装置计算机断算机断层成像系成像系统(CT)磁共振成像系磁共振成像系统(MRI)核医学核医学诊断断仪器及器及设备（ECT、PET）超声超声设备放射治放射治疗装置装置（钴60、X-刀、刀、-刀）刀）医用光学医用光学仪器器（医用内（医用内窥镜等）等）生理量生理量测量量仪器器（ECG、EMG、EEG、IBP、NIBP、SaO2）、）、监护仪电治治疗类设备（起搏器、除（起搏器、除颤器、高器、高频电刀）刀）生化分析生化分析类仪器（器（质谱仪、色、色谱仪、血气分析、血气分析、尿液分析等）尿

2、液分析等）其使用目的是其使用目的是:1、疾病的、疾病的预防、防、诊断、治断、治疗、监护或者或者缓解解2、损伤或残疾的或残疾的诊断、治断、治疗、监护、缓解或解或补偿3、解剖或生理、解剖或生理过程的研究、替代程的研究、替代或者或者调节4、妊娠控制、妊娠控制本门课程的内容医学仪器输入或输出的物理量输入或输出的物理量不是电压或电流不是电压或电流输入或输出的物理量输入或输出的物理量是电压或电流是电压或电流医学电子仪器医学电子仪器超声、放射等设备超声、放射等设备医学电子仪器医学电子仪器测量、诊断测量、诊断 治疗类仪器治疗类仪器心电心电脑电脑电肌电肌电诱发诱发电位电位监监护护仪仪血压血压测量测量仪器仪器心心

3、脏脏起起搏搏器器心心脏脏除除颤颤器器微弱信号处理微弱信号处理电气安全电气安全 高高频频电电刀刀主要主要参考书参考书1 1、余学飞，现代医学电子仪器原理与设计、余学飞，现代医学电子仪器原理与设计,华南理工大学出版社，华南理工大学出版社，200720072 2、John G.Webster,Medical Instrumentation John G.Webster,Medical Instrumentation Application and Design,Third edition,John Application and Design,Third edition,John Wiley&Son

4、s,INC.1998Wiley&Sons,INC.19983 3、吴建刚，现代医用电子仪器原理与维修，、吴建刚，现代医用电子仪器原理与维修，电子工业出版社，电子工业出版社，200520054 4、邓亲恺，现代医学仪器原理与设计，科学、邓亲恺，现代医学仪器原理与设计，科学出版社，出版社，20042004参考网站http:/ 实验成绩10 期末考试80第一章 医学仪器概述本章内容：1.生物信号特点2.医学电子仪器的结构和工作方式3.医学电子仪器的特性和分类4.医学电子仪器的设计原则第一节第一节 生物生物信号知识信号知识简介简介一、人体系统的一、人体系统的特征特征 人体是一个复人体是一个复杂的自然系

5、的自然系统，它是由神，它是由神经系系统、运、运动系系统、循、循环系系统、呼吸系、呼吸系统等分等分系系统组成，分系成，分系统间相互独立，相互独立，又保持有机又保持有机联系，共同系，共同维持生命持生命。器官器官的自控制系统的自控制系统 神经控制系统神经控制系统 内分泌控制系统内分泌控制系统 免疫控制系统免疫控制系统二、人体控制功能的特点负反馈负反馈机制机制双重支配双重支配性性多重多重层次性层次性适应性适应性非线形非线形三、生物信号的基本特征不稳定性不稳定性非线性非线性概率性概率性四、生物信号的检测与处理四、生物信号的检测与处理1.生物信号的生物信号的检测2.生物信号的生物信号的处理理针对生物信号的

6、特点采用不同的电极或传感器经过模数转换的信号在计算机中进行滤波、识别、分析等第二节：医学电子仪器的第二节：医学电子仪器的结构和结构和工作方式工作方式信号采集信号采集信号预处理信号预处理信号处理信号处理控制处理控制处理（CPU）记录记录/显示显示反馈反馈/控制控制刺激刺激/激励激励诱发诱发自发自发信号校准信号校准数据存储数据存储数据传输数据传输1.生物信号的采集系生物信号的采集系统 根据生物信息的特点，根据生物信息的特点，针对不不同的生理参量，采用不同的方式同的生理参量，采用不同的方式（传感器和感器和处理理电路）路）一、医学仪器的基本构成一、医学仪器的基本构成 2.生物信息的生物信息的处理理 为

7、了从了从检测到的信号中到的信号中获得更多的得更多的有用信息，同有用信息，同时使信息的特征更明确、使信息的特征更明确、更准确、更直更准确、更直观3.生物信息的生物信息的记录与与显示系示系统 直接描直接描记式式记录器器 存存储记录器器 数字式数字式显示器示器4.辅助系助系统二、医学仪器的工作方式二、医学仪器的工作方式直接和间接直接和间接实时和延时实时和延时间断和连续间断和连续模拟和数字模拟和数字 1.1.准确度（准确度（准确度（准确度（AccuracyAccuracy）2.2.精密度精密度精密度精密度(Precision)(Precision)3.3.输输入阻抗入阻抗入阻抗入阻抗(Input im

8、pedance)(Input impedance)4.4.灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度(Sensitivity)(Sensitivity)5.5.频频率响率响率响率响应应(Frequency response)(Frequency response)6.6.信噪比信噪比信噪比信噪比(Signal to Noise Ratio)(Signal to Noise Ratio)7.7.零点漂移零点漂移零点漂移零点漂移(Zero drift)(Zero drift)8.8.共摸抑制比共摸抑制比共摸抑制比共摸抑制比(CMRR common mode rejection(CMRR common mode re

9、jection ratio)ratio)一、一、一、一、医学仪器医学仪器医学仪器医学仪器的主要的主要的主要的主要技术特性技术特性技术特性技术特性（或称为静态参数（或称为静态参数static characteristicsstatic characteristics）第三节 医学仪器的特性与分类一、一、医学仪器医学仪器的主要技术特性的主要技术特性1.准确度（accuracy）准确度是衡量仪器测量系统误差的一个尺度。准确度定义为：影响仪器准确度的原因：影响仪器准确度的原因：元件的误差元件的误差指示或记录系统的机械误差指示或记录系统的机械误差系统频响欠佳引起的误差系统频响欠佳引起的误差因非线性转换引

10、起的误差因非线性转换引起的误差来自被测对象和测试方法的误差来自被测对象和测试方法的误差不存在准确度为零的仪器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的数值得接近程度。它不同于准确度，精密度高的仪器其准确度未必一定高。若两台仪器，在相同条件下使用，就容易比较出准确度与精密度的不同。一、一、医学仪器医学仪器的主要技术特性的主要技术特性与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度)精确度准确度准确度：说明仪器输出值：说明仪器输出值与真值的偏离程度与真值的偏离程度。如。如,某某流量仪器的准确度为流量仪器的准确度为

11、0.3m3/s，表示该测量仪器的输出，表示该测量仪器的输出值与真值偏离值与真值偏离0.3m3/s。准确度是系统误差大小的标志，。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定精密度高。精密度高。精密度精密度：说明测量仪器输出值的说明测量仪器输出值的分散性分散性，即对某一稳，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个仪器，在相定的被测量，由同一个测量者，用同一个仪器，在相当短的时间内当短的时间内连续重复测量多次连续重复测量多次，其测量结果的分散，其测量结果的分散程度。例如，某测温仪器的精密度为程度。例如，某测温仪器的精

12、密度为0.5。精密度是。精密度是随即误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。随即误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。注意：精密度高不一定准确度高。精确度精确度：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的代数和。机器的常以测量误差的相对值表示。（a）准确度高而精密度低 （b）准确度低而精密度高 （c）精确度高 在测量中我们希望得到精确度高的结果。3.输入阻抗（input impedance）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，表达式为：若仪器使用的传感器作非

13、电参数测量，对于一个压力传感器而言，其输入阻抗Z为被测量的输入变量X1和另一个变量X2的比值，即：其功率P为：一般生物电放大器的输入阻抗应比他本身的阻抗大100倍以上才能满足要求。一、一、医学仪器医学仪器的主要技术特性的主要技术特性输入阻抗反映一个系统对其前一级系统的功率要求，输入阻抗越高，它从前一级所吸取的电流越小，因而越容易与前一级系统相连接，不致引起前级输入信号的改变。许多生物信号都很微弱，不能像测量仪器提供较大的电流，否则将会引起被测量的生物信号发生变化（如幅度衰减）。因此要求用于生物医学测量的仪器具有很高的输入阻抗，例如生物电放大器的输入阻抗一般为210兆欧，用于测量细胞单位的微电极

14、放大器的输入阻抗高达数十至数百兆欧。4.灵敏度（sensitivity）当输入为单位输入量时，输出量的大小即为灵敏度的值。灵敏度表示法：灵敏度表示法：生物电位生物电位 v/cmv/cm、mv/cmmv/cm、v/cmv/cm压力压力mmHg/mmHg/刻度刻度心率心率每分钟心博数每分钟心博数/刻度刻度心率间隔心率间隔 s/cms/cm、ms/cmms/cm、s/cms/cm一、一、医学仪器医学仪器的主要技术特性的主要技术特性5.频率响应（frequency response）频率响应是指仪器保持线性输出时允许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。一般的医学仪器要求在通频带内

15、应有平坦的响应。一、一、医学仪器医学仪器的主要技术特性的主要技术特性6.信噪比（signal to noise ratio）信噪比信噪比定义：信号功率定义：信号功率P PS S与与噪声功率噪声功率P PN N之比之比 考察考察医学仪器信噪比的指标常用内部噪声电压医学仪器信噪比的指标常用内部噪声电压U Uni ni（设外部噪声为零）（设外部噪声为零）常用对数形式来表示：其中，Uni为输入端短路时的内部噪声电压；Uno为输出端噪声电压；AU为电压增益。一、一、医学仪器医学仪器的主要技术特性的主要技术特性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

16、值而上、下飘动、缓慢变化的现象称为零点漂移。造成零点漂移的原因：造成零点漂移的原因：环境温度及湿度的变化环境温度及湿度的变化滞后现象滞后现象冲击冲击振动振动不希望的对外力的敏感性，制造上的误差等不希望的对外力的敏感性，制造上的误差等一、一、医学仪器医学仪器的主要技术特性的主要技术特性8.共模抑制比（common mode rejection ratio）衡量放大差模信号和抑制共模信号的能力为共模抑制比，用下式表示：差差模增益模增益共模增益共模增益共模抑制比（CMRR）是衡量诸如心电、脑电、肌电等生物电放大器对共模干扰抑制能力的一个重要指标 共模抑制比主要由电路的对称性决定，也是克服温度漂移的重

17、要因素。一、一、医学仪器医学仪器的主要技术特性的主要技术特性二、医学仪器的特殊性二、医学仪器的特殊性 被作用对象（人）的特殊性决定了医学被作用对象（人）的特殊性决定了医学仪器的特殊性仪器的特殊性 1.噪声特性噪声特性 2.个体差异与系个体差异与系统性性 3.生理机能的自然性生理机能的自然性 4.接触界面的多接触界面的多样性性 5.操作与安全性操作与安全性（一）噪声特性（一）噪声特性 从从人人体体拾拾取取的的生生物物信信号号不不仅幅幅度度微微小小，而而且且频率率也也低低。必必须尽尽量量采采取取各各种种抑抑制制措措施施，使使噪噪声声影影响响减减至至最最小小。一一般般来来说，限限制制噪声比放大信号更

18、有意噪声比放大信号更有意义。（二）个体差异与系（二）个体差异与系统性性 人人体体个个体体差差异异相相当当大大，用用医医学学仪器器作作检测时，应从从适适应人人体体的的差差异异性性出出发，要有相，要有相应的的测量手段。量手段。人体又是一个复人体又是一个复杂的系的系统，测定定人体某部分的机能状人体某部分的机能状态时，必，必须考考虑与之相关因素的影响。要与之相关因素的影响。要选择适当的适当的检测方法，消除相互影响，保持人体方法，消除相互影响，保持人体的系的系统性相性相对稳定。定。（三）生理机能的自然性（三）生理机能的自然性在在检测时，应防止防止仪器（探器（探头）因接触而造成被因接触而造成被测对象生理机

19、能的象生理机能的变化。因化。因为只有保只有保证人体机能人体机能处于于自然状自然状态下，所下，所测得的信息才是可得的信息才是可靠的、准确的。靠的、准确的。（四）接触界面的多（四）接触界面的多样性性为了能了能测得人体的生物信息、得人体的生物信息、必必须使使传感器（或感器（或电极）与被极）与被测对象象间有一个合适的、接触良好有一个合适的、接触良好的接触界面。的接触界面。（五）操作与安全性（五）操作与安全性 在在医医学学仪器器的的临床床应用用中中，操操作作者者为医医生生或或医医辅人人员，因因此此要要求求医医学学仪器器的的操操作作必必须简单、方方便便、适适用和可靠。用和可靠。另外，医学另外，医学仪器的器

20、的检测对象是人象是人体，体，应确保确保电气安全、气安全、辐射安全、射安全、热安全和机械安全，使得操作者和安全和机械安全，使得操作者和受受检者均者均处于于绝对安全的条件下。安全的条件下。三、典型医学参数三、典型医学参数表1-1 典型医学和生理学参数典型参数典型参数幅度范围频率范围使用电极类型心电（心电（ECG）0.015mV0.05100Hz表面电极脑电（脑电（EEG）2200V0.1100Hz帽状、表面或针状电极肌电（肌电（EMG）0.025mV52000Hz表面电极胃电（胃电（EGG）0.011mVDC1Hz表面电极心音（心音（PCG）0.052000Hz心音传感器血流（主动脉）血流（主动脉

21、）1300mL/sDC20Hz电磁超声血流计输出量输出量425L/minDC20Hz染料稀释法心阻抗心阻抗15500DC60Hz表面电极、针电极体温体温3240DC0.1Hz温度传感器第四节：生理系统的建模与仪器设计一一 模型：模型：是对相应的真实对象和真实关系中那些有用的和令人感兴趣的特性的抽象，是对系统某些本质方面的描述，它以各种可用的形式提供被研究系统的描述信息。1代表性2简化性3有效性二二 建模：建模：建立一个在某一特定方面与真实系统具有相似性的系统，真实系统成为原型，而这种相似性的系统就成为该原型系统的模型。对于生理系统，原型一般为真实的活体系统，而模型则为与这些活体系统在某些方面相

22、似的系统。生理系生理系统建模的目的：建模的目的：为了更好地了解生物了更好地了解生物系系统的行的行为及及规律，律，为生物控制奠定基生物控制奠定基础。三三 生理系生理系统建模的意建模的意义：1.为研制医学研制医学仪器提供理器提供理论基基础。2.用于人体疾病用于人体疾病诊断、断、预报、相关参数的自适、相关参数的自适应控制。控制。3.为生物学、生理学、仿生学等学科的研究提生物学、生理学、仿生学等学科的研究提供一种新的研究手段和方法。供一种新的研究手段和方法。生理系生理系统建模的特点：建模的特点：1、理想化 2、抽象化 3、简单化生理系生理系统建模的建模的过程：程：1、建立模型结构两个前提：1细化模型研

23、究的目的；2了解有关特定的建模目标与系统结构性质之间的关系。模型结构的性质：1相似性 2简单性 3多面性 2、为所建立的模型结构提供数据三三类模型模型：1 物理模型：按照真物理模型：按照真实系系统的性的性质而构造的而构造的实体模型体模型（1）几何相似模型（2）力学相似模型（3）生理特性相似模型（4）等效电路模型特点：直特点：直观；可；可长时间重复重复实验；可；可为数学模型的数学模型的建立提供数据建立提供数据2 数学模型：用数学表达式或数学模型：用数学表达式或计算机程序来描述事物算机程序来描述事物的数学特性的数学特性特点：可较好地刻画系统内在的数量联系，从而定特点：可较好地刻画系统内在的数量联系

24、，从而定量的探求系统的运转规律。量的探求系统的运转规律。两方面：（1）对系统中各个作用环节的描述（2）表征系统的固有量的提取建立数学模型的两种方法：（1）黑箱方法（2）推导方法3 描述模型：一种抽象的不能用数学方程表达，只能描述模型：一种抽象的不能用数学方程表达，只能用用语言描述的系言描述的系统模型模型 构建生理模型的常用方法与实例理论分析法 理论分析指应用自然科学中已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。实例临床中血氧饱和度的无创检测 引用物理光学中的朗伯比尔定律进行建模。临床背景介绍血氧饱和度是人类呼吸循环的重要生理参数。在麻醉

25、手术需要进行连续的血氧监测。能提供病人体内的氧合状况。血氧饱和度是表示血液中血氧的浓度，是被氧结合的氧合血红蛋白的容量占全部血红蛋白的容量的百分比。对血氧饱和度的检测分为有创和无创两种。传统有创检测是对血液抽样后进行血气分析。无创检测是利用分光光度测定原理。基本原理：由于血液中不同成分对同一种光线的吸收率各不相同，通过测量穿过血液中不同光线的衰减程度，可以换算出血液中不同成分的含量。实验观察 当我们用单色光垂直照射人体手指末端时候，在另一端用光电管接收投射光，发现光强明显减弱。这时用滤波器滤波后的电流分为两部分。一部是直流，一部是交流。在光线穿过手指透射后，观察发现血液中氧合血红蛋白与还原血红

26、蛋白对特定不同波长光的吸收率相差很大实验观察 交流成分的波峰与波谷对应的是心血管系统的收缩与舒张，对应的是动脉血液中脉动的成分。其他部分与时间无关，出现光容积脉搏波。理论分析 朗伯比尔定律指出，入射光强与出射光强有一定的关系公式。D表示吸光度，表示吸光系数，I0表示入射光强，I表示透射光强，C表示溶液的浓度，d表示所传过的厚度路径。模型的简单考虑血液中的成分：氧合血红蛋白，还原血红蛋白。如果物质中存在两种或者两种以上的成分，要确定其成分含量及浓度，就要采用双波长或者多波长的方法。血液静止不动。组织模型由两部分组成：无血组织表现为固定的光吸收，图中的直流部分，动脉血管则为脉动变化的光吸收，图中的

27、交流变化信号。动脉血的血氧饱和度。两种波长的光的合理选择很重要。需要了解所测物质所含成分的吸光系数随波长的变化情况。脉搏传感器接收的信号包含两种成分，以直流和交流的形式存在。用电路的方法加以区分，以获得动脉波动的血液信号和参考直流信号。血液流动 当动脉搏动，血管舒张，动脉血的容积发生变化时候，假设导致动脉血的光程由d增加到d,而舒张期的吸收作为背景保持不变光程d，这时相应的透射光强由 透射光中交流成分占直流量的百分比远小于1朗伯比尔定律可以写成当选择合适的光源时，仪器设计 根据数学模型，仪器中的设备应满足的条件。发射部分，接受部分，测量的物理量部分。系统的数据处理，结果显示。光源的适当选择。第

28、五节 生物医学仪器的设计原则与步骤一、设计原则一、设计原则1.信号因素：考虑所获取的生物电信号的大小和相位及其幅频响应和相位响应。2.环境因素：应考虑其在特定的使用环境中所提出的技术要求。3.医学因素：考虑仪器与人体之间的作用方式，要求设计成创伤性的，还是设计成无创伤性的。4.经济因素：考虑仪器的价格、使用寿命、可靠性和兼容性，提高经济效益。5.时代因素：尽量使用时代的先进技术。仪器设计时必须做的几项工作仪器设计时必须做的几项工作1、寻找找设计灵感（灵感（ideas）2、对设计灵感灵感进行可行性分析行可行性分析3、进行技行技术可行性分析可行性分析4、进行生行生产、市、市场可行性分析可行性分析5、制定、制定产品品标准准6、样机研制及机研制及产品品质量量检测7、动物及物及临床床试验8、医、医疗仪器新器新产品的品的审批和注册批和注册 医学仪器设计步骤