醫(yī)學(xué)儀器概論課件

1、醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計(jì)主講 蔣欣9/30/20221學(xué)習(xí)本課程的目的和方法目的：1）各種各樣醫(yī)學(xué)儀器為醫(yī)生診治疾病提供了強(qiáng)有力的手段。2）新技術(shù)、新材料不斷發(fā)展，對(duì)從事生物醫(yī)學(xué)工程人員提出了更高要求。學(xué)習(xí)方法：博覽、勤查、多問(wèn)9/30/20222主要參考書(shū)：醫(yī)用電子儀器原理、構(gòu)造與維修 劉鳳軍主編 中國(guó)醫(yī)藥科技出版社 1997年醫(yī)學(xué)儀器齊頒揚(yáng)主編 高等教育出版社1991年生物醫(yī)學(xué)測(cè)量與儀器 王保華主編 復(fù)旦大學(xué)出 版社常用醫(yī)療電子設(shè)備閱圖與維修 李文峰等編 人民郵電出版社 1996年常用醫(yī)療診斷電子儀器 甘心照主編 南京大學(xué)出版社 1995年9/30/20223第一章 醫(yī)學(xué)儀器概論醫(yī)學(xué)儀器的發(fā)

2、展歷史人體系統(tǒng)的特征人體生理信號(hào)及其特征人-儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)醫(yī)學(xué)儀器的特性分類(lèi)及制約9/30/20224醫(yī)學(xué)儀器的發(fā)展歷史1903年威廉.愛(ài)因霍文研制成第一部心電圖機(jī)是醫(yī)學(xué)儀器的最早發(fā)明20世紀(jì)以來(lái)醫(yī)學(xué)儀器的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)旺盛時(shí)期新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn) 1932年以來(lái)心臟起搏器應(yīng)用于臨床 1950年后超聲診斷技術(shù)得到了飛速發(fā)展 1953年美國(guó)最早使用自動(dòng)生化裝置1963年Holter 采用存儲(chǔ)遙測(cè)技術(shù)診斷 1962年國(guó)外開(kāi)始建立ICU和CCU 60年代以來(lái)又發(fā)明了CT9/30/20225人體生理信息的種類(lèi)物理量：包括器官的生物電信息、磁信息、壓力、速度、流量、溫度、形態(tài)等化學(xué)量：O2、CO2、CO、H2O

3、、K、Na、Ca等以及多種生化參量 形態(tài)振動(dòng)壓力速度流量溫度生物電生物磁化學(xué)量各種圖像心音呼吸音血管音血壓心內(nèi)壓顱內(nèi)壓胃內(nèi)壓腸內(nèi)壓血流速神經(jīng)傳導(dǎo)速度血流量呼吸流量尿流量體表溫度口腔溫度血液溫度細(xì)胞電位心電腦電肌電心磁腦磁胃磁O2、CO2、CO、H2O、K、Ca生化參量等9/30/20227人體生理信息人體細(xì)胞電位單細(xì)胞電位：細(xì)胞膜內(nèi)、外的離子濃度差產(chǎn)生電位差。靜息電位：細(xì)胞未受刺激時(shí)，細(xì)胞膜內(nèi)外的電位差。動(dòng)作電位：因細(xì)胞受到刺激而造成的電位變化。細(xì)胞群電位循環(huán)系統(tǒng)生理信息心電、心音、血壓、脈搏、血流呼吸系統(tǒng)生理信息肺容量、呼吸氣體的成分9/30/20228生物信息的基本特點(diǎn)幅值小，頻率低，有的

4、接近于直流不穩(wěn)定性非線(xiàn)性概率性9/30/202210生物信息的類(lèi)型離散參量的離散信息 如：每天測(cè)量的白細(xì)胞數(shù)值離散參數(shù)的連續(xù)信息 如：每次給受檢者所測(cè)的體溫值連續(xù)參量的連續(xù)信息 如：心電波、腦電波連續(xù)參量的離散信息 如：不同灰度等級(jí)的醫(yī)學(xué)圖像信號(hào)通常生物信息具體為某種醫(yī)學(xué)生理參量時(shí)，就可直接稱(chēng)其為生物信號(hào)，簡(jiǎn)稱(chēng)信號(hào)。9/30/202211醫(yī)學(xué)儀器的結(jié)構(gòu)信息檢測(cè)系統(tǒng) 信息處理系統(tǒng) 輔助系統(tǒng) 記錄顯示系統(tǒng)9/30/202212傳感器傳感器(Transducer)又稱(chēng)為換能器或轉(zhuǎn)換器，是一種用來(lái)轉(zhuǎn)換能量形式的器件。醫(yī)用傳感器就是把人體中的非電量的生理參數(shù)，即物理和化學(xué)的能量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。醫(yī)用傳感

5、器根據(jù)變換能量的原理不同，分為有源傳感器和無(wú)源傳感器。9/30/202214有源和無(wú)源傳感器有源傳感器又稱(chēng)為主動(dòng)傳感器或直接傳感器，它可以把生物體非電參數(shù)直接轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，無(wú)需外加任何激勵(lì)能量或進(jìn)行載波信號(hào)的調(diào)制。如電磁傳感器、溫度傳感器和光電傳感器等無(wú)源傳感器又稱(chēng)為被動(dòng)傳感器，它是利用生物體的電阻、電容和電感性，外加激勵(lì)電壓或交流載波信號(hào)，把被測(cè)的非電生理參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。電阻式傳感器、電容式傳感器和電感式傳感器9/30/202215傳感器的特性要求具有良好的技術(shù)性能對(duì)被測(cè)組織損害小不干擾正常生理活動(dòng)有足夠的牢固性和安全性能適應(yīng)生物體內(nèi)化學(xué)作用易于操作維護(hù)和消毒9/30/202217電極 電

6、極是測(cè)量人體的電學(xué)量參數(shù)，它把人體內(nèi)的離子電流轉(zhuǎn)化為電路中的電流。分為：體表電極（金屬板電極、吸附電極）針型電極微電極。 電極材料一般為一些金屬AgZnAl等9/30/202218電極電極是測(cè)量人體的電學(xué)量參數(shù)，它把人體內(nèi)的離子電流轉(zhuǎn)化為電路中的電流。電極的分類(lèi)：1）按所用材料分：金屬電極、半導(dǎo)體電極、生物電極2）按外形結(jié)構(gòu)分：針狀電極、夾鉗電極、盤(pán)狀電極、吸附電極3）按使用時(shí)接觸身體的部位分：體表電極、體內(nèi)（或皮下）電極4）按用途分：測(cè)量電極和刺激電極9/30/202219信息處理系統(tǒng)其包括放大、識(shí)別（濾波）、變換、運(yùn)算等各種處理和分析信息處理系統(tǒng)被視為醫(yī)學(xué)儀器的核心9/30/202220記

7、錄顯示系統(tǒng)其作用是將處理后的生物信息變?yōu)榭晒┤藗冎苯佑^察的形式記錄與顯示設(shè)備按工作原理不同，可分為：直接描記式記錄器描筆偏轉(zhuǎn)式和自動(dòng)平衡式磁記錄器模擬式和數(shù)字式數(shù)字式顯示器熒光數(shù)碼管和液晶顯示器9/30/202221輔助系統(tǒng)該系統(tǒng)一般包括控制和反饋、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和運(yùn)輸、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生和外加能量源等。9/30/202222醫(yī)學(xué)儀器的特性與分類(lèi)醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性醫(yī)學(xué)儀器的特殊性醫(yī)學(xué)儀器的分類(lèi)9/30/202224醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性準(zhǔn)確度(精度): 衡量?jī)x器測(cè)量系統(tǒng)誤差的尺度。儀器的準(zhǔn)確度越高，它的測(cè)量值與理論值間的偏離越小。 理論值-測(cè)量值 準(zhǔn)確度= *100% 理論值9/30/202225靈敏

8、度：靈敏度是指儀器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化量和輸入變化量之比，可表示為：式中S為靈敏度，A0和Ai分別為輸出量變化和輸入量變化。 9/30/202227輸入阻抗與輸出阻抗輸入阻抗：與被測(cè)對(duì)象阻抗特性、使用電極或傳感器的類(lèi)型及生物體接觸界面有關(guān).輸入阻抗：指從一測(cè)量系統(tǒng)或線(xiàn)路環(huán)節(jié)的輸入端測(cè)得的系統(tǒng)自身的阻抗，即Zi為系統(tǒng)的輸入阻抗，Vi和Ii分別為從系統(tǒng)輸入端測(cè)得的輸入電壓和輸入電流 9/30/202228輸出阻抗：指從一測(cè)量系統(tǒng)或線(xiàn)路環(huán)節(jié)的輸出端測(cè)得的系統(tǒng)自身的阻抗，即Zo為系統(tǒng)的輸出阻抗Zh為輸出端接入的負(fù)載阻抗Vo和Vh分別為系統(tǒng)輸出端開(kāi)路和接入負(fù)載阻抗Zh時(shí)的輸出電壓 9/30/202229輸出

9、阻抗的計(jì)算V0Z0ZhVh9/30/202230頻率響應(yīng)：指儀器保持線(xiàn)性輸出時(shí)允許其輸入頻率變化的范圍，是衡量系統(tǒng)增益隨頻率變化的尺度。反映在輸入信號(hào)幅度恒定條件下輸出幅度與輸入正弦信號(hào)頻率關(guān)系的曲線(xiàn)稱(chēng)為幅頻特性曲線(xiàn)；反映輸出量與輸入正弦信號(hào)間的相角與輸入信號(hào)頻率關(guān)系的曲線(xiàn)稱(chēng)為相頻特性曲線(xiàn)。使儀器的輸出幅度隨頻率的變化不超過(guò)規(guī)定值（如3dB）的輸入信號(hào)頻率范圍稱(chēng)為響應(yīng)頻率，又稱(chēng)為通頻帶。9/30/202231非線(xiàn)性度：非線(xiàn)性度用實(shí)測(cè)值和與相應(yīng)輸入量成正比關(guān)系的理論值間最大偏差同滿(mǎn)量程之比表示，即 式中，EL為儀器的線(xiàn)性度 ALmax為全量程內(nèi)的實(shí)測(cè)值 與理論值間的最大偏差 H為全量程， 9/3

10、0/202232漂移：漂移是指儀器的輸出量隨時(shí)間或外部環(huán)境變化而變化的程度。零點(diǎn)漂移：用無(wú)輸入信號(hào)和恒定環(huán)境條件下的儀器輸出量在一定時(shí)間內(nèi)的最大變化與滿(mǎn)量程之比來(lái)表示，即 Dz 為零點(diǎn)漂移Amax 為指定時(shí)間內(nèi)在輸入量為零時(shí)輸出量的最大變化H 為儀器的滿(mǎn)量程 9/30/202233溫度漂移：用無(wú)輸入信號(hào)條件下儀器的輸出量隨環(huán)境溫度的變化與儀器的滿(mǎn)量之比來(lái)表示，即DT為溫度漂移AT為環(huán)境溫度變化T時(shí)引起的儀器輸出量的變化H為儀器的滿(mǎn)量程 9/30/202234信噪比（SN=PsPn）除被測(cè)信號(hào)以外的任何干擾都可稱(chēng)為噪聲。外部噪聲：電磁場(chǎng)干擾；內(nèi)部噪聲：電子器件的熱噪聲、粒散噪聲和1/f噪聲在具體

11、討論放大電路放大微弱信號(hào)的能力時(shí)，常常用信噪比來(lái)描述在弱信號(hào)工作時(shí)的情況，定義為：信號(hào)功率Ps與噪聲功率Pn之比9/30/202235共模抑制比：衡量生物電信號(hào)放大器對(duì)共模干擾的抑制能力（CMRR=AdAc）為Ad差模增益， Ac為共模增益共模抑制比主要由電路的對(duì)稱(chēng)度決定，也是克服溫度漂移的重要因素。9/30/202236典型醫(yī)學(xué)和生理學(xué)參數(shù)典型參數(shù)幅度范圍頻率范圍檢測(cè)方法心電（ECG)0.01-5mv0.05-100HZ表面電極腦電（EEG)2-200v0.1-100HZ電極肌電（EMG)0.02-5mv5-2000HZ表面電極胃電（EGG)0.01-1mvDC-1HZ表面電極心音（PCG)

12、0.05-2000HZ心音傳感器血流1-300ml/sDC-20HZ電磁超聲學(xué)流計(jì)心輸出量4-25L/minDC-20HZ染料稀釋法心阻抗15-500DC-60HZ電極體溫32-40DC-0.1HZ溫度傳感器9/30/202237醫(yī)學(xué)儀器的特殊性噪聲特性個(gè)性差異與系統(tǒng)性生理機(jī)能的自然性接觸界面的多樣性操作與安全性9/30/202238醫(yī)學(xué)儀器的分類(lèi)醫(yī)學(xué)儀器按用途可分為：診斷用儀器生物電診斷與監(jiān)護(hù)儀器生理功能診斷與監(jiān)護(hù)儀器人體組織成分的電子分析檢驗(yàn)儀器人體組織結(jié)構(gòu)形態(tài)的影像診斷儀器理療用儀器 電療儀/光療儀/磁療儀/超聲波治療治療用儀器 起搏器/除顫器9/30/202239醫(yī)學(xué)儀器的制約被測(cè)生理量難接近性生理數(shù)據(jù)變異性生理系統(tǒng)間存在相互作用人們?nèi)狈?duì)系統(tǒng)間相互關(guān)系的了解傳感器對(duì)被測(cè)量影響偽跡能量限制安全問(wèn)題9/30/202240醫(yī)學(xué)儀器的設(shè)計(jì)原則信號(hào)因素環(huán)境因素醫(yī)學(xué)因素經(jīng)濟(jì)因素時(shí)代因素9/30/202241醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展展望與計(jì)算機(jī)相關(guān)的技術(shù)分子醫(yī)學(xué)技術(shù)家庭與自我保健技術(shù)微損傷儀器器械與藥物相結(jié)合的產(chǎn)品采用硬件和組織工程組建的器官置換/輔助裝置9/30/202242醫(yī)學(xué)儀器的發(fā)展趨勢(shì)醫(yī)用硬件將變得更小，反映出智能化帶來(lái)的更為綜合的性能。更小更簡(jiǎn)