第1課生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)概論課件

1、精密儀器與光電子工程學(xué)院周鵬2009.2生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)電子學(xué) 問(wèn)題1：生物醫(yī)學(xué)工程的內(nèi)涵與外延？ 問(wèn)題1：生物醫(yī)學(xué)工程的內(nèi)涵與外延？ 生物醫(yī)學(xué)工程（Biomedical Engineering, BME）是綜合生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和工程學(xué)的理論和方法而發(fā)展起來(lái)的新興邊緣學(xué)科，其基本任務(wù)是運(yùn)用工程技術(shù)手段，研究和解決生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中的有關(guān)問(wèn)題，揭示人體奧秘，造福人類。多學(xué)科的交叉，使她不同于那些經(jīng)典的學(xué)科，也有別于生物學(xué)和純粹的工程學(xué)科。由于她在保障人類健康和為疾病的預(yù)防、診斷、治療、康復(fù)等方面起著巨大作用，發(fā)達(dá)國(guó)家均將它列入高技術(shù)領(lǐng)域，投巨資予以發(fā)展。 生物醫(yī)學(xué)工程（Bi

2、omedical Engi 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的研究以應(yīng)用基礎(chǔ)性研究為主，其領(lǐng)域十分廣泛，并在不斷擴(kuò)展?，F(xiàn)階段它所涉及的研究領(lǐng)域主要有生物力學(xué)、生物材料、人工器官、生物系統(tǒng)的建模與控制、物理因子的生物效應(yīng)、生物系統(tǒng)的質(zhì)量與能量傳遞、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的檢測(cè)與傳感器原理、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理方法、醫(yī)學(xué)成像和圖象處理方法、治療與康復(fù)的工程方法等。與分子生物學(xué)相結(jié)合，加強(qiáng)細(xì)胞和分子水平的研究，是生物醫(yī)學(xué)工程發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。利用多學(xué)科交叉的優(yōu)勢(shì)來(lái)揭示人類思維和認(rèn)知的奧秘，是21世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的一個(gè)主攻方向。同時(shí)，微創(chuàng)傷手術(shù)、老年醫(yī)學(xué)、家庭健康監(jiān)護(hù)和遠(yuǎn)程醫(yī)療等正在成長(zhǎng)為新的研究領(lǐng)域。 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的研究以應(yīng)

3、用基礎(chǔ)性研究為主，其問(wèn)題2：醫(yī)學(xué)儀器在生物醫(yī)學(xué)工程中的地位?問(wèn)題2：醫(yī)學(xué)儀器在生物醫(yī)學(xué)工程中的地位?第1課生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)概論課件第1課生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)概論課件第1課生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)概論課件第1課生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)概論課件第一章 生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)概論第一章 生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)概論一、電子學(xué)在生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)中的作用1842 年物理學(xué)家Nobeli首次用靜電計(jì)方法記錄出蛙肌電圖； 1903年，荷蘭生理學(xué)家WEinthoven采用弦線型電流計(jì)，利用光學(xué)放大原理在感光板上記錄了第一個(gè)實(shí)用的心電圖，這是現(xiàn)代心電圖的雛形。1929年，德國(guó)醫(yī)生Hans Berger用檢流計(jì)在開顱的情況下記錄了人的腦電圖，從此揭開了人類認(rèn)識(shí)

4、大腦的新紀(jì)元。 一、電子學(xué)在生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)中的作用1842 年物理學(xué)家Nob 簡(jiǎn)單的生物電的發(fā)現(xiàn)和測(cè)量歷史表明，電子學(xué)與生命科學(xué)的結(jié)合已有150年的歷史。 現(xiàn)代科學(xué)研究表明：生命的最小單位是細(xì)胞，而存在電活動(dòng)是細(xì)胞表現(xiàn)生命活性的基本特征。換言之，生命的本質(zhì)在于“電”。因此通過(guò)檢測(cè)細(xì)胞或生物組織的電活動(dòng)，可以了解細(xì)胞或生物組織的生理狀態(tài)或病理狀態(tài)。 簡(jiǎn)單的生物電的發(fā)現(xiàn)和測(cè)量歷史表明，電子學(xué)與 正如測(cè)量?jī)x器是人們感官的功能與能力的延伸一樣，通過(guò)各種各樣的傳感器也可以將檢測(cè)生物“電”延伸到測(cè)量溫度、壓力、流量、成份、成像、，通過(guò)這些測(cè)量，人們可以研究各種生命現(xiàn)象，診斷各種疾病。 （1）、 電子學(xué)在生

5、命科學(xué)與醫(yī)學(xué)中的一個(gè)作用是測(cè)量生理參數(shù)和成份分析以及成像。 正如測(cè)量?jī)x器是人們感官的功能與能力的延伸一樣神經(jīng)肌肉電刺激是指利用低頻脈沖電流，刺激神經(jīng)或肌肉，引起肌肉收縮，提高肌肉功能，治療神經(jīng)肌肉疾患的一種方法。國(guó)外將電刺激用于癱瘓治療已有40多年的歷史 。用于治療心臟驟停的必需裝置心臟起搏器。 目前治療帕金森病最有效的腦深部刺激器腦起搏器。神經(jīng)肌肉電刺激是指利用低頻脈沖電流，刺激神經(jīng)或肌肉，引起肌肉 以上例子，電子學(xué)的作用是直接控制并輸出到生物組織以到達(dá)治療或康復(fù)的效果。 其他物理量用于治療：如微波、激光、射線（刀），磁場(chǎng)，這些運(yùn)用各種物理量的現(xiàn)代治療儀器和康復(fù)儀器中必須采用電子學(xué)的方法來(lái)進(jìn)

6、行控制。 （2）、電子學(xué)在生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)中的另一個(gè)作用是用于控制。 以上例子，電子學(xué)的作用是直接控制并輸出到生物 人們將電子學(xué)應(yīng)用到生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)中的同時(shí)，也從生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)的研究中獲取許多有益的啟發(fā)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) （3）、生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)的進(jìn)展也啟迪和促進(jìn)了電子學(xué)的發(fā)展。 人們將電子學(xué)應(yīng)用到生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)中的同時(shí)，也從生命科生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)的概念用電子學(xué)的方法去解決生物醫(yī)學(xué)中的問(wèn)題、提供臨床上的診、療手段和基礎(chǔ)研究所需的手段，同時(shí)，通過(guò)生物學(xué)的研究中向大自然學(xué)習(xí)。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)的概念用電子學(xué)的方法去解決生物醫(yī)學(xué)中的問(wèn)題、二、本課程的教學(xué)安排與學(xué)習(xí)方法二、本課程的教學(xué)安排與學(xué)習(xí)方法1考試好消息！教

7、學(xué)安排A下節(jié)課公布考題 ，第7周抽題，第13周答辯，第16周演示。B評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)： 設(shè)計(jì)報(bào)告30 測(cè)試報(bào)告30 制作與演示40C累積3次缺課（含實(shí)驗(yàn)）、缺作業(yè)或其他嚴(yán)重 違紀(jì)，不準(zhǔn)參加考試。制作的電路不能達(dá)到設(shè) 計(jì)要求，不能通過(guò)。D申請(qǐng)樣片和自費(fèi)購(gòu)買器件。1考試好消息！教學(xué)安排A下節(jié)課公布考題 教學(xué)安排2作業(yè)每周三道自問(wèn)自答題（27周，共6次作業(yè)）：A內(nèi)容：書本上的問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題、任何你認(rèn)為是“問(wèn)題”的問(wèn)題；B要求：不能“抄”，對(duì)自己有幫助。但自己回答不全、不準(zhǔn)、甚至不能回答的問(wèn)題均可以。C 作業(yè)網(wǎng)上提交，在求實(shí)BBS建立班級(jí)俱樂(lè)部。作業(yè)采用word編輯，文件名和作業(yè)首行的格式為： “學(xué)號(hào)姓名

8、作業(yè)序號(hào)”，例如：“081234567郝銅雪1 ”D 每周日晚12時(shí)前將本周作業(yè)上傳。 教學(xué)安排2作業(yè)每周三道自問(wèn)自答題（27周，共6次作業(yè)）教學(xué)安排3實(shí)驗(yàn)有4次“計(jì)劃”的實(shí)驗(yàn)。希望不僅是要預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還要在認(rèn)真完成實(shí)驗(yàn)基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，盡量多學(xué)習(xí)儀器的使用、測(cè)試的方法、提高或改變電路的參數(shù)、嘗試。做得多，學(xué)得多；碰到的問(wèn)題越多，學(xué)到的東西越多，本領(lǐng)越大。應(yīng)該注意：（1）安全；（2）愛(ài)護(hù)公物；（3）實(shí)驗(yàn)后必須整理好儀器與器材、做好衛(wèi)生。教學(xué)安排3實(shí)驗(yàn)有4次“計(jì)劃”的實(shí)驗(yàn)。希望不僅是要預(yù)習(xí)實(shí)建議學(xué)習(xí)方法孔子論學(xué)習(xí)的三個(gè)層次： 知之，好之，樂(lè)之2. 適應(yīng)本課程學(xué)習(xí)的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折與標(biāo)志： 分析綜合

9、（設(shè)計(jì)）需要學(xué)習(xí)的三個(gè)層面： 器件，電路，系統(tǒng) 5. 學(xué)習(xí)的三句話： 學(xué)以致用，講究實(shí)效，實(shí)事求是4. 學(xué)習(xí)的三個(gè)方面：本課程的理論本課程的實(shí)踐本課程與其他課程的結(jié)合建議學(xué)習(xí)方法孔子論學(xué)習(xí)的三個(gè)層次：2. 適應(yīng)本課程學(xué)習(xí)的學(xué)以致用：通過(guò)實(shí)踐培養(yǎng)學(xué)生的興趣、產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)，驗(yàn)證理論知識(shí)、檢驗(yàn)應(yīng)用能力，使學(xué)生徹底擺脫應(yīng)試的怪圈。 講究實(shí)效：運(yùn)用各種傳統(tǒng)和現(xiàn)代的教學(xué)手段和方式。通過(guò)課堂提問(wèn)和討論、發(fā)揮多媒體的優(yōu)勢(shì)、讓學(xué)生自擬習(xí)題和通過(guò)實(shí)驗(yàn)、閱覽和BBS討論等培養(yǎng)學(xué)生綜合能力。 實(shí)事求是：以全面提高學(xué)生的能力與素質(zhì)為目的，將教學(xué)的視野從本課程的課堂擴(kuò)展到對(duì)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)以及與其他課程的銜接進(jìn)行全方位、綜

10、合、系統(tǒng)地進(jìn)行教學(xué)改革。 學(xué)以致用：通過(guò)實(shí)踐培養(yǎng)學(xué)生的興趣、產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)，驗(yàn)證理論知識(shí)最正確的學(xué)習(xí)方法： 實(shí)踐！學(xué)習(xí)！ 再實(shí)踐！再學(xué)習(xí)！最正確的學(xué)習(xí)方法：學(xué)習(xí)資源1、精品課程網(wǎng)站：7/courses/shengwu/index.php2、教材與參考書生物醫(yī)學(xué)電子學(xué) 實(shí)用電子技術(shù)1000問(wèn)電路學(xué)習(xí)與分析實(shí)例解析3、老師，實(shí)驗(yàn)室，同學(xué)4、圖書館與internet學(xué)習(xí)資源1、精品課程網(wǎng)站：http:/202.113.13第1課生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)概論課件三、 醫(yī)學(xué)儀器的概念，分類和特點(diǎn)（一）、醫(yī)學(xué)儀器的概念 指單獨(dú)或者組合使用于人體的儀器、設(shè)備、器具、材料或者其他物品，包括所需要的軟件；其用于人體體表及體

11、內(nèi)的作用不是用藥理學(xué)、免疫學(xué)或者代謝的手段獲得，但是可能有這些手段參與并起一定的輔助作用；其使用旨在達(dá)到下列預(yù)期目的：1、對(duì)疾病的預(yù)防、診斷、治療、監(jiān)護(hù)、緩解；2、對(duì)損傷或者殘疾的診斷、治療、監(jiān)護(hù)、緩解、補(bǔ)償；3、對(duì)解剖或者生理過(guò)程的研究、替代、調(diào)節(jié)；4、妊娠控制。 三、 醫(yī)學(xué)儀器的概念，分類和特點(diǎn)（一）、醫(yī)學(xué)儀器的概念 從輸入和輸出關(guān)系來(lái)分： 測(cè)量?jī)x器（或系統(tǒng)），如簡(jiǎn)單的心電圖機(jī) 控制儀器（或系統(tǒng)），如簡(jiǎn)單的除顫?rùn)C(jī) 測(cè)控儀器（或系統(tǒng)），如按需起搏器（二）、醫(yī)學(xué)儀器的分類 從輸入和輸出關(guān)系來(lái)分：（二）、醫(yī)學(xué)儀器的分類從臨床應(yīng)用功能來(lái)分（最常用的分類方式）： 診斷儀器（或設(shè)備） 治療儀器（或設(shè)備

12、） 輔助儀器（或設(shè)備）從臨床應(yīng)用功能來(lái)分（最常用的分類方式）：生理信息監(jiān)測(cè)儀器 ：心電圖機(jī)、腦電圖機(jī) 、床邊監(jiān)護(hù)系統(tǒng) 、動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)儀 、胎兒監(jiān)護(hù)儀 、血氧飽和度監(jiān)護(hù)儀 醫(yī)用成像儀器 ：X射線診斷儀器（普通、數(shù)字化）、X線計(jì)算機(jī)斷層掃描儀(CT) 、核醫(yī)學(xué)成像裝置 (PET)、超聲診斷儀器 (B超,彩超)、磁共振成像儀器、 熱成像儀器(紅外) 醫(yī)用檢驗(yàn)儀器 ：生物傳感器 、生化分析儀 、血?dú)夥治鰞x、 血細(xì)胞分類儀 醫(yī)用光學(xué)儀器 ：內(nèi)窺鏡 、光學(xué)顯微鏡 、激光儀器 、眼科光學(xué)儀器（自動(dòng)眼壓計(jì)、自動(dòng)驗(yàn)光機(jī)、視野測(cè)定儀、角膜地形圖、眼底照相及眼底圖象分析設(shè)備等）診斷儀器生理信息監(jiān)測(cè)儀器 ：心電圖機(jī)、

13、腦電圖機(jī) 、床邊監(jiān)護(hù)系統(tǒng) 、動(dòng)人工器官： 人工心臟、瓣膜、人工關(guān)節(jié)、假肢 、人工肝、人工腎 、人工肺、人工聽(tīng)覺(jué)、人工角膜、人工晶體等 物理治療儀器微波高溫治療儀 放射治療裝置 ：鈷60 、直線加速器 、X刀 、刀 高頻治療設(shè)備 ：電刀 、射頻消融 超聲治療設(shè)備 ：體外沖擊波碎石機(jī) 、超聲乳化白內(nèi)障手術(shù)儀 激光治療設(shè)備 ：激光刀 、眼科激光準(zhǔn)分子激光角膜屈光矯正、 皮膚美容激光器 利用機(jī)械能的設(shè)備 ：呼吸機(jī) 利用磁場(chǎng)治療的設(shè)備：低頻磁場(chǎng)治療儀治療儀器人工器官：治療儀器 一部分與醫(yī)療有關(guān)的儀器或軟件,既不直接用于作疾病診斷，也不直接用于疾病的治療，但在現(xiàn)代醫(yī)療中占有極其重要的作用,這些是醫(yī)學(xué)輔助設(shè)

14、備。醫(yī)學(xué)信息系統(tǒng)： 包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及與此相應(yīng)的醫(yī)院信息系統(tǒng)、地區(qū)醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程醫(yī)療設(shè)備、面向家庭的醫(yī)療技術(shù)、人工智能與專家系統(tǒng)、以及近年來(lái)迅速發(fā)展的PACS系統(tǒng)（圖像存儲(chǔ)于傳輸系統(tǒng)），電子病例等。其它輔助設(shè)備：包括消毒滅菌設(shè)備、照明設(shè)備（如無(wú)影燈、圖片燈）、中心供氧和制氧設(shè)備、廢物處理設(shè)備、手術(shù)臺(tái)、電源系統(tǒng)和電安全監(jiān)護(hù)器、制冷設(shè)備和空調(diào)設(shè)備、血庫(kù)設(shè)備、制藥機(jī)械設(shè)備等。輔助儀器 一部分與醫(yī)療有關(guān)的儀器或軟件,既（三）、醫(yī)學(xué)儀器的特點(diǎn)生物信號(hào)弱小，而干擾強(qiáng)大。信號(hào)可能只有干擾的千分之一，給測(cè)量造成很大難度。要考慮電極或傳感器對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響；能量的限制，我們不可能為了提高信噪比或提高治療效果

15、而無(wú)限制地提高外加能量，這會(huì)造成機(jī)體的損傷；對(duì)被測(cè)體必須是無(wú)害的，最理想的是無(wú)損傷的。安全考慮，由于病人本身已比較衰弱，安全問(wèn)題就比較突出。 （三）、醫(yī)學(xué)儀器的特點(diǎn)生物信號(hào)弱小，而干擾強(qiáng)大。信號(hào)可能只有三、醫(yī)學(xué)儀器的一般結(jié)構(gòu)三、醫(yī)學(xué)儀器的一般結(jié)構(gòu)四、醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)要遵循自上而下的原則。先從整體考慮：被測(cè)量的量是什么？信號(hào)的大小與頻率？要控制什么？?jī)x器的測(cè)量與控制的精度、性能。儀器的使用條件。儀器所具有的功能。 如信號(hào)的顯示、記錄、存儲(chǔ)及其它一些功能。儀器的成本、設(shè)計(jì)或研發(fā)的時(shí)間，工藝條件。四、醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)要遵循自上而下的原則。先從整體考慮：五.醫(yī)學(xué)測(cè)量?jī)x器中的噪聲、干擾(1) 電阻熱噪聲 噪聲是

16、被測(cè)對(duì)象和儀器內(nèi)部固有的，而干擾則是被測(cè)對(duì)象和儀器以外的原因造成的。噪聲和干擾是弱信號(hào)檢測(cè)的一個(gè)主要限制因素。 五.醫(yī)學(xué)測(cè)量?jī)x器中的噪聲、干擾 噪聲是被測(cè)對(duì)象 假定有一個(gè)1k的電阻，在常溫20工作，帶寬為1kHz，由上式可計(jì)算得到電阻的熱噪聲為0.127V，這樣小的值只有經(jīng)過(guò)高增益放大才有可能在普通的示波器上觀察到。但在許多醫(yī)學(xué)測(cè)量?jī)x器中，前置放大器的輸入阻抗常常在10M以上（由于信號(hào)源的輸入阻抗也接近、甚至超過(guò)這個(gè)數(shù)量級(jí)左右），這時(shí)計(jì)算得到的熱噪聲為12.7V。 假定有一個(gè)1k的電阻，在常溫20工作，帶寬為1k分配噪聲：在晶體管中，由于發(fā)射極注入基區(qū)的載流子在與基區(qū)本身的載流子復(fù)合時(shí)，載流子

17、的數(shù)量時(shí)多時(shí)少；因而引起基區(qū)載流子復(fù)合率有起伏，導(dǎo)致集電極電流與基極電流的分配有起伏，最后造成集電極電流的起伏，這種噪聲稱為分配噪聲，分配噪聲不是白噪聲，它與頻率有關(guān)；頻率越高，噪聲也越大。散粒噪聲：在晶體管中，載流子的遷移速度不會(huì)相同，致使在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)PN結(jié)空間電荷區(qū)的載流子數(shù)目有起伏，因而引起通過(guò)PN結(jié)的電流在某一電平上有一個(gè)微小的起伏，這種起伏就是所謂散粒噪聲。散粒噪聲與流過(guò)PN結(jié)的直流電流成正比。散粒噪聲也是白噪聲，它的頻譜范圍很寬，但在低頻段占主要地位。 1/f噪聲：晶體管的1/f噪聲主要是由半導(dǎo)體材料本身和表面處理等因素引起的。其噪聲功率與工作頻率f近似成反比關(guān)系，故稱1/f噪

18、聲，頻率越低，1/f噪聲越大，故1/f噪聲亦稱為“低頻噪聲”。(2) 晶體管噪聲(2) 晶體管噪聲（3）磁場(chǎng)干擾及其抑制 磁場(chǎng)的干擾來(lái)源于變壓器、電動(dòng)機(jī)和熒光燈的鎮(zhèn)流器等設(shè)備，這些設(shè)備中的線圈通以交流電時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場(chǎng)，在交變磁場(chǎng)中的其他導(dǎo)線環(huán)路，或其他線圈都會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，這種干擾的強(qiáng)度與電路或線圈的環(huán)路面積成正比。磁場(chǎng)干擾直接影響醫(yī)學(xué)測(cè)量?jī)x器，必須采取措施予以抑制。一般說(shuō)來(lái)，磁場(chǎng)干擾的頻率較低，作用距離較近，作用較強(qiáng)。 （3）磁場(chǎng)干擾及其抑制 磁場(chǎng)的干擾來(lái)源于變壓器磁場(chǎng)干擾的檢測(cè)：改變?cè)O(shè)備或電路的放置方向（但不改變空間位置），檢測(cè)電路的輸出，如果輸出信號(hào)的

19、幅值發(fā)生變化，即可初步判定存在磁場(chǎng)干擾。停止可能的干擾源的工作，如果電路的輸出也顯著降低甚至消逝，此時(shí)可以確定產(chǎn)生磁場(chǎng)干擾的來(lái)源。磁場(chǎng)干擾的抑制方法 屏蔽或去除干擾源。屏蔽電路或比較敏感的部分（一般是傳感器、信號(hào)輸入部分和前級(jí)放大器）減少電路或敏感部分的環(huán)路面積。改變電路或敏感部分的方位，使其環(huán)路的方向與干擾磁場(chǎng)的方向平行。磁場(chǎng)干擾的檢測(cè)：（4）電場(chǎng)干擾及其抑制 電場(chǎng)的干擾主要來(lái)源于交流電源，其中50Hz的工頻干擾最普遍，50Hz的交流電場(chǎng)主要通過(guò)位移電流引入儀器輸入端及其引線，如傳感器及其引線。交流電電線與引線之間都具有電容性質(zhì)，因此50Hz的電場(chǎng)將通過(guò)容性耦合形成電場(chǎng)干擾。（4）電場(chǎng)干擾及其抑制 電場(chǎng)的干擾主要來(lái)源于交流電源電場(chǎng)干擾的檢測(cè)由于電場(chǎng)干擾的主要來(lái)源是交流電線，因而其頻率固定（為50Hz）。如果在可能的干擾源與設(shè)備、傳感器、輸入引線或電路之間放置一塊大小合適并接到大地的