生物醫(yī)學測量與傳感器

電子學測量方法楊飛課程安排理論課：54課時實驗課18課時參考書目：《生物醫(yī)學傳感器與檢測技術》楊玉星編著《生物醫(yī)學測量與儀器》王保華主編12生物醫(yī)學工程是一個多科學的交叉領域，其特點是將工程科學與生命科學的原理與方法相結合，在生命體的多個層面上對生命體的現(xiàn)象與運動規(guī)律進行定量研究，并發(fā)展相應的醫(yī)療技術及應用系統(tǒng)，應用于醫(yī)學和保健。生物醫(yī)學工程涵蓋生物材料與人工器官、生物力學、仿真及控制、生物醫(yī)學信號檢測及處理技術、醫(yī)學成像及圖像處理、生物醫(yī)學電磁學等，而生物醫(yī)學測量是生物醫(yī)學工程學科中最基礎、應用最廣泛、與其他分支學科聯(lián)系最密切的領域。第一章現(xiàn)代醫(yī)學儀器概論本章內(nèi)容01醫(yī)學儀器簡介02醫(yī)學儀器發(fā)展簡史03醫(yī)學儀器的分類04醫(yī)學儀器發(fā)展現(xiàn)狀及研究方向05生物醫(yī)學測量概述06生物醫(yī)學測量方法、特點、安全性071.關鍵詞解釋和醫(yī)學儀器定義

國際標準化組織對醫(yī)療器械（medicaldevice）中的

醫(yī)學儀器（medicalinstrumentation）定義：

指那些單純或組合應用于人體的儀器，包括智

能化儀器中的軟件。

其使用目的：

1、疾病的預防、診斷、治療、監(jiān)護或緩解

2、損傷或殘疾的診斷、治療、監(jiān)護、緩解或補償

3、解剖或生理過程的研究、替代或調(diào)節(jié)

4、妊娠控制

醫(yī)學儀器用于人體體表及體內(nèi)的作用，不是用藥理學、免疫學或者代謝的手段獲得的。但可能有這些手段參與并起到輔助作用。這是對醫(yī)學儀器較為嚴格的定義。簡單說來，醫(yī)學儀器是以醫(yī)學臨床診治和醫(yī)學研究為目的的儀器。醫(yī)學儀器性能概要

醫(yī)學儀器性能概要人體信號類型決定著醫(yī)學測量儀器結構1、周期信號；2、非周期信號或瞬變信號；3、隨機信號：平穩(wěn)隨機信號、非平穩(wěn)隨機信號

心電、血壓、血流量、脈率、心率、心音、呼吸都是非平穩(wěn)周期性隨機信號；腦電、肌電、胃電、眼電等都是非平穩(wěn)非周期性隨機信號；體溫對正常人每天的數(shù)值基本是平穩(wěn)周期性信號，而對于病人（尤其炎癥發(fā)燒患者）是非平穩(wěn)非周期性隨機信號。人體中每時每刻都存在著大量的生命信息。由于我們的身體整個生命過程中都在不斷地實現(xiàn)著物理的、化學的及生物的變化，因此所產(chǎn)生的信息是極其復雜的。們可以把生命信號概括分為二大類：

學信息

化學信息是指組成人體的有機物在發(fā)化學所研究的范疇。的信息。物理信息所表現(xiàn)出來的信生變化時所給出的信息，它屬于生物理信息是指人體各器官運動時所產(chǎn)01人體電信號：如體表心電（ECG）信號、腦電02（EEG）、肌電（EMG）、眼電（EOG）、胃03電（EGG）等在臨床上取得了不同程度的應用。04人體磁場信號檢測近年來也引起了國內(nèi)外研究者05和臨床的高度重視，我們把磁場信號也可歸為人06體電信號。07體非電信號：如體溫、血壓、心音、心輸出量08體非電信號及肺潮氣量等，通過相應的傳感器，即可轉變成09信號。10上述信號是由人體自發(fā)生產(chǎn)的，稱為"主動性"信號。另外，還有一種"被動性"信號，即人體在外界施加某種刺激或某種物質時所產(chǎn)生的信號。如誘發(fā)響應信號，即是在刺激下所產(chǎn)生的電信號，在超聲波及X射線作用下所產(chǎn)生的人體各部位的超聲圖像、X射線圖像等也是一種被動信號。這些信號是我們進行臨床診斷的重要工具。1201人體基本生理參量的測量部位示意圖02參見課本生物信號反映生物體的生命活動狀態(tài)，生物信號的表

現(xiàn)形式具有多樣性，如：既有物理的聲、光、電、力等類

的變化；又有化學的濃度、氣體分壓、PH等的變化，其特

點是信號微弱、非線性、高內(nèi)阻、干擾因素多等等。這些

特征對于生物信號的研究十分重要。

一個完整的生物信號測量系統(tǒng)一般包括以下四個部分：

1、生物信號的引導

（電極和傳感器）

2、生物信號的放大

（數(shù)字和模擬電路）

3、生物信號的采集和采樣

（A/D轉換器）

4、生物信號的記錄與處理

（信息處理）

現(xiàn)代醫(yī)學儀器的誕生和發(fā)展始于19世紀末20世紀初，這與以量子力學和相對論為代表的科學重大發(fā)現(xiàn)和以機械制造和電機工程為代表的工業(yè)文明出現(xiàn)密不可分。1728年，英國HalesStephen采用開口的管子插入馬的股動脈，做了人類歷史上的第一次血壓實驗。1816年，法國醫(yī)生Rene發(fā)明了聽診器。1842年，Nobelic做早用靜電記錄了肌電信號。醫(yī)學儀器發(fā)展簡史物理學家希托夫觀察到真空管中的陰極發(fā)出的射線，當這些射線遇到玻璃管壁會產(chǎn)生熒光。隨后，英國物理學家克魯克斯研究稀有氣體里的能量釋放，并且制造了一種玻璃真空管，內(nèi)有可以產(chǎn)生高電壓的電極。1887年4月，尼古拉·特斯拉開始使用自己設計的高電壓真空管與克魯克斯管研究X光。他發(fā)明了單電極X光管，在其中電子穿過物質，發(fā)生了現(xiàn)在叫做韌致輻射的效應，生成高能X光射線。1892年特斯拉完成了這些實驗，但是他并沒有使用X光這個名字，而只是籠統(tǒng)成為放射能。他繼續(xù)進行實驗，并提醒科學界注意陰極射線對生物體的危害性，但他沒有公開自己的實驗成果。1892年赫茲進行實驗，提出陰極射線可以穿透非常薄的金屬箔。赫茲的學生倫納德進一步研究這一效應，對很多金屬進行了實驗。1895年德國物理學家倫琴(W.h.Roentgen)在吳爾茲堡(Uerzburg)大學物理研究所發(fā)現(xiàn)X射線，在次年的德國物理學年會上，他宣布并展示了X射線拍攝的人手X照片，由此開創(chuàng)了人體影像診斷的先河。當時的電子變壓器高壓輸出已可達100kV，滿足了X射線產(chǎn)生的條件，倫琴在實驗中采用的是WilliamCrookes研制的高真空度的陰極射線管。這一里程碑式的發(fā)現(xiàn)使得倫琴獲得了首屆(1901年)物理學諾貝爾獎。/wiki/File:X-ray_by_Wilhelm_R%C3%B6ntgen_of_Albert_von_K%C3%B6lliker%27s_hand_-_18960123-02.jpg拍攝的一張X射線照片，倫琴夫人的手骨與戒指隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)字化X線攝影、數(shù)字減影（DSA）應運而生。02X線被廣泛的應用于對疾病的診斷與治療，形成了放射診斷學和放射治療學。X線還用于疾病的預防、康復和預后隨訪，在醫(yī)學之外，還用于X線衍射分析和工業(yè)探傷等多種用途。01這期間另一個重大事件是1903年荷蘭生理學家WilliamEinthoven研制成功了第一臺采用弦線式電流計記錄的心電圖儀，被譽為心電圖之父。他創(chuàng)立的肢體標準導聯(lián)的概念，沿用至今。Einthoven開創(chuàng)性的貢獻使他獲得了1924年醫(yī)學諾貝爾獎。1924年法國學者Berger首次采用頭皮電極記錄到人腦的電活動，發(fā)現(xiàn)人腦活動的p波節(jié)律，并第一次繪出了人類癲癰病發(fā)作時的腦電圖。1932年，研制了一種可經(jīng)食管插入胃中觀察胃內(nèi)病變的半硬式胃鏡。1956年，美國人Anger發(fā)明了伽瑪照相機，成為核醫(yī)學成像技術的一個里程碑。1957年，美國Holter博士利用無線遙測與磁帶記錄技術相結合，連續(xù)記錄可行走病人長時間的心電圖，并與1961年制成由佩戴式磁帶記錄器記錄，由示波器回放分析的心電監(jiān)護系統(tǒng)，后來被稱作Holter監(jiān)護系統(tǒng)。1957年，美國首次開發(fā)出纖維光學內(nèi)鏡。1957年，美國Mackay制成一種“無線電丸”，由動物吞服下后，可用無線遙測方式檢測體內(nèi)的某些生理信息，同年，在前蘇聯(lián)的空間研究中，將遙測技術用于動物的生理醫(yī)學實驗研究。1963年將圖像重建理論用于放射醫(yī)學?；趬弘娋w管效應的超聲波發(fā)生裝置，1在1880年已由Jaeqnts與PierreCarie建立，其后2在第一、二次世界大戰(zhàn)中超聲在水下探測中均發(fā)3揮了巨大的作用，但作為真正商品化的醫(yī)用超聲4診斷儀直到1958后才出現(xiàn)，此后由于它的廣泛的5優(yōu)點，很快在臨床普及。6今天B超（全數(shù)字化彩色B超）已經(jīng)在全世7界各大中小醫(yī)院廣泛普及，成為常規(guī)性檢查手段。8可以說，沒有B超的醫(yī)院不能稱其為醫(yī)院。9X光投射成像技術在倫琴創(chuàng)立之后近百年間發(fā)生了長足的

進展，借助于各種影像增強材料和手段.X成像早已突破早期

主要針對人體骨骼的成像范圍，擴展到全身各個部位。但由

于X光將人體投影到二維成像平面時，反映的是垂直于射線方

向上的無窮多個平行截面人體組織的疊加或平均，使重要的

空間信息模糊或丟失。1972年根據(jù)英國工程師毫斯菲爾德

(G.N.Hounfield)和美國人科馬克(A.M.Cormack)，將計算機

技術與X線相結合，發(fā)明了X射線計算機斷層掃描

CT(computeraidedtomographyscanner)重建技術。它

能從許多不同的投影圖，計算出真正的二維切片人體組織圖

像。此后人們還從新獲得的連續(xù)切層圖通過組合計算出各種

角度的切片圖，直到三維圖像。這一醫(yī)學史上劃時代的成果，

使豪斯菲爾德與科馬克共享了1979年生理學與醫(yī)學諾貝爾獎。

核醫(yī)學影像類儀器，是基于給病人施加放射性標記藥物，在人體外部探測所發(fā)射的射線而成像的。自從1956年研制成功醫(yī)用Gama照像機后，借助于類似于X線層析成像技術先后有SPECT(單光子發(fā)射計算機斷層成像)以及PET(正電子發(fā)射層析成像)應用于臨床。它們提供了X成像技術不能提供的人體生理代謝功能等方面的重要信息。

核磁共振(nuclearmagneticresonance，NMR)成為一種

譜分析方法，早在1946年就由F.Bloch提出，但直到1973年才

由等研制出臨床使用的磁共振成像儀

(magneticreso-nanceimaging,MRI)。該儀器不僅提

供了人體解剖圖像(特別是軟組織的圖像)，而且提供了人體特

色部位的生理與代謝信息。

2003年度的諾貝爾生理、醫(yī)學獎授予了美國伊利諾大學的

化學、生物物理學和計算生物及生物工程學教授PaulC.Lauterbur和英國諾丁漢大學物理學教授PeterMansfield爵士，

以表彰他們對建立磁共振成像(magneticresonanceimaging,MRI)技術所做出的杰出貢獻。

自20世紀60年代，開始出現(xiàn)應用電子技術的臨床監(jiān)護儀器，11962年，國外開始建立危重病人監(jiān)護系統(tǒng)（ICU）和冠心病人2自動監(jiān)護系統(tǒng)（CCU）。自70年代后期，微型計算機引入到3臨床監(jiān)護系統(tǒng)中，出現(xiàn)了運用模式識別技術的智能化監(jiān)護儀器。4自20世紀60年代以來，重點用于生物醫(yī)學測量的電化學傳感器5得到了逐步發(fā)展。1962年出現(xiàn)了具有透氧膜的氧電極，此后相繼出現(xiàn)6了把某些無機化合物、有機化合物、高分子化合物和生物物質與電極7結合而形成的多種電化學傳感器和生物傳感器、半導體技術、微加工8工藝和生物技術的進步，促進了生物傳感器的發(fā)展。901治療類儀器自十八世紀美國科學家富蘭克林02(Flanklin)用萊頓瓶放電治療癱瘓病人以來。直03到19世紀末20世紀初才有了長足的進展，利用電04磁波不同頻段不同的生理效應，研制成功的各種05治療儀器大量進人臨床，最具代表意義的有：可06植人式心臟起博器、高頻電刀、激光刀、用于癌07癥治療的直線加速器等。伴隨微電子技術和計算08機技術的發(fā)展。各種物理治療類儀器在保健、康09復功能替代中發(fā)揮了越來越顯著的作用。01化學分析起源于17世紀，但儀器分析直到19世紀末才出02現(xiàn)。20世紀得到大的發(fā)展，用于醫(yī)學的分析儀器，主要沿襲03了現(xiàn)代化學分析儀的方法和手段，如譜分析方法，電化學方04法、各種分離技術等，對人體成份進行離體分析。直接針對05活體內(nèi)成份的測量，是醫(yī)學分析儀器的特殊處和極重要的方06面，這里存在有創(chuàng)和無創(chuàng)，短時診斷和長期監(jiān)測之分。如針07對糖尿病患者血糖的診斷與監(jiān)測，針對呼吸系統(tǒng)病人的血氧08飽和度的診斷與監(jiān)測等。20世紀末得益于生物工程技術和09電子技術的發(fā)展，使醫(yī)用分析儀器在大規(guī)模測量和小型化、10快速分析等方面均取得了重大進展。從機械式（水銀溫度計、水銀血壓計、聽診器、肺活量測量計）電子電路（晶體管等分立元件）集成電路（主要是模擬電路）大規(guī)模集成電路（主要是數(shù)字電路）智能化儀器（單片機、DSP高速信號處理器）微機虛擬儀器網(wǎng)絡多媒體遠程醫(yī)療未來走向～醫(yī)學儀器結構發(fā)展演變歷程：測量儀器經(jīng)歷三個時代的發(fā)展：01一代為指針式（或模擬式）儀器儀表02代為數(shù)字式儀器儀表

0304醫(yī)學測量儀器的分類生理檢查與記錄儀器（心電圖、腦電圖、血壓計、體溫計、脈搏測量儀等）生化檢查與記錄儀器（血液氣體分析儀器、尿液分析儀、血液細胞分析儀）醫(yī)學圖像儀器（超聲波、CT、磁共振、電子內(nèi)鏡等）臨床監(jiān)護儀器（心電監(jiān)護、呼吸監(jiān)護、ICU、CCU）4.醫(yī)學儀器發(fā)展現(xiàn)狀及研究方向4.1國外醫(yī)療器械現(xiàn)狀美國是世界上最大的醫(yī)療器械生產(chǎn)國和消費國，它供應了世界市場40%的醫(yī)療器械，同時消費了世界市場的37%的醫(yī)療器械，外科手術與醫(yī)療儀器比重最大，著名的美國GE(GeneralElecetriccompany)、日本是全球醫(yī)療器械第二生產(chǎn)大國，日本的醫(yī)療制造廠商以中小企業(yè)為主歐盟占世界醫(yī)療器械行業(yè)的28%，主要投資于提高對內(nèi)科疾病的早期診斷、改善治療程序、損壞器官的置換、可部分操縱的人工骨骼和關節(jié)。4.2我國醫(yī)療器械的現(xiàn)狀

目前，我國醫(yī)療機構的整體醫(yī)療裝備水平還很低，我國醫(yī)療器械市場已成為繼美國和日本之后的世界第三大市場。

1.病人監(jiān)護系列產(chǎn)品的市場需求量大，機電一體化技術的復雜性和加工難度不大，生產(chǎn)廠家較多。

2.醫(yī)學影像設備技術含量高，基本上是進口。

3.臨床實驗室儀器設備是我國40多年來一直缺乏產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)活力的領域，與國外先進水平差距在20年左右。

4.人才、資金、技術等資源豐富

5.三大區(qū)域形態(tài)

近年來，隨著我國民營企業(yè)迅猛發(fā)展，醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有了長足的進步，特別是在超聲波診斷、病人監(jiān)護儀等產(chǎn)品。許多企業(yè)獲得了CE和FDA認證，如深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份公司。（1)專利數(shù)量少，科技水平不高

2003-2007年世界醫(yī)療器械專利總數(shù)100095件美國專利數(shù)量39794引用次數(shù)21997

日本專利數(shù)量31127引用次數(shù)6164

我國專利數(shù)量3431引用次數(shù)243

（2）品種相對數(shù)量多，核心技術缺乏

MRI,CT等大型且價格不菲的醫(yī)療設備市場主要集中在GE,西門子和飛利浦等外資公司里（3）醫(yī)療器械監(jiān)管滯后，管理不合理4.3醫(yī)學儀器未來的發(fā)展方向

1.計算機電路及醫(yī)療器械的微型化

集成電路晶片（CCD），DNA發(fā)動機

2.智能手術機器人

“埃索普”內(nèi)鏡手術“醫(yī)生助手”，加拿大機器人“宙斯”

3.納米微型化器械

納米機器人

4.分子醫(yī)學

5.微創(chuàng)與無創(chuàng)方法

6.器械、藥物、生物復合產(chǎn)品

7.器官移植、輔助器械醫(yī)院HIS系統(tǒng)

管理信息系統(tǒng)

門診管理物資管理藥品管理設備管理住院管理財務管理護士工作站院長查詢醫(yī)技管理醫(yī)保接口手術管理觸摸屏導診

臨床信息系統(tǒng)

門診醫(yī)生工作站住院醫(yī)生工作站護理信息系統(tǒng)電子病歷HIS接口

LIS系統(tǒng)

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務

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OA系統(tǒng)

辦公自動化

互聯(lián)網(wǎng)

人事管理

檔案管理

后勤管理

圖書管理

檢驗服務器HIS接