生物醫(yī)學(xué)測量與傳感器

電子學(xué)測量方法楊飛課程安排理論課：54課時(shí)實(shí)驗(yàn)課18課時(shí)參考書目：《生物醫(yī)學(xué)傳感器與檢測技術(shù)》楊玉星編著《生物醫(yī)學(xué)測量與儀器》王保華主編12生物醫(yī)學(xué)工程是一個(gè)多科學(xué)的交叉領(lǐng)域，其特點(diǎn)是將工程科學(xué)與生命科學(xué)的原理與方法相結(jié)合，在生命體的多個(gè)層面上對生命體的現(xiàn)象與運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行定量研究，并發(fā)展相應(yīng)的醫(yī)療技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和保健。生物醫(yī)學(xué)工程涵蓋生物材料與人工器官、生物力學(xué)、仿真及控制、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測及處理技術(shù)、醫(yī)學(xué)成像及圖像處理、生物醫(yī)學(xué)電磁學(xué)等，而生物醫(yī)學(xué)測量是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科中最基礎(chǔ)、應(yīng)用最廣泛、與其他分支學(xué)科聯(lián)系最密切的領(lǐng)域。第一章現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器概論本章內(nèi)容01醫(yī)學(xué)儀器簡介02醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展簡史03醫(yī)學(xué)儀器的分類04醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展現(xiàn)狀及研究方向05生物醫(yī)學(xué)測量概述06生物醫(yī)學(xué)測量方法、特點(diǎn)、安全性071.關(guān)鍵詞解釋和醫(yī)學(xué)儀器定義

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對醫(yī)療器械（medicaldevice）中的

醫(yī)學(xué)儀器（medicalinstrumentation）定義：

指那些單純或組合應(yīng)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(yù)防、診斷、治療、監(jiān)護(hù)或緩解

2、損傷或殘疾的診斷、治療、監(jiān)護(hù)、緩解或補(bǔ)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(xué)儀器用于人體體表及體內(nèi)的作用，不是用藥理學(xué)、免疫學(xué)或者代謝的手段獲得的。但可能有這些手段參與并起到輔助作用。這是對醫(yī)學(xué)儀器較為嚴(yán)格的定義。簡單說來，醫(yī)學(xué)儀器是以醫(yī)學(xué)臨床診治和醫(yī)學(xué)研究為目的的儀器。醫(yī)學(xué)儀器性能概要

醫(yī)學(xué)儀器性能概要人體信號(hào)類型決定著醫(yī)學(xué)測量儀器結(jié)構(gòu)1、周期信號(hào)；2、非周期信號(hào)或瞬變信號(hào)；3、隨機(jī)信號(hào)：平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)、非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)

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(jī)信號(hào)；腦電、肌電、胃電、眼電等都是非平穩(wěn)非周期性隨機(jī)信號(hào)；體溫對正常人每天的數(shù)值基本是平穩(wěn)周期性信號(hào)，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(jī)信號(hào)。人體中每時(shí)每刻都存在著大量的生命信息。由于我們的身體整個(gè)生命過程中都在不斷地實(shí)現(xiàn)著物理的、化學(xué)的及生物的變化，因此所產(chǎn)生的信息是極其復(fù)雜的。們可以把生命信號(hào)概括分為二大類：

學(xué)信息

化學(xué)信息是指組成人體的有機(jī)物在發(fā)化學(xué)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(shí)所給出的信息，它屬于生物理信息是指人體各器官運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)01人體電信號(hào)：如體表心電（ECG）信號(hào)、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(yīng)用。04人體磁場信號(hào)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(hào)也可歸為人06體電信號(hào)。07體非電信號(hào)：如體溫、血壓、心音、心輸出量08體非電信號(hào)及肺潮氣量等，通過相應(yīng)的傳感器，即可轉(zhuǎn)變成09信號(hào)。10上述信號(hào)是由人體自發(fā)生產(chǎn)的，稱為"主動(dòng)性"信號(hào)。另外，還有一種"被動(dòng)性"信號(hào)，即人體在外界施加某種刺激或某種物質(zhì)時(shí)所產(chǎn)生的信號(hào)。如誘發(fā)響應(yīng)信號(hào)，即是在刺激下所產(chǎn)生的電信號(hào)，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(dòng)信號(hào)。這些信號(hào)是我們進(jìn)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(hào)反映生物體的生命活動(dòng)狀態(tài)，生物信號(hào)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(xué)的濃度、氣體分壓、PH等的變化，其特

點(diǎn)是信號(hào)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(hào)的研究十分重要。

一個(gè)完整的生物信號(hào)測量系統(tǒng)一般包括以下四個(gè)部分：

1、生物信號(hào)的引導(dǎo)

（電極和傳感器）

2、生物信號(hào)的放大

（數(shù)字和模擬電路）

3、生物信號(hào)的采集和采樣

（A/D轉(zhuǎn)換器）

4、生物信號(hào)的記錄與處理

（信息處理）

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器的誕生和發(fā)展始于19世紀(jì)末20世紀(jì)初，這與以量子力學(xué)和相對論為代表的科學(xué)重大發(fā)現(xiàn)和以機(jī)械制造和電機(jī)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(dòng)脈，做了人類歷史上的第一次血壓實(shí)驗(yàn)。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(hào)。醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展簡史物理學(xué)家希托夫觀察到真空管中的陰極發(fā)出的射線，當(dāng)這些射線遇到玻璃管壁會(huì)產(chǎn)生熒光。隨后，英國物理學(xué)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(shè)計(jì)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(zhì)，發(fā)生了現(xiàn)在叫做韌致輻射的效應(yīng)，生成高能X光射線。1892年特斯拉完成了這些實(shí)驗(yàn)，但是他并沒有使用X光這個(gè)名字，而只是籠統(tǒng)成為放射能。他繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并提醒科學(xué)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(shí)驗(yàn)成果。1892年赫茲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提出陰極射線可以穿透非常薄的金屬箔。赫茲的學(xué)生倫納德進(jìn)一步研究這一效應(yīng)，對很多金屬進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。1895年德國物理學(xué)家倫琴(W.h.Roentgen)在吳爾茲堡(Uerzburg)大學(xué)物理研究所發(fā)現(xiàn)X射線，在次年的德國物理學(xué)年會(huì)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(dāng)時(shí)的電子變壓器高壓輸出已可達(dá)100kV，滿足了X射線產(chǎn)生的條件，倫琴在實(shí)驗(yàn)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(xué)諾貝爾獎(jiǎng)。/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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化X線攝影、數(shù)字減影（DSA）應(yīng)運(yùn)而生。02X線被廣泛的應(yīng)用于對疾病的診斷與治療，形成了放射診斷學(xué)和放射治療學(xué)。X線還用于疾病的預(yù)防、康復(fù)和預(yù)后隨訪，在醫(yī)學(xué)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(gè)重大事件是1903年荷蘭生理學(xué)家WilliamEinthoven研制成功了第一臺(tái)采用弦線式電流計(jì)記錄的心電圖儀，被譽(yù)為心電圖之父。他創(chuàng)立的肢體標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)的概念，沿用至今。Einthoven開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)使他獲得了1924年醫(yī)學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)。1924年法國學(xué)者Berger首次采用頭皮電極記錄到人腦的電活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)人腦活動(dòng)的p波節(jié)律，并第一次繪出了人類癲癰病發(fā)作時(shí)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(jī)，成為核醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的一個(gè)里程碑。1957年，美國Holter博士利用無線遙測與磁帶記錄技術(shù)相結(jié)合，連續(xù)記錄可行走病人長時(shí)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(hù)系統(tǒng)，后來被稱作Holter監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。1957年，美國首次開發(fā)出纖維光學(xué)內(nèi)鏡。1957年，美國Mackay制成一種“無線電丸”，由動(dòng)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(shù)用于動(dòng)物的生理醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。1963年將圖像重建理論用于放射醫(yī)學(xué)?；趬弘娋w管效應(yīng)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(diǎn)，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(shù)在倫琴創(chuàng)立之后近百年間發(fā)生了長足的

進(jìn)展，借助于各種影像增強(qiáng)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(kuò)展到全身各個(gè)部位。但由

于X光將人體投影到二維成像平面時(shí)，反映的是垂直于射線方

向上的無窮多個(gè)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(jì)算機(jī)

技術(shù)與X線相結(jié)合，發(fā)明了X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描

CT(computeraidedtomographyscanner)重建技術(shù)。它

能從許多不同的投影圖，計(jì)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(jì)算出各種

角度的切片圖，直到三維圖像。這一醫(yī)學(xué)史上劃時(shí)代的成果，

使豪斯菲爾德與科馬克共享了1979年生理學(xué)與醫(yī)學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)。

核醫(yī)學(xué)影像類儀器，是基于給病人施加放射性標(biāo)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(jī)后，借助于類似于X線層析成像技術(shù)先后有SPECT(單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像)以及PET(正電子發(fā)射層析成像)應(yīng)用于臨床。它們提供了X成像技術(shù)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(xué)獎(jiǎng)授予了美國伊利諾大學(xué)的

化學(xué)、生物物理學(xué)和計(jì)算生物及生物工程學(xué)教授PaulC.Lauterbur和英國諾丁漢大學(xué)物理學(xué)教授PeterMansfield爵士，

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

自20世紀(jì)60年代，開始出現(xiàn)應(yīng)用電子技術(shù)的臨床監(jiān)護(hù)儀器，11962年，國外開始建立危重病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)（ICU）和冠心病人2自動(dòng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)（CCU）。自70年代后期，微型計(jì)算機(jī)引入到3臨床監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，出現(xiàn)了運(yùn)用模式識(shí)別技術(shù)的智能化監(jiān)護(hù)儀器。4自20世紀(jì)60年代以來，重點(diǎn)用于生物醫(yī)學(xué)測量的電化學(xué)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(jī)化合物、有機(jī)化合物、高分子化合物和生物物質(zhì)與電極7結(jié)合而形成的多種電化學(xué)傳感器和生物傳感器、半導(dǎo)體技術(shù)、微加工8工藝和生物技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了生物傳感器的發(fā)展。901治療類儀器自十八世紀(jì)美國科學(xué)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(jì)末20世紀(jì)初才有了長足的進(jìn)展，利用電04磁波不同頻段不同的生理效應(yīng)，研制成功的各種05治療儀器大量進(jìn)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(shù)和計(jì)算08機(jī)技術(shù)的發(fā)展。各種物理治療類儀器在保健、康09復(fù)功能替代中發(fā)揮了越來越顯著的作用。01化學(xué)分析起源于17世紀(jì)，但儀器分析直到19世紀(jì)末才出02現(xiàn)。20世紀(jì)得到大的發(fā)展，用于醫(yī)學(xué)的分析儀器，主要沿襲03了現(xiàn)代化學(xué)分析儀的方法和手段，如譜分析方法，電化學(xué)方04法、各種分離技術(shù)等，對人體成份進(jìn)行離體分析。直接針對05活體內(nèi)成份的測量，是醫(yī)學(xué)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(shí)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(jì)末得益于生物工程技術(shù)和09電子技術(shù)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(jìn)展。從機(jī)械式（水銀溫度計(jì)、水銀血壓計(jì)、聽診器、肺活量測量計(jì)）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(jī)、DSP高速信號(hào)處理器）微機(jī)虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)多媒體遠(yuǎn)程醫(yī)療未來走向～醫(yī)學(xué)儀器結(jié)構(gòu)發(fā)展演變歷程：測量儀器經(jīng)歷三個(gè)時(shí)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(xué)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(jì)、體溫計(jì)、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(xì)胞分析儀）醫(yī)學(xué)圖像儀器（超聲波、CT、磁共振、電子內(nèi)鏡等）臨床監(jiān)護(hù)儀器（心電監(jiān)護(hù)、呼吸監(jiān)護(hù)、ICU、CCU）4.醫(yī)學(xué)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(fèi)國，它供應(yīng)了世界市場40%的醫(yī)療器械，同時(shí)消費(fèi)了世界市場的37%的醫(yī)療器械，外科手術(shù)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(guān)節(jié)。4.2我國醫(yī)療器械的現(xiàn)狀

目前，我國醫(yī)療機(jī)構(gòu)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(hù)系列產(chǎn)品的市場需求量大，機(jī)電一體化技術(shù)的復(fù)雜性和加工難度不大，生產(chǎn)廠家較多。

2.醫(yī)學(xué)影像設(shè)備技術(shù)含量高，基本上是進(jìn)口。

3.臨床實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)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(lǐng)域，與國外先進(jìn)水平差距在20年左右。

4.人才、資金、技術(shù)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(jìn)步，特別是在超聲波診斷、病人監(jiān)護(hù)儀等產(chǎn)品。許多企業(yè)獲得了CE和FDA認(rèn)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(shù)缺乏

MRI,CT等大型且價(jià)格不菲的醫(yī)療設(shè)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(xué)儀器未來的發(fā)展方向

1.計(jì)算機(jī)電路及醫(yī)療器械的微型化

集成電路晶片（CCD），DNA發(fā)動(dòng)機(jī)

2.智能手術(shù)機(jī)器人

“埃索普”內(nèi)鏡手術(shù)“醫(yī)生助手”，加拿大機(jī)器人“宙斯”

3.納米微型化器械

納米機(jī)器人

4.分子醫(yī)學(xué)

5.微創(chuàng)與無創(chuàng)方法

6.器械、藥物、生物復(fù)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(shè)備管理住院管理財(cái)務(wù)管理護(hù)士工作站院長查詢醫(yī)技管理醫(yī)保接口手術(shù)管理觸摸屏導(dǎo)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(hù)理信息系統(tǒng)電子病歷HIS接口

LIS系統(tǒng)

檢

驗(yàn)

服

務(wù)

器

檢

驗(yàn)

服

務(wù)

器

檢

驗(yàn)

服

務(wù)

器

檢

驗(yàn)

服

務(wù)

器

檢

驗(yàn)

服

務(wù)

器

檢

驗(yàn)

服

務(wù)

器

OA系統(tǒng)

辦公自動(dòng)化

互聯(lián)網(wǎng)

人事管理

檔案管理

后勤管理

圖書管理

檢驗(yàn)服務(wù)器HIS接