医学仪器概论课件

1、2021-7-15医学仪器概论1 医学电子仪器原理与设计医学电子仪器原理与设计 主讲主讲 蒋欣蒋欣 2021-7-15医学仪器概论2 学习本课程的目的和方法学习本课程的目的和方法 n目的：目的： 1）各种各样医学仪器为医生诊治疾病提供 了强有力的手段。 2）新技术、新材料不断发展，对从事生物 医学工程人员提出了更高要求。 n学习方法学习方法： 博览、勤查、多问 2021-7-15医学仪器概论3 主要参考书：主要参考书： &医用电子仪器原理、构造与维修医用电子仪器原理、构造与维修 刘凤军主编刘凤军主编 中国医药科技出版社中国医药科技出版社 1997年年 &医学仪器医学仪器齐颁扬主编齐颁扬主编 高

2、等教育出版社高等教育出版社1991年年 &生物医学测量与仪器生物医学测量与仪器 王保华主编王保华主编 复旦大学出复旦大学出 版社版社 &常用医疗电子设备阅图与维修常用医疗电子设备阅图与维修 李文峰等编李文峰等编 人民邮电出版社人民邮电出版社 1996年年 &常用医疗诊断电子仪器常用医疗诊断电子仪器 甘心照主编甘心照主编 南京大学出版社南京大学出版社 1995年年 2021-7-15医学仪器概论4 第一章第一章 医学仪器概论医学仪器概论 n医学仪器的发展历史 n人体系统的特征 n人体生理信号及其特征 n人-仪器系统结构 n医学仪器的特性分类及制约 2021-7-15医学仪器概论5 医学仪器的发展

3、历史医学仪器的发展历史 n1903年威廉.爱因霍文研制成第一部心电图机是医 学仪器的最早发明 n20世纪以来医学仪器的发展进入了一个旺盛时期 新产品不断涌现 n1932年以来心脏起搏器应用于临床 n1950年后超声诊断技术得到了飞速发展 n1953年美国最早使用自动生化装置 n1963年Holter 采用存储遥测技术诊断 n1962年国外开始建立ICU和CCU n60年代以来又发明了CT 2021-7-15医学仪器概论6 人体系统的特征 n运用现代理论分析研究人体，可将人体 系统分为： n器官自控制系统 n神经控制系统 n内分泌系统 n免疫系统 2021-7-15医学仪器概论7 人体生理信息的

4、种类 n物理量：包括器官的生物电信息、磁信息、压力、 速度、流量、温度、形态等 n化学量：O2、CO2、CO、H2O、K、Na、Ca等以 及多种生化参量 形态振动压力速度流量温度生物电生物磁化学量 各种图 像 心音 呼吸音 血管音 血压 心内压 颅内压 胃内压 肠内压 血流速 神经传 导速度 血流量 呼吸流 量 尿流量 体表温 度 口腔温 度 血液温 度 细胞电 位 心电 脑电 肌电 心磁 脑磁 胃磁 O2、 CO2、 CO、 H2O、 K、Ca 生化参 量等 2021-7-15医学仪器概论8 人体生理信息 n人体细胞电位 n单细胞电位：细胞膜内、外的离子浓度差产生电位差。 n静息电位：细胞未

5、受刺激时，细胞膜内外的电位差。 n动作电位：因细胞受到刺激而造成的电位变化。 n细胞群电位 n循环系统生理信息 n心电、心音、血压、脉搏、血流 n呼吸系统生理信息 n肺容量、呼吸气体的成分 2021-7-15医学仪器概论9 人体生理信息 n神经系统生理信息 n神经纤维的传导机能 n大脑皮质的生物电活动（脑电波） n兴奋由神经向肌肉的传递（肌电图） n传导速度的测定 n特殊感觉器官的生理信息 n眼的电生理 n听觉器官的生理参数 n消化系统的生理信息 n消化系的运动、消化系的电节律、内压等 2021-7-15医学仪器概论10 生物信息的基本特点生物信息的基本特点 n幅值小，频率低，有的接近于直流

6、n不稳定性 n非线性 n概率性 2021-7-15医学仪器概论11 生物信息的类型生物信息的类型 n离散参量的离散信息离散参量的离散信息 如：每天测量的白细胞数值 n离散参数的连续信息离散参数的连续信息 如：每次给受检者所测的体温值 n连续参量的连续信息连续参量的连续信息 如：心电波、脑电波 n连续参量的离散信息连续参量的离散信息 如：不同灰度等级的医学图像信号 通常生物信息具体为某种医学生理参量时，就可直接 称其为生物信号，简称信号信号。 2021-7-15医学仪器概论12 医学仪器的结构医学仪器的结构 n信息检测系统 信息处理系统 辅助系统 记录显示系统 2021-7-15医学仪器概论13

7、 信息检测系统 n主要包括被测对象、传感器或电极，它是医学仪 器的信号源 n在生物体中，将需用仪器测量的物理（化学）量， 特性和状态等称为被测对象被测对象 n传感器传感器的作用是将人体机能状态信息的物理量或 化学量转变为电（或电磁）信号； n电极电极的作用是直接从生物（人）体上提取电信号 2021-7-15医学仪器概论14 传感器传感器 n传感器(Transducer)又称为换能器或转换 器，是一种用来转换能量形式的器件。 医用传感器就是把人体中的非电量的生 理参数，即物理和化学的能量信号转换 成电信号。 n医用传感器根据变换能量的原理不同， 分为有源传感器有源传感器和无源传感器无源传感器。

8、2021-7-15医学仪器概论15 有源和无源传感器 n有源传感器有源传感器又称为主动传感器或直接传感器， 它可以把生物体非电参数直接转换为电信号， 无需外加任何激励能量或进行载波信号的调制。 n如电磁传感器、温度传感器和光电传感器等 n无源传感器无源传感器又称为被动传感器，它是利用生 物体的电阻、电容和电感性，外加激励电压或 交流载波信号，把被测的非电生理参数转换成 电信号。 n电阻式传感器、电容式传感器和电感式传感器 2021-7-15医学仪器概论16 传感器测量对象的各种量的分类： 1）位移（长度）：心脏位移、肿瘤位置、结石 位置等。 2）声音（振动、加速度）：心音、呼吸音、胎 心音等。

9、 3）压力、力：血压、心内压、颅内压、胃内压、 眼压等。 4）时间（频率）：心律、脉搏、心动周期、凝 血时间等。 5）速度：血流速度、神经传道速度。 6）温度：皮肤温度、口内温度等。 2021-7-15医学仪器概论17 传感器的特性要求传感器的特性要求 n具有良好的技术性能 n对被测组织损害小 n不干扰正常生理活动 n有足够的牢固性和安全性 n能适应生物体内化学作用 n易于操作维护和消毒 2021-7-15医学仪器概论18 电极 电极是测量人体的电学量参数，它把人 体内的离子电流转化为电路中的电流。 分为： n体表电极（金属板电极、吸附电极） n针型电极 n微电极。 电极材料一般为一些金属Ag

10、ZnAl等 2021-7-15医学仪器概论19 电极 电极是测量人体的电学量参数，它把人体内的离 子电流转化为电路中的电流。电极的分类： 1）按所用材料分： 金属电极、半导体电极、生物电极 2）按外形结构分： 针状电极、夹钳电极、盘状电极、吸附电极 3）按使用时接触身体的部位分： 体表电极、体内（或皮下）电极 4）按用途分： 测量电极和刺激电极 2021-7-15医学仪器概论20 信息处理系统 n其包括放大、识别（滤波）、变换、运 算等各种处理和分析 n信息处理系统被视为医学仪器的核心 2021-7-15医学仪器概论21 记录显示系统 n其作用是将处理后的生物信息变为可供人们直 接观察的形式

11、n记录与显示设备按工作原理不同，可分为： n直接描记式记录器直接描记式记录器 n描笔偏转式和自动平衡式 n磁记录器磁记录器 n模拟式和数字式 n数字式显示器数字式显示器 n荧光数码管和液晶显示器 2021-7-15医学仪器概论22 辅助系统 n该系统一般包括控制和反馈、数据存储 和运输、标准信号产生和外加能量源等。 2021-7-15医学仪器概论23 医学仪器的工作方式医学仪器的工作方式 医学仪器的工作方式是指因其检测和处医学仪器的工作方式是指因其检测和处 理生物信息方法的不同，而采用不同的理生物信息方法的不同，而采用不同的 工作方式。可分为：工作方式。可分为： n直接和间接 n实时和延时 n

12、间断和连续 n模拟和数字 2021-7-15医学仪器概论24 医学仪器的特性与分类医学仪器的特性与分类 n医学仪器的主要技术特性医学仪器的主要技术特性 n医学仪器的特殊性医学仪器的特殊性 n医学仪器的分类医学仪器的分类 2021-7-15医学仪器概论25 医学仪器的医学仪器的主要技术主要技术特性特性 n准确度准确度(精度精度): 衡量仪器测量系统误差的尺度。仪器 的准确度越高，它的测量值与理论值间的偏离越小。 理论值-测量值 准确度= *100% 理论值 2021-7-15医学仪器概论26 n精密度：用相同条件下重复测量间的最大偏 差与仪器满量程之比表示，即 100% H AA E max j

13、i p 2021-7-15医学仪器概论27 n灵敏度：灵敏度：灵敏度是指仪器在稳态下输出变化 量和输入变化量之比，可表示为： i A A S 0 2021-7-15医学仪器概论28 输入阻抗与输入阻抗与输出阻抗 n输入阻抗：输入阻抗：与被测对象阻抗特性、使用电极或传感 器的类型及生物体接触界面有关. n输入阻抗：指从一测量系统或线路环节的输入端测 得的系统自身的阻抗，即 i i i I V Z 2021-7-15医学仪器概论29 n输出阻抗：指从一测量系统或线路环节的输 出端测得的系统自身的阻抗，即 h hh V ZVV Z 0 0 2021-7-15医学仪器概论30 输出阻抗的计算 h hh

14、 h h h Z V ZVV Z V VV i V Z 00 0 0 V0 Z0 Zh Vh 2021-7-15医学仪器概论31 n频率响应：频率响应：指仪器保持线性输出时允许其输入 频率变化的范围，是衡量系统增益随频率变化 的尺度。 n反映在输入信号幅度恒定条件下输出幅度与输入正 弦信号频率关系的曲线称为幅频特性曲线幅频特性曲线； n反映输出量与输入正弦信号间的相角与输入信号频 率关系的曲线称为相频特性曲线相频特性曲线。 n使仪器的输出幅度随频率的变化不超过规定值（如 3dB）的输入信号频率范围称为响应频率响应频率，又称为 通频带。 2021-7-15医学仪器概论32 n非线性度：非线性度用

15、实测值和与相应输入量成正比关系的理 论值间最大偏差同满量程之比表示，即 %100 max H A E L L 式中，EL为仪器的线性度 ALmax为全量程内的实测值 与理论值间的最大偏差 H为全量程， 2021-7-15医学仪器概论33 n漂移：漂移是指仪器的输出量随时间或外部环境变化 而变化的程度。 n零点漂移：用无输入信号和恒定环境条件下的仪器输出量在 一定时间内的最大变化与满量程之比来表示，即 %100 max H A Dz Dz 为零点漂移 Amax 为指定时间内在输入量为零时输出量的最大变化 H 为仪器的满量程 2021-7-15医学仪器概论34 n温度漂移：用无输入信号条件下仪器的

16、输出量随环 境温度的变化与仪器的满量之比来表示，即 %100 TH A D T T DT为温度漂移 AT为环境温度变化 T时引起的仪器输出量的变化 H为仪器的满量程 2021-7-15医学仪器概论35 n信噪比信噪比（SN=PsPn） n除被测信号以外的任何干扰都可称为噪声。 n外部噪声：电磁场干扰； n内部噪声：电子器件的热噪声、粒散噪声和1/f 噪声 n在具体讨论放大电路放大微弱信号的能力时， 常常用信噪比来描述在弱信号工作时的情况， 定义为： 信号功率Ps与噪声功率Pn之比 2021-7-15医学仪器概论36 n共模抑制比：共模抑制比：衡量生物电信号放大器对 共模干扰的抑制能力（CMRR

17、=AdAc） n为Ad差模增益， Ac为共模增益 n共模抑制比主要由电路的对称度决定，共模抑制比主要由电路的对称度决定， 也是克服温度漂移的重要因素。也是克服温度漂移的重要因素。 2021-7-15医学仪器概论37 典型医学和生理学参数典型医学和生理学参数 典型参数幅度范围频率范围检测方法 心电（ECG)0.01-5mv0.05-100HZ表面电极 脑电（EEG)2-200v0.1-100HZ电极 肌电（EMG) 0.02-5mv5-2000HZ表面电极 胃电（EGG) 0.01-1mvDC-1HZ表面电极 心音（PCG)0.05-2000HZ心音传感器 血流1-300ml/sDC-20HZ电

18、磁超声学流计 心输出量4-25L/minDC-20HZ染料稀释法 心阻抗15-500DC-60HZ电极 体温32-40DC-0.1HZ温度传感器 2021-7-15医学仪器概论38 医学仪器的特殊性 n噪声特性 n个性差异与系统性 n生理机能的自然性 n接触界面的多样性 n操作与安全性 2021-7-15医学仪器概论39 医学仪器的分类医学仪器的分类 医学仪器按用途可分为：医学仪器按用途可分为： n诊断用仪器诊断用仪器 生物电诊断与监护仪器 生理功能诊断与监护仪器 人体组织成分的电子分析检验仪器 人体组织结构形态的影像诊断仪器 n理疗用仪器理疗用仪器 电疗仪/光疗仪/磁疗仪/超声波治疗 n治疗用仪器治疗用仪器 起搏器/除颤器 2021-7-15医学仪器概论40 医学仪器的制约医学仪器的制约 n被测生理量难接近性 n生理数据变异性 n生理系统间存在相互作用 n人们缺乏对系统间相互关系的了解 n传感器对被测量影响 n伪迹 n能量限制 n安全问题 2021-7-15医学仪器概论41 医学仪器的设计原则医学仪器的设计原则 n信号因素 n环境因素 n医学因素 n经济因素 n时代因素 2021-7-15医学仪器概论42 医学仪器发展展望 n与计算机相关的技术 n分子医学技术 n家庭与自我保健技术 n微损伤仪器 n器械与药物相结合的产品 n采用硬件和组织工程组建的