医学电子仪器与设计

《现代医学电子仪器原理与设计》72学时多学科交叉的结晶理、工、医高度融合的产物生物医学工程研究的有力工具本课程基本要求

掌握“三个基本知识”、培养“一个基本能力”，即掌握医学电子类仪器的基本原理、基本结构、基本电路；培养基本应用能力（仪器分析、仪器设计、仪器维护）教学方法课堂理论教学验证性实验教学设计性实验教学

三、主要参考书

1、余学飞，现代医学电子仪器原理与设计,华南理工大学出版社，20072、吴建刚，现代医用电子仪器原理与维修，电子工业出版社，20053、邓亲恺，现代医学仪器原理与设计，科学出版社，2004参考网站第一章概论§1.1医学仪器定义及分类§1.2医学仪器发展简史§1.3生物信息知识简介§1.4医学仪器的工作方式和结构§1.5医学仪器的特性§1.6医学仪器的设计原则和基本步骤§1.7医学仪器发展趋势§1.1医学仪器定义你知道的医学仪器有哪些？医学仪器输入或输出的物理量不是电压或电流输入或输出的物理量是电压或电流医学电子仪器

超声、放射等设备医学电子仪器测量、诊断治疗类仪器心电脑电肌电诱发电位监护仪血压测量仪器心脏起搏器心脏除颤器微弱信号处理电气安全高频电刀医疗器械（medicaldevice）医学仪器（medicalinstrument）单纯或者组合应用于人体的仪器，包括所需的软件。以医学临床和医学研究为目的的仪器。疾病的预防、诊断、治疗、监护、或者缓解损伤或残疾的诊断、治疗、监护、缓解或者补偿解剖或者生理过程的研究、替代或者调节妊娠控制§1.1医学仪器定义§1.1、医医学仪器的的种类§1.1.1按使用用风险大小小分类第一类是指指通过常规规管理足以以保证其安安全性、有有效性的医医疗器械（（大部分是是手术器械械）。第二类是指指对其安全全性、有效效性应当加加以控制的的医疗器械械。第三类是指指植入人体体；用于支支持、维持持生命；对对人体具有有潜在危险险，对其安安全性、有有效性必须须严格控制制的医疗器器械。§1.1.2从资产产管理的角角度分类大型仪器：：一百万以以上的，如如CT、磁磁共振设备备，中小型仪器器：如心电电图机、床床边监护仪仪等。低值产品：：包括很多多一次性配配件§1.1.3植入的的和非植入入的对于医用植植入物有特特殊的管理理条例，但但大部分医医疗仪器是是非植入的的。也有将医疗疗仪器分为为在体测量量的和离体体测量的，，而在体非非侵入性测测量是医学学诊断仪器器的发展方方向。§1.1.4按临床床科室或人人体系统分分类心脏科设备备呼吸科设备备泌尿科设备备……这样分类有有助于了解解不同科室室对医疗仪仪器和工程程技术的需需求，但很很多设备各各个科都使使用，会有有很多重复复。§1.1.5按物理理原理分类类医用电子仪仪器医用光学仪仪器医用放射仪仪器医用核物理理仪器现代医疗仪仪器是声、、光、电、、机械一体体的。§1.1.6按临床床应用分类类：诊断仪器治疗仪器辅助仪器直接用于人人体的非直接用于于人体的电气敏感非电气敏感感不同的分类类方法应用用于不同的的场合诊断仪器医用电子设设备：心电图机机、脑电图图机、床床边监护系系统、动动态心电监监护仪、、胎儿监护护仪、饱饱和血氧浓浓度监护仪仪医用成像像装置：X射线线诊断装装置（普普通、数数字化））、X线线计算机机断层扫扫描仪、、核医医学成像像装置、、超声声诊断装装置、、磁共振振成像装装置、热热成像像装置医用检验验仪器：生物传传感器、、生化化分析仪仪、血血气分析析仪、血血细胞胞分类仪仪医用光学学仪器：内窥镜镜、光光学显微微镜、、激光仪仪器、、眼科光光学仪器器（自动动眼压计计、自动动验光机机、视野野测定仪仪、角膜膜地形图图、眼底底照相及及眼底图图象分析析设备等等）治疗仪器器人工器官官：人工工心脏、、瓣膜、、心脏辅辅助装置置、人人工关节节、假肢肢、人人工肝、、人工肾肾、人人工肺（（氧合器器）、、人工听听觉、人人工角膜膜、人工工晶体等等物理治疗疗仪器前列腺治治疗仪微波高温温治疗仪仪放射治疗疗装置：：钴60、、直线加加速器、、X刀刀、γγ刀高频治疗疗设备：：电刀刀、射射频消融融超声治疗疗设备：：体外外冲击波波碎石机机、超超声乳化化白内障障手术仪仪、超超声雾化化器激光治疗疗设备：：激光光刀、、眼科激激光,准准分子激激光角膜膜屈光矫矫正、准准分子子激光冠冠状动脉脉成形术术、皮皮肤美容容激光器器利用机械械能的设设备：：呼吸机机、输输液泵、、体外外反搏和和主动脉脉内气囊囊反搏其他治疗疗设备：：高压压氧舱、、低温温麻醉设设备、冷冷冻刀等等、远远红外理理疗设备备及电化化学治疗疗设备、、麻醉醉机辅助仪器器设备一部分与与医疗有有关的仪仪器既不不直接用用于作疾疾病诊断断，也不不直接用用于疾病病的治疗疗，这些些是医学学辅助设设备。医学信息息系统：：PACS系统（图像存存储于传传输系统统）等。。其它辅助助设备：：包括消毒灭菌菌设备、照明设设备（如如无影灯、图片灯）、中心供氧氧和制氧设备备、吸引设备备、废物处理理设备、手术台、电源系系统和电电安全监监护器、、制冷设设备和空空调设备备、血库库设备、、制药机机械设备备等。§1.2医医学学仪器发发展简史史新石器时时期医用石器器——热热敷、按按摩、叩叩击体表表、割刺、脓脓疡、放放血砭石———用石为为针（古古代针术术的萌芽芽）2500年前九针———《黄帝帝内经》》所述（人类最最早发明明、精心心制作的的医疗器器械）针灸术———以经经络学说说为指导导1816年听诊器发发明1850年医用临床床体温计计问世19世纪纪末科学重大大发现（（量子力力学和相相对论的的发表））20世纪纪初工业文明明（机械械制造和和电机工工程的发发明）1895年德国物理理学家伦伦琴发现现X射线线（首届1901年诺贝贝尔物理理学奖））1903年荷兰生理理学家艾艾萨文研研制成功功第一台台心电图图仪（1924年诺诺贝尔生生理学与与医学奖奖）§1.2医医学学仪器发发展简史史1896年，在在德国物物理学年年会上，，伦琴宣宣布并展展示了X射线拍拍摄的人人手X射射线图片片，开创创了人体体影像诊诊断的先先河。§1.2医医学学仪器发发展简史史伦琴在实实验室中中采用的的高真空空度的冷冷阴极射射线管———Crookes管管。§1.2医医学学仪器发发展简史史1903年荷兰兰生理学学家艾萨萨文研制制成功了了第一台台采用弦弦线式电电流计做做记录的的心电图图仪，他他所创立立的肢体体标准导导联的测测量方法法沿用至至今。§1.2医医学学仪器发发展简史史1924年法国学者者Berger首次记记录到人人脑的电电活动1958年医用超声声诊断仪仪出现1972年英国工程程师G.N.Hounsfield发明X射线计计算机断层扫描描仪（computerizedtomographyX-rayssystem,CT）1979年生理理学与医医学诺贝贝尔奖1958年H.O.Anger研研制成功功医用Gama照相机机SPECT（单单光子发发射计算算机断层层成像））PET（（正电子子发射断断层成像像）1973年美国科学学家保罗罗.劳特特布尔英国科学学家彼特特.曼斯斯菲尔德德研制出磁磁共振成成像仪（（magneticresonanceimaging,MRI）2003年生理理学与医医学诺贝贝尔奖§1.3生生物物信息知知识简介介生物信息息的基本本特性：：不稳定性性非线性概率性a)离散参数数的离散散信息b)离散参数数的连续续信息c)连续参数数的连续续信息d)连续参数数的离散散信息生物信息息的类型型模拟直接实时间断数字间接延时连续测量体温检测心电脑电肌电医学仪器器的工作作方式§1.4医学学仪器的的特性和和结构标本化验活体检测}生物检测医学仪器的特殊性噪声特性性个体差异异与系统统性生理机能能的自然然性接触界面面的多样样性操作与安安全性§1.4医医学仪器器的特性和结结构图1-2医医学仪器器系统框框图信息检测系统信息处理系统记录显示系统辅助系统图1-2医医学仪器器系统框框图§1.5医医学仪器器的主要要技术特特性医学仪器器的主要要技术特特性：准确度（（accuracy））精密度（（precision）输入阻抗抗（inputimpedance）灵敏度（（sensitivity））频率响应应（frequencyresponse）信噪比（（signaltonoiseratio）零点漂移移（zerodrift））共模抑制制比（CMRR－commonmoderejectionratio）（一）准准确度（（Accuracy））准确度是是衡量仪仪器测量量系统误误差的一一个尺度度。准确确度可理理解为测测量值与与理论值值之间的的接近程程度。理论值－－测量值值准确度＝理论值（二）精精密度(Precision)精密度是是指仪器器对测量量结果区区分程度度的一种种度量。。表示从从所选定定的已知知数据中中可能分分辨的数数值。（三）输输入阻抗抗(Inputimpedence)通常称外外加输入入变量（（如电压压、力、、压强等等）与相相应应变变量（如如电流、、速度、、流量等等）之比比为仪器器的输入入阻抗。。输入入阻抗Z为被测测量的输输入变量量X1和和另一固固有变量量X2的的比值。。即（四）灵敏敏度(Sensitivity)仪器的灵灵敏度是是指输出出变化量量与引起起它变化化的输入入变化量量之比。。（五）频频率响应应(Frequencyresponse)仪器保持持线性输输出时，，允许其其输入频频率变化化的范围围，它是是衡量系系统增益益随频率率变化的的一个尺尺度。（六）信信噪比(SignaltoNoiseRatio)信噪比定定义为信信号功率率PS与噪声功功率PN之比，即即为了便于于对信噪噪比作定定量比较较，常以以输入端端短路时时的内部部噪声电电压作为为衡量信信噪比的的指标，，即（七）零零点漂移移(Zerodrift)仪器的输输入量在在恒定不不变（或或无输入入信号））时，输输出量偏偏离原来来起始值值而上、、下漂动动、缓慢慢变化的的现象称称为零点点漂移。。（八）共共摸抑制制比(CMRRcommonmoderejectionratio)定义为放放大差模模信号和和抑制共共模信号号的能力力为共模模抑制比比，用下下式表示示：医疗仪器器的特点点1.对被被测体必必须是无无害的，，最理想想的是无无损伤的的要考虑电电极或传传感器对对测量结结果产生生影响；；2.生物物信号弱弱小，而而干扰强强大。信信号可能能只有干干扰的千千分之一一；3.能量量的限制制，我们们不可能能为了提提高信噪噪比或提提高治疗疗效果而而无限制制地提高高外加能能量，这这会造成成机体的的损伤；；4.安全全考虑，，由于病病人本身身已比较较衰弱，，安全问问题就比比较突出出。§1.6医医学仪器器的设计计原则和和基本步步骤影响医学学仪器设设计的基基本因素素：信号因素素环境因素素医学因素素经济因素素时代因素素§1.6医医学仪器器的设计计原则和和基本步步骤现代医学学仪器作作为工程程设计是是理、工工、医多多学科知知识的高高度综合合应用，，设计涉涉及知识识面很广广，技术术难度较较大，基基本设计计可归纳纳为如下下六步：：生理模型型的构建建系统设计计实验样机机研制动物实验验研究临床研究究仪器的认认证与注注册§1.6医医学仪器器的设计计原则和和基本步步骤图1－3生生物医学学仪器的的研制过过程示意意图§1.7医医学仪器器发展趋趋势计算机技技术网络技术术微电子技技术材料技术术生物工程程技术信息技术术两极化医学仪器虚拟医学仪器远程医学仪器§1.7医医学仪器器发展趋趋势§1.7医医学仪器器发展趋趋势医学模式式的变革革技术发展展预测§1.7医医学仪器器发展趋趋势传统现现代生物－－技术术生生物－－心理理－社社会－－技术术以医院院为中中心以以预预防为为主以社区区医疗疗（含含家庭庭和个个人保保健））为中中心微型化化、智智能化化、个个性化化、网网络化化21世世纪人人人享享有保保健世界卫卫生组组织§1.7医医学仪仪器发发展趋趋势1997年年美国国食品品与药药物管管理局局（FDA）所所属器器械和和放射射卫生生中心心（CDRH））在对对专家家学者者广泛泛调研研的基基础上上，提提出了了医疗疗器械械技术术未来来10年的的6大大发展展趋势势预测测报告告，归归纳为为6大大发展展方向向：计算机机相关关技术术分子