医用电子仪器分析与维护第1章-医学仪器概述

医用电子仪器分析与维护2020/12/191•目的：

1）学习医用仪器原理、使用及维护。

2）撑握医用仪器使用、维修方法。

3）为将来从事相关专业的工作，打下扎实的理论基础。

2）通过实践，提高自己的动脑、动手的能力。•学习方法：博览、勤查、多问。课程的性质、任务和目的2020/12/192

生物医学工程学核心：自然科学+工程技术研究对象：生物体人体的结构、功能和其他生命现象；目的：防病、治病、人体功能辅助及卫生保健的人工材料、制品、装置和系统。医学仪器与生物医学工程2020/12/193医学仪器与生物医学工程

生物医学工程多种学科与生物医学相结合的产物。2020/12/194现代医学仪器与生物医学工程学的关系医学仪器是生物医学工程成果的载体。生物医学工程研究的成果是现代医学仪器设计和开发的核心和基础。医学仪器与生物医学工程2020/12/195医学仪器2020/12/196医学仪器定义医疗仪器发展简史医学仪器的结构和工作方式医学仪器的特性与分类医学仪器开发与维修医学仪器发展趋势第一章医学仪器概述2020/12/197医学仪器：通常是指那些单纯或者组合应用于人体的仪器，包括所需的软件。其使用目的是：（1）疾病的预防、诊断、治疗、监护或者缓解；（2）损伤或残疾的诊断、治疗、监护、缓解或者补偿；（3）解剖或生理过程的研究、替代或者调节；（4）妊娠控制。●其用于人体体表及体内的作用不是用药理学-免疫学或者代谢的手段获得，但可能有这些手段参与并起一定辅助作用。

严格的定义

------国际标准化组织对医疗器械(medicaldevice)的定义2020/12/198

简单的定义：

医学仪器是以医学临床和医学研究为目的的仪器。2020/12/199■

新石器时期，已出现医用石器，其中刺入人体组织的石器叫“砭石”。■2500年前，《黄帝内经》中所述的“九针”，是人类最早发明医疗器械。■到19世纪，听诊器、医用体温计。1.2

医学仪器发展简史2020/12/1910■19世纪末，X线的发现---影像术起源。

1895年德国家伦琴(W.K.Roentgen)发现X射线；

在次年的德国物理学年会上，宣布并展示了X射线拍摄的人手X射线照片。伦琴获得了首届（1901年）诺贝尔物理学奖。1.2

医学仪器发展简史2020/12/1911■20世纪初，荷兰生理学家艾萨文（WilliamEinthoven）研制成功第一台心电图仪。采用弦线式电流计做记录的，创立的肢体标准导联的测量方法。艾萨文因为其开创性贡献获得1924年诺贝尔生理学与医学奖。1.2

医学仪器发展简史2020/12/1912■20世纪中期，有了简易脑电图机。法国学者Berger首次采用头皮电极记录到人脑电活动，发现人脑活动的α、β波节律，并第一次给出了人类癫痫病发作时的脑电图。1.2

医学仪器发展简史2020/12/1913■自19世纪末到20世纪初，超声波技术在医学上应用突飞猛进。临床超声诊断方法主要有A型（amplitude）、B型（brightnessmode）、M型（motionscanning）及D型（dopperultrasound）四大类。1.2

医学仪器发展简史2020/12/1914■自19世纪末到今，医疗仪器得到长足发展。诊断仪、治疗仪、各类分析仪等如X光机、CT、DR、CR、MRI、B超、心功能仪……加速器、γ刀、微波设备、理疗设备…..血液分析仪、尿液分析仪…..1.2

医学仪器发展简史2020/12/19152020/12/1916■测量穿过人体组织、器官后的X线强度。■从另一个角度讲，是相应成像组织结构对X线衰减程度的模拟。■能显示的是人体结构的解剖学形态，对疾病的诊断主要是根据形态上的密度变化，它较难在病理研究中发挥作用。X线成像2020/12/19171.2

医学仪器发展简史●数字化X机2020/12/1918■B型（上世纪70年代兴起）是用回波幅度调制声束个扫描点的亮度，形成二维显示断面图来显示被探查组织的具体情况。■超声成像突出优点是无创、去电离辐射，同时又能提供人体断面实时的动态图像，广泛用于心脏或腹部检查，但不适合胸腔的诊断。■多普勒超声血流测量，用于对心血管与脑血管等疾病诊断。

超声成像2020/12/1919

超声成像2020/12/1920■X射线投射成像技术在伦琴创立之后近百年间取得了长足的进展，1972年英国工程师豪斯菲尔德(G.N.Hounsfield)将计算机技术与X射线相结合，发明了X射线计算机断层扫描仪(computerizedtomographyX-raysystem,CT)。它能从许多不同的投影图，计算出真正的二维切片人体组织图像。获1979年生理学与医学诺贝尔奖。1.2

医学仪器发展简史2020/12/1921■X线计算机体层成像设备1.2

医学仪器发展简史2020/12/1922■CT以高密度分辨率和无重叠的清晰的体层图像，显示出普通X线检查所不能显示的病变，显著地提高了临床诊断的正确性和效率。■适合对头部、胸腔的检查，分辨率高于超声。X线－CT成像2020/12/1923■核医学影像类仪器，均是基于给病人施加放射性标记药物，在人体外部探测所发射的γ射线而成像的。自从1958年的H.O.Anger研制成功医用Gama照相机后，借助于类似X射线断层成像技术，SPECT(单电子发射计算机断层成像)以及PET(正电子发射断层成像)已应用于临床。它们提供了X射线成像技术不能提供的人体生理代谢方面的重要信息。■图像能直接显示脏器的功能，属于功能成像。1.2

医学仪器发展简史2020/12/1924■核磁共振(nuclearmagneticresonance,NMR)成为一种谱分析方法，早在1946年就由F.Bloch提出并用于化学分析，但直到1973年才分别由美国科学家保罗·劳特布尔(P.C.Lauterbur)和英国科学家彼特·曼斯菲尔德(P.Mansfield)独立地研制出临床实用的磁共振成像仪(magneticresonanceimaging，MRI)。获2003年生理学与医学诺贝尔奖。1.2医学仪器发展简史2020/12/19251.2医学仪器发展简史2020/12/19262020/12/1927PET的发展1.2医学仪器发展简史2020/12/19282020/12/19290.5T磁振造影机1.2医学仪器发展简史2020/12/19301.5T磁振摄影机1.2医学仪器发展简史2020/12/19313T磁振造影机1.2医学仪器发展简史2020/12/1932■通过对静磁场中的人体施加某种特定频率的射频脉冲，使人体组织中的收到激励而发生磁共振现象，当中止射频脉冲后，氢质子在弛豫过程中发射出射频而成像的。■该仪器不仅提供了人体解剖图像，特别是软组织的图像，而且提供了人体特定部位的生理功能信息。

磁共振成像2020/12/1933■多生理参数监护系统1.2医学仪器发展简史2020/12/1934■多生理参数监护系统的发展，可追溯至1962年，北美建立第一批冠心病监护病房(CCU)。随着计算机和信号处理技术的不断发展，以及临床对危重患者和潜在危险患者的监护要求的不断提高，对CCU/ICU监护系统功能要求也不断提高。1.2医学仪器发展简史2020/12/1935■治疗类仪器自18世纪美国科学家富兰克林(Flanklin)用莱顿瓶发电治疗瘫痪病人以来，直到19世纪末20世纪初才有了长足的发展，利用不同频段(包括非电磁波谱的超声波)的生理效应，研制成功的各种治疗仪器，大量进入临床。■心脏起搏器、高频电刀、激光刀、用于癌症治疗的电子直线加速器等。1.2医学仪器发展简史2020/12/1936■化学分析起源于17世纪，而仪器分析直到19世纪末才出现，20世纪得到长足发展。用于医学的分析仪器，主要沿袭了现代化学分析仪的方法和手段，如谱分析法、电化学方法、各种分离技术等，对人体成分进行离体分析。1.2医学仪器发展简史2020/12/19371.2医学仪器发展简史分析仪直线加速器2020/12/1938信息检测系统信息处理系统记录显示系统辅助系统1.3医学仪器的结构与工作方式一、医学仪器的基本构成医学仪器系统框图2020/12/1939生物信息检测系统：被测对象传感器：物理、化学量转换电信号或电极：直接获取电信号信号源1.3医学仪器的结构与工作方式生物量：生物电、生物磁化学量：PH值、血常规物理量：身高、体温、血压2020/12/1940生物信息处理系统信号预处理系统信号处理系统1.3医学仪器的结构与工作方式变换分析放大识别（滤波）调制/解调阻抗匹配过压保护存储记录计算、叠加、建立生理系统模型2020/12/1941记录与显示系统：把信号转换为直接观察的形式打印和显示常见的记录器或显示器直接描记式记录器描笔偏转式：如心电图机、脑电图机、心音图机等自动平衡式：各类监护仪存储记录器数字式显示器：如电子血压计1.3医学仪器的结构与工作方式2020/12/1942辅助系统1.3医学仪器的结构与工作方式手动控制时间程序控制：理疗仪数据存储与传输：网络传输控制与反馈闭环控制开环控制反馈回路自动调节控制：睡眠治疗仪信号产生与能量供应标准信号源

仪器向人体施加能量：γ刀等2020/12/19431.3医学仪器的结构与工作方式一、医学仪器的工作方式

------指检测和处理生物信号的方法直接和间接方式：直接工作方式：通过电极或传感器获取身体信号。间接工作方式：通过测量其他关系量间接获取欲测对象量值。实时和延时方式：实时工作方式：如心电监护仪延时工作方式：被检测信号需要经过一段时间才能输出。间断和连续:模拟和数字:2020/12/19441.4医学仪器的特性与分类一、医学仪器的主要技术特性

------指衡量医学仪器性能的主要技术指标

1）准确度（accuracy）

---也叫精度，指仪器的测量值与理论值之间的接近程度。

2020/12/19451.4医学仪器的特性与分类一、医学仪器的主要技术特性

------指衡量医学仪器性能的主要技术指标

2）精密度（precision）：

---在相同条件下，用同一种方法多次测量所得数值的接近程度。精确度=准确度+精密度2020/12/19461.4医学仪器的特性与分类3）输入阻抗（inputimpedance）：

---指外加输入变量（如电压、力等）与相应变量（如电流、速度等）之比为仪器的输入阻抗。

VrZiVi=？ZrZr是传感器与被测对象的阻抗Vr是生物电信号Zi为系统的输入阻抗，Vi为输入电压生理信号都很微弱，要有足够的输入信号就须尽量提高输入阻抗2020/12/19471.4医学仪器的特性与分类4）灵敏度（sensitivity）：

---指仪器在稳态下输出变化量和输入变化量之比，可表示为：灵敏度计量单位：生物电位μV(mV)/cm；压力mmHg/刻度；心率间隔μs(ms)/cm

式中S为灵敏度，A0和Ai分别为输出量变化和输入量变化2020/12/1948492023/2/75.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Zo为系统的输出阻抗Zh为输出端接入的负载阻抗Vo和Vh分别为系统输出端开路和接入负载阻抗Zh时的输出电压V0Z0ZhVh要提供给负载更多的功率就要尽量减小输出阻抗2020/12/19491.4医学仪器的特性与分类5）频率响应（frequencyresponse）：

---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。幅频特性曲线；相频特性曲线；通频带：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。

2020/12/19506）信噪比（signaltonoiseratio）：除被测信号以外的任何干扰都可称为噪声。外部噪声：电磁场干扰；内部噪声：电子器件的热噪声、散粒噪声和1/f噪声信噪比定义为：信号功率Ps与噪声功率Pn之比1.4医学仪器的特性与分类2020/12/1951通常用输入短路时内部噪声电压作为衡量信噪比的指标：UNi为输入短路时内部噪声电压，UNo为输出端噪声电压，AU为电压增益对数形式：输出端的信噪比小于输入端的信噪比1.4医学仪器的特性与分类2020/12/19527）飘移：

---是指仪器的输出量随时间或外部环境变化而变化。包括：零点漂移：仪器的输入量在恒定不变（或无输入）时，输出量偏离原来起始值上下飘动，缓慢变化的现象。温度漂移：用无输入信号条件下仪器的输出量随环境温度的变化而变化的现象。反映环境温度对仪器零点的影响。1.4医学仪器的特性与分类2020/12/19538）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

Ad差模增益，Ac为共模增益

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。1.4医学仪器的特性与分类2020/12/1954二、医学仪器的特殊性：噪声特性：个体差异与系统性操作与安全性生理机能的自然性接触界面的多样性1.4医学仪器的特性与分类人体检测特殊性生物信号特殊性2020/12/1955三、典型医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)2-200μv0.1-100HZ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电磁超声血流计心输出量4-25L/minDC-20HZ染料稀释法心阻抗15-500ΩDC-60HZ电极体温32-40℃DC-0.1HZ温度传感器1.4医学仪器的特性与分类2020/12/19562020/12/19571.4医学仪器的特性与分类从资产管理的角度分类从植入和非植入分类按物理原理分类按临床应用分类四、医学仪器的分类2020/12/1958按临床应用分类1.4医学仪器的特性与分类2020/12/1959诊断用仪器生物电诊断与监护仪器：心电图机、脑电图机生理功能诊断与监护仪器：血压计、呼吸机、血流仪人体组织成分的电子分析检验仪器：生化分析仪人体组织结构形态的影像诊断仪器：超声、CT、MRI治疗用仪器物理治疗仪器电疗仪（高频电刀）/光疗仪（激光刀）/磁疗仪/超声波治疗放射治疗直线加速器/γ刀/钴60/X刀其他治疗仪器高压氧/麻醉机/冷冻刀/呼吸机/输液泵/体外反搏1.4医学仪器的特性与分类2020/12/1960辅助仪器与医疗仪器有关；不直接由于疾病的诊断和治疗；在医疗过程中有辅助作用。如医院信息系统PACS/LIS/手术麻醉系统/心电监护系统其他辅助仪器消毒灭菌设备/照明设备（无影灯、图片灯）/中心供氧设备/制氧设备/手术台/废物处理/血库设备/制药设备1.4医学仪器的特性与分类2020/12/1961医学仪器的一般结构1.5医学仪器的开发与维修2020/12/1962医学仪器的开发流程要遵循自上而下的原则。1、先从整体考虑：被测量的量是什么？采集方法？信号的大小与频率？要控制什么？仪器的测量与控制的精度、性能。仪器的使用条件。仪器所具有的功能。如信号的显示、记录、存储及其它一些功能。仪器的成本、设计或研发的时间，工艺条件。1.5医学仪器的开发与维修2020/12/19632、详细设计确定仪器的功能；设计前向信号通道设计信号增益（信号的放大倍数）和误差分配，来确定（指从传感器到模数转换器的模拟信号放大、处理部分电路）确定各个组成部分的具体设计要求；电路前、后级之间的联系；输出、输入阻抗和信号幅值。

1.5医学仪器的开发与维修2020/12/1964医学仪器的开发流程生理模型的构建数学模型、物理模型或描述模型系统设计：设计方案和实现方法实验样机研制：软硬件设计，工艺设计、安全可靠性设计；制造样机，测试各项指标动物实验临床实验仪器的认证与注册生产1.5医学仪器的开发与维修2020/12/1965一、设计原则

1.信号因素首先应考虑所获取的生物电信号的大小和相位及其幅频响应和相位响应。

2.环境因素应考虑其在特定的使用环境所提出的技术要求。

3.医学因素①应考虑仪器与人体之间的作用方式（创伤性/无创伤性）。②考虑换能器对人体组织界面的具体要求。（无腐蚀性，无毒）③考虑仪器具有一定的散热性能和抗辐射的能力以及仪器的绝缘性能。

4.经济因素考虑仪器的价格、使用寿命、可靠性和兼容性，提高其经济效益。

5.时代因素尽量使用时代的先进技术。1.5医学仪器的设计原则及步骤2020/12/19662020/12/1967医学仪器故障诊断与维修通用法则什么是维修？保养和修理，维护和恢复，维护、保养、修理。保持或恢复到能执行所需功能的状态所进行的全部技术措施和管理活动。1.5医学仪器的开发与维修2020/12/1968医学仪器故障诊断与维修通用法则什么是医学仪器维修？修复或校正医学仪器系统故障。什么是医学仪器系统？1.5医学仪器的开发与维修医学仪器系统三要素仪器系统仪器环境操作者2020/12/1969常见医学仪器故障类型非电类故障：连接松弛、灰尘、腐蚀、机械疲劳电子类故障：电子元件或传输部分故障医学仪器故障检测常用方法线路理论分析法：线路分析故障类型分析法：维修记录分析1.5医学仪器的开发与维修2020/12/1970医学仪器故障诊断实用方法不通电观察法通电观察法对症下手法测量电压法波形观察法信号注入法信号寻迹法1.5医学仪器的开发与维修电容旁路法分割测试法器件代替法改变现状法整机比较法测量电阻法测试器件法2020/12/19711、医学仪器故障检修程序1.5医学仪器的开发与维修了解故障情况观察故障现象初步表面检查研究工作原理拟定测试方案定位故障点修后测试维修记录分析测试结果2020/12/19722、医学仪器应急修理技术1.5医学仪器的开发与维修组件代用法点击修复法降压使用法加接散热片法修改电路法自制元件法并联替换法串联替换法应急拆除法临时短路法变通使用法主次电路元件交换法挖替法2020/12/1973※1、医学模式的变革传统模式------“生物―技术”现代医学模式------“生物―心理―社会―技术”危害人类健康主要疾病慢性病诊断治疗公共卫生疾病预防当前医学模式预防为主，社区医疗为中心1.6医学仪器发展趋势2020/12/197419世纪末20世纪初医疗与保健经历了从家庭为中心到以医院为中心的重大转移。以信息技术为代表的当代科学技术，包括计算机技术、网络技术、微电子技术、材料技术、分子生物学和生物工程技术所取得的巨大成就，为我们在生命科学的宏观和微观层面上展