现代医学电子仪器专家讲座

常见当代医学仪器医用X线诊疗装置计算机断层成像系统(CT)磁共振成像系统(MRI)核医学诊疗仪器及设备（ECT、PET）超声设备放射治疗装置（钴60、X-刀、γ-刀）医用光学仪器（医用内窥镜等）生理量测量仪器（ECG、EMG、EEG、IBP、NIBP、SaO2）、监护仪电治疗类设备（起搏器、除颤器、高频电刀）生化分析类仪器（质谱仪、色谱仪、血气分析、尿液分析等）现代医学电子仪器专家讲座第1页

其使用目标是:1、疾病预防、诊疗、治疗、监护或者缓解2、损伤或残疾诊疗、治疗、监护、缓解或赔偿3、解剖或生理过程研究、替换或者调整4、妊娠控制现代医学电子仪器专家讲座第2页本门课程内容医学仪器输入或输出物理量不是电压或电流输入或输出物理量是电压或电流医学电子仪器超声、放射等设备现代医学电子仪器专家讲座第3页医学电子仪器测量、诊疗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现代医学电子仪器专家讲座第4页

主要参考书

1、余学飞，当代医学电子仪器原理与设计,华南理工大学出版社，2、JohnG.Webster,MedicalInstrumentationApplicationandDesign,Thirdedition,JohnWiley&Sons,INC.19983、吴建刚，当代医用电子仪器原理与维修，电子工业出版社，4、邓亲恺，当代医学仪器原理与设计，科学出版社，现代医学电子仪器专家讲座第5页参考网站/(南方医疗器械网)（医械之家）现代医学电子仪器专家讲座第6页/

(南方医疗器械网)现代医学电子仪器专家讲座第7页

（医械之家）现代医学电子仪器专家讲座第8页成绩评定平时成绩10％试验成绩10％期末考试80％现代医学电子仪器专家讲座第9页第一章医学仪器概述本章内容：

生物信号特点医学电子仪器结构和工作方式医学电子仪器特征和分类医学电子仪器设计标准现代医学电子仪器专家讲座第10页第一节生物信号知识介绍一、人体系统特征

人体是一个复杂自然系统，它是由神经系统、运动系统、循环系统、呼吸系统等分系统组成，分系统间相互独立，又保持有机联络，共同维持生命。

器官自控制系统神经控制系统内分泌控制系统免疫控制系统现代医学电子仪器专家讲座第11页二、人体控制功效特点负反馈机制双重支配性多重层次性适应性非线形现代医学电子仪器专家讲座第12页三、生物信号基本特征不稳定性非线性概率性现代医学电子仪器专家讲座第13页四、生物信号检测与处理1.生物信号检测2.生物信号处理针对生物信号特点采取不一样电极或传感器经过模数转换信号在计算机中进行滤波、识别、分析等现代医学电子仪器专家讲座第14页第二节：医学电子仪器结构和工作方式信号采集信号预处理信号处理控制处理（CPU）统计/显示反馈/控制刺激/激励诱发自发信号校准数据存放数据传输现代医学电子仪器专家讲座第15页1.生物信号采集系统

依据生物信息特点，针对不一样生理参量，采取不一样方式（传感器和处理电路）一、医学仪器基本组成现代医学电子仪器专家讲座第16页

2.生物信息处理为了从检测到信号中取得更多有用信息，同时使信息特征更明确、更准确、更直观3.生物信息统计与显示系统直接描记式统计器存放统计器数字式显示器4.辅助系统现代医学电子仪器专家讲座第17页二、医学仪器工作方式直接和间接实时和延时间断和连续模拟和数字现代医学电子仪器专家讲座第18页

1.准确度（Accuracy）2.精密度(Precision)3.输入阻抗(Inputimpedance)4.灵敏度(Sensitivity)5.频率响应(Frequencyresponse)6.信噪比(SignaltoNoiseRatio)7.零点漂移(Zerodrift)8.共摸抑制比(CMRRcommonmoderejectionratio)一、医学仪器主要技术特征

（或称为静态参数staticcharacteristics）

第三节

医学仪器特征与分类现代医学电子仪器专家讲座第19页一、医学仪器主要技术特征1. 准确度（accuracy）准确度是衡量仪器测量系统误差一个尺度。准确度定义为：影响仪器准确度原因：元件误差指示或统计系统机械误差系统频响欠佳引发误差因非线性转换引发误差来自被测对象和测试方法误差不存在准确度为零仪器现代医学电子仪器专家讲座第20页2. 精密度（precision）精密度是指仪器对测量结果区分程度一个度量，用它能够表示出在相同条件下，用同一个方法屡次测量所得数值得靠近程度。它不一样于准确度，精密度高仪器其准确度未必一定高。若两台仪器，在相同条件下使用，就轻易比较出准确度与精密度不一样。一、医学仪器主要技术特征现代医学电子仪器专家讲座第21页与准确度相关指标：精密度、准确度和准确度(精度)准确度准确度：说明仪器输出值与真值偏离程度。如,某流量仪器准确度为0.3m3/s，表示该测量仪器输出值与真值偏离0.3m3/s。准确度是系统误差大小标志，准确度高意味着系统误差小。一样，准确度高不一定精密度高。精密度：说明测量仪器输出值分散性，即对某一稳定被测量，由同一个测量者，用同一个仪器，在相当短时间内连续重复测量屡次，其测量结果分散程度。比如，某测温仪器精密度为0.5℃。精密度是随即误差大小标志，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。现代医学电子仪器专家讲座第22页准确度：是精密度与准确度二者总和，准确度高表示精密度和准确度都比较高。在最简单情况下，可取二者代数和。机器常以测量误差相对值表示。

（a）准确度高而精密度低（b）准确度低而精密度高（c）准确度高在测量中我们希望得到准确度高结果。

现代医学电子仪器专家讲座第23页3. 输入阻抗（inputimpedance）医学仪器输入阻抗与被测对象阻抗特征、所用电极或传感器类型及生物体接触界面相关，表示式为：若仪器使用传感器作非电参数测量，对于一个压力传感器而言，其输入阻抗Z为被测量输入变量X1和另一个变量X2比值，即：其功率P为：普通生物电放大器输入阻抗应比他本身阻抗大100倍以上才能满足要求。一、医学仪器主要技术特征现代医学电子仪器专家讲座第24页输入阻抗反应一个系统对其前一级系统功率要求，输入阻抗越高，它从前一级所吸收电流越小，因而越轻易与前一级系统相连接，不致引发前级输入信号改变。许多生物信号都很微弱，不能像测量仪器提供较大电流，不然将会引发被测量生物信号发生改变（如幅度衰减）。所以要求用于生物医学测量仪器含有很高输入阻抗，比如生物电放大器输入阻抗普通为2~10兆欧，用于测量细胞单位微电极放大器输入阻抗高达数十至数百兆欧。现代医学电子仪器专家讲座第25页4. 灵敏度（sensitivity）当输入为单位输入量时，输出量大小即为灵敏度值。灵敏度表示法：生物电位——μv/cm、mv/cm、v/cm压力——mmHg/刻度心率——每分钟心博数/刻度心率间隔——μs/cm、ms/cm、s/cm一、医学仪器主要技术特征现代医学电子仪器专家讲座第26页5. 频率响应（frequencyresponse）频率响应是指仪器保持线性输出时允许输入频率改变范围，它是衡量系统增益随频率改变一个尺度。普通医学仪器要求在通频带内应有平坦响应。一、医学仪器主要技术特征现代医学电子仪器专家讲座第27页6. 信噪比（signaltonoiseratio）信噪比定义：信号功率PS与噪声功率PN之比考查医学仪器信噪比指标惯用内部噪声电压Uni（设外部噪声为零）惯用对数形式来表示：其中，Uni为输入端短路时内部噪声电压；Uno为输出端噪声电压；AU为电压增益。一、医学仪器主要技术特征现代医学电子仪器专家讲座第28页7. 零点漂移（zerodrift）仪器输入量在恒定不变（或无输入信号）时，输出量偏离原来起始值而上、下飘动、迟缓改变现象称为零点漂移。造成零点漂移原因：环境温度及湿度改变滞后现象冲击振动不希望对外力敏感性，制造上误差等一、医学仪器主要技术特征现代医学电子仪器专家讲座第29页8. 共模抑制比（commonmoderejectionratio）衡量放大差模信号和抑制共模信号能力为共模抑制比，用下式表示：差模增益共模增益共模抑制比（CMRR）是衡量诸如心电、脑电、肌电等生物电放大器对共模干扰抑制能力一个主要指标共模抑制比主要由电路对称性决定，也是克服温度漂移主要原因。一、医学仪器主要技术特征现代医学电子仪器专家讲座第30页二、医学仪器特殊性

被作用对象（人）特殊性决定了医学仪器特殊性

1.噪声特征

2.个体差异与系统性

3.生理机能自然性

4.接触界面多样性

5.操作与安全性现代医学电子仪器专家讲座第31页

（一）噪声特征从人体拾取生物信号不但幅度微小，而且频率也低。必须尽可能采取各种抑制办法，使噪声影响减至最小。普通来说，限制噪声比放大信号更有意义。现代医学电子仪器专家讲座第32页

（二）个体差异与系统性人体个体差异相当大，用医学仪器作检测时，应从适应人体差异性出发，要有对应测量伎俩。人体又是一个复杂系统，测定人体某部分机能状态时，必须考虑与之相关原因影响。要选择适当检测方法，消除相互影响，保持人体系统性相对稳定。现代医学电子仪器专家讲座第33页

（三）生理机能自然性在检测时，应预防仪器（探头）因接触而造成被测对象生理机能改变。因为只有确保人体机能处于自然状态下，所测得信息才是可靠、准确。现代医学电子仪器专家讲座第34页

（四）接触界面多样性为了能测得人体生物信息、必须使传感器（或电极）与被测对象间有一个适当、接触良好接触界面。现代医学电子仪器专家讲座第35页

（五）操作与安全性在医学仪器临床应用中，操作者为医生或医辅人员，所以要求医学仪器操作必须简单、方便、适用和可靠。另外，医学仪器检测对象是人体，应确保电气安全、辐射安全、热安全和机械安全，使得操作者和受检者均处于绝对安全条件下。现代医学电子仪器专家讲座第36页三、经典医学参数表1-1经典医学和生理学参数经典参数幅度范围频率范围使用电极类型心电（ECG）0.01~5mV0.05~100Hz表面电极脑电（EEG）2~200μV0.1~100Hz帽状、表面或针状电极肌电（EMG）0.02~5mV5~Hz表面电极胃电（EGG）0.01~1mVDC~1Hz表面电极心音（PCG）0.05~Hz心音传感器血流（主动脉）1~300mL/sDC~20Hz电磁超声血流计输出量4~25L/minDC~20Hz染料稀释法心阻抗15~500ΩDC~60Hz表面电极、针电极体温32~40℃DC~0.1Hz温度传感器现代医学电子仪器专家讲座第37页第四节：生理系统建模与仪器设计一模型：是对对应真实对象和真实关系中那些有用和令人感兴趣特征抽象，是对系统一些本质方面描述，它以各种可用形式提供被研究系统描述信息。1代表性2简化性3有效性现代医学电子仪器专家讲座第38页二建模：建立一个在某一特定方面与真实系统含有相同性系统，真实系统成为原型，而这种相同性系统就成为该原型系统模型。对于生理系统，原型普通为真实活体系统，而模型则为与这些活体系统在一些方面相同系统。生理系统建模目标：为了更加好地了解生物系统行为及规律，为生物控制奠定基础。现代医学电子仪器专家讲座第39页三生理系统建模意义：

1.为研制医学仪器提供理论基础。

2.用于人体疾病诊疗、预报、相关参数自适应控制。

3.为生物学、生理学、仿生学等学科研究提供一个新研究伎俩和方法。现代医学电子仪器专家讲座第40页生理系统建模特点：

1、理想化

2、抽象化

3、简单化生理系统建模过程：

1、建立模型结构两个前提：1细化模型研究目标；2了解相关特定建模目标与系统结构性质之间关系。模型结构性质：1相同性2简单性3多面性2、为所建立模型结构提供数据现代医学电子仪器专家讲座第41页三类模型：1物理模型：按照真实系统性质而结构实体模型（1）几何相同模型（2）力学相同模型（3）生理特征相同模型（4）等效电路模型特点：直观；可长时间重复试验；可为数学模型建立提供数据现代医学电子仪器专家讲座第42页2数学模型：用数学表示式或计算机程序来描述事物数学特征特点：可很好地刻画系统内在数量联络，从而定量探求系统运转规律。两方面：（1）对系统中各个作用步骤描述（2）表征系统固有量提取建立数学模型两种方法：（1）黑箱方法（2）推导方法3描述模型：一个抽象不能用数学方程表示，只能用语言描述系统模型现代医学电子仪器专家讲座第43页构建生理模型惯用方法与实例理论分析法理论分析指应用自然科学中已被证实正确理论，原理和定律，对被研究系统相关要素进行分析，演绎，归纳，从而建立系统数学模型。实例——临床中血氧饱和度无创检测引用物理光学中朗伯比尔定律进行建模。

现代医学电子仪器专家讲座第44页临床背景介绍血氧饱和度是人类呼吸循环主要生理参数。在麻醉手术需要进行连续血氧监测。能提供病人体内氧合情况。血氧饱和度是表示血液中血氧浓度，是被氧结合氧合血红蛋白容量占全部血红蛋白容量百分比。现代医学电子仪器专家讲座第45页对血氧饱和度检测分为有创和无创两种。传统有创检测是对血液抽样后进行血气分析。无创检测是利用分光光度测定原理。基本原理：因为血液中不一样成份对同一个光线吸收率各不相同，经过测量穿过血液中不一样光线衰减程度，能够换算出血液中不一样成份含量。现代医学电子仪器专家讲座第46页试验观察当我们用单色光垂直照射人体手指末端时候，在另一端用光电管接收投射光，发觉光强显著减弱。这时用滤波器滤波后电流分为两部分。一部是直流，一部是交流。在光线穿过手指透射后，观察发觉血液中氧合血红蛋白与还原血红蛋白对特定不一样波长光吸收率相差很大现代医学电子仪器专家讲座第47页现代医学电子仪器专家讲座第48页试验观察

交流成份波峰与波谷对应是心血管系统收缩与舒张，对应是动脉血液中脉动成份。

其它部分与时间无关，出现光容积脉搏波。现代医学电子仪器专家讲座第49页现代医学电子仪器专家讲座第50页理论分析

朗伯比尔定律指出，入射光强与出射光强有一定关系公式。

D表示吸光度，ε表示吸光系数，I0表示入射光强，I表示透射光强，C表示溶液浓度，d表示所传过厚度路径。

现代医学电子仪器专家讲座第51页模型简单考虑血液中成份：氧合血红蛋白，还原血红蛋白。假如物质中存在两种或者两种以上成份，要确定其成份含量及浓度，就要采取双波长或者多波长方法。血液静止不动。组织模型由两部分组成：无血组织表现为固定光吸收，图中直流部分，动脉血管则为脉动改变光吸收，图中交流改变信号。

现代医学电子仪器专家讲座第52页动脉血血氧饱和度。两种波长光合理选择很主要。需要了解所测物质所含成份吸光系数随波长改变情况。现代医学电子仪器专家讲座第53页