醫(yī)學儀器概論

1、2024/1/22,1,醫(yī)學電子儀器原理與設計,主講 蔣欣,2024/1/22,2,學習本課程的目的和方法,目的：1）各種各樣醫(yī)學儀器為醫(yī)生診治疾病提供了強有力的手段。2）新技術、新材料不斷發(fā)展，對從事生物醫(yī)學工程人員提出了更高要求。學習方法：博覽、勤查、多問,2024/1/22,3,主要參考書：,《醫(yī)用電子儀器原理、構造與維修》 劉鳳軍主編 中國醫(yī)藥科技出版社 1997年《醫(yī)學儀器》齊頒揚主編 高等教育

2、出版社1991年《生物醫(yī)學測量與儀器》 王保華主編 復旦大學出 版社《常用醫(yī)療電子設備閱圖與維修》 李文峰等編 人民郵電出版社 1996年《常用醫(yī)療診斷電子儀器 》 甘心照主編 南京大學出版社 1995年,2024/1/22,4,第一章 醫(yī)學儀器概論,醫(yī)學儀器的發(fā)展歷史人體系統(tǒng)的特征人體生理信號及其特征人--儀器系統(tǒng)結構醫(yī)學儀器的特性分類及制約,2024/1/22,

3、5,醫(yī)學儀器的發(fā)展歷史,1903年威廉.愛因霍文研制成第一部心電圖機是醫(yī)學儀器的最早發(fā)明20世紀以來醫(yī)學儀器的發(fā)展進入了一個旺盛時期新產品不斷涌現 1932年以來心臟起搏器應用于臨床 1950年后超聲診斷技術得到了飛速發(fā)展 1953年美國最早使用自動生化裝置1963年Holter 采用存儲遙測技術診斷 1962年國外開始建立ICU和CCU 60

4、年代以來又發(fā)明了CT,2024/1/22,6,人體系統(tǒng)的特征,運用現代理論分析研究人體，可將人體系統(tǒng)分為：器官自控制系統(tǒng)神經控制系統(tǒng)內分泌系統(tǒng)免疫系統(tǒng),2024/1/22,7,人體生理信息的種類,物理量：包括器官的生物電信息、磁信息、壓力、速度、流量、溫度、形態(tài)等化學量：O2、CO2、CO、H2O、K、Na、Ca等以及多種生化參量,2024/1/22,8,人體生理信息,人體細胞電位單細胞電位：細胞膜內、外的離子濃度差產生電位

5、差。靜息電位：細胞未受刺激時，細胞膜內外的電位差。動作電位：因細胞受到刺激而造成的電位變化。細胞群電位循環(huán)系統(tǒng)生理信息心電、心音、血壓、脈搏、血流呼吸系統(tǒng)生理信息肺容量、呼吸氣體的成分,2024/1/22,9,人體生理信息,神經系統(tǒng)生理信息神經纖維的傳導機能大腦皮質的生物電活動（腦電波）興奮由神經向肌肉的傳遞（肌電圖）傳導速度的測定特殊感覺器官的生理信息眼的電生理聽覺器官的生理參數消化系統(tǒng)的生理信息消化系

6、的運動、消化系的電節(jié)律、內壓等,2024/1/22,10,生物信息的基本特點,幅值小，頻率低，有的接近于直流不穩(wěn)定性非線性概率性,2024/1/22,11,生物信息的類型,離散參量的離散信息 如：每天測量的白細胞數值離散參數的連續(xù)信息 如：每次給受檢者所測的體溫值連續(xù)參量的連續(xù)信息 如：心電波、腦電波連續(xù)參量的離散信息 如：不同灰度等級的醫(yī)學圖像信號通常生物信息具體為某種醫(yī)學生理參量時，就可直

7、接稱其為生物信號，簡稱信號。,2024/1/22,12,醫(yī)學儀器的結構,信息檢測系統(tǒng) 信息處理系統(tǒng) 輔助系統(tǒng) 記錄顯示系統(tǒng),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2024/1/22,13,信息檢測系統(tǒng),主要包括被測對象、傳感器或電極，它是醫(yī)學儀器的信號源在生物體中，將需用儀器測量的物理（化學）量，特性和狀態(tài)等稱為被測對象傳感器的作用是將人體機能狀態(tài)信息的物理量

8、或化學量轉變?yōu)殡姡ɑ螂姶牛┬盘枺浑姌O的作用是直接從生物（人）體上提取電信號,2024/1/22,14,傳感器,傳感器(Transducer)又稱為換能器或轉換器，是一種用來轉換能量形式的器件。醫(yī)用傳感器就是把人體中的非電量的生理參數，即物理和化學的能量信號轉換成電信號。醫(yī)用傳感器根據變換能量的原理不同，分為有源傳感器和無源傳感器。,2024/1/22,15,有源和無源傳感器,有源傳感器又稱為主動傳感器或直接傳感器，它可以把生物體非電

9、參數直接轉換為電信號，無需外加任何激勵能量或進行載波信號的調制。如電磁傳感器、溫度傳感器和光電傳感器等無源傳感器又稱為被動傳感器，它是利用生物體的電阻、電容和電感性，外加激勵電壓或交流載波信號，把被測的非電生理參數轉換成電信號。電阻式傳感器、電容式傳感器和電感式傳感器,2024/1/22,16,傳感器測量對象的各種量的分類：,1）位移（長度）：心臟位移、腫瘤位置、結石位置等。2）聲音（振動、加速度）：心音、呼吸音、胎心音等。3

10、）壓力、力：血壓、心內壓、顱內壓、胃內壓、眼壓等。4）時間（頻率）：心律、脈搏、心動周期、凝血時間等。5）速度：血流速度、神經傳道速度。6）溫度：皮膚溫度、口內溫度等。,2024/1/22,17,傳感器的特性要求,具有良好的技術性能對被測組織損害小不干擾正常生理活動有足夠的牢固性和安全性能適應生物體內化學作用易于操作維護和消毒,2024/1/22,18,電極,電極是測量人體的電學量參數，它把人體內的離子電流轉化為電路中的

11、電流。分為：體表電極（金屬板電極、吸附電極）針型電極微電極。 電極材料一般為一些金屬Ag\Zn\Al等,2024/1/22,19,電極,電極是測量人體的電學量參數，它把人體內的離子電流轉化為電路中的電流。電極的分類：1）按所用材料分：金屬電極、半導體電極、生物電極2）按外形結構分：針狀電極、夾鉗電極、盤狀電極、吸附電極3）按使用時接觸身體的部位分：體表電極、體內（或皮下）電極4）按用途分：測量電極和刺激電極,

12、2024/1/22,20,信息處理系統(tǒng),其包括放大、識別（濾波）、變換、運算等各種處理和分析信息處理系統(tǒng)被視為醫(yī)學儀器的核心,2024/1/22,21,記錄顯示系統(tǒng),其作用是將處理后的生物信息變?yōu)榭晒┤藗冎苯佑^察的形式記錄與顯示設備按工作原理不同，可分為：直接描記式記錄器描筆偏轉式和自動平衡式磁記錄器模擬式和數字式數字式顯示器熒光數碼管和液晶顯示器,2024/1/22,22,輔助系統(tǒng),該系統(tǒng)一般包括控制和反饋、數據存儲和

13、運輸、標準信號產生和外加能量源等。,2024/1/22,23,醫(yī)學儀器的工作方式,醫(yī)學儀器的工作方式是指因其檢測和處理生物信息方法的不同，而采用不同的工作方式?？煞譃椋褐苯雍烷g接實時和延時間斷和連續(xù)模擬和數字,2024/1/22,24,醫(yī)學儀器的特性與分類,醫(yī)學儀器的主要技術特性醫(yī)學儀器的特殊性醫(yī)學儀器的分類,2024/1/22,25,醫(yī)學儀器的主要技術特性,準確度(精度): 衡量儀器測量系統(tǒng)誤差的尺度。儀器的準確度

14、越高，它的測量值與理論值間的偏離越小。 理論值-測量值 準確度= *100% 理論值,,2024/1/22,26,,精密度：用相同條件下重復測量間的最大偏差與儀器滿量程之比表示，即,式中，Ai、Aj分別為任意兩次測量的結果值， Ｈ為儀器的最大測量范圍（滿量程）。,2024/1/22,27,,靈敏度

15、：靈敏度是指儀器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化量和輸入變化量之比，可表示為：,式中S為靈敏度，?A0和?Ai分別為輸出量變化和輸入量變化。,2024/1/22,28,輸入阻抗與輸出阻抗,輸入阻抗：與被測對象阻抗特性、使用電極或傳感器的類型及生物體接觸界面有關.輸入阻抗：指從一測量系統(tǒng)或線路環(huán)節(jié)的輸入端測得的系統(tǒng)自身的阻抗，即,Zi為系統(tǒng)的輸入阻抗，Vi和Ii分別為從系統(tǒng)輸入端測得的輸入電壓和輸入電流,2024/1/22,29,,輸出阻抗：指從一測

16、量系統(tǒng)或線路環(huán)節(jié)的輸出端測得的系統(tǒng)自身的阻抗，即,Zo為系統(tǒng)的輸出阻抗Zh為輸出端接入的負載阻抗Vo和Vh分別為系統(tǒng)輸出端開路和接入負載阻抗Zh時的輸出電壓,2024/1/22,30,輸出阻抗的計算,2024/1/22,31,,頻率響應：指儀器保持線性輸出時允許其輸入頻率變化的范圍，是衡量系統(tǒng)增益隨頻率變化的尺度。反映在輸入信號幅度恒定條件下輸出幅度與輸入正弦信號頻率關系的曲線稱為幅頻特性曲線；反映輸出量與輸入正弦信號間的相角與

17、輸入信號頻率關系的曲線稱為相頻特性曲線。使儀器的輸出幅度隨頻率的變化不超過規(guī)定值（如3dB）的輸入信號頻率范圍稱為響應頻率，又稱為通頻帶。,2024/1/22,32,,非線性度：非線性度用實測值和與相應輸入量成正比關系的理論值間最大偏差同滿量程之比表示，即,式中，EL為儀器的線性度 ?ALmax為全量程內的實測值 與理論值間的最大偏差 H為全量程，,2024/1/22,33,,漂移：漂移是指儀器的輸

18、出量隨時間或外部環(huán)境變化而變化的程度。零點漂移：用無輸入信號和恒定環(huán)境條件下的儀器輸出量在一定時間內的最大變化與滿量程之比來表示，即,Dz 為零點漂移?Amax 為指定時間內在輸入量為零時輸出量的最大變化H 為儀器的滿量程,2024/1/22,34,,溫度漂移：用無輸入信號條件下儀器的輸出量隨環(huán)境溫度的變化與儀器的滿量之比來表示，即,DT為溫度漂移?AT為環(huán)境溫度變化?T時引起的

19、儀器輸出量的變化H為儀器的滿量程,2024/1/22,35,,信噪比（S／N=Ps／Pn）除被測信號以外的任何干擾都可稱為噪聲。外部噪聲：電磁場干擾；內部噪聲：電子器件的熱噪聲、粒散噪聲和1/f噪聲在具體討論放大電路放大微弱信號的能力時，常常用信噪比來描述在弱信號工作時的情況，定義為：信號功率Ps與噪聲功率Pn之比,2024/1/22,36,,共模抑制比：衡量生物電信號放大器對共模干擾的抑制能力（CMRR=Ad／Ac）為A

20、d差模增益， Ac為共模增益共模抑制比主要由電路的對稱度決定，也是克服溫度漂移的重要因素。,2024/1/22,37,典型醫(yī)學和生理學參數,2024/1/22,38,醫(yī)學儀器的特殊性,噪聲特性個性差異與系統(tǒng)性生理機能的自然性接觸界面的多樣性操作與安全性,2024/1/22,39,醫(yī)學儀器的分類,醫(yī)學儀器按用途可分為：診斷用儀器生物電診斷與監(jiān)護儀器生理功能診斷與監(jiān)護儀器人體組織成分的電子分析檢驗儀器人體組織結構形態(tài)的影

21、像診斷儀器理療用儀器 電療儀/光療儀/磁療儀/超聲波治療治療用儀器 起搏器/除顫器,2024/1/22,40,醫(yī)學儀器的制約,被測生理量難接近性生理數據變異性生理系統(tǒng)間存在相互作用人們缺乏對系統(tǒng)間相互關系的了解傳感器對被測量影響偽跡能量限制安全問題,2024/1/22,41,醫(yī)學儀器的設計原則,信號因素環(huán)境因素醫(yī)學因素經濟因素時代因素,2024/1/22,42,醫(yī)學儀器發(fā)展展望,與計算機相關的技

22、術分子醫(yī)學技術家庭與自我保健技術微損傷儀器器械與藥物相結合的產品采用硬件和組織工程組建的器官置換/輔助裝置,2024/1/22,43,醫(yī)學儀器的發(fā)展趨勢,醫(yī)用硬件將變得更小，反映出智能化帶來的更為綜合的性能。更小更簡易的產品將使分散性護理應用更廣。產品的發(fā)展將大大沖破目前的界限。產品技術的進步將促使臨床手術空間和時間精度大大提高。,2024/1/22,44,問題討論,心電、心音信號分別用下列什么裝置提取？ a)傳感