醫(yī)學(xué)儀器概論

1、2024/1/22,1,醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計(jì),主講 蔣欣,2024/1/22,2,學(xué)習(xí)本課程的目的和方法,目的：1）各種各樣醫(yī)學(xué)儀器為醫(yī)生診治疾病提供了強(qiáng)有力的手段。2）新技術(shù)、新材料不斷發(fā)展，對(duì)從事生物醫(yī)學(xué)工程人員提出了更高要求。學(xué)習(xí)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(gòu)造與維修》 劉鳳軍主編 中國(guó)醫(yī)藥科技出版社 1997年《醫(yī)學(xué)儀器》齊頒揚(yáng)主編 高等教育

2、出版社1991年《生物醫(yī)學(xué)測(cè)量與儀器》 王保華主編 復(fù)旦大學(xué)出 版社《常用醫(yī)療電子設(shè)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(xué)出版社 1995年,2024/1/22,4,第一章 醫(yī)學(xué)儀器概論,醫(yī)學(xué)儀器的發(fā)展歷史人體系統(tǒng)的特征人體生理信號(hào)及其特征人--儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)醫(yī)學(xué)儀器的特性分類及制約,2024/1/22,

3、5,醫(yī)學(xué)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(jī)是醫(yī)學(xué)儀器的最早發(fā)明20世紀(jì)以來醫(yī)學(xué)儀器的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)旺盛時(shí)期新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn) 1932年以來心臟起搏器應(yīng)用于臨床 1950年后超聲診斷技術(shù)得到了飛速發(fā)展 1953年美國(guó)最早使用自動(dòng)生化裝置1963年Holter 采用存儲(chǔ)遙測(cè)技術(shù)診斷 1962年國(guó)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(yùn)用現(xiàn)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(jīng)控制系統(tǒng)內(nèi)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(xué)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(xì)胞電位單細(xì)胞電位：細(xì)胞膜內(nèi)、外的離子濃度差產(chǎn)生電位

5、差。靜息電位：細(xì)胞未受刺激時(shí)，細(xì)胞膜內(nèi)外的電位差。動(dòng)作電位：因細(xì)胞受到刺激而造成的電位變化。細(xì)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(jīng)系統(tǒng)生理信息神經(jīng)纖維的傳導(dǎo)機(jī)能大腦皮質(zhì)的生物電活動(dòng)（腦電波）興奮由神經(jīng)向肌肉的傳遞（肌電圖）傳導(dǎo)速度的測(cè)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(shù)消化系統(tǒng)的生理信息消化系

6、的運(yùn)動(dòng)、消化系的電節(jié)律、內(nèi)壓等,2024/1/22,10,生物信息的基本特點(diǎn),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(cè)量的白細(xì)胞數(shù)值離散參數(shù)的連續(xù)信息 如：每次給受檢者所測(cè)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(jí)的醫(yī)學(xué)圖像信號(hào)通常生物信息具體為某種醫(yī)學(xué)生理參量時(shí)，就可直

7、接稱其為生物信號(hào)，簡(jiǎn)稱信號(hào)。,2024/1/22,12,醫(yī)學(xué)儀器的結(jié)構(gòu),信息檢測(cè)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(cè)系統(tǒng),主要包括被測(cè)對(duì)象、傳感器或電極，它是醫(yī)學(xué)儀器的信號(hào)源在生物體中，將需用儀器測(cè)量的物理（化學(xué)）量，特性和狀態(tài)等稱為被測(cè)對(duì)象傳感器的作用是將人體機(jī)能狀態(tài)信息的物理量

8、或化學(xué)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡姡ɑ螂姶牛┬盘?hào)；電極的作用是直接從生物（人）體上提取電信號(hào),2024/1/22,14,傳感器,傳感器(Transducer)又稱為換能器或轉(zhuǎn)換器，是一種用來轉(zhuǎn)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(shù)，即物理和化學(xué)的能量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。醫(yī)用傳感器根據(jù)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(dòng)傳感器或直接傳感器，它可以把生物體非電

9、參數(shù)直接轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，無需外加任何激勵(lì)能量或進(jìn)行載波信號(hào)的調(diào)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(dòng)傳感器，它是利用生物體的電阻、電容和電感性，外加激勵(lì)電壓或交流載波信號(hào)，把被測(cè)的非電生理參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。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(cè)量對(duì)象的各種量的分類：,1）位移（長(zhǎng)度）：心臟位移、腫瘤位置、結(jié)石位置等。2）聲音（振動(dòng)、加速度）：心音、呼吸音、胎心音等。3

10、）壓力、力：血壓、心內(nèi)壓、顱內(nèi)壓、胃內(nèi)壓、眼壓等。4）時(shí)間（頻率）：心律、脈搏、心動(dòng)周期、凝血時(shí)間等。5）速度：血流速度、神經(jīng)傳道速度。6）溫度：皮膚溫度、口內(nèi)溫度等。,2024/1/22,17,傳感器的特性要求,具有良好的技術(shù)性能對(duì)被測(cè)組織損害小不干擾正常生理活動(dòng)有足夠的牢固性和安全性能適應(yīng)生物體內(nèi)化學(xué)作用易于操作維護(hù)和消毒,2024/1/22,18,電極,電極是測(cè)量人體的電學(xué)量參數(shù)，它把人體內(nèi)的離子電流轉(zhuǎn)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(cè)量人體的電學(xué)量參數(shù)，它把人體內(nèi)的離子電流轉(zhuǎn)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(dǎo)體電極、生物電極2）按外形結(jié)構(gòu)分：針狀電極、夾鉗電極、盤狀電極、吸附電極3）按使用時(shí)接觸身體的部位分：體表電極、體內(nèi)（或皮下）電極4）按用途分：測(cè)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(shí)別（濾波）、變換、運(yùn)算等各種處理和分析信息處理系統(tǒng)被視為醫(yī)學(xué)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(shè)備按工作原理不同，可分為：直接描記式記錄器描筆偏轉(zhuǎn)式和自動(dòng)平衡式磁記錄器模擬式和數(shù)字式數(shù)字式顯示器熒光數(shù)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)和

13、運(yùn)輸、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生和外加能量源等。,2024/1/22,23,醫(yī)學(xué)儀器的工作方式,醫(yī)學(xué)儀器的工作方式是指因其檢測(cè)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(shí)時(shí)和延時(shí)間斷和連續(xù)模擬和數(shù)字,2024/1/22,24,醫(yī)學(xué)儀器的特性與分類,醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性醫(yī)學(xué)儀器的特殊性醫(yī)學(xué)儀器的分類,2024/1/22,25,醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性,準(zhǔn)確度(精度): 衡量?jī)x器測(cè)量系統(tǒng)誤差的尺度。儀器的準(zhǔn)確度

14、越高，它的測(cè)量值與理論值間的偏離越小。 理論值-測(cè)量值 準(zhǔn)確度= *100% 理論值,,2024/1/22,26,,精密度：用相同條件下重復(fù)測(cè)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(cè)量的結(jié)果值， Ｈ為儀器的最大測(cè)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(cè)對(duì)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(guān).輸入阻抗：指從一測(cè)量系統(tǒng)或線路環(huán)節(jié)的輸入端測(cè)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(cè)得的輸入電壓和輸入電流,2024/1/22,29,,輸出阻抗：指從一測(cè)

16、量系統(tǒng)或線路環(huán)節(jié)的輸出端測(cè)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(fù)載阻抗Vo和Vh分別為系統(tǒng)輸出端開路和接入負(fù)載阻抗Zh時(shí)的輸出電壓,2024/1/22,30,輸出阻抗的計(jì)算,2024/1/22,31,,頻率響應(yīng)：指儀器保持線性輸出時(shí)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(hào)幅度恒定條件下輸出幅度與輸入正弦信號(hào)頻率關(guān)系的曲線稱為幅頻特性曲線；反映輸出量與輸入正弦信號(hào)間的相角與

17、輸入信號(hào)頻率關(guān)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(hào)頻率范圍稱為響應(yīng)頻率，又稱為通頻帶。,2024/1/22,32,,非線性度：非線性度用實(shí)測(cè)值和與相應(yīng)輸入量成正比關(guān)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(nèi)的實(shí)測(cè)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(shí)間或外部環(huán)境變化而變化的程度。零點(diǎn)漂移：用無輸入信號(hào)和恒定環(huán)境條件下的儀器輸出量在一定時(shí)間內(nèi)的最大變化與滿量程之比來表示，即,Dz 為零點(diǎn)漂移?Amax 為指定時(shí)間內(nèi)在輸入量為零時(shí)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(hào)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(shí)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(cè)信號(hào)以外的任何干擾都可稱為噪聲。外部噪聲：電磁場(chǎng)干擾；內(nèi)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(hào)的能力時(shí)，常常用信噪比來描述在弱信號(hào)工作時(shí)的情況，定義為：信號(hào)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(hào)放大器對(duì)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(duì)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(xué)和生理學(xué)參數(shù),2024/1/22,38,醫(yī)學(xué)儀器的特殊性,噪聲特性個(gè)性差異與系統(tǒng)性生理機(jī)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(xué)儀器的分類,醫(yī)學(xué)儀器按用途可分為：診斷用儀器生物電診斷與監(jiān)護(hù)儀器生理功能診斷與監(jiān)護(hù)儀器人體組織成分的電子分析檢驗(yàn)儀器人體組織結(jié)構(gòu)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(xué)儀器的制約,被測(cè)生理量難接近性生理數(shù)據(jù)變異性生理系統(tǒng)間存在相互作用人們?nèi)狈?duì)系統(tǒng)間相互關(guān)系的了解傳感器對(duì)被測(cè)量影響偽跡能量限制安全問題,2024/1/22,41,醫(yī)學(xué)儀器的設(shè)計(jì)原則,信號(hào)因素環(huán)境因素醫(yī)學(xué)因素經(jīng)濟(jì)因素時(shí)代因素,2024/1/22,42,醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展展望,與計(jì)算機(jī)相關(guān)的技

22、術(shù)分子醫(yī)學(xué)技術(shù)家庭與自我保健技術(shù)微損傷儀器器械與藥物相結(jié)合的產(chǎn)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(xué)儀器的發(fā)展趨勢(shì),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(jiǎn)易的產(chǎn)品將使分散性護(hù)理應(yīng)用更廣。產(chǎn)品的發(fā)展將大大沖破目前的界限。產(chǎn)品技術(shù)的進(jìn)步將促使臨床手術(shù)空間和時(shí)間精度大大提高。,2024/1/22,44,問題討論,心電、心音信號(hào)分別用下列什么裝置提??？ a)傳感