现代医学电子仪器原理和设计

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,现代医学电子仪器原理及设计,1,什么是医学仪器,?,是指那些单纯或组合应用于人体的仪器，包括所需的软件。,2,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、缓解或补偿,3,、解剖或生理过程的研究、替代或者调节,4,、妊娠控制,3,简单定义：以医学临床和医学研究为目的的仪器,4,常见的现代医学仪器,医用,X,线诊断装置,计算机断层成像系统,(CT),磁共振成像系统,(MRI),核医学诊断仪器及设备 （,ECT,、,PET,）,超声设备,放射治疗装置 （钴,60,、,X-,刀、,-,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）,5,一、本门课程的内容,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,6,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,7,二、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）,8,教学方法,课堂理论教学,验证性实验教学,设计性实验教学,9,三、主要参考书,1,、余学飞，现代医学电子仪器原理及设计,华南理工大学出版社，,2007,2,、,John G.Webster,Medical Instrumentation Application and Design,Third edition,John Wiley & Sons,INC.1998,3,、吴建刚，现代医用电子仪器原理及维修，电子工业出版社，,2005,4,、邓亲恺，现代医学仪器原理及设计，科学出版社，,2004,10,第一节 生物信息知识简介,一、人体系统的特征,人体是一个复杂的自然系统，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， 又保持有机联系，共同维持生命。,器官的自控制系统,神经控制系统,内分泌控制系统,免疫控制系统,11,二、人体控制功能的特点,负反馈机制,双重支配性,多重层次性,适应性,非线形,12,三、生物信息的基本特征,不稳定性,非线性,概率性,13,四、生物信息的类型,a),离散参数的离散信息,b),离散参数的连续信息,c),连续参数的连续信息,d),连续参数的离散信息,14,第二节：医学电子仪器的结构,15,1.,生物信息的检测,根据生物信息的特点，针对不同的生理参量，采用不同的方式（传感器和处理电路）,一、医学仪器的基本构成,16,典型参数,幅度范围,频率范围,使用传感器（,电极）类型,心电（,ECG,）,0.015mV,0.05100Hz,表面电极,脑电（,EEG,）,2200V,0.1100Hz,帽状、表面或针状电极,肌电（,EMG,）,0.025mV,52000Hz,表面电极,胃电（,EGG,）,0.011mV,DC1Hz,表面电极,心音（,PCG,）,0.052000Hz,心音传感器,血流（主动脉）,1300mL/s,DC20Hz,电磁超声血流计,输出量,425L/min,DC20Hz,染料稀释法,心阻抗,15500,DC60Hz,表面电极、针电极,体温,3240C,DC0.1Hz,温度传感器,17,2.,生物信息的处理,为了从检测到的信号中获得更多的有用信息，同时使信息的特征更明确、更准确、更直观,3.,生物信息的记录及显示系统,直接描记式记录器,磁记录器,数字式显示器,4.,辅助系统,18,二、医学仪器的工作方式,直接和间接,实时和延时,间断和连续,模拟和数字,19,第三节：医学仪器的特性及分类,一、医学仪器的主要技术参数（或称为静态参数,static characteristics,）,1.,准确度（,Accuracy,）,2.,精密度,(Precision),3.,输入阻抗,(Input impedence),4.,灵敏度,(Sensitivity),5.,频率响应,(Frequency response),6.,信噪比,(Signal to Noise Ratio),7.,零点漂移,(Zero drift),8.,共摸抑制比,(CMRR common mode rejection ratio),20,（一）准确度（,Accuracy,）,准确度是衡量仪器测量系统误差的一个尺度。准确度可理解为测量值及理论值之间的接近程度。,理论值测量值,准确度,理论值,21,（二）精密度,(Precision),精密度是指仪器对测量结果区分程度的一种度量。表示从所选定的已知数据中可能分辨的数值。,22,（三）输入阻抗,(Input impedence),通常称外加输入变量（如电压、力、压强等）及相应应变量（如电流、速度、流量等）之比为仪器的输入阻抗。,输入阻抗,Z,为被测量的输入变量,X1,和另一固有变量,X2,的比值。即,信号功率为,23,（四）灵敏度,(Sensitivity),仪器的灵敏度是指输出变化量及引起它变化的输入变化量之比。,24,（五）频率响应,(Frequency response),仪器保持线性输出时，允许其输入频率变化的范围，它是衡量系统增益随频率变化的一个尺度。,25,（六）信噪比,(Signal to Noise Ratio),信噪比定义为信号功率,PS,及噪声功率,PN,之比，即,为了便于对信噪比作定量比较，常以输入端短路时的内部噪声电压作为衡量信噪比的指标，即,26,（七）零点漂移,(Zero drift),仪器的输入量在恒定不变（或无输入信号）时，输出量偏离原来起始值而上、下漂动、缓慢变化的现象称为零点漂移。,27,（八）共摸抑制比,(CMRR common mode rejection ratio),定义为放大差模信号和抑制共模信号的能力为共模抑制比，用下式表示：,28,二、医学仪器的特殊性,被作用对象（人）的特殊性决定了医学仪器的特殊性,1.,噪声特性,2.,个体差异及系统性,3.,生理机能的自然性,4.,接触界面的多样性,5.,操作及安全性,29,（一）噪声特性,从人体拾取的生物信号不仅幅度微小，而且频率也低。必须尽量采取各种抑制措施，使噪声影响减至最小。一般来说，限制噪声比放大信号更有意义。,30,（二）个体差异及系统性,人体个体差异相当大，用医学仪器作检测时，应从适应人体的差异性出发，要有相应的测量手段。,人体又是一个复杂的系统，测定人体某部分的机能状态时，必须考虑及之相关因素的影响。要选择适当的检测方法，消除相互影响，保持人体的系统性相对稳定。,31,（三）生理机能的自然性,在检测时，应防止仪器（探头）因接触而造成被测对象生理机能的变化。因为只有保证人体机能处于自然状态下，所测得的信息才是可靠的、准确的。,32,（四）接触界面的多样性,为了能测得人体的生物信息、必须使传感器（或电极）及被测对象间有一个合适的、接触良好的接触界面。,33,（五）操作及安全性,在医学仪器的临床应用中，操作者为医生或医辅人员，因此要求医学仪器的操作必须简单、方便、适用和可靠。,另外，医学仪器的检测对象是人体，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的条件下。,34,第四节：医学仪器的设计原则,Design criteria for commercial medical instrumentation development,影响仪器设计的基本因素有五种，即信号因素、环境因素、医学因素、经济因素和时代因素，这些因素都是进行设计时考虑的基本原则。,医学仪器设计的灵感来源于临床需求：,Ideas often come from people working where health care is delivered,because clinical needs are most evident there.,35,36,仪器设计时必须做的几项工作,1,、寻找设计灵感（,ideas,）,2,、对设计灵感进行可行性分析,3,、进行技术可行性分析,4,、进行生产、市场可行性分析,5,、制定产品标准,6,、样机研制及产品质量检测,7,、动物及临床试验,8,、医疗仪器新产品的审批和注册,37,医学仪器设计步骤,38,医学仪器发展的重大事件,1,、,1816,年发明了听诊器，,1850,年发明了临床体温计,2,、,1895,年伦琴发现了,X,射线，由此开创了人体影像诊断的先河（,1901,年,NP,物理）,3,、,1903,年荷兰生理学家艾萨文（,William Einthoven,）研制了第一台心电图仪并创立了肢体标准导联测量方法（,1924,年,NP,生理）,4,、,1924,年法国学者,Berger,采用头皮电极记录了人脑的电活动，标志着脑电图机的诞生,39,5,、,1958,年商品化的超声诊断仪问世,6,、,1972,年英国工程师豪斯菲尔德（）将计算机技术和,X,射线相结合，发明了,X,射线计算机断层扫描仪（,computerized tomography X-ray system,CT,），使三维医学图像诊断成为现实（,1979,年,NP,生理学及医学奖）,40,7,、自,1958,年研制成功医用,Gama,照相机，核医学影像类仪器开始应用于临床，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射线而成像的，随着,CT,技术的发展，有,ECT,（放射性同位素断层成像），单光子放射断层成像,SPECT,，正电子发射断层成像,PET,，能提供生理代谢方面的信息。,41,8,、核磁共振（,Nuclear magnetic resonance NMR,）是一种谱分析方法，,1973,年美国科学家保罗,.,老特布尔和英国科学家彼特,.,曼斯菲尔德独立地研制出临床实用的磁共振成像仪,MRI,。不仅提供人体解剖图象，还能提供特定部位的生理功能信息。（均获,2003,年,NP,生理医学奖）,42,9,、治疗类仪器：,20,世纪初，利用电磁波谱不同频段（包括非电磁波谱的超声波）的生理效应，研制了各种治疗仪器，代表的有：心脏起搏器、高频电刀、激光刀、直线加速器等,43,10,、生化分析仪器：,19,世纪末出现，,20,世纪得到得到长足发展，是利用谱分析方法、电化学方法、各种分离技术等，对人体成分进行离体分析。,44,发展预测,未来,5,年医学仪器的六大发展方向：,1,、计算机相关技术：计算机辅助诊断、智能器械、机器人和网络技术（,HIS- hospital information system and PACSpicture archiving and communication system,医学影像存档及传输系统），小型化生化和光学生物传感器融合方式出现的仪器。,2,、分子医学仪器：包括遗传诊断、遗传治疗和组织工程化仪器以及生物传感器。,45,3,、家庭和自我保健类仪器：随着医学模式由,“,生物,技术,”,模式向,“,生物,心理,社会,技术,”,模式转化，家庭和自我保健类仪器会越来越受到重视，主要包括：家庭,/,自我监护及诊断、家庭,/,自我治疗和远程医疗；,产品有：血尿生化指标和药物浓度的家用诊断测试仪器、血糖水平检测仪、家用智能化器械来控制治疗和,“,训导,”,病人、床边监护等用于家庭和社区的远程医疗设备、,“,低技术操作,”,的高技术产品。,46,4,、基于微创及无创方法的器械：微创心血管和神经外科器械、激光外科、机器人外科、纳米技术、内镜、功能和多模式成像、,MRI,、,PET,和造影剂，主要集中在微小型化器械上。微型电子机械系统（,MEMS-micro electric machine system,）,47,5,、器械,/,药物的复合产品：,第一，用于胰岛素和其它药物的植入式泵，采用生物传感器监视身体中药物浓度并对药物递送速度进行动态调节，还会开发出新的聚合物缓释器械，实现药物的安全性和长效性。,第二，研制出新型药物灌注器械，如用于抗血栓形成的心脏植入物、抗菌包覆的矫形用植入物。,第三，出现适用于老年人家庭使用的药物递送系统，如鼻腔和口腔吸入器械,48,6,、采用硬件和组织工程的器官移植,/,辅助器械。归纳在该技术领域的包括人工器官、组织工程化器官和电刺激。相应的人工产品是：骨、心脏瓣膜、心泵、软骨、胰、血管、肾、皮肤、肝、眼和再生的神经细胞、以及心脏、神经和神经肌肉刺激器,49,