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1、医学电子与仪器,授课老师：王伟联系方式：联系电话：13594010034,第一章 概 述,1.1电子学在生命科学与医学中的应用1816年听诊器和1850年临床体温计问世1842 年物理学家Nobeli首次用静电计方法记录出蛙肌电图；1895年11月8日德国物理学家伦琴发现了X线,1897年德累斯特一家医院安装了伦琴机。（伦琴获1901年诺贝尔奖）1903年，荷兰生理学家WEinthoven采用弦线型电流计，利用光学放大原理在感光板上记录了第一个实用心电图，这是现代心电图的雏形。（W.Einthovon获1924年诺贝尔奖）1929年，德国医生Hans Berger用检流计在开颅情况下记录了人的
2、脑电图，从此揭开了人类认识大脑的新纪元。,1.1电子学在生命科学与医学中的应用1958年医用超声仪出现20世纪60年代放射性同位素在医学上应用1972年CT问世(英国EMI Ltd.将计算机和X线技术结合而发明了X-CT，发明人Cormark（解析法）和Hounsfield（迭加法）获得了1979年诺贝尔生理学和医学奖。)1973年MRI问世(2003年诺贝尔生理学和医学奖颁发给美国的Paul C Lauterbur and 英国的Peter Mansfield 以表彰他们为“磁共振成像”作出的原创性贡献.),1.2医学电子仪器的一般结构医学仪器定义 通常是指那些单纯或组合应用于人体的仪器、设
3、备、器具、材料或者其他物品，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 医学仪器对于人体体表及体内的作用不是用药理学、免疫学或代谢的手段获得，但可能有这些手段参与并起一定的辅助作用。,医学仪器基本结构,被测对象:系统测量的物理量、特征和形态，称为被测对象。被测对象的可接近性是很重要的，因为它可能是身体内部的、身体表面的或身体上发散出来的。传感器：传感器就是把能量从一种形势转换成另一种形势的器件，它应当只响应于在被测对象中存在的能量形式，而排除所有其他的能量。
4、信号条件化：信号条件化可以补偿传感器的不良特性，也可以对周期信号求平均值以减小噪声；或者把信息从时间领域变换到频率领域。输出显示：显示的最好形式，可以是数字的或图形的，离散的或连续的，永久的或暂时的，这取决于特定的被测对象和操作人员的操作。辅助部分,http:/,医学仪器分类根据转换参数分类 能够容易比较任一参数的各种测试方法。根据转换原理分类 各种原理的不同用途，能用来加强对各种概念的理解，而且也能更容易看到些新的用途。根据各种生理系统分类 对于仅需熟悉某一专门范围的专科医生而言，确定了重要的测试内容，但这使转换原理有了很多重叠。根据临床医生分类 对于关心专门化仪器的医生而言是有价值的,根据
5、使用风险大小分类 国家对医疗器械实行分类管理。国家有专门机构对医疗器械的研发、生产、销售和使用进行管理和监督。第一类是指通过常规管理足以保证其安全性、有效性的医疗器械（大部分是手术器械）。第二类是指对其安全性、有效性应当加以控制的医疗器械。第三类是指植入人体；用于支持、维持生命；对人体具有潜在危险，对其安全性、有效性必须严格控制的医疗器械。,根据使用用途分类诊断用仪器、治疗用仪器和辅助用仪器,诊断仪器,医用电子设备 心电图机、脑电图机、床边监护系统、动态心电监护仪、胎儿监护仪、饱和血氧浓度监护仪 医用成像装置 X射线诊断装置（普通、数字化）、X线计算机断层扫描仪、核医学成像装置、超声诊断装置、
6、磁共振成像装置、热成像装置 医用检验仪器 生物传感器、生化分析仪、血气分析仪、血细胞分类仪 医用光学仪器 内窥镜、光学显微镜、激光仪器、眼科光学仪器（自动眼压计、自动验光机、视野测定仪、角膜地形图、眼底照相及眼底图象分析设备等）,治疗仪器,人工器官 人工心脏、瓣膜、心脏辅助装置、人工关节、假肢、人工肝、人工肾、人工肺（氧合器）、人工听觉、人工角膜、人工晶体等 物理治疗仪器前列腺治疗仪 微波高温治疗仪 放射治疗装置：钴60、直线加速器、X刀、刀 高频治疗设备：电刀、射频消融 超声治疗设备：体外冲击波碎石机、超声乳化白内障手术仪、超声雾化器 激光治疗设备：激光刀、眼科激光,准分子激光角膜屈光矫正、
7、准分子激光冠状动脉成形术、皮肤美容激光器 利用机械能的设备：呼吸机、输液泵、体外反搏和主动脉内气囊反搏 其他治疗设备：高压氧舱、低温麻醉设备、冷冻刀等、远红外理疗设备及电化学治疗设备、麻醉机,辅助仪器设备,辅助设备 一部分与医疗有关的仪器既不直接用于作疾病诊断，也不直接用于疾病的治疗，这些是医学辅助设备。医学信息系统：包括计算机网络系统及与此相应的计算机医院自动化管理系统（包括行政和病史管理等）、地区医疗网络与远程医疗设备、面向家庭的医疗技术（工程）、医学教学工程（如多媒体辅助教学、电视等）设备、环境监控系统、人工智能与专家系统、以及近年来迅速发展的PACS系统。其它辅助设备：包括消毒灭菌设备
8、、照明设备（如无影灯、图片灯）、中心供氧和制氧设备、吸引设备、废物处理设备、手术台、电源系统和电安全监护器、制冷设备和空调设备、血库设备、制药机械设备等。,1.3 医学电子仪器的设计,影响仪器设计的的四个基本因素信号因素 设计仪器时，应该首先考虑所获取的信号的大小、相位及其幅频响应和相位响应。环境因素 设计仪器需要考虑其在特定的使用环境所提出的技术要求。医学因素 首先考虑仪器与人体之间的作用方式；其次考虑传感器对人体组织界面的具体要求，要求所用材料无腐蚀性、无毒；再则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安全绝缘性能。经济因素 考虑仪器的价格、使用寿命、可靠性和兼容性，提高经济效益
9、。,医学仪器设计流程,医学电子仪器的限制条件或特点,医学仪器是为测量各种医学和生理学参数而设计的每种参数的主要测量范围和频率范围是决定仪器组成部分设计的主要因素；对被测体必须是无害的，最理想的是无损伤的；活体里的许多关键变量难以得到，因为没有合适的被测对象传感器界面；从人体身上测出的变量是不确定的；各种类型的能量安全电平是难以测定的，因为许多相互作用的机理还没有充分理解；在仪器的设计和检验的所有阶段，都必须考虑到病人和医务人员的安全。,医学电子仪器技术发展预测仪器装置趋向于计算机化、智能化，远程医疗信息网络化，诊疗用机器人将被采用。形态和功能相结合的医学影像检测系统将得到发展。介入性微创、无创
10、诊疗技术在临床中将占有越来越来重要地位，激光技术、纳米技术和植入型机器人将在医疗领域发挥重要重要。新兴给药技术和装置将会有重大发展。研制精神分析、心理安抚等社会源性疾病的生物反馈型诊疗设备将成为热点。生物材料和组织工程中的人工器官将在临床中广泛应用。,医学电子仪器主要技术指标,灵敏度频率特性精密度准确度非线性度漂移零点漂移温度漂移灵敏度温漂分辨力输入输出阻抗漏电流,灵敏度 灵敏度是指仪器在稳态下输出量变化与输入量变化之比，可表示为:,S为灵敏度，A0和Ai分别为输出量变化和输入量变化,频率特性 频率特性是指仪器输出量和相位与输入正弦信号频率的关系。使仪器的输出幅度随频率的变化不超过规定值（如3
11、dB）的输入信号频率范围称为响应频率，又称为通频带。,部分常见生理信号的频率范围,精密度 精密度简称精度，用相同条件下重复测量间的最大偏差与仪器满量程之比表示，即,Ai、Aj分别为任意两次测量的结果值，为仪器的最大测量范围,准确度 准确度用仪器的实际测量结果值同真值（理想值）间的最大偏差与仪器满量程之比来表示，即,Ea为仪器的测量准确度，A max为实测值与真值间的最大偏差，H为仪器的满量程,非线性度 非线性度用实测值和与相应输入量成正比关系的理论值间最大偏差同满量程之比表示，即,EL为仪器的线性度，ALmax为全量程内的实测值与理论值之间的最大偏差，H为全量程,仪器非线性度的示意图,漂移 漂
12、移是指仪器的输出量随时间或外部环境变化而变化的程度，主要包括零点漂移、温度漂移和灵敏度温漂等指标。零点漂移：用无输入信号和恒定环境条件下的仪器输出量在一定时间内的最大变化与满量程之比来表示，即,Dz为零点漂移，Amax为指定时间内在输入量为零时输出量的最大变化，H为仪器的满量程,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与仪器的满量之比来表示，即,DT为温度漂移，AT为环境温度变化T时引起的仪器输出量变化,灵敏度温漂：用一定环境温度变化范围内仪器灵敏度的最大相对变化量来表示，即,Ds为灵敏度温漂，Smax为一定温度变化范围内仪器灵敏度的最大变化,分辨力 分辨力是指仪器分辨出最小的
13、信息变化的能力。按被测信息的性质和仪器用途的不同，仪器分辨力分为幅度分辨率、频率分辨率、时间分辨率和空间分辨力等指标。幅度分辨率一般用仪器最小可分辨的输出信号幅度或大小与仪器满量程之比来表示，即,R为幅度分辨率，又称为分辨率，Amin为仪器最小可分辨的输出信号幅值或大小，H为仪器的满量程。R愈小，仪器的幅度分辨率愈高,输入阻抗和输出阻抗 输入阻抗：指从一测量系统或线路环节的输入端测得的系统自身的阻抗，即,Zi为系统的输入阻抗，Vi和Ii分别为从系统输入端测得的输入电压和输入电流,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
14、，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,漏电流 生物医学仪器对人体电击危险的主要来源，有三种：接地漏电流：仪器接地导线流入大地的电流。机壳漏电流：仪器外壳经外部导体流入大地，或流向系统其它部分的电流。患者漏电流：经联接患者身体的导线或被测患者身体流入大地的电流。,生物医学测量仪器的漏电流,生物医学仪器的漏电流允许值（mA）,1.4 医学测量仪器中的干扰和噪声,测量某一种生理参数的同时，存在其他生理信号的噪声背景。生物信号对来自测量系统（包括人体）之外的干扰非常敏感。被测信号是微弱信号，测试系统具有较高的灵敏度；50Hz工频干扰几乎落在所有生物电信号的频带范围之内；生物属
15、于电的良导体，目标大，难以屏蔽并很容易接受外部干扰。,1.4.1干扰及其抑制一、干扰的引入 干扰的形成包括三个条件：干扰源，耦合通道与敏感电路（即接受电路）。抑制干扰也就可以从这三个方面找到相应的措施。干扰源：产生一定的电磁能量而影响周围电路正常工作的物体或设备为干扰源。,干扰耦合途径：a、传导耦合经导线传播把干扰引入测试系统。b、经公共阻抗耦合在测试系统内部各单元电路之间，或两种测试系统之间存在公共阻抗。电流经公共阻抗形成的压降造成干扰。,c、电场和磁场耦合 场的特性取决于“场源”的性质、场源周围的介质以及观察点与源之间的距离等。在场源附近，场的特性主要决定于场源的性质；在远离场源的地方，场
16、的性质主要决定于场传播时所通过的介质。设波长为，则距离大于/2，为远场或辐射场，距离小于/2为近场。电场E和磁场H之比为波阻抗。远场时比值E/H为介质特性阻抗（377），近场时E/H比值决定于源的特性和从场源到观察点的距离，若场源为大电流低电压（E/H377），则近场主要为磁场。电场主要通过电容性耦合引入干扰，磁场主要通过电感性耦合引入干扰。,d、近场感应耦合电容性耦合 在电子系统内部元件和元件之间，导线和导线之间以及导线与元件，导线、元件与结构件之间都存在着分布电容。一个导体上的电压或干扰成分通过分布电容使其他导体上的电位受到影响，这种现象称为电容性耦合。减小容性耦合的主要方法是使用屏蔽导线
17、。,d、近场感应耦合电感性耦合 干扰电流产生的磁通随时间变化而形成干扰电压。在系统内部，线圈或变压器的漏磁是形成干扰电压的主要原因，在系统外面，多数是由于两根导线在长距离平行架设中形成干扰电压。,典型实例：1、导联线形成容性耦合从肢体或胸部提取体表信号时所用的导联线（13米）与周围环境的电力线之间存在着耦合电容。,2、人体表面形成容性耦合,3、感性耦合形成干扰 在人体和测试系统输入回路构成环路时，由于干扰磁场穿过而感生出感应电动势并与心电信号相加，其幅度为 Us=ABcos（A为环路面积，是磁场 B与环路平面法线的夹角）,原则上已知干扰源来自哪里及其引入测量系统的各种途径之后，相应的干扰措施就
18、找到了，我们可以通过消除它们来抑制干扰，但实际情况很难。为防止干扰，在系统设计时，首先应严格遵守EMC原则，尽可能周全考虑各种抗干扰的设计方法，而且是几种方法组合使用。,（二）屏蔽 泛指在两个空间区域加以金属隔离，以控制从一个区域到另一个区域电场或磁场的传播。用屏蔽体把干扰源包围起来，使电磁场不向外扩散，称为主动屏蔽。屏蔽体用以防止外界电磁辐射，称为被动屏蔽。,（三）抑制干扰的其他措施1）隔离 用隔离的方法使两部分电路互相独立，不成回路，从而切断从一个电路进入另一个电路的干扰的通路。如光电耦合、变压器耦合等。2）去耦 为去除电源线中的干扰经传导耦合进入测量系统，用RC或RL滤波环节消除直流电源
19、因负载变化引起的干扰。瞬变电流产生的干扰其频谱范围达数十兆赫兹，可用RC高频去耦环节抑制（0.01uF0.047uF，510）。,3）滤波 电网中的干扰用专用的电源滤波器来抑制。它是一个低通滤波器，消除频率较高的干扰电压，这种专用的电源滤波器在安装时要确保滤波器外壳接地良好，并且使输入输出严格隔离以防止输入输出之间的耦合。4）系统内部干扰的抑制 医学诊疗设备内部的各种继电器、接触器、电动机等有接点的开启和闭合，产生瞬时击穿，造成高频辐射和引起电源电压、电流的冲击，如不加以抑制则形成系统内部的严重干扰，并成为外部设备的干扰源。这种干扰所抑制是电磁兼容性设计的一个重要任务。,各种抑制外部干扰的技术
20、和方法可以归纳为3类：（1）抑制干扰源如果允许，将干扰源围避在屏蔽罩内；对噪声源的出线进行滤波；限制脉冲的上升沿和下降沿的斜率；用压敏电阻或其他措施抑制电感线圈的浪涌电压；将产生噪声的导线与地线绞合在一起；对产生噪声的导线采取屏蔽措施；用于抑制电磁辐射的屏蔽层要两端接地。,各种抑制外部干扰的技术和方法可以归纳为3类：（2）消除或切断干扰的耦合途径微弱信号线越短越好，而且要远离干扰导线；低电平信号线采用双绞线或贴近地线放置；信号线加屏蔽（高频信号线采用同轴电缆），伸出屏蔽层的信号线端要短；用于保护低电平信号线的屏蔽层要单点接地，同轴电缆用于高频时要将屏蔽层两端接地，电路系统也要单点接地，高频电路
21、就近接板地；、对敏感电路要加屏蔽罩，进入该罩的任何其他导线都要加滤波和去耦措施；如果低电平信号端子和带有干扰的端子处于同一个连接器中，在他们之间放置地线端子；低电平电路和高电平电路中避免使用公共地线；电路接地线和设备接地线要分开；接地线越短越好，避免形成环状；微弱信号检测要采用差动放大电路，电路的信号源和负载对地阻抗要平衡；采用隔离措施，避免地电位差耦合到信号电路。,各种抑制外部干扰的技术和方法可以归纳为3类：（3）检测电路的其他抗干扰措施检测电路的通频带宽度要尽可能窄，尽量选用选频滤波；直流电源线一定要加去耦滤波，滤波电解电容要用高频小电容旁路，各部分电路的电源滤波电容应尽量靠近该电路；信号地线、其他可能造成干扰的电路地线以及设备地线要分开；使用屏蔽罩。,
