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1、医学仪器原理,薛志孝,学习目的,掌握常用医学电子仪器包括电诊断类、血压及血流测量类、实验室设备、影像类设备的测量原理和工作原理。了解医学电子仪器的分类和基本组成框图、理解其基本原理、掌握基本的设计方法。,学习方法,讲：课堂老师讲解 看：现场实地观摩 查:网上搜寻、查找 动：互动，学生自己进行讲解,第一章 医学仪器概述,生物信息知识 医学仪器的基本构成、特性及分类 医学仪器的设计及发展展望,第一节 生物信息知识,人体系统的特征 生物医学信息的类型 生物医学参数的特点 典型生物医学参数 生物电信号 医学参数测量的特殊性,人体系统的特征,人体是一个复杂的自然系统，它由神经系统、运动系统、循环系统、呼
2、吸系统等分系统组成，分系统间既互相独立，又保持有机的联系，共同维持生命。,运用现代理论分析研究人体，可将人体系统分为：,器官控制系统 神经控制系统 内分泌系统 免疫系统,生物医学信息的类型,医学仪器所检测和处理的生物信息主要有两种：连续信息和离散信息，或称为模拟信息和数字信息,离散参数的离散信息,离散参数的连续信息,连续参数的连续信息,连续参数的离散信息,生物医学信号属于强噪声背景下的低频微弱信号，是由复杂的生命体发出的不确定的自然信号。医学仪器所要测量的生理参数的特点是被测生理量的幅值和频率范围都是比较低的。生物电现象是生命活动的基本属性，几乎在机体的一切生命过程中都伴随生物电的产生。人体的
3、各种生物电的研究、记录已经成为了解人体各器官的功能、临床诊断、治疗的可靠依据。,生物医学参数的特点,典型生物医学参数,1.细胞和组织的电学特性生物电位是由“可兴奋细胞”的电化学活动产生的，这些细胞是神经、肌肉或腺组织的组成成分，平时呈现出静息电位，给予适当刺激便产生动作电位。,生物电信号,无脊椎动物神经轴突动作电位,2.体表电位人体表面的任意一点相对于某参考点存在确定的电位，如心电、脑电、肌电等，是心脏、脑、肌肉等活动的综合效果。（1）体表心电图（2）脑电（3）肌电,生物电信号,（1）体表心电图：,生物电信号,由荷兰生理学家W艾因特霍芬命名P，Q，R，S，T波,（2）脑电：大脑皮层的神经元具有
4、自发生物电活动，因此大脑皮层经常具有持续的节律性电位变化，称为自发脑电活动。,生物电信号,（2）脑电：除了自发脑电波意外，用刺激的方式能够引起大脑皮层局部区域的电活动，这称为脑的诱发电位EP。,生物电信号,体感诱发电位,听觉诱发电位,胶质层,皮层,（3）肌电：肌肉的生物电活动形成的电位随时间的变化曲线称为肌电图。肌电活动是一种快速的电变化，他的振幅在20uV到几个毫伏，频率为2Hz到10kHz.,生物电信号,背侧骨间肌运动单元动作电位,3.非电量生理信号：除生物电信号外，作为有生理机能特征的信号外，还有机械信号、声学信号、生物化学信号以及生物磁信号等。诸如血压、脉搏、血流、体温及呼吸、脑磁、心
5、磁等多种生理参数。,生物电信号,血压波形,血压分布图,被测生理量的难接近 生理数据的变异性 生理系统间存在相互的作用 人们缺乏对系统间相互关联关系的了解 传感器对被测生理量的影响 外界干扰对测量的影响 能量限制 安全问题,医学参数测量的特殊性,第二节 生理系统建模与仪器设计,什么是医学仪器？医学仪器的结构和工作方式 医学仪器的特性与分类 医学仪器的设计与发展趋势,系统：是指自然界存在着的由若干个相互作用和依赖的事物组合而成的具有特定功能并按一定规律运动着的整体实体：是一切客观存在的事物及其运动形态属性：是描述实体特征的信息，是对实体进行模拟的基本单位模型:我们所研究的客观事物有关属性的模拟，是
6、对实体（系统）的特征和变化规律的一种定量的抽象，它应当具有事物中我们关心和需要的主要特性,2.1 系统模型及其分类,2.1 系统模型及其分类,物理模型 简化的、类似于实际系统的某些突出特征而设想的一种物理系统，它较之于真实系统更易于分析研究。静态物理模型动态物理模型,2.1.1 物理模型,静态物理模型 模型属性值与时间无关，模型反映的是系统处于相对静止状态时的情况地球仪苯分子的环状结构模型DNA的双螺旋结构模型,物理模型静态物理模型,动态物理模型 又称为类比模型，通过基于两个系统间动态性质相似，而不是外形的类似，可以帮助我们把比较了解和熟悉的系统，推广到还不甚了解和生疏的系统中去。,物理模型动
7、态物理模型,物理模型动态物理模型,图b的数学式,图c的数学式,物理模型动态物理模型,数学模型 运用数学语言，对部分现实世界的信息(现象、数据等)加以翻译、归纳的产物。这些数学语言就是数学中所用的符号、数字、字母及数学方程式和数学结构。在数学模型中，用变量表示被描述实体的属性，实体变化则用变量间的数学函数关系式来表达。静态数学模型动态数学模型,数学模型,静态数学模型 静态数学模型是当一个实体（系统）处于平衡状态时的取值，在模型中不含时间因素，其数学式通常是一个或一组代数方程。,数学模型静态数学模型,线性统计模型,数学模型静态数学模型,自变量,因变量,误差项,线性系数矩阵,动态数学模型 动态数学模
8、型描述由于实体活动所引起的系统状态在时间轴上的变化，其数学式通常是一组微分或差分方程,数学模型动态数学模型,描述模型 一种抽象的（没有物理实体）、不能(至少目前不能）用数学方程式表达、只能用语言（自然语言、程序语言）描述的系统模型。,描述模型,2.2 建模的基本过程,建模的基本原则（1）现实性（2）简洁性（3）适应性,2.2 建模的基本过程,理论分析法建模 应用自然科学中已被证明是正确的理论、原理和定律，对被研究系统的有关因素进行分析、演绎、归纳，从而建立系统的数学模型类比分析法建模 根据两个（或两类）系统某些属性或关系的相似，去推论两者的其他属性或者关系也可能相似的一种方法数据分析法建模,2
9、.3 构建生理模型的常用方法,理论分析法建模,实例 血氧饱和度（SpO2）的无创检测,朗伯定律若入射光强为I0，物质对光的吸收系数为a，则通过厚度为L的物质后，光强为：I=I0eaL（2.10）,比尔定律当光被透明溶液中溶解的物质所吸收时，吸收系数a与溶液的浓度C成正比，即a=AC，于是(2.10)表示为：I=I0eACL(2.11),生物化学中比尔定律的应用,(2.12),(2.13),E为消光系数ln(I0/I)为光密度或吸光度,波长为光强为I0的近红外光通过组织透射后的光强度为：,(2.14),E1、C1为动脉血液中HbO2的吸光系数和浓度E2、C2为动脉血液中HbR的吸光系数和浓度L是
10、动脉血液的光路长度F是皮肤、肌肉和静脉血液等其他组织的吸光率,动脉血液的吸光度：,(2.15),手指动脉搏动引起的动脉血液吸光度变化：,(2.16),动脉血液中的血氧饱和度：,(2.17),波长为的红色光通过组织透射后的光强度为：,(2.18),通过式（2.17）和（2.18）得到血氧饱和度：,(2.19),当近红外光波长805nm时，E2=E1=E式（2.19）简化为：,(2.20),动脉血管搏动时，透射光强发生改变，由此引起两束光变化量为：,(2.21),(2.22),动脉血液中的血氧饱和度：,第三节 医学电子仪器,什么是医学仪器？医学仪器的结构和工作方式 医学仪器的特性与分类 医学仪器的
11、设计与发展趋势,医学仪器定义,医学仪器是以医学临床诊治和医学研究为目的的仪器。通常是指那些单纯或者组合应用于人体的仪器，包括所需的软件。医学仪器用于人体体表及体内的作用不是用药理学、免疫学或者代谢的手段获得的。其使用的目的是:(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,医学仪器的结构和工作方式,一.医学仪器的基本构成医学仪器主要由信息检测系统、信息处理系统、信息记录系统及辅助系统等部分构成。,信息检测系统,信息处理系统,记录显示系统,辅助系统,医学仪器的基本构成,生物信息检测系统：,被
12、测对象,传感器,电信号,生物信息处理系统：,放大、识别、变换、运算,生物信息记录与显示系统：,打印、显示,辅助系统：,控制与反馈、数据存储与传输、信号产生与能量供应,医学仪器的特性与分类,一.医学仪器的主要技术特性（衡量医学仪器性能的主要技术指标）1）准确度（accuracy）：仪器的测量值与理论值之间的接近程度。2）精密度（precision）：在相同条件下，用同一种方法多次测量所得数值的接近程度。3）输入阻抗（input impedance）：外加输入变量（如电压、力、压强）与相应变量（电流、速度、流量）之比。,医学仪器的主要技术特性,4）灵敏度（sensitivity）：仪器的输出变化量
13、与引起它变化的输入变化量之比。5）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。6）信噪比（signal to noise ratio）：信号功率Ps与噪声功率PN之比。,医学仪器的主要技术特性,7）零点漂移（zero drift）：仪器的输入量在恒定不变时（或误输入量），输出量偏离原来起始值而上下飘动、缓慢变化的现象。8）共模抑制比（common mode rejection ratio）：仪器放大差模信号和抑制共模信号的能力。,医学仪器的特性与分类,二.医学仪器的分类 医学仪器发展非常迅速，各种新的医学仪器不断出现。因此，医学仪器的分类比较复
14、杂，通常情况按照仪器在医学、医疗中的用途可分为两大类：诊断用仪器 治疗用仪器,诊断用仪器,生物电诊断与监护仪器：如心电图机、脑电图机、肌电图机等。生理功能诊断与监护仪器：如血压计、血流图仪、呼吸机及检测脉搏、听力、肺功能参数的仪器等。人体组织成分的电子分析检验仪器：如血球计数器、生化分析仪、血液气体分析仪等。人体组织结构形态的影像诊断仪器：如超声仪器、X线计算机层析摄影、核磁共振计算机断层摄影及电子内窥镜等。,治疗用仪器,电疗机：包括静电治疗机和低、中、高频治疗机等。光疗机：包括红外线治疗机、紫外线治疗机、激光治疗机等。磁疗机：包括旋磁治疗机、中频交变治疗机等。超声波治疗机：包括超声雾化吸入器
15、、超声波治疗机等。,医学仪器的设计与发展趋势,一.医学仪器的设计 由于在设计生物医学仪器时要受到许多因数的影响，有些因素来自主观的要求，有些因数是客观的存在，因而在设计时要考虑下面五个影响仪器设计的基本因素：1）信号因素 2）环境因素 3）医学因素 4）经济因素 5）时代因素,被测对象,信号因素,环境因素,医学因素,经济因素,时代因素,灵敏度、量程差动或绝对的输入信号输入阻抗暂态和频率响应精度、线性、可靠性,信噪比、稳定性温度、湿度、压力、加速度、冲击、震动、辐射电源要求安装尺寸和形状,侵入或非侵入组织的传感器的界面要求物质的毒性电的安全辐射和热耗散,成本有效工作时间保单消耗品要求与现有设备的
16、兼容性,应用各种先进技术,仪器的原始设计,样机试验,仪器的最后设计,有关部门批准,生产,本节小结,1.医学仪器的基本结构：,本节小结,2.医学传感器的作用：,将反映人体机能状态信息的物理量或化学物质转变为电（或电磁）信号,3.医学仪器的信息处理系统的作用：,对信息检测系统传送过来的信息进行处理，包括放大、识别（滤波）、变换、运算等各种处理和分析。是医学仪器的核心。,本节小结,4.医学仪器有哪些特殊性：,噪声特性：个体差异与系统性生理机能的自然性接触界面的多样性操作与安全性,生物医学仪器的发展展望,一.21世纪生物医学仪器的发展 由于各学科的新成果不断融入，现代电子技术、计算机技术、信号与信息处
17、理技术已是现代生物医学工程技术与医疗仪器设备的核心技术，特别是当代生命科学和信息科学两大前沿学科的发展，为生物医学工程和医疗器械的未来展现了更为广阔的前景。当代生物医学工程技术中最具代表性的技术是：数字医学影象技术；物理外科手术技术；电生理参数检测与监护技术；临床检验、分析与分子生物学技术；医学网络与信息系统。,21世纪生物医疗仪器的发展,1、数字医学影像技术：（1）X-CT：（Computed Tomography）是根据人体组织对外源性X线的不同吸收程度，来判断人体组织器官结构变化的成像设备。现已出现第5代电子束CT。新型CT不仅图象清晰而且有较强的图象存储能力和较高的三维重构速度（2）M
18、RI：(Magnetic Resonance Imaging）对软组织病变的发现比X-CT要敏感。有利于颅脑、脊椎等部位病变的早期发现，磁场强度一般在0.1-4T,目前产品有低场(1.5T)三类,CT,CT,CT,MRI,MRI,21世纪生物医疗仪器的发展,（3）US：代表当前水平的产品是全数字化多功能彩超，融入了宽带、高密度探测、全程动态聚焦、谐波成象、快速三维重构等新技术。由于其无创、实时，被广泛用于体检普查、临床诊断、定位以及手术导航等。（4）DR：指数字化X线设备。优点是：辐射剂量低（可下降30%-70%），分辨率高，可数字化传输、存储实现无胶片化。具体设备有CR（Computer R
19、adiography）和DDR(Directly Digital Radiography)两种。,1、数字医学影象技术：,US,DR（X-RAY）,DR（X-RAY）,21世纪生物医疗仪器的发展,（5）PET SPECT：正电子发射断层扫描成像(Positron Emission Tomography)及单光子发射断层扫描成像(Single photon Emission Computerized Tomography，)是两种新型的核医学成像技术。它们的特点是能够以图像的方式给出病人生化及生理过程的功能信息，这是非介入，又具有重要临床意义的检测方法。（6）医学影像的后处理技术：如：图象滤噪、
20、图象分割、三维重构等技术；图象配准和融合技术；图象无损压缩技术；虚拟人体可视化技术等等。,1、数字医学影象技术：,PET设备图,SPECT设备图,21世纪生物医疗仪器的发展,（7）数字内窥镜：视频采集技术和数字图像处理技术直接将图像数字化输入计算机，在高分辨率真彩色下显示，完美地再现任何医用内窥镜所获得的清晰图像。（8）光学相干断层扫描OCT：它利用弱相干光干涉仪的基本原理，检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的背向反射或几次散射信号，通过扫描，可得到生物组织二维或三维结构图像。,1、数字医学影象技术：,白光图像（放大）NBI图像（放大）,结肠,食管,白光图像 AFI图像,NBI特别采用了符
21、合黏膜组织及血色素光谱特性的窄波光。图像的对比性能得到改善，结合出色的可视性，提高了诊断的准确性。,21世纪生物医疗仪器的发展,2、高能物理治疗技术：（1）放疗与立体定向放射外科手术：刀；X刀；粒子刀（2）超声治疗技术：其代表性的进展表现在超声外科手术刀（2030kHz），超声体外碎石机（12MHz）、无创性高强聚焦超声外科（）等方面。（3）电磁波热疗技术：主要是利用微波（2450、915、433MHz）、高频（几MHz到几十MHz）、射频（100-1000KHz）的生物热效应，在生物组织产生高温达到治疗目的。（4）高能肿瘤热疗技术,放射治疗,21世纪生物医疗仪器的发展,3、高度发展的电生理检
22、测设备与监护技术：（1）以微机为核心的数字化电生理检测设备，正在逐步取代传统的模拟设备。数字化与检测、分析相结合是现代化电生理检测仪器发展的重要趋势。（2）监护仪是一种需求日益增长的、临床急需的设备。目前，常用的监护仪有：多导生理监护仪（血压、血氧、心电、心率、阻抗呼吸、体温），24小时动态监护仪（心电、脑电），手术监护设备，母婴监护仪，胎儿监护仪，睡眠监护仪等。,21世纪生物医疗仪器的发展,4、整体优化的TMS方案：TMS（Total Medical Solutions）方案，是围绕一个医疗目标，将分散、独立工作的相关设备，优化组合构成一个仪器系统。目的在于把需要的诊断、治疗技术进行整合，构
23、架成一个完整体系，以获得最佳医疗效果。例如心脏病学科TMS方案包括12导心电图机、运动负荷测试系统、动态心电诊断系统、CCU中央监护系统，由中央心电管理系统进行统一管理；以及由肺功能测定仪、动态血压诊断系统、脉氧仪、除颤起搏监护仪等构成的日常检测、救护仪器系统。,21世纪生物医疗仪器的发展,5、医学信息系统：（1）PACS-DICOM-IHE：PACS(Picture Archiving and Communication System)数字图象归档与通信系统，是一个建立在计算机、网络、信息等技术基础上的管理医学图象的综合系统。DICOM3.0(Digital Imaging and Comm
24、unication in Medicine,3.0)是为解决不同厂商生产的医学影象设备能上网互连而推出的医学数字图象通信标准 IHE(Integrating the Healthcare Enterprise)集成医疗机构，目的在于对医院各种医疗设备和系统进行集成，实现信息资源整合和综合利用。,21世纪生物医疗仪器的发展,5、医学信息系统：（1）远程医疗：远程医疗主要解决跨地区的医学信息资源最佳整合与利用，以及边远地区的诊疗问题。能使医生实时、在线的对异地病人进行会诊、监护、咨询、指导治疗，可在自己的计算机上直接对异地病人资料进行采集、查阅、编辑，并可以通过计算机，与二位以上的同行对同一记录资
25、料进行讨论研究，作出判断，提出医疗指导性建议。,21世纪生物医疗仪器的发展展望,21世纪生物医疗仪器将继续在医学诊断、手术、监护、康复等方面获得更大发展，总趋势是：器械智能化、简易化；保健转向家庭；生物、物理、工程设计领域交叉融合；提高临床诊断精确性。计算机辅助诊断、智能器械、生物传感器、机器人、网络等在内的计算机相关技术；分子医学；家庭与自我保健；微创方法；器械/药物结合的产品；人工器官移植/辅助装置及组织工程组件等产品将进一步得到发展。,21世纪生物医疗仪器的发展展望,1）机器人外科与微系统技术：机器人外科是指外科医生应用机器人去完成某些精确的外科任务，而非用机器人取代外科医生。微系统技术
26、：是微电子、计算机技术和精密机械相结合的高新技术。主要用于微创诊断和治疗。2）纳米材料与纳米医学：纳米医学是指制造和利用纳米结构与纳米级装置，在分子水平上诊断、防病、治病的技术。,21世纪生物医疗仪器的发展展望,3）生物芯片：分子电子器件：目前的进展是分子开关、分子储存器、分子导线、分子神经元等分子器件。微型多参数生物传感器：是在一微小基片的表面固定大量的分子识别探针，实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞或其他生物组织，准确、快速、大信息量的筛选或检测。基因芯片：是一种最重要的分子芯片，实际它是DNA微阵列芯片，它集成了大量密集排列的基因探针，通过与被检测的核酸序列，互补匹配，进行序列测量。,21
27、世纪生物医疗仪器的发展展望,4）组织工程组件：应用生命科学和工程学原理，研制能够修复和改善，损伤或缺失组织功能的人造组织或器官。,器官自控制系统,器官自控制系统具有不受神经系统和内分泌系统控制的机制。,神经控制系统,神经控制系统是一种由神经进行快速反应的控制调节机制。不论是人的内部器官的机能、身体的动作、各种知觉或是人的思想、感情等都受神经系统的控制。人的神经系统分成两个主要部分：一是中枢神经系统，包括脑和脊髓；二是周围神经系统，包括脑神经、脊神经和内脏神经。,内分泌系统,内分泌系统（endocrine system）是机体的重要调节系统，它与神经系统相辅相成，共同调节机体的生长发育和各种代谢，维持内环境的稳定，并影响行为和控制生殖等。内分泌系统由内分泌腺和分布于其它器官的内分泌细胞组成。内分泌系统通过循环系统的路径将信息传到全身细胞进行控制。,免疫系统,免疫系统（immune system）是机体保护自身的防御性结构，主要由淋巴器官（胸腺、淋巴结、脾、扁桃体）、其它器官内的淋巴组织和全身各处的淋巴细胞、抗原呈递细胞等组成；广义上也包括血液中其它白细胞及结缔组织中的浆细胞和肥大细胞。构成免疫系统的核心成分是淋巴细胞，它使免疫系统具备识别能力和记忆能力。对人体来说，人体内的非自体识别及其处理形式是最基本的控制机制。,
