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1、现代医学电子仪器原理与设计第二版主 编 余学飞主 讲 叶哲江,课 程 要 求,课 程 要 求：课程要求：不得缺席、迟到、早退。作业，辅导（周四下午系办）。考试成绩：平时成绩20%，实验10%，考试70%。,本课程意义：,专业定位为：医用仪器设计、使用及维护。学习医用仪器的结构、原理；撑握医用仪器设计、使用、维护方法；为就业及工作打下一定的基础。,第一章 医学仪器概述,医学仪器：主要用于对人体的疾病进行诊断和治疗，其作用对象是复杂的人体，所以医学仪器与其它仪器相比有其特殊性。在医学仪器没有大量出现前，医生主要凭经验通过手和五官来获取诊断信息。现在，医学仪器可以将人体的各种信息提供给医生观察和诊断
2、。,第一节 生物信号知识简介,人体系统的特征 人体是一个复杂的自然系统，它由八大系统组成：运动、循环、呼吸、消化、排泄、神经、内分泌和生殖系统组成。人体控制功能的特点 负反馈机制：人体系统对外界干扰是稳定的。反馈：将输出信息传递到输入端称为反馈。负反馈：输出反馈量与输入量的极性相反。负反馈的作用：双重支配性：生物体很少以一个变量的正负值来单独控制。多重层次性：上一级环路对下一级环路进行控制。适应性：根据外界的刺激改变控制系统本身。非线性：,生物信息的基本特性 不稳定性：如心电、血压等由于精神紧张，心电畸变，血压升高。非线性：概率性：生物信息的检测与处理 生物信号检测：微弱、低频信号检测。生物信
3、号处理：时域、频域信号处理。,第二节 医学仪器的结构和工作方式,医学仪器的基本构成,信号采集,信号预处理,信号处理,记录显示,数据存储,信号校准,数据传输,刺激激励,反馈控制,图1-1 医学电子仪器结构框图,生物信号采集系统：被测对象，传感器；生物信号处理系统：信号预处理、信号处理；生物信号的记录显示系统：直接记录，存储记录，数字式显示；辅助系统：控制和反馈、数据存储和传输、标准信号产生和外加能量等。,医学仪器的工作方式直接和间接方式：直接工作方式：间接工作方式：实时和延时方式：实时工作方式：延时工作方式：间断和连续:模拟和数字:,第三节 医学仪器的特性与分类,医学仪器的主要技术特性准确度：精
4、密度：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。输入阻抗：灵敏度：输出变化量与引起它变化的输入变化量之比。,频率响应：仪器保持线性输出时，允许输入频率变化的范围。信噪比：信号功率与噪声功率之比。噪声：除被测信号之外的任何干扰。仪器内部噪声：输入端短路时的噪声电压。,零点漂移：输入量恒定不变（或无输入信号）时，输出量偏离原起始值而上下漂动，缓慢变化的现象。共模抑制比：差模增益；：共模增益。,医用仪器的特殊性生物信号检测（医用诊断仪器）：生物系统不同于物理系统，在检测过程中，它不能休止运转，也不能拆卸。因此，人体及生物信息的特殊性构成了医用仪器的特殊性。噪声特性：生物信号一般为微弱、低频
5、信号，常见的交流感应噪声和电磁感应噪声危害较大。一般来说，限制噪声比放大信号更有意义。个体差异与系统性：个体差异相当大，医用仪器必须适应人体的差异。人体又是一个复杂的系统测定某部分机能状态时必须考虑相关因素的影响。,生理机能的自然性：在检测时，应防止仪器（探头、传感器）因接触而造成对被测对象生理机能的变化。接触界面的多样性：传感器（电极）与被测对象间有一个合适接触良好的界面。操作与安全性：医用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，有时因操作失误产生的危害也是不允许的。操作者是医生或医辅人员，仪器操作必须简单、安全、适用、可靠。,典型医学参数（了解）P9 表11 医用
6、仪器分类,第四节 生理系统的建模与仪器设计构造一个真实系统的模型，在模型上进行实验，成为系统分析、研究的十分有效的手段。为了达到系统研究的目的，系统模型用来收集系统有关信息和描述系统有关实体。也就是说，模型是为了产生行为数据的一组指令，它可以用数学公式、图、表等形式表示。模型是对相应的真实对象和真实关系中那些有用的和令人感兴趣的特性的抽象，是对系统某些本质方面的描述，它以各种可用的形式提供被研究系统的描述信息。,生理系统建模：是对系统整体各个层次的行为、参数及其关系建立数学模型的工作，最终希望用数学的形式表达出来。建模的目的：是为了更好地了解生物系统的行为及规律，为生物控制奠定基础。意义：生物
7、系统建模与仿真可以将生物系统简化为数学模型并对此模型进行计算分析，从而代替实际的复杂、长期、昂贵及至无法实现的实验，大大提高研究效率和定量性，并可研究人为施加控制条件以影响生物系统运行过程。,系统模型与建模关系在选择模型结构时，要满足两个前提条件：一是要细化模型研究的目的；二是要了解有关特定的建模目标与系统结构性质之间的关系。,系统模型的结构具有以下性质：相似性：模型与所研究系统在属性上具有相似的特性和变化规律；简单性：实用的前提下，模型越简单越好；多面性：对同一系统可以产生相应于不同层次的多种模型；模型的有效性用符合程度来度量，它可分为以下三个不同级别的模型有效：复制有效：模型产生的输入输出
8、与实际系统所得到的输入输出数据是匹配的。预测有效：可预测实际系统的将来的状态和行为变化，实际系统数据取得之前，能够由模型看出相应的数据。,结构有效：建模者不但搞清了实际系统内部之间的工作关系，且了解了实际系统的内部分解结构，可把实际系统描述为由许多子系统相互连接起来而构成的一个整体。建立生理系统模型的基本方法建模：即要建立一个在某一特定方面与真实系统具有相似性的系统，真实系统称为原型，而这种相似的系统称为该原型系统的模型。模型一般分为三类：物理模型、数学模型和描述模型。,真实系统,模型,真实空间解,模型空间解,图1-3 生理系统建模的基本方法,（三）、描述模型描述模型：是一种抽象的（没有物理实
9、体）、不能（至少目前很难）用数学方程表达，只能用语言（自然语言、程序语言）描述的系统模型。可以认为，描述模型是系统模型向定量化、数学化目标发展的一个中间过程，而建立系统的数学模型是我们力求达到的目的。构建生理模型的常用方法与实例（一）、理论分析法建模：是指应用自然科学中已被证明的正确的理论、原理和定理，对被研究系统的有关要素进行分析、演绎、归纳，从而建立系统的数学模型。（二）、类比分析法建模：若两个不同的系统可以用同一形式的数学模型来描述，则两个系统就可以互相类比。即是说，类比分析法是根据两个（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相似的一种方法。,第五节 生物医学仪器的设计原则与步骤设计原则：P12 图13信号因素：环境因素：医学因素：经济因素时代因素,设计步骤生理模型的构建：系统设计：实验样机设计：动物实验研究：临床实验：仪器认证与注册：,
