现代医学电子仪器原理和设计.ppt

现代医学电子仪器原理与设计现代医学电子仪器原理与设计 什么是医学仪器什么是医学仪器?是指那些单纯或组合应用于是指那些单纯或组合应用于人人体体的仪器，包括所需的的仪器，包括所需的软件软件。其使用目的是其使用目的是:1 1、疾病的预防、诊断、治疗、监护或者、疾病的预防、诊断、治疗、监护或者缓解缓解2 2、损伤或残疾的诊断、治疗、监护、缓、损伤或残疾的诊断、治疗、监护、缓解或补偿解或补偿3 3、解剖或生理过程的研究、替代或者调、解剖或生理过程的研究、替代或者调节节4 4、妊娠控制、妊娠控制简单定义：简单定义：以医学临床和医学研究为目以医学临床和医学研究为目的的仪器的的仪器常见的现代医学仪器常见的现代医学仪器n n医用医用X X线诊断装置线诊断装置n n计算机断层成像系统计算机断层成像系统(CT)(CT)n n磁共振成像系统磁共振成像系统 (MRI)(MRI)n n核医学诊断仪器及设备核医学诊断仪器及设备 （ECTECT、PETPET）n n超声设备超声设备n n放射治疗装置放射治疗装置 （钴（钴6060、X-X-刀、刀、-刀）刀）n n医用光学仪器医用光学仪器 （医用内窥镜等）（医用内窥镜等）n n生理量测量仪器生理量测量仪器 （ECGECG、EMGEMG、EEGEEG、IBPIBP、NIBPNIBP、SaO2SaO2）、监护仪）、监护仪n n电治疗类设备（起搏器、除颤器、高频电刀）电治疗类设备（起搏器、除颤器、高频电刀）n n生化分析类仪器（质谱仪、色谱仪、血气分析、尿液分生化分析类仪器（质谱仪、色谱仪、血气分析、尿液分析等）析等）一、本门课程的内容一、本门课程的内容医学仪器输入或输出的物理量输入或输出的物理量不是电压或电流不是电压或电流输入或输出的物理量输入或输出的物理量是电压或电流是电压或电流医学电子仪器医学电子仪器超声、放射等设备超声、放射等设备医学电子仪器医学电子仪器测量、诊断测量、诊断治疗类仪器治疗类仪器心电心电脑电脑电肌电肌电诱发诱发电位电位监监护护仪仪血压血压测量测量仪器仪器心心脏脏起起搏搏器器心心脏脏除除颤颤器器微弱信号处理微弱信号处理电气安全电气安全高高频频电电刀刀二、本课程基本要求n n掌握掌握“三个基本知识三个基本知识”、培养、培养“一个基本一个基本能力能力”，即掌握医学电子类仪器的，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（仪器分析、仪器设计、仪器维护）护）教学方法教学方法n课堂理论教学n验证性实验教学n设计性实验教学三、主要参考书1 1 1 1、余学飞，现代医学电子仪器原理与设计、余学飞，现代医学电子仪器原理与设计、余学飞，现代医学电子仪器原理与设计、余学飞，现代医学电子仪器原理与设计,华南理华南理华南理华南理工大学出版社，工大学出版社，工大学出版社，工大学出版社，20072007200720072 2 2 2、John John John John G.Webster,MedicalG.Webster,MedicalG.Webster,MedicalG.Webster,Medical Instrumentation Application Instrumentation Application Instrumentation Application Instrumentation Application and and and and Design,ThirdDesign,ThirdDesign,ThirdDesign,Third edition,Johnedition,Johnedition,Johnedition,John Wiley&Sons,INC.1998 Wiley&Sons,INC.1998 Wiley&Sons,INC.1998 Wiley&Sons,INC.19983 3 3 3、吴建刚，现代医用电子仪器原理与维修，电子工、吴建刚，现代医用电子仪器原理与维修，电子工、吴建刚，现代医用电子仪器原理与维修，电子工、吴建刚，现代医用电子仪器原理与维修，电子工业出版社，业出版社，业出版社，业出版社，20052005200520054 4 4 4、邓亲恺，现代医学仪器原理与设计，科学出版社，、邓亲恺，现代医学仪器原理与设计，科学出版社，、邓亲恺，现代医学仪器原理与设计，科学出版社，、邓亲恺，现代医学仪器原理与设计，科学出版社，2004200420042004第一节第一节 生物信息知识简介生物信息知识简介n n一、人体系统的特征一、人体系统的特征 人体是一个复杂的自然系统，它是由神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，分系统间等分系统组成，分系统间相互独立相互独立，又保又保持持有机联系有机联系，共同维持生命。，共同维持生命。器官的自控制系统器官的自控制系统 神经控制系统神经控制系统 内分泌控制系统内分泌控制系统 免疫控制系统免疫控制系统二、人体控制功能的特点二、人体控制功能的特点n n负反馈机制负反馈机制n n双重支配性双重支配性n n多重层次性多重层次性n n适应性适应性n n非线形非线形三、生物信息的基本特征三、生物信息的基本特征n n不稳定性不稳定性n n非线性非线性n n概率性概率性四、生物信息的类型四、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 第二节：医学电子仪器的结构第二节：医学电子仪器的结构1.生物信息的检测生物信息的检测 根据生物信息的特点，针对不同的生理参量，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）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一、医学仪器的基本构成典型参数典型参数幅度范围幅度范围频率范围频率范围使用传感器（使用传感器（电极）类型电极）类型心心电电（ECG）0.015mV0.05100Hz表面电极表面电极脑脑电电（EEG）2200V0.1100Hz帽帽状状、表表面面或或针针状状电电极极肌肌电电（EMG）0.025mV52000Hz表面电极表面电极胃电（胃电（EGGEGG）0.011mVDC1Hz表面电极表面电极心心音音（PCG）0.052000Hz心音传感器心音传感器血血流流（主主动动脉）脉）1300mL/sDC20Hz电磁超声血流计电磁超声血流计输出量输出量425L/minDC20Hz染料稀释法染料稀释法心阻抗心阻抗15500DC60Hz表面电极、针电极表面电极、针电极体温体温3240CDC0.1Hz温度传感器温度传感器2.生物信息的处理生物信息的处理 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、更息，同时使信息的特征更明确、更准确、更直观直观3.生物信息的记录与显示系统生物信息的记录与显示系统 直接描记式记录器直接描记式记录器 磁记录器磁记录器 数字式显示器数字式显示器4.辅助系统辅助系统二、医学仪器的工作方式二、医学仪器的工作方式n n直接和间接直接和间接n n实时和延时实时和延时n n间断和连续间断和连续n n模拟和数字模拟和数字第三节：医学仪器的特性与分类第三节：医学仪器的特性与分类一、医学仪器的主要技术参数一、医学仪器的主要技术参数一、医学仪器的主要技术参数一、医学仪器的主要技术参数（或称为静态参数（或称为静态参数static static characteristicscharacteristics）1.1.1.1.准确度（准确度（准确度（准确度（AccuracyAccuracyAccuracyAccuracy）2.2.2.2.精密度精密度精密度精密度(Precision)(Precision)(Precision)(Precision)3.3.3.3.输入阻抗输入阻抗(Input(Input impedenceimpedence)4.4.灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度(Sensitivity)(Sensitivity)(Sensitivity)(Sensitivity)5.5.5.5.频率响应频率响应频率响应频率响应(Frequency response)(Frequency response)(Frequency response)(Frequency response)6.6.6.6.信噪比信噪比信噪比信噪比(Signal to Noise Ratio)(Signal to Noise Ratio)(Signal to Noise Ratio)(Signal to Noise Ratio)7.7.7.7.零点漂移零点漂移零点漂移零点漂移(Zero drift)(Zero drift)(Zero drift)(Zero drift)8.8.8.8.共摸抑制比共摸抑制比共摸抑制比共摸抑制比(CMRR common mode rejection ratio)(CMRR common mode rejection ratio)(CMRR common mode rejection ratio)(CMRR common mode rejection ratio)（一）准确度（一）准确度（AccuracyAccuracy）准准确确度度是是衡衡量量仪仪器器测测量量系系统统误误差差的的一一个个尺尺度度。准准确确度度可可理理解解为为测测量量值值与与理理论论值值之之间的接近程度。间的接近程度。理论值测量值理论值测量值 准确度准确度 理论值理论值（二）精密度（二）精密度(Precision)(Precision)精密度是指仪器对测量结果区分程度的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一种度量。表示从所选定的已知数据中可能分辨的数值。能分辨的数值。（三）输入阻抗（三）输入阻抗(Input(Input impedenceimpedence)通通常常称称外外加加输输入入变变量量（如如电电压压、力力、压压强强等等）与与相相应应应应变变量量（如如电电流流、速速度度、流流量量等）之比为仪器的输入阻抗。等）之比为仪器的输入阻抗。输入阻抗输入阻抗Z Z为被测量的输入变量为被测量的输入变量X1X1和另一和另一固有变量固有变量X2X2的比值。即的比值。即 信号功率为（四）灵敏度四）灵敏度(Sensitivity)(Sensitivity)仪器的灵敏度是指输出变化量与引起它仪器的灵敏度是指输出变化量与引起它变化的输入变化量之比。变化的输入变化量之比。（五）频率响应（五）频率响应(Frequency response)(Frequency response)仪器保持线性输出时，允许其输入频率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变化的范围，它是衡量系统增益随频率变化的一个尺度。化的一个尺度。（六）信噪比（六）信噪比(Signal to Noise Ratio)(Signal to Noise Ratio)信噪比定义为信号功率信噪比定义为信号功率P PS S与噪声功率与噪声功率P PN N之之比，即比，即 为为了了便便于于对对信信噪噪比比作作定定量量比比较较，常常以以输输入入端端短短路路时时的的内内部部噪噪声声电电压压作作为为衡衡量量信信噪噪比的指标，即比的指标，即（七）零点漂移（七）零点漂移(Zero drift)(Zero drift)仪器的输入量在恒定不变（或无输入信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。漂动、缓慢变化的现象称为零点漂移。n n（八八）共共摸摸抑抑制制比比(CMRR(CMRR common common mode mode rejection ratio)rejection ratio)n n定义为放大差模信号和抑制共模信号的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：能力为共模抑制比，用下式表示：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被作用对象（人）的特殊性决定了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.噪声特性噪声特性 2.个体差异与系统性个体差异与系统性 3.生理机能的自然性生理机能的自然性 4.接触界面的多样性接触界面的多样性 5.操作与安全性操作与安全性（一）噪声特性（一）噪声特性 从从人人体体拾拾取取的的生生物物信信号号不不仅仅幅幅度度微微小小，而而且且频频率率也也低低。必必须须尽尽量量采采取取各各种种抑抑制制措措施施，使使噪噪声声影影响响减减至至最最小小。一一般般来来说说，限限制噪声比放大信号更有意义制噪声比放大信号更有意义。（二）个体差异与系统性（二）个体差异与系统性 人人体体个个体体差差异异相相当当大大，用用医医学学仪仪器器作作检检测测时时，应应从从适适应应人人体体的的差差异异性性出出发发，要要有有相相应应的的测量手段。测量手段。人体又是一个复杂的系统，测定人体某部人体又是一个复杂的系统，测定人体某部分的机能状态时，必须考虑与之相关因素的影分的机能状态时，必须考虑与之相关因素的影响。要选择适当的检测方法，消除相互影响，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。保持人体的系统性相对稳定。（三）生理机能的自然性（三）生理机能的自然性 在检测时，应防止仪器（探头）因接触在检测时，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。的信息才是可靠的、准确的。（四）接触界面的多样性（四）接触界面的多样性 为了能测得人体的生物信息、必须使传为了能测得人体的生物信息、必须使传感器（或电极）与被测对象间有一个合适感器（或电极）与被测对象间有一个合适的、接触良好的接触界面。的、接触良好的接触界面。（五）操作与安全性（五）操作与安全性 在在医医学学仪仪器器的的临临床床应应用用中中，操操作作者者为为医医生生或或医医辅辅人人员员，因因此此要要求求医医学学仪仪器器的的操操作作必须简单、方便、适用和可靠。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安全，使得操作者和受检者均处于绝对安全的条件下。全的条件下。第四节：医学仪器的设计原则第四节：医学仪器的设计原则n nDesign criteria for commercial Design criteria for commercial medical instrumentation development medical instrumentation development n n影响仪器设计的基本因素有五种，即信号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时代因素，这些因素都是进行设计时考虑的基本原则的基本原则。n n医学仪器设计的灵感来源于临床需求：n nIdeas often come from people working where health care is delivered,because clinical needs are most evident there.仪器设计时必须做的几项工作仪器设计时必须做的几项工作1、寻找设计灵感（寻找设计灵感（ideasideas）2、对设计灵感进行可行性分析对设计灵感进行可行性分析3 3、进行技术可行性分析、进行技术可行性分析4 4、进行生产、市场可行性分析、进行生产、市场可行性分析5 5、制定产品标准、制定产品标准6 6、样机研制及产品质量检测、样机研制及产品质量检测7 7、动物及临床试验、动物及临床试验8 8、医疗仪器新产品的审批和医疗仪器新产品的审批和注册注册 医学仪器医学仪器设计步骤设计步骤医学仪器发展的重大事件医学仪器发展的重大事件n n1 1 1 1、1816181618161816年发明了听诊器，年发明了听诊器，年发明了听诊器，年发明了听诊器，1850185018501850年发明了临床体温年发明了临床体温年发明了临床体温年发明了临床体温计计计计n n2 2 2 2、1895189518951895年伦琴发现了年伦琴发现了年伦琴发现了年伦琴发现了X X X X射线，由此开创了人体影射线，由此开创了人体影射线，由此开创了人体影射线，由此开创了人体影像诊断的先河（像诊断的先河（像诊断的先河（像诊断的先河（1901190119011901年年年年NP NP NP NP 物理）物理）物理）物理）n n3 3 3 3、1903190319031903年荷兰生理学家艾萨文（年荷兰生理学家艾萨文（年荷兰生理学家艾萨文（年荷兰生理学家艾萨文（William William William William EinthovenEinthovenEinthovenEinthoven）研制了第一台心电图仪并创立了肢体研制了第一台心电图仪并创立了肢体研制了第一台心电图仪并创立了肢体研制了第一台心电图仪并创立了肢体标准导联测量方法（标准导联测量方法（标准导联测量方法（标准导联测量方法（1924192419241924年年年年NPNPNPNP生理）生理）生理）生理）n n4 4 4 4、1924192419241924年法国学者年法国学者年法国学者年法国学者BergerBergerBergerBerger采用头皮电极记录了人采用头皮电极记录了人采用头皮电极记录了人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脑的电活动，标志着脑电图机的诞生脑的电活动，标志着脑电图机的诞生脑的电活动，标志着脑电图机的诞生n n5 5、19581958年商品化的超声诊断仪问世年商品化的超声诊断仪问世n n6 6、19721972年英国工程师豪斯菲尔德年英国工程师豪斯菲尔德（G.N.HounsfieldG.N.Hounsfield）将计算机技术和将计算机技术和X X射线射线相结合，发明了相结合，发明了X X射线计算机断层扫描仪射线计算机断层扫描仪（computerized tomography X-ray computerized tomography X-ray system,CTsystem,CT），），使三维医学图像诊断成为现使三维医学图像诊断成为现实（实（19791979年年NP NP 生理学与医学奖）生理学与医学奖）n n7 7、自、自19581958年年H.O.AngerH.O.Anger研制成功医用研制成功医用GamaGama照相机，核医学影像类仪器开始应用于临照相机，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人体外部探测所发射的 射线而成像的，随射线而成像的，随着着CTCT技术的发展，有技术的发展，有ECTECT（放射性同位素断放射性同位素断层成像），单光子放射断层成像层成像），单光子放射断层成像SPECTSPECT，正正电子发射断层成像电子发射断层成像PETPET，能提供生理代谢方能提供生理代谢方面的信息。面的信息。n n8 8、核磁共振（、核磁共振（Nuclear magnetic Nuclear magnetic resonance NMRresonance NMR）是一种谱分析方法，是一种谱分析方法，19731973年美国科学家保罗年美国科学家保罗.老特布尔和英国科学家老特布尔和英国科学家彼特彼特.曼斯菲尔德独立地研制出临床实用的曼斯菲尔德独立地研制出临床实用的磁共振成像仪磁共振成像仪MRIMRI。不仅提供人体解剖图象，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。（均还能提供特定部位的生理功能信息。（均获获20032003年年NPNP生理医学奖）生理医学奖）n n9 9、治疗类仪器：、治疗类仪器：2020世纪初，利用电磁波谱世纪初，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、直有：心脏起搏器、高频电刀、激光刀、直线加速器等线加速器等n n1010、生化分析仪器：、生化分析仪器：1919世纪末出现，世纪末出现，2020世世纪得到得到长足发展，是利用谱分析方法、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，对人体成电化学方法、各种分离技术等，对人体成分进行离体分析。分进行离体分析。发展预测n n未来未来5 5年医学仪器的六大发展方向：年医学仪器的六大发展方向：n n1 1、计算机相关技术：计算机辅助诊断、智能、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（器械、机器人和网络技术（HIS-hospital HIS-hospital information system and PACSpicture information system and PACSpicture archiving and communication systemarchiving and communication system医学医学影像存档与传输系统），小型化生化和光学影像存档与传输系统），小型化生化和光学生物传感器融合方式出现的仪器。生物传感器融合方式出现的仪器。n n2 2、分子医学仪器：包括遗传诊断、遗传治疗分子医学仪器：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。和组织工程化仪器以及生物传感器。n n3 3、家庭和自我保健类仪器：随着医学模、家庭和自我保健类仪器：随着医学模式由式由“生物生物技术技术”模式向模式向“生物生物心理心理社会社会技术技术”模式转化，模式转化，家庭和自我保健类仪器会越来越受到重家庭和自我保健类仪器会越来越受到重视，主要包括：家庭视，主要包括：家庭/自我监护与诊断、自我监护与诊断、家庭家庭/自我治疗和远程医疗；自我治疗和远程医疗；n n产品有：血尿生化指标和药物浓度的家产品有：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用智能化器械来控制治疗和“训导训导”病病人、床边监护等用于家庭和社区的远程人、床边监护等用于家庭和社区的远程医疗设备、医疗设备、“低技术操作低技术操作”的高技术产的高技术产品。品。n n4 4、基于微创及无创方法的器械：微创心血、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、科、纳米技术、内镜、功能和多模式成像、MRIMRI、PETPET和造影剂，主要集中在微小型化和造影剂，主要集中在微小型化器械上。微型电子机械系统（器械上。微型电子机械系统（MEMS-micro MEMS-micro electric machine systemelectric machine system）n n5 5、器械、器械/药物的复合产品：药物的复合产品：n n第一，用于胰岛素和其它药物的植入式第一，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。物的安全性和长效性。n n第二，研制出新型药物灌注器械，如用第二，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、抗菌包覆于抗血栓形成的心脏植入物、抗菌包覆的矫形用植入物。的矫形用植入物。n n第三，出现适用于老年人家庭使用的药第三，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物递送系统，如鼻腔和口腔吸入器械n n6 6、采用硬件和组织工程的器官移植、采用硬件和组织工程的器官移植/辅助辅助器械。归纳在该技术领域的包括人工器官、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、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胞、以及心脏、神经和神经肌肉刺激器