醫(yī)學儀器原理學習目的掌握常用醫(yī)學電子儀器包括電診斷類、血壓及血流測量類、實驗室設備、影像類設備的測量原理和工作原理。了解醫(yī)學電子儀器的分類和基本組成框圖、理解其基本原理、掌握基本的設計方法。學習方法

講：課堂老師講解看：現(xiàn)場實地觀摩查:網(wǎng)上搜尋、查找動：互動，學生自己進行講解第一節(jié)生物信息知識

人體系統(tǒng)的特征生物醫(yī)學信息的類型生物醫(yī)學參數(shù)的特點典型生物醫(yī)學參數(shù)生物電信號醫(yī)學參數(shù)測量的特殊性

人體系統(tǒng)的特征

人體是一個復雜的自然系統(tǒng)，它由神經(jīng)系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)等分系統(tǒng)組成，分系統(tǒng)間既互相獨立，又保持有機的聯(lián)系，共同維持生命。

運用現(xiàn)代理論分析研究人體，可將人體系統(tǒng)分為：

器官控制系統(tǒng)

神經(jīng)控制系統(tǒng)

內分泌系統(tǒng)

免疫系統(tǒng)生物醫(yī)學信息的類型

醫(yī)學儀器所檢測和處理的生物信息主要有兩種：連續(xù)信息和離散信息，或稱為模擬信息和數(shù)字信息離散參數(shù)的離散信息離散參數(shù)的連續(xù)信息連續(xù)參數(shù)的連續(xù)信息連續(xù)參數(shù)的離散信息典型生物醫(yī)學參數(shù)典型參數(shù)幅度范圍頻率范圍心電（ECG）0.01~5mV0.05~100Hz腦電（EEG）2~200uV0.1~100Hz肌電（EMG）0.02~5mV5~2000Hz胃電（ECG）0.01~1mVDC~1Hz心音（PCG）0.05~2000Hz眼電圖（EOG）50~3500uV0~50Hz神經(jīng)電位0.01~3mV0~10000Hz血流（主動脈）1~300mL/sDC~60Hz皮膚電反射（GSR）1k~500k

ΩDC~20Hz心阻抗15~500ΩDC~60Hz體溫32~40℃DC~0.1Hz1.細胞和組織的電學特性生物電位是由“可興奮細胞”的電化學活動產(chǎn)生的，這些細胞是神經(jīng)、肌肉或腺組織的組成成分，平時呈現(xiàn)出靜息電位，給予適當刺激便產(chǎn)生動作電位。生物電信號無脊椎動物神經(jīng)軸突動作電位2.體表電位人體表面的任意一點相對于某參考點存在確定的電位，如心電、腦電、肌電等，是心臟、腦、肌肉等活動的綜合效果。（1）體表心電圖（2）腦電（3）肌電生物電信號（2）腦電：大腦皮層的神經(jīng)元具有自發(fā)生物電活動，因此大腦皮層經(jīng)常具有持續(xù)的節(jié)律性電位變化，稱為自發(fā)腦電活動。生物電信號（2）腦電：除了自發(fā)腦電波意外，用刺激的方式能夠引起大腦皮層局部區(qū)域的電活動，這稱為腦的誘發(fā)電位EP。生物電信號體感誘發(fā)電位聽覺誘發(fā)電位膠質層皮層（3）肌電：肌肉的生物電活動形成的電位隨時間的變化曲線稱為肌電圖。肌電活動是一種快速的電變化，他的振幅在20uV到幾個毫伏，頻率為2Hz到10kHz.生物電信號背側骨間肌運動單元動作電位

被測生理量的難接近生理數(shù)據(jù)的變異性生理系統(tǒng)間存在相互的作用人們缺乏對系統(tǒng)間相互關聯(lián)關系的了解傳感器對被測生理量的影響外界干擾對測量的影響能量限制安全問題醫(yī)學參數(shù)測量的特殊性第二節(jié)生理系統(tǒng)建模與儀器設計

什么是醫(yī)學儀器？

醫(yī)學儀器的結構和工作方式醫(yī)學儀器的特性與分類醫(yī)學儀器的設計與發(fā)展趨勢

系統(tǒng)：是指自然界存在著的由若干個相互作用和依賴的事物組合而成的具有特定功能并按一定規(guī)律運動著的整體實體：是一切客觀存在的事物及其運動形態(tài)屬性：是描述實體特征的信息，是對實體進行模擬的基本單位模型:

我們所研究的客觀事物有關屬性的模擬，是對實體（系統(tǒng)）的特征和變化規(guī)律的一種定量的抽象，它應當具有事物中我們關心和需要的主要特性2.1系統(tǒng)模型及其分類物理模型簡化的、類似于實際系統(tǒng)的某些突出特征而設想的一種物理系統(tǒng)，它較之于真實系統(tǒng)更易于分析研究。靜態(tài)物理模型動態(tài)物理模型2.1.1物理模型靜態(tài)物理模型模型屬性值與時間無關，模型反映的是系統(tǒng)處于相對靜止狀態(tài)時的情況地球儀苯分子的環(huán)狀結構模型DNA的雙螺旋結構模型物理模型－靜態(tài)物理模型動態(tài)物理模型

又稱為類比模型，通過基于兩個系統(tǒng)間動態(tài)性質相似，而不是外形的類似，可以幫助我們把比較了解和熟悉的系統(tǒng)，推廣到還不甚了解和生疏的系統(tǒng)中去。物理模型－動態(tài)物理模型圖b的數(shù)學式

圖c的數(shù)學式

物理模型－動態(tài)物理模型數(shù)學模型

運用數(shù)學語言，對部分現(xiàn)實世界的信息(現(xiàn)象、數(shù)據(jù)等)加以翻譯、歸納的產(chǎn)物。這些數(shù)學語言就是數(shù)學中所用的符號、數(shù)字、字母及數(shù)學方程式和數(shù)學結構。在數(shù)學模型中，用變量表示被描述實體的屬性，實體變化則用變量間的數(shù)學函數(shù)關系式來表達。靜態(tài)數(shù)學模型動態(tài)數(shù)學模型2.1.2

數(shù)學模型動態(tài)數(shù)學模型動態(tài)數(shù)學模型描述由于實體活動所引起的系統(tǒng)狀態(tài)在時間軸上的變化，其數(shù)學式通常是一組微分或差分方程數(shù)學模型－動態(tài)數(shù)學模型描述模型

一種抽象的（沒有物理實體）、不能(至少目前不能）用數(shù)學方程式表達、只能用語言（自然語言、程序語言）描述的系統(tǒng)模型。2.1.3

描述模型2.2

建模的基本過程建模的基本原則（1）現(xiàn)實性（2）簡潔性（3）適應性2.2

建模的基本過程理論分析法建模

應用自然科學中已被證明是正確的理論、原理和定律，對被研究系統(tǒng)的有關因素進行分析、演繹、歸納，從而建立系統(tǒng)的數(shù)學模型類比分析法建模根據(jù)兩個（或兩類）系統(tǒng)某些屬性或關系的相似，去推論兩者的其他屬性或者關系也可能相似的一種方法數(shù)據(jù)分析法建模2.3構建生理模型的常用方法理論分析法建模實例血氧飽和度（SpO2）的無創(chuàng)檢測朗伯定律若入射光強為I0，物質對光的吸收系數(shù)為a，則通過厚度為L的物質后，光強為：

I=I0e－aL

（2.10）比爾定律當光被透明溶液中溶解的物質所吸收時，吸收系數(shù)a與溶液的濃度C成正比，即a=AC，于是(2.10)表示為：

I=I0e－ACL

(2.11)

生物化學中比爾定律的應用(2.12)(2.13)E為消光系數(shù)ln(I0/I)為光密度或吸光度波長為λ光強為I0的近紅外光通過組織透射后的光強度為：(2.14)E1、C1為動脈血液中HbO2的吸光系數(shù)和濃度E2、C2為動脈血液中HbR的吸光系數(shù)和濃度L是動脈血液的光路長度F是皮膚、肌肉和靜脈血液等其他組織的吸光率動脈血液的吸光度：(2.15)手指動脈搏動引起的動脈血液吸光度變化：(2.16)動脈血液中的血氧飽和度：(2.17)波長為λ’的紅色光通過組織透射后的光強度為：(2.18)通過式（2.17）和（2.18）得到血氧飽和度：(2.19)當近紅外光波長λ＝805nm時，E2=E1=E式（2.19）簡化為：(2.20)動脈血管搏動時，透射光強發(fā)生改變，由此引起兩束光變化量為：(2.21)(2.22)動脈血液中的血氧飽和度：第三節(jié)醫(yī)學電子儀器

什么是醫(yī)學儀器？

醫(yī)學儀器的結構和工作方式醫(yī)學儀器的特性與分類醫(yī)學儀器的設計與發(fā)展趨勢

醫(yī)學儀器定義

醫(yī)學儀器是以醫(yī)學臨床診治和醫(yī)學研究為目的的儀器。

通常是指那些單純或者組合應用于人體的儀器，包括所需的軟件。醫(yī)學儀器用于人體體表及體內的作用不是用藥理學、免疫學或者代謝的手段獲得的。其使用的目的是:

(1)疾病的預防、診斷、治療、監(jiān)護或者緩解;

(2)損傷或殘疾的診斷、治療、監(jiān)護、緩解或

者補償;

(3)解剖或生理過程的研究、替代或者調節(jié);

(4)妊娠控制

醫(yī)學儀器的結構和工作方式一.醫(yī)學儀器的基本構成醫(yī)學儀器主要由信息檢測系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、信息記錄系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等部分構成。信息檢測系統(tǒng)信息處理系統(tǒng)記錄顯示系統(tǒng)輔助系統(tǒng)醫(yī)學儀器的基本構成生物信息檢測系統(tǒng)：被測對象傳感器電信號生物信息處理系統(tǒng)：放大、識別、變換、運算生物信息記錄與顯示系統(tǒng)：打印、顯示輔助系統(tǒng)：控制與反饋、數(shù)據(jù)存儲與傳輸、信號產(chǎn)生與能量供應醫(yī)學儀器的特性與分類一.醫(yī)學儀器的主要技術特性（衡量醫(yī)學儀器性能的主要技術指標）

1）準確度（accuracy）：儀器的測量值與理論值之間的接近程度。

2）精密度（precision）：在相同條件下，用同一種方法多次測量所得數(shù)值的接近程度。

3）輸入阻抗（inputimpedance）：外加輸入變量（如電壓、力、壓強）與相應變量（電流、速度、流量）之比。醫(yī)學儀器的主要技術特性4）靈敏度（sensitivity）：儀器的輸出變化量與引起它變化的輸入變化量之比。

5）頻率響應（frequencyresponse）：儀器保持線性輸出時允許其輸入頻率變化的范圍。

6）信噪比（signaltonoiseratio）：信號功率Ps與噪聲功率PN之比。

醫(yī)學儀器的主要技術特性7）零點漂移（zerodrift）：儀器的輸入量在恒定不變時（或誤輸入量），輸出量偏離原來起始值而上下飄動、緩慢變化的現(xiàn)象。

8）共模抑制比（commonmoderejectionratio）：儀器放大差模信號和抑制共模信號的能力。醫(yī)學儀器的特性與分類二.醫(yī)學儀器的分類醫(yī)學儀器發(fā)展非常迅速，各種新的醫(yī)學儀器不斷出現(xiàn)。因此，醫(yī)學儀器的分類比較復雜，通常情況按照儀器在醫(yī)學、醫(yī)療中的用途可分為兩大類：

診斷用儀器治療用儀器

診斷用儀器生物電診斷與監(jiān)護儀器：如心電圖機、腦電圖機、肌電圖機等。生理功能診斷與監(jiān)護儀器： 如血壓計、血流圖儀、呼吸機及檢測脈搏、聽力、肺功能參數(shù)的儀器等。人體組織成分的電子分析檢驗儀器： 如血球計數(shù)器、生化分析儀、血液氣體分析儀等。人體組織結構形態(tài)的影像診斷儀器： 如超聲儀器、X線計算機層析攝影、核磁共振計算機斷層攝影及電子內窺鏡等。治療用儀器電療機：包括靜電治療機和低、中、高頻治療機等。光療機： 包括紅外線治療機、紫外線治療機、激光治療機等。磁療機： 包括旋磁治療機、中頻交變治療機等。超聲波治療機： 包括超聲霧化吸入器、超聲波治療機等。醫(yī)學儀器的設計與發(fā)展趨勢一.醫(yī)學儀器的設計由于在設計生物醫(yī)學儀器時要受到許多因數(shù)的影響，有些因素來自主觀的要求，有些因數(shù)是客觀的存在，因而在設計時要考慮下面五個影響儀器設計的基本因素：

1）信號因素2）環(huán)境因素

3）醫(yī)學因素4）經(jīng)濟因素

5）時代因素被測對象信號因素環(huán)境因素醫(yī)學因素經(jīng)濟因素時代因素靈敏度、量程差動或絕對的輸入信號輸入阻抗暫態(tài)和頻率響應精度、線性、可靠性信噪比、穩(wěn)定性溫度、濕度、壓力、加速度、沖擊、震動、輻射電源要求安裝尺寸和形狀侵入或非侵入組織的傳感器的界面要求物質的毒性電的安全輻射和熱耗散成本有效工作時間保單消耗品要求與現(xiàn)有設備的兼容性應用各種先進技術儀器的原始設計

樣機試驗儀器的最后設計

有關部門批準

生產(chǎn)本節(jié)小結1.醫(yī)學儀器的基本結構：信息檢測系統(tǒng)信息處理系統(tǒng)記錄顯示系統(tǒng)輔助系統(tǒng)本節(jié)小結2.醫(yī)學傳感器的作用：將反映人體機能狀態(tài)信息的物理量或化學物質轉變?yōu)殡姡ɑ螂姶牛┬盘?.醫(yī)學儀器的信息處理系統(tǒng)的作用：對信息檢測系統(tǒng)傳送過來的信息進行處理，包括放大、識別（濾波）、變換、運算等各種處理和分析。是醫(yī)學儀器的核心。本節(jié)小結4.醫(yī)學儀器有哪些特殊性：噪聲特性：個體差異與系統(tǒng)性生理機能的自然性接觸界面的多樣性操作與安全性生物醫(yī)學儀器的發(fā)展展望一.21世紀生物醫(yī)學儀器的發(fā)展由于各學科的新成果不斷融入，現(xiàn)代電子技術、計算機技術、信號與信息處理技術已是現(xiàn)代生物醫(yī)學工程技術與醫(yī)療儀器設備的核心技術，特別是當代生命科學和信息科學兩大前沿學科的發(fā)展，為生物醫(yī)學工程和醫(yī)療器械的未來展現(xiàn)了更為廣闊的前景。

當代生物醫(yī)學工程技術中最具代表性的技術是：數(shù)字醫(yī)學影象技術；物理外科手術技術；電生理參數(shù)檢測與監(jiān)護技術；臨床檢驗、分析與分子生物學技術；醫(yī)學網(wǎng)絡與信息系統(tǒng)。

21世紀生物醫(yī)療儀器的發(fā)展1、數(shù)字醫(yī)學影像技術：

（1）X-CT：（ComputedTomography）是根據(jù)人體組織對外源性X線的不同吸收程度，來判斷人體組織器官結構變化的成像設備?，F(xiàn)已出現(xiàn)第5代電子束CT。新型CT不僅圖象清晰而且有較強的圖象存儲能力和較高的三維重構速度

（2）MRI：(MagneticResonanceImaging）對軟組織病變的發(fā)現(xiàn)比X-CT要敏感。有利于顱腦、脊椎等部位病變的早期發(fā)現(xiàn)，磁場強度一般在0.1-4T,目前產(chǎn)品有低場(<0.5T)、中場(1T)、高場(>1.5T)三類CTCTCTMRIMRI21世紀生物醫(yī)療儀器的發(fā)展（3）US：代表當前水平的產(chǎn)品是全數(shù)字化多功能彩超，融入了寬帶、高密度探測、全程動態(tài)聚焦、諧波成象、快速三維重構等新技術。由于其無創(chuàng)、實時，被廣泛用于體檢普查、臨床診斷、定位以及手術導航等。（4）DR：指數(shù)字化X線設備。優(yōu)點是：輻射劑量低（可下降30%-70%），分辨率高，可數(shù)字化傳輸、存儲實現(xiàn)無膠片化。具體設備有CR（ComputerRadiography）和DDR(DirectlyDigitalRadiography)兩種。

1、數(shù)字醫(yī)學影象技術：USDR（X-RAY）DR（X-RAY）21世紀生物醫(yī)療儀器的發(fā)展（5）PETSPECT：正電子發(fā)射斷層掃描成像(PositronEmissionTomography)及單光子發(fā)射斷層掃描成像(SinglephotonEmissionComputerizedTomography，)是兩種新型的核醫(yī)學成像技術。它們的特點是能夠以圖像的方式給出病人生化及生理過程的功能信息，這是非介入，又具有重要臨床意義的檢測方法。（6）醫(yī)學影像的后處理技術：如：圖象濾噪、圖象分割、三維重構等技術

；圖象配準和融合技術；圖象無損壓縮技術；虛擬人體可視化技術等等。1、數(shù)字醫(yī)學影象技術：PET設備圖SPECT設備圖21世紀生物醫(yī)療儀器的發(fā)展（7）數(shù)字內窺鏡：視頻采集技術和數(shù)字圖像處理技術直接將圖像數(shù)字化輸入計算機，在高分辨率真彩色下顯示，完美地再現(xiàn)任何醫(yī)用內窺鏡所獲得的清晰圖像。（8）光學相干斷層掃描OCT：它利用弱相干光干涉儀的基本原理，檢測生物組織不同深度層面對入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號，通過掃描，可得到生物組織二維或三維結構圖像。1、數(shù)字醫(yī)學影象技術：白光圖像（放大）

NBI圖像（放大）結腸食管白光圖像

AFI圖像NBI特別采用了符合黏膜組織及血色素光譜特性的窄波光。圖像的對比性能得到改善，結合出色的可視性，提高了診斷的準確性。21世紀生物醫(yī)療儀器的發(fā)展2、高能物理治療技術：

（1）放療與立體定向放射外科手術：Υ刀；X刀；粒子刀

（2）超聲治療技術：其代表性的進展表現(xiàn)在超聲外科手術刀（20～30kHz），超聲體外碎石機（1～2MHz）、無創(chuàng)性高強聚焦超聲外科（0.5-4.5MHz）等方面。（3）電磁波熱療技術：主要是利用微波（2450、915、433MHz）、高頻（幾MHz到幾十MHz）、射頻（100-1000KHz）的生物熱效應，在生物組織產(chǎn)生高溫達到治療目的。（4）高能腫瘤熱療技術

放射治療21世紀生物醫(yī)療儀器的發(fā)展3、高度發(fā)展的電生理檢測設備與監(jiān)護技術

：

（1）以微機為核心的數(shù)字化電生理檢測設備，正在逐步取代傳統(tǒng)的模擬設備。數(shù)字化與檢測、分析相結合是現(xiàn)代化電生理檢測儀器發(fā)展的重要趨勢。

（2）監(jiān)護儀是一種需求日益增長的、臨床急需的設備。目前，常用的監(jiān)護儀有：多導生理監(jiān)護儀（血壓、血氧、心電、心率、阻抗呼吸、體溫），24小時動態(tài)監(jiān)護儀（心電、腦電），手術監(jiān)護設備，母嬰監(jiān)護儀，胎兒監(jiān)護儀，睡眠監(jiān)護儀等。21世紀生物醫(yī)療儀器的發(fā)展4、整體優(yōu)化的TMS方案

：

TMS（TotalMedicalSolutions）方案，是圍繞一個醫(yī)療目標，將分散、獨立工作的相關設備，優(yōu)化組合構成一個儀器系統(tǒng)。目的在于把需要的診斷、治療技術進行整合，構架成一個完整體系，以獲得最佳醫(yī)療效果。例如心臟病學科TMS方案包括12導心電圖機、運動負荷測試系統(tǒng)、動態(tài)心電診斷系統(tǒng)、CCU中央監(jiān)護系統(tǒng)，由中央心電管理系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理；以及由肺功能測定儀、動態(tài)血壓診斷系統(tǒng)、脈氧儀、除顫起搏監(jiān)護儀等構成的日常檢測、救護儀器系統(tǒng)。

21世紀生物醫(yī)療儀器的發(fā)展5、醫(yī)學信息系統(tǒng)：（1）PACS-DICOM-IHE：PACS(PictureArchivingandCommunicationSystem)數(shù)字圖象歸檔與通信系統(tǒng)，是一個建立在計算機、網(wǎng)絡、信息等技術基礎上的管理醫(yī)學圖象的綜合系統(tǒng)。DICOM3.0(DigitalImagingandCommunicationinMedicine,3.0)是為解決不同廠商生產(chǎn)的醫(yī)學影象設備能上網(wǎng)互連而推出的醫(yī)學數(shù)字圖象通信標準IHE(IntegratingtheHealthcareEnterprise)集成醫(yī)療機構，目的在于對醫(yī)院各種醫(yī)療設備和系統(tǒng)進行集成，實現(xiàn)信息資源整合和綜合利用。

21世紀生物醫(yī)療儀器的發(fā)展5、醫(yī)學信息系統(tǒng)：（1）遠程醫(yī)療

：遠程醫(yī)療主要解決跨地區(qū)的醫(yī)學信息資源最佳整合與利用，以及邊遠地區(qū)的診療問題。能使醫(yī)生實時、在線的對異地病人進行會診、監(jiān)護、咨詢、指導治療，可在自己的計算機上直接對異地病人資料進行采集、查閱、編輯，并可以通過計算機，與二位以上的同行對同一記錄資料進行討論研究，作出判斷，提出醫(yī)療指導性建議。21世紀生物醫(yī)療儀器的發(fā)展展望21世紀生物醫(yī)療儀器將繼續(xù)在醫(yī)學診斷、手術、監(jiān)護、康復等方面獲得更大發(fā)展，總趨勢是：器械智能化、簡易化；保健轉向家庭；生物、物理、工程設計領域交叉融合；提高臨床診斷精確性。計算機輔助診斷、智能器械、生物傳感器、機器人、網(wǎng)絡等在內的計算機相關技術；分子醫(yī)學；家庭與自我保?。晃?chuàng)方法；器械/藥物結合的產(chǎn)品；人工器官移植/輔助裝置及組織工程組件等產(chǎn)品將進一步得到發(fā)展。

21世紀生物醫(yī)療儀器的發(fā)展展望

1）

機器人外科與微系統(tǒng)技術：機器人外科是指外科醫(yī)生應用機器人去完成某些精確的外科任務，而非用機器人取代外科醫(yī)生。微系統(tǒng)技術：是微電子、計算機技術和精