醫(yī)用電子儀器第一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二常見的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器醫(yī)用X線診斷裝置計算機(jī)斷層成像系統(tǒng)(CT)磁共振成像系統(tǒng)(MRI)核醫(yī)學(xué)診斷儀器及設(shè)備（ECT、PET）超聲設(shè)備放射治療裝置（鈷60、X-刀、γ-刀）醫(yī)用光學(xué)儀器（醫(yī)用內(nèi)窺鏡等）生理量測量儀器（ECG、EMG、EEG、IBP、NIBP、SaO2）、監(jiān)護(hù)儀電治療類設(shè)備（起搏器、除顫器、高頻電刀）生化分析類儀器（質(zhì)譜儀、色譜儀、血氣分析、尿液分析等）第二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二

其使用目的是:1、疾病的預(yù)防、診斷、治療、監(jiān)護(hù)或者緩解2、損傷或殘疾的診斷、治療、監(jiān)護(hù)、緩解或補(bǔ)償3、解剖或生理過程的研究、替代或者調(diào)節(jié)4、妊娠控制第三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二本門課程的內(nèi)容醫(yī)學(xué)儀器輸入或輸出的物理量不是電壓或電流輸入或輸出的物理量是電壓或電流醫(yī)學(xué)電子儀器超聲、放射等設(shè)備第四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二醫(yī)學(xué)電子儀器測量、診斷治療類儀器心電腦電肌電誘發(fā)電位監(jiān)護(hù)儀血壓測量儀器心臟起搏器心臟除顫器微弱信號處理電氣安全高頻電刀第五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二

主要參考書

1、余學(xué)飛，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計,華南理工大學(xué)出版社，20072、JohnG.Webster,MedicalInstrumentationApplicationandDesign,Thirdedition,JohnWiley&Sons,INC.19983、吳建剛，現(xiàn)代醫(yī)用電子儀器原理與維修，電子工業(yè)出版社，20054、鄧親愷，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器原理與設(shè)計，科學(xué)出版社，2004第六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二參考網(wǎng)站/(南方醫(yī)療器械網(wǎng))（醫(yī)械之家）第七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二/

(南方醫(yī)療器械網(wǎng))第八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二

（醫(yī)械之家）第九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二成績評定平時成績10％實驗成績10％期末考試80％第十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二第一章醫(yī)學(xué)儀器概述本章內(nèi)容：

生物信號特點醫(yī)學(xué)電子儀器的結(jié)構(gòu)和工作方式醫(yī)學(xué)電子儀器的特性和分類醫(yī)學(xué)電子儀器的設(shè)計原則第十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二第一節(jié)生物信號知識簡介一、人體系統(tǒng)的特征

人體是一個復(fù)雜的自然系統(tǒng)，它是由神經(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)間相互獨立，又保持有機(jī)聯(lián)系，共同維持生命。

器官的自控制系統(tǒng)神經(jīng)控制系統(tǒng)內(nèi)分泌控制系統(tǒng)免疫控制系統(tǒng)第十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二二、人體控制功能的特點負(fù)反饋機(jī)制雙重支配性多重層次性適應(yīng)性非線形第十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二三、生物信號的基本特征不穩(wěn)定性非線性概率性第十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二四、生物信號的檢測與處理1.生物信號的檢測2.生物信號的處理針對生物信號的特點采用不同的電極或傳感器經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換的信號在計算機(jī)中進(jìn)行濾波、識別、分析等第十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二第二節(jié)：醫(yī)學(xué)電子儀器的結(jié)構(gòu)和工作方式信號采集信號預(yù)處理信號處理控制處理（CPU）記錄/顯示反饋/控制刺激/激勵誘發(fā)自發(fā)信號校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)傳輸?shù)谑?，共六十四頁，編輯?023年，星期二1.生物信號的采集系統(tǒng)

根據(jù)生物信息的特點，針對不同的生理參量，采用不同的方式（傳感器和處理電路）一、醫(yī)學(xué)儀器的基本構(gòu)成第十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二

2.生物信息的處理為了從檢測到的信號中獲得更多的有用信息，同時使信息的特征更明確、更準(zhǔn)確、更直觀3.生物信息的記錄與顯示系統(tǒng)直接描記式記錄器存儲記錄器數(shù)字式顯示器4.輔助系統(tǒng)第十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二二、醫(yī)學(xué)儀器的工作方式直接和間接實時和延時間斷和連續(xù)模擬和數(shù)字第十九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二

1.準(zhǔn)確度（Accuracy）2.精密度(Precision)3.輸入阻抗(Inputimpedance)4.靈敏度(Sensitivity)5.頻率響應(yīng)(Frequencyresponse)6.信噪比(SignaltoNoiseRatio)7.零點漂移(Zerodrift)8.共摸抑制比(CMRRcommonmoderejectionratio)一、醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性

（或稱為靜態(tài)參數(shù)staticcharacteristics）

第三節(jié)

醫(yī)學(xué)儀器的特性與分類第二十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二一、醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性1. 準(zhǔn)確度（accuracy）準(zhǔn)確度是衡量儀器測量系統(tǒng)誤差的一個尺度。準(zhǔn)確度定義為：影響儀器準(zhǔn)確度的原因：元件的誤差指示或記錄系統(tǒng)的機(jī)械誤差系統(tǒng)頻響欠佳引起的誤差因非線性轉(zhuǎn)換引起的誤差來自被測對象和測試方法的誤差不存在準(zhǔn)確度為零的儀器第二十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二2. 精密度（precision）精密度是指儀器對測量結(jié)果區(qū)分程度的一種度量，用它可以表示出在相同條件下，用同一種方法多次測量所得的數(shù)值得接近程度。它不同于準(zhǔn)確度，精密度高的儀器其準(zhǔn)確度未必一定高。若兩臺儀器，在相同條件下使用，就容易比較出準(zhǔn)確度與精密度的不同。一、醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性第二十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二與精確度有關(guān)指標(biāo)：精密度、準(zhǔn)確度和精確度(精度)精確度準(zhǔn)確度：說明儀器輸出值與真值的偏離程度。如,某流量儀器的準(zhǔn)確度為0.3m3/s，表示該測量儀器的輸出值與真值偏離0.3m3/s。準(zhǔn)確度是系統(tǒng)誤差大小的標(biāo)志，準(zhǔn)確度高意味著系統(tǒng)誤差小。同樣，準(zhǔn)確度高不一定精密度高。精密度：說明測量儀器輸出值的分散性，即對某一穩(wěn)定的被測量，由同一個測量者，用同一個儀器，在相當(dāng)短的時間內(nèi)連續(xù)重復(fù)測量多次，其測量結(jié)果的分散程度。例如，某測溫儀器的精密度為0.5℃。精密度是隨即誤差大小的標(biāo)志，精密度高，意味著隨機(jī)誤差小。注意：精密度高不一定準(zhǔn)確度高。第二十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二精確度：是精密度與準(zhǔn)確度兩者的總和，精確度高表示精密度和準(zhǔn)確度都比較高。在最簡單的情況下，可取兩者的代數(shù)和。機(jī)器的常以測量誤差的相對值表示。

（a）準(zhǔn)確度高而精密度低（b）準(zhǔn)確度低而精密度高（c）精確度高在測量中我們希望得到精確度高的結(jié)果。

第二十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二3. 輸入阻抗（inputimpedance）醫(yī)學(xué)儀器的輸入阻抗與被測對象的阻抗特性、所用電極或傳感器的類型及生物體接觸界面有關(guān)，表達(dá)式為：若儀器使用的傳感器作非電參數(shù)測量，對于一個壓力傳感器而言，其輸入阻抗Z為被測量的輸入變量X1和另一個變量X2的比值，即：其功率P為：一般生物電放大器的輸入阻抗應(yīng)比他本身的阻抗大100倍以上才能滿足要求。一、醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性第二十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二輸入阻抗反映一個系統(tǒng)對其前一級系統(tǒng)的功率要求，輸入阻抗越高，它從前一級所吸取的電流越小，因而越容易與前一級系統(tǒng)相連接，不致引起前級輸入信號的改變。許多生物信號都很微弱，不能像測量儀器提供較大的電流，否則將會引起被測量的生物信號發(fā)生變化（如幅度衰減）。因此要求用于生物醫(yī)學(xué)測量的儀器具有很高的輸入阻抗，例如生物電放大器的輸入阻抗一般為2~10兆歐，用于測量細(xì)胞單位的微電極放大器的輸入阻抗高達(dá)數(shù)十至數(shù)百兆歐。第二十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二4. 靈敏度（sensitivity）當(dāng)輸入為單位輸入量時，輸出量的大小即為靈敏度的值。靈敏度表示法：生物電位——μv/cm、mv/cm、v/cm壓力——mmHg/刻度心率——每分鐘心博數(shù)/刻度心率間隔——μs/cm、ms/cm、s/cm一、醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性第二十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二5. 頻率響應(yīng)（frequencyresponse）頻率響應(yīng)是指儀器保持線性輸出時允許輸入頻率變化的范圍，它是衡量系統(tǒng)增益隨頻率變化的一個尺度。一般的醫(yī)學(xué)儀器要求在通頻帶內(nèi)應(yīng)有平坦的響應(yīng)。一、醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性第二十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二6. 信噪比（signaltonoiseratio）信噪比定義：信號功率PS與噪聲功率PN之比考察醫(yī)學(xué)儀器信噪比的指標(biāo)常用內(nèi)部噪聲電壓Uni（設(shè)外部噪聲為零）常用對數(shù)形式來表示：其中，Uni為輸入端短路時的內(nèi)部噪聲電壓；Uno為輸出端噪聲電壓；AU為電壓增益。一、醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性第二十九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二7. 零點漂移（zerodrift）儀器的輸入量在恒定不變（或無輸入信號）時，輸出量偏離原來起始值而上、下飄動、緩慢變化的現(xiàn)象稱為零點漂移。造成零點漂移的原因：環(huán)境溫度及濕度的變化滯后現(xiàn)象沖擊振動不希望的對外力的敏感性，制造上的誤差等一、醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性第三十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二8. 共模抑制比（commonmoderejectionratio）衡量放大差模信號和抑制共模信號的能力為共模抑制比，用下式表示：差模增益共模增益共模抑制比（CMRR）是衡量諸如心電、腦電、肌電等生物電放大器對共模干擾抑制能力的一個重要指標(biāo)共模抑制比主要由電路的對稱性決定，也是克服溫度漂移的重要因素。一、醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性第三十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二二、醫(yī)學(xué)儀器的特殊性

被作用對象（人）的特殊性決定了醫(yī)學(xué)儀器的特殊性

1.噪聲特性

2.個體差異與系統(tǒng)性

3.生理機(jī)能的自然性

4.接觸界面的多樣性

5.操作與安全性第三十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二

（一）噪聲特性從人體拾取的生物信號不僅幅度微小，而且頻率也低。必須盡量采取各種抑制措施，使噪聲影響減至最小。一般來說，限制噪聲比放大信號更有意義。第三十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二

（二）個體差異與系統(tǒng)性人體個體差異相當(dāng)大，用醫(yī)學(xué)儀器作檢測時，應(yīng)從適應(yīng)人體的差異性出發(fā)，要有相應(yīng)的測量手段。人體又是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，測定人體某部分的機(jī)能狀態(tài)時，必須考慮與之相關(guān)因素的影響。要選擇適當(dāng)?shù)臋z測方法，消除相互影響，保持人體的系統(tǒng)性相對穩(wěn)定。第三十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二

（三）生理機(jī)能的自然性在檢測時，應(yīng)防止儀器（探頭）因接觸而造成被測對象生理機(jī)能的變化。因為只有保證人體機(jī)能處于自然狀態(tài)下，所測得的信息才是可靠的、準(zhǔn)確的。第三十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二

（四）接觸界面的多樣性為了能測得人體的生物信息、必須使傳感器（或電極）與被測對象間有一個合適的、接觸良好的接觸界面。第三十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二

（五）操作與安全性在醫(yī)學(xué)儀器的臨床應(yīng)用中，操作者為醫(yī)生或醫(yī)輔人員，因此要求醫(yī)學(xué)儀器的操作必須簡單、方便、適用和可靠。另外，醫(yī)學(xué)儀器的檢測對象是人體，應(yīng)確保電氣安全、輻射安全、熱安全和機(jī)械安全，使得操作者和受檢者均處于絕對安全的條件下。第三十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二三、典型醫(yī)學(xué)參數(shù)表1-1典型醫(yī)學(xué)和生理學(xué)參數(shù)典型參數(shù)幅度范圍頻率范圍使用電極類型心電（ECG）0.01~5mV0.05~100Hz表面電極腦電（EEG）2~200μV0.1~100Hz帽狀、表面或針狀電極肌電（EMG）0.02~5mV5~2000Hz表面電極胃電（EGG）0.01~1mVDC~1Hz表面電極心音（PCG）0.05~2000Hz心音傳感器血流（主動脈）1~300mL/sDC~20Hz電磁超聲血流計輸出量4~25L/minDC~20Hz染料稀釋法心阻抗15~500ΩDC~60Hz表面電極、針電極體溫32~40℃DC~0.1Hz溫度傳感器第三十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二第四節(jié)：生理系統(tǒng)的建模與儀器設(shè)計一模型：是對相應(yīng)的真實對象和真實關(guān)系中那些有用的和令人感興趣的特性的抽象，是對系統(tǒng)某些本質(zhì)方面的描述，它以各種可用的形式提供被研究系統(tǒng)的描述信息。1代表性2簡化性3有效性第三十九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二二建模：建立一個在某一特定方面與真實系統(tǒng)具有相似性的系統(tǒng)，真實系統(tǒng)成為原型，而這種相似性的系統(tǒng)就成為該原型系統(tǒng)的模型。對于生理系統(tǒng)，原型一般為真實的活體系統(tǒng)，而模型則為與這些活體系統(tǒng)在某些方面相似的系統(tǒng)。生理系統(tǒng)建模的目的：為了更好地了解生物系統(tǒng)的行為及規(guī)律，為生物控制奠定基礎(chǔ)。第四十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二三生理系統(tǒng)建模的意義：

1.為研制醫(yī)學(xué)儀器提供理論基礎(chǔ)。

2.用于人體疾病診斷、預(yù)報、相關(guān)參數(shù)的自適應(yīng)控制。

3.為生物學(xué)、生理學(xué)、仿生學(xué)等學(xué)科的研究提供一種新的研究手段和方法。第四十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二生理系統(tǒng)建模的特點：

1、理想化

2、抽象化

3、簡單化生理系統(tǒng)建模的過程：

1、建立模型結(jié)構(gòu)兩個前提：1細(xì)化模型研究的目的；2了解有關(guān)特定的建模目標(biāo)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性質(zhì)之間的關(guān)系。模型結(jié)構(gòu)的性質(zhì)：1相似性2簡單性3多面性2、為所建立的模型結(jié)構(gòu)提供數(shù)據(jù)第四十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二三類模型：1物理模型：按照真實系統(tǒng)的性質(zhì)而構(gòu)造的實體模型（1）幾何相似模型（2）力學(xué)相似模型（3）生理特性相似模型（4）等效電路模型特點：直觀；可長時間重復(fù)實驗；可為數(shù)學(xué)模型的建立提供數(shù)據(jù)第四十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二2數(shù)學(xué)模型：用數(shù)學(xué)表達(dá)式或計算機(jī)程序來描述事物的數(shù)學(xué)特性特點：可較好地刻畫系統(tǒng)內(nèi)在的數(shù)量聯(lián)系，從而定量的探求系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)規(guī)律。兩方面：（1）對系統(tǒng)中各個作用環(huán)節(jié)的描述（2）表征系統(tǒng)的固有量的提取建立數(shù)學(xué)模型的兩種方法：（1）黑箱方法（2）推導(dǎo)方法3描述模型：一種抽象的不能用數(shù)學(xué)方程表達(dá)，只能用語言描述的系統(tǒng)模型第四十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二構(gòu)建生理模型的常用方法與實例理論分析法理論分析指應(yīng)用自然科學(xué)中已被證明的正確的理論，原理和定律，對被研究系統(tǒng)的有關(guān)要素進(jìn)行分析，演繹，歸納，從而建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。實例——臨床中血氧飽和度的無創(chuàng)檢測引用物理光學(xué)中的朗伯比爾定律進(jìn)行建模。

第四十五頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二臨床背景介紹血氧飽和度是人類呼吸循環(huán)的重要生理參數(shù)。在麻醉手術(shù)需要進(jìn)行連續(xù)的血氧監(jiān)測。能提供病人體內(nèi)的氧合狀況。血氧飽和度是表示血液中血氧的濃度，是被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白的容量占全部血紅蛋白的容量的百分比。第四十六頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二對血氧飽和度的檢測分為有創(chuàng)和無創(chuàng)兩種。傳統(tǒng)有創(chuàng)檢測是對血液抽樣后進(jìn)行血氣分析。無創(chuàng)檢測是利用分光光度測定原理。基本原理：由于血液中不同成分對同一種光線的吸收率各不相同，通過測量穿過血液中不同光線的衰減程度，可以換算出血液中不同成分的含量。第四十七頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二實驗觀察當(dāng)我們用單色光垂直照射人體手指末端時候，在另一端用光電管接收投射光，發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)明顯減弱。這時用濾波器濾波后的電流分為兩部分。一部是直流，一部是交流。在光線穿過手指透射后，觀察發(fā)現(xiàn)血液中氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白對特定不同波長光的吸收率相差很大第四十八頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二第四十九頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二實驗觀察

交流成分的波峰與波谷對應(yīng)的是心血管系統(tǒng)的收縮與舒張，對應(yīng)的是動脈血液中脈動的成分。

其他部分與時間無關(guān)，出現(xiàn)光容積脈搏波。第五十頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二第五十一頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二理論分析

朗伯比爾定律指出，入射光強(qiáng)與出射光強(qiáng)有一定的關(guān)系公式。

D表示吸光度，ε表示吸光系數(shù)，I0表示入射光強(qiáng)，I表示透射光強(qiáng)，C表示溶液的濃度，d表示所傳過的厚度路徑。

第五十二頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二模型的簡單考慮血液中的成分：氧合血紅蛋白，還原血紅蛋白。如果物質(zhì)中存在兩種或者兩種以上的成分，要確定其成分含量及濃度，就要采用雙波長或者多波長的方法。血液靜止不動。組織模型由兩部分組成：無血組織表現(xiàn)為固定的光吸收，圖中的直流部分，動脈血管則為脈動變化的光吸收，圖中的交流變化信號。

第五十三頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二動脈血的血氧飽和度。兩種波長的光的合理選擇很重要。需要了解所測物質(zhì)所含成分的吸光系數(shù)隨波長的變化情況。第五十四頁，共六十四頁，編輯于2023年，星期二脈搏傳感器接收的信號包含兩種成分，以直流