醫(yī)療儀器現(xiàn)代醫(yī)療儀器

與生物醫(yī)學工程學的關系

醫(yī)療儀器是生物醫(yī)學工程研究成果的載體。生物醫(yī)學工程研究的成果是現(xiàn)代醫(yī)療儀器設計和開發(fā)的核心和基礎。醫(yī)療儀器的作用和分類醫(yī)療儀器的作用現(xiàn)代的醫(yī)療服務不但依賴醫(yī)務人員的知識經(jīng)驗和思維判斷，而且在很大程度上還要依賴實驗手段和設備條件。提供先進、快捷、安全有效的儀器設備作為診療工具，是提高醫(yī)療服務質(zhì)量的物質(zhì)基礎和先決條件。醫(yī)療儀器的作用從發(fā)展醫(yī)學科學角度認識，一種先進的科學技術成果很快地應用到醫(yī)學上來，對于促進醫(yī)學科學水平的提高往往起到?jīng)Q定性作用。它使人們對疾病的認識從細胞水平深入到分子量子水平，從定性到定量、定位?？梢哉f，裝備水平已是醫(yī)院現(xiàn)代化程度的一個重要標志。醫(yī)療儀器的歷史回顧醫(yī)療儀器的歷史回顧細胞的發(fā)現(xiàn)是借助于顯微鏡的發(fā)明（十九世紀）。19世紀末從體表記錄到心電波形。荷蘭生理學家W.Einthovon因?qū)π碾娪涗浀呢暙I獲得1924年諾貝爾獎。醫(yī)療儀器的歷史回顧１８９５年１１月８日德國物理學家倫琴發(fā)現(xiàn)了X線，１８９７年德累斯特一家醫(yī)院安裝了倫琴機。倫琴獲１９０１年諾貝爾獎。１９７２年，英國EMILtd.將計算機和X線技術結合而發(fā)明了X-CT，發(fā)明人Cormark（解析法）和Hounsfield（迭加法）獲得了七九年諾貝爾生理學和醫(yī)學獎。醫(yī)療儀器的歷史回顧2003年諾貝爾生理學和醫(yī)學獎頒發(fā)給美國的PaulCLauterburand英國的PeterMansfield以表彰他們?yōu)椤按殴舱癯上瘛弊鞒龅脑瓌?chuàng)性貢獻.PaulCLauterbur1929出生于美國伊利諾斯州。1973年，他發(fā)現(xiàn)了在主磁場中引入梯度磁場用以創(chuàng)建二維圖像的可能性，通過分析所發(fā)射的無線電波的特點，他能確定它的發(fā)射源。這使得可以形成用其他方法無法得到的結構的二維圖像。SirPeterMansfield1933出生于英國諾丁漢郡。他進一步開發(fā)了梯度磁場的使用，提出了怎樣從數(shù)學上分析所得到的信號，從而為開發(fā)有用的成像技術提供了可能。他還指出了怎樣實現(xiàn)快速成像的方法（echo-planarscanning），從技術上為十年后在醫(yī)學領域中的應用提供了基礎。醫(yī)療儀器的分類診斷儀器治療儀器輔助儀器診斷設備：醫(yī)用電子設備心電圖機、腦電圖機床邊監(jiān)護系統(tǒng)

動態(tài)心電監(jiān)護儀胎兒監(jiān)護儀

飽和血氧濃度監(jiān)護儀

診斷設備：

醫(yī)用成像裝置X射線診斷裝置（普通、數(shù)字化）X線計算機斷層掃描儀核醫(yī)學成像裝置

超聲診斷裝置

磁共振成像裝置熱成像裝置

診斷設備：醫(yī)用檢驗儀器生物傳感器生化分析儀血氣分析儀血細胞分類儀診斷設備：醫(yī)用光學儀器內(nèi)窺鏡光學顯微鏡激光儀器眼科光學儀器（自動眼壓計、自動驗光機、視野測定儀、角膜地形圖、眼底照相及眼底圖象分析設備等）治療儀器1：人工器官人工心臟、瓣膜、心臟輔助裝置人工關節(jié)、假肢人工肝、人工腎人工肺（氧合器）人工聽覺、人工角膜、人工晶體等物理治療儀器前列腺治療儀微波高溫治療儀治療儀器2：放射治療裝置鈷60直線加速器X刀γ刀高頻治療設備電刀射頻消融超聲治療設備體外沖擊波碎石機超聲乳化白內(nèi)障手術儀超聲霧化器治療儀器3：激光治療設備激光刀眼科激光,準分子激光角膜屈光矯正準分子激光冠狀動脈成形術皮膚美容激光器利用機械能的設備呼吸機輸液泵體外反搏和主動脈內(nèi)氣囊反搏治療儀器4：其他治療設備高壓氧艙低溫麻醉設備、冷凍刀等遠紅外理療設備及電化學治療設備麻醉機醫(yī)學輔助設備醫(yī)療儀器中的大部分是診斷儀器和治療儀器，但也有一部分與醫(yī)療有關的儀器既不直接用于作疾病診斷，也不直接用于疾病的治療，這些是醫(yī)學輔助設備。除了計算機和網(wǎng)絡設備組成的醫(yī)院信息系統(tǒng)外，還有很多其它輔助設備：消毒滅菌設備、照明設備（如無影燈、圖片燈）、中心供氧和制氧設備、吸引設備、廢物處理設備、手術臺、電源系統(tǒng)和電安全監(jiān)護器、制冷設備和空調(diào)設備、血庫設備、制藥機械設備等。醫(yī)學信息系統(tǒng)醫(yī)學信息系統(tǒng)包括計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)及與此相應的計算醫(yī)院自動化管理系統(tǒng)（包括行政和病史管理等）、地區(qū)醫(yī)療網(wǎng)絡與遠程醫(yī)療設備、面向家庭的醫(yī)療技術（工程）、醫(yī)學教學工程（如多媒體輔助教學、電視等）設備、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、人工智能與專家系統(tǒng)等。近年來，隨著網(wǎng)絡技術的迅速發(fā)展，PACS系統(tǒng)（圖像存儲于傳輸系統(tǒng)）已有所進展。醫(yī)療儀器的基本結構和原理醫(yī)療儀器原理框圖電極和傳感器電極：表面電極、埋藏電極、微電極傳感器：

物理、化學、生物（酶、微生物、免疫）能量的發(fā)射和傳導外加能量： 超聲、光、X線、磁場監(jiān)護儀監(jiān)護儀監(jiān)護的生理參數(shù)心電(ECG)、血壓(BP)、呼吸(Resp)、腦電(EEG)、體溫(Temp)、心輸出量(CO)、飽和血氧濃度(SpO2)、經(jīng)皮氧和二氧化碳分壓(tpO2/CO2)、呼氣末二氧化碳（etCO2）。心電監(jiān)護的項目心電是最基本的監(jiān)護參數(shù)，幾乎所有的監(jiān)護儀都有心電監(jiān)護。心電監(jiān)護最基本的項目有心率顯示、心率上下限報警、心電波形的實時顯示。心電監(jiān)護儀通常還有以下被選功能：心律不齊檢測、S-T段分析、回憶波形顯示、趨勢圖分析、電極脫落報警、電源故障處理、數(shù)據(jù)儲存和傳送等?？梢杂卸鄠€通道同時記錄多個導聯(lián)。兩種特殊的心電監(jiān)護技術心電圖負荷試驗動態(tài)監(jiān)護和分析系統(tǒng)

（AmbulatoryMonitorSystem，Holter）可以對日常生活中的病人作連續(xù)24小時不間斷的監(jiān)護，有利于對偶發(fā)的癥狀作記錄和診斷。除了心電Holter外，還出現(xiàn)了血壓監(jiān)護Holter、腦電監(jiān)護Holter、多道Holter和基于阻抗法的心輸出量Holter等。Holter系統(tǒng)的組成分成兩部分：攜帶式記錄盒和快速回放分析部分。攜帶部分：包括生命信號獲取、調(diào)理、儲存和病人自覺癥狀的記錄等功能。能記錄24小時以上的信號（在介質(zhì)上，如磁帶、存儲器）。分析部分：由存儲信號解讀部分和分析軟件組成。主體是高性能的計算機。對所記錄的信號進行分析和統(tǒng)計，也能顯示、打印所存儲的具體信號波形作為醫(yī)生診斷的依據(jù)?；胤藕妥詣臃治龅乃俣纫话憧蛇_記錄速度60倍以上。血氣監(jiān)護血液中的HbO2和Hb光吸收曲線血液中的HbO2和Hb對不同波長的光的吸收系數(shù)不一樣:在波長為600-700nm的紅光(RED)區(qū)，Hb的吸收系數(shù)遠比HbO2的大；在波長為800—1000nm的紅外光(IR)區(qū)，Hb的吸收系數(shù)要比HbO2的小；在805nm附近是等吸收點。搏動式

動脈血氧飽和度監(jiān)護儀搏動式血氧飽和度監(jiān)護原理SaO2=KlR2+K2R+K3

K1、K2、K3是經(jīng)驗常數(shù)，R是在某個很小的時間間隔上，兩種光電信號的幅度變化量之比，即：R=ΔRED/ΔIR除顫器心肌纖維性顫動當心肌因種種原因不能同步收縮而代之以蠕動樣顫動時，心臟的泵血功能就完全喪失，心房肌肉的顫動稱為房顫，心室肌肉的顫動為室顫。電擊除顫電擊除顫就是利用足夠大的電流流過心臟來刺激心肌，使所有的心肌細胞同時去極化，然后同時進入不應期，從而促使顫動的心肌恢復同步收縮狀態(tài)，使心肌恢復正常。只有一定幅度和一定的持續(xù)時間的電流才能起到除顫作用。電擊除顫是由除顫器來完成的。直流除顫器自七十年代開始己在醫(yī)院廣泛普及?，F(xiàn)己是手術室和急救科的必備設備?，F(xiàn)代直流除顫器可分為常規(guī)的和自動的，自動除顫器又可分為體外的和植入體內(nèi)的。開關在位置A時：電容器充電，電容器上儲存的能量為除顫器的電路原理除顫電極

成人胸部電極和小兒電極

胸-背電極體內(nèi)除顫電極電極和皮膚要接觸良好（達到50Ω左右）只有減少電極和皮膚接觸面的阻抗，才能減少能量作用于皮膚而使皮膚燒傷。當接觸不好而導致阻抗增加時，實際作用于心肌的能量減少而造成除顫失敗。

保證電極-皮膚接觸良好的辦法電極表面積足夠大。直徑7.5cm以上，常使用8cm直徑的電極。用導電膏降低阻抗。但注意不要涂得太多而產(chǎn)生電極之間的旁路，使心肌得到的實際能量減少，除顫時，在電極上加以足夠的壓力(約25斤)使皮膚扁平，接觸良好。有些除顫器電極內(nèi)安裝有壓力感受器及開關，只有加上足夠的壓力才能接通開關。電極手柄上的電安全考慮

1.手柄和電纜線應核絕緣良好；2.手柄上要有護圈，以防操作人員不小心使手與電極板相接觸，或?qū)щ姼啾煌康绞直稀?.除顫觸發(fā)按鈕一般提倡僅安裝在電極手柄，儀器的其它部位沒有另外的除顫觸發(fā)按鈕4.除顫器的兩個電極上都裝有除顫按鈕，并且是串聯(lián)的，只有當兩個按鈕（S1、S2）同時按下時，高壓繼電器的回路才導通，才能使K接通而放電。電極上手柄上的其它技術電極上還有充電按鈕，使得操作起來更為方便。用來提取心電信號，以便對心電作監(jiān)護。同步除顫

定義：除顫脈沖的發(fā)放在時間上與心電同步。一般是在心電R波的下降期或下降期的中部時釋放電擊能量，以避開心臟的易損期。最佳的放電時間：R波的下降期或下降期的中部，這時整個心室肌纖維正處于絕對不應期，有利于心律的恢復、又可以避免電擊不落在T波段。同步除顫順序從病人身上取得心電信號檢測出R波30ms延遲觸發(fā)放電由于正常人室壁激動時間小于30ms，所以這時除顫脈沖大約是在R波的下降期中部。同步除顫安全使用的特殊考慮為病人的安全起見，一般要求除顫器在剛接通電源時，自動置非同步狀態(tài)，以便搶救時使用。因室顫比房顫更危險。目前新型的除顫器都是用微處理芯片組成的電路來完成邏輯控制功能。自動除顫植入式除顫器即自動植入式心律轉(zhuǎn)復/除顫器（AICD）：這種儀器能檢測室速或室顫，并能自動連續(xù)釋放25至30焦耳的電脈沖。對于非常嚴重的，經(jīng)常室速或室顫發(fā)作甚至從死亡線上救回的而且無法用藥物控制的病人，可防止忽然發(fā)作死亡.自動體外除顫器植入式除顫器自動體外除顫器AutomatedExternalDefibrillator,AED具有心律分析能力，可分為全自動和半自動兩類。生物信號處理連續(xù)信號和離散信號：連續(xù)信號在連續(xù)時間和空間中定義，可以由連續(xù)變量函數(shù)描述。離散信號指在離散的時間或空間點上定義，并被描述成數(shù)字序列。確定性信號和隨機信號：確定性信號能用數(shù)學函數(shù)或定則描述，包括周期信號和暫態(tài)信號隨機信號是那種僅在零相位相關的那種信號。隨機信號常以概率分布等統(tǒng)計特性來描述和分析。平穩(wěn)隨機信號：其頻譜或統(tǒng)計特性不隨時間變化；非平穩(wěn)隨機信號：其頻譜或統(tǒng)計特性隨時間而變化。生物系統(tǒng)產(chǎn)生的信號通?？偸沁B續(xù)信號。實際生物信號總是不有一些不確定的噪聲或參數(shù)變化，因而是不確定性的。休息時的正常心電圖看上去幾乎是周期性的，然而P波，QRS波的精確形狀并完全不相同，各個QRS波的間隔（心率）也不相同，R-R間期，也即心率變異（HRV）程度是預測心臟健康的一個指標。信號的檢測要將原始信號中的有用信息保留下來，這些信息將用于疾病診斷。在對生物信號的放大、濾波、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等過程中都不能造成信號的失真以致誤解。傳感器模擬信號調(diào)理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲和顯示數(shù)字信號處理需觀察的參數(shù)信號調(diào)理使得傳感器獲取的信號符合A/D轉(zhuǎn)換器將其進行數(shù)字化的要求信號調(diào)理內(nèi)容：放大、濾波、線性補償、信號激勵、以及電氣隔離等。A/D轉(zhuǎn)換器用于將生物信號由連續(xù)的模擬波形轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的電子器件。它衡量輸入的模擬信號的大小，輸出相應的數(shù)值信號。原先由傳感器檢測出來并經(jīng)過放大和濾波后的模擬波形是連續(xù)信號，A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成了離散的數(shù)字信號。所謂離散信號由一系列數(shù)字組成的序列。用A/D轉(zhuǎn)換進行信號采樣時需要考慮的兩個問題：用幾位二進制數(shù)來表示采集到的電壓幅值？采樣的時間間隔應該為多少是合適的？納奎斯特（Nyquist）定理采樣后的數(shù)字信號必須要能精確的描述原來的模擬信號。如果采樣率太低會造成數(shù)字信號失真。納奎斯特定理要求最小采樣頻率應該是原始模擬信號的最高頻率fmax的兩倍。即fnyquist=2

fmax例：ECG信號的頻率范圍是0.5-100Hz，那么它的最低采樣頻率應是：fnyquist=2

100Hz=200次采樣/秒。采樣率過低造成的信號失真生物信號的頻域描述

動脈血壓波形和諧波生物信號既可以在時域中表示也可以在頻域中表示信號的頻率成分在時域中難以辨別，而在頻域中能方便地將其分離出來進行分析，對于許多不同的生物信號處理方法和應用，包括濾波和頻譜分析，生物信號的頻率描述是非常有用的。下圖左邊是正弦信號和經(jīng)FFT計算得到的頻譜，圖右是淹沒在噪聲中的正弦信號和它的頻譜。EEG功率譜分析Beta,Alpha,ThetaandDeltabandsandpowers(v2)foran8secondepochRelativePower:%ofTotalPowerineachrangeDelta=0.5-4Hz,

Theta=4-8Hz,

Alpha=8-13Hz,

Beta=13-32Hz<8Hzslowwaves>13Hzfastwaves0.530HzV2正常EEG:清醒思考狀態(tài)0.5481330Frequenz[Hz]aJbdMedian

frequenz:10HzPower[μV2]SEF95:25HzNormalEEG:深睡狀態(tài)0.5481330Frequenz[Hz]aJbdMedian

frequenz:2.5HzPower[μV2]SEF95:15Hz腦電地形圖

頻帶分類通過傅立葉變換后的腦電功率信號，按不同頻率進行分類:δ頻帶為2

3.8Hz，θ頻帶為4

7.8Hz，α1頻帶為8

9.8Hz，α2頻帶為10

12.8Hz，β1頻帶為13

19.8Hz，β2頻帶為20

29.8Hz。

正常人六頻帶腦電地形圖左頸動脈閉塞