1、醫(yī)學電子儀器技術與應用,主講： 楊宏麗 電話辦公室：行政樓504,課程介紹,課程性質：專業(yè)核心課程，學分為4； 前導課程：數(shù)字電子技術、模擬電子技術、嵌入式單片機應用設計； 后續(xù)課程：醫(yī)療設備檢測技術、超聲診斷技術、人體機能代行裝置；,學習目的,操作：能通過產(chǎn)品說明書和操作培訓，掌握心電圖機、血壓計以及醫(yī)用監(jiān)護儀器等常用醫(yī)學電子儀器的操作。 拆卸和組裝：掌握醫(yī)學電子儀器的結構、基本組成、生產(chǎn)工序及特殊要求。 測試、維護與維修：了解醫(yī)學電子儀器的工作方式、工作原理和技術應用。,考核方法,平時實訓項目及階段測試等占總成績的40%，重點考察學生的學習過程。 操作考核與課程設

2、計占總成績的40%，每個人單獨通過。內容為常用儀器的使用、拆裝與維護，重點考核學生連接線路、檢測、調試以及操作使用維修醫(yī)用電子儀器的能力。 學習態(tài)度，平時作業(yè)和課堂上回答問題的情況占總成績的20%。,第一章 醫(yī)學儀器概述,生物信息知識 醫(yī)學儀器的基本構成、特性及分類 醫(yī)學儀器的設計及發(fā)展展望,第一節(jié) 生物信息知識,人體系統(tǒng)的特征 生物電信號 典型生物醫(yī)學參數(shù) 生物醫(yī)學參數(shù)的特點 生物醫(yī)學信息的類型 醫(yī)學參數(shù)測量的特殊性,一. 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

3、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),為什么用心電圖機可以測量到心電信號？,心電信號,1. 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。,二. 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,（1） 體表心電圖：,（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

4、持續(xù)的節(jié)律性電位變化，稱為自發(fā)腦電活動。,（2） 腦電： 除了自發(fā)腦電波外，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。,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.,背側骨間肌運動單元動作電位,3. 非電量生理信號： 除生物電信號外，作為有生理機能特征的信號外，還有機械信號、聲學信號、生物化學信號以及生物磁信號等。諸如血壓、脈搏、血流、體溫及呼吸、腦磁、心磁等多種生理參數(shù)。,血壓波形,血壓分布圖,典型生物醫(yī)學參數(shù),生

5、物醫(yī)學信號屬于強噪聲背景下的低頻微弱信號，是由復雜的生命體發(fā)出的不確定的自然信號。 醫(yī)學儀器所要測量的生理參數(shù)的特點是被測生理量的幅值和頻率范圍都是比較低的。 生物電現(xiàn)象是生命活動的基本屬性，幾乎在機體的一切生命過程中都伴隨生物電的產(chǎn)生。人體的各種生物電的研究、記錄已經(jīng)成為了解人體各器官的功能、臨床診斷、治療的可靠依據(jù)。,生物醫(yī)學參數(shù)的特點,獲得有效的生物醫(yī)學參數(shù)，必須通過科學的測量手段來完成。,本節(jié)小結,生物醫(yī)學參數(shù)的特點？ 醫(yī)學儀器所要測量的生理參數(shù)的特點是被 測生理量的幅值和頻率范圍都是比較低的。 生物醫(yī)學參數(shù)主要有哪兩類信號？ 電類、非電類,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

6、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。 醫(yī)學電子儀器的基本構成,第二節(jié) 醫(yī)學電子儀器的結構和工作方式,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,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,醫(yī)學儀

7、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。 精確度 = 準確度 + 精密度,3）輸入阻抗（input impedance）： 外加輸入變量（如電壓、力、壓強）與相應 應變量（電流、速度、流量）之比。,采用電極,采用傳感器,輸入變量 X1,應變量 X2,4）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（frequency response）： 儀器保持線性輸出時允許其輸入頻

8、率變化的范圍。 6）信噪比（signal to noise ratio）： 信號功率Ps與噪聲功率PN之比。,7）零點漂移（zero drift）： 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（common mode rejection ratio）： 儀器放大差模信號和抑制共模信號的能力。,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 理療用儀器,你知道哪些具體儀器？,診斷用儀器,生物電診斷與監(jiān)護儀器： 如心電圖機

9、、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。,理療用儀器,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。,根據(jù)醫(yī)學儀器的原理進行分類： 當前，醫(yī)學儀器大致可以分為三大類： 醫(yī)學成像裝

10、置類、 醫(yī)學電子儀器類、 醫(yī)學分析儀器類。,成像類儀器的種類： 1）X射線成像裝置（XCT） 2）磁共振成像裝置（MRI） 3）超聲成像裝置（US） 4）正電子發(fā)射斷層掃描成象系統(tǒng)（PET） 5）功能磁共振成像（fMRI）,1-33,醫(yī)學成像裝置,1-34,醫(yī)學成像裝置,1-35,2. 醫(yī)學電子儀器類 特點：技術上采用微電子化、智能化、組合化和遙測化、產(chǎn)品上自動化、小型化和多功能化。 種類：1）心腦電子儀器2）監(jiān)護儀器,1-36,醫(yī)學電子儀器,1-37,醫(yī)學分析儀器類 ?,由第一組負責收集、講解 （類型、產(chǎn)品圖片、產(chǎn)品功能、主要生產(chǎn)廠家）,本節(jié)小結,1. 醫(yī)學儀器的基本結構：,本節(jié)小結,2.

11、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?3. 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。,生物醫(yī)學儀器的發(fā)展與展望,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

12、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： 主要有CT、MRI、PET、DR、Ultro-S等。,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。,（1）計算斷層攝影 （ Computed Tomography ）診斷，簡稱CT ：,CT的主要結構包括兩大部分： X線體層掃描裝置：產(chǎn)生X線束的發(fā)生器和球管， 接收和檢測X線的探測器 計算機系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、中央處理系統(tǒng)、磁帶機、操作臺等。,CT,胃,胰腺,腸,膽囊,肝臟,右腎,左腎上腺,主動脈,脊椎,肋骨,4層、8層、16層、

13、32層、64層圖像的螺旋CT機,CT發(fā)展現(xiàn)狀：,Philips(飛利浦）toshiba(東芝）島津siemens(西門子） 日立GE(美國通用）,主要生產(chǎn)廠家：,（2）磁共振造影術 (Magnetic Resonance Imaging），簡稱MRI：,利用人體中的遍布全身的氫原子在外加的強磁場內受到射頻脈沖的激發(fā)，產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象，經(jīng)過空間編碼技術，用探測器檢測并接受以電磁形式放出的核磁共振信號。,MRI工作原理圖,MRI掃描的梯度磁場,收發(fā)器,患者,Z軸線圈,X軸線圈,Y軸線圈,恒定靜磁場,MRI 之一,MRI 之二,MRI 之三,MRI 之四,CT 與 MRI,這是出血第三天的影像。左邊

14、是 CT，右邊是 MRI,醫(yī)用MRI系統(tǒng)分類： 根據(jù)磁體不同可以分為： 常導型、永磁型和超導型。 根據(jù)磁體的主磁場大小可以分為： 低場（1.0T) 目前臨床應用的達到3.0T 主要生產(chǎn)廠家： GE 、飛利浦、西門子等,21世紀生物醫(yī)療儀器的發(fā)展,（3）正電子發(fā)射斷層掃描成像(Positron Emission Tomography)，簡稱 PET,1、數(shù)字醫(yī)學影象技術：,利用回旋加速器加速帶電粒子轟擊靶核，通過核反應產(chǎn)生帶正電子的放射性核素，并合成顯像劑 。,在衰變過程中發(fā)射帶正電荷的電子，這種正電子在組織中運行很短距離后，即與周圍物質中的電子相互作用，發(fā)生湮沒輻射，發(fā)射出方向相反，能量相等的

15、兩光子 。,比例符合計算單元,圖像重構,光電轉換數(shù)據(jù),正電子湮滅,21世紀生物醫(yī)療儀器的發(fā)展,（4）US(ultrasound)：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。,1、數(shù)字醫(yī)學影象技術：,全數(shù)字化多功能彩色多普勒超聲診斷儀,21世紀生物醫(yī)療儀器的發(fā)展,（5） DR(Digital Radiography) 直接數(shù)字化X射線攝影系統(tǒng) ： 是直接將X線光子通過電子暗盒轉換為數(shù)字化圖像，它利用硒作為X線檢測器，由電子暗盒、掃描控制器、系統(tǒng)控制器、影像監(jiān)示器

16、等組成。 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。,1、數(shù)字醫(yī)學影象技術：,DR的成像原理,DR（X-RAY）,DR（X-RAY）,21世紀生物醫(yī)療儀器的發(fā)展,（6）醫(yī)學影像的后處理技術： CT、MRI、DSA、SPECT、PET和超聲等產(chǎn)生的數(shù)字化圖像，經(jīng)計算機技術對其進行再加工并從定性到定量對圖像進行分析的過程稱為醫(yī)學圖像后處理技術。 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：,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

17、術： 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（2030kHz），超聲體外碎石機（12MHz）、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,高能聚焦超聲熱療儀,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

18、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（Total Medical Solutions）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)、

19、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(Picture Archiving and Communication System)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 ( Digital Imaging and Communication in Medicine,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)

20、學數(shù)字圖象通信標準 IHE(Integrating the Healthcare Enterprise)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。,PACS系統(tǒng)結構圖,21世紀生物醫(yī)療儀器的發(fā)展,5、醫(yī)學信息系統(tǒng)： （2）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、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；家庭與自我保健；微創(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、計算機技術和精密機械相結合的高新技術。主要用于微創(chuàng)診斷和

22、治療。 2）納米材料與納米醫(yī)學： 納米醫(yī)學是指制造和利用納米結構與納米級裝置，在分子水平上診斷、防病、治病的技術。,21世紀生物醫(yī)療儀器的發(fā)展展望,3）生物芯片 ： 分子電子器件：目前的進展是分子開關、分子儲存器、分子導線、分子神經(jīng)元等分子器件。 微型多參數(shù)生物傳感器：是在一微小基片的表面固定大量的分子識別探針，實現(xiàn)對化合物、蛋白質、核酸、細胞或其他生物組織，準確、快速、大信息量的篩選或檢測。 基因芯片：是一種最重要的分子芯片，實際它是DNA微陣列芯片，它集成了大量密集排列的基因探針，通過與被檢測的核酸序列，互補匹配，進行序列測量。,21世紀生物醫(yī)療儀器的發(fā)展展望,4） 組織工程組件 ： 應用

23、生命科學和工程學原理 ，研制能夠修復和改善，損傷或缺失組織功能的人造組織或器官。,CT與核磁共振（MRI）是兩種截然不同的檢查方法。MRI是Magnetic Resnane Iamge的簡稱，中文為磁共振成像。MRI是把人體放置在一個強大的磁場中，通過射頻脈沖激發(fā)人體內氫質子，發(fā)生核磁共振，然后接受質子發(fā)出的核磁共振信號，經(jīng)過梯度場三個方向的定位，再經(jīng)過計算機的運算，構成各方位的圖像。CT由于X線球管和探測器是環(huán)繞人體某一部位旋轉，所以只能做人體橫斷面的掃描成像，而MRI可做橫斷、矢狀、冠狀和任意切面的成像。核磁共振(MRl)與CT都屬于技術含量非常高的影像學檢查手段，兩者相比，核磁共振主要具

24、有以下優(yōu)點。核磁共振能敏感地檢查出組織成分中水含量的變化，能顯示功能和新陳代謝過程等生理生化信息的變化，它使機體組織從單純的解剖顯像發(fā)展為解剖學與組織生化和物理學特性變化相結合的“化學性圖像”，為一些早期病變提供了診斷依據(jù)，常常比CT能更有效和更早地發(fā)現(xiàn)病變。它能非常清晰地顯示腦和脊髓的灰質和白質，故在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷方面優(yōu)于CT，對顱腦、脊柱和脊髓疾病的顯示優(yōu)于CT，這是CT所無法比擬的； 核磁共振可根據(jù)需要直接顯示人體任意角度的切面像，可以直接作出橫斷面、矢狀面、冠狀面和各種斜面的體層圖像；而CT只能顯示與身體長軸相垂直的橫斷層像； 核磁共振有高于CT數(shù)倍的軟組織分辨能力，圖像中對于軟組

25、織的對比度可以提高13個等級度，大功率的核磁共振機器拍攝的照片非常清晰，甚至可以看到組織內的細小血管； 核磁共振在儀器結構上不需要像CT那樣有較大的機械口轉動部件和一系列高精度的探測器，只要通過電子方法調節(jié)磁場梯度即可實現(xiàn)掃描； 核磁共振不會像CT那樣產(chǎn)生對人體有損傷的電離輻射，對機體沒有不良影響，甚至孕婦接受核磁共振檢查時對胎兒也無任何不良影響； 核磁共振有3個特性參數(shù)，而CT只有X射線束穿過生物組織的衰減一個物理參數(shù)，故核磁共振漏診率比CT低； 核磁共振不用造影劑就可得到很好的軟組織對比度，能顯示血管的結構，故對血管、腫塊、淋巴結和血管結構之間的相互鑒別有其獨到之處，而且還避免了造影劑可能引起的過敏反應； 核磁共振不會產(chǎn)生CT檢測中的骨性偽影，能使脊柱中的脊髓及神經(jīng)根顯像清晰，還有可能檢查出由于缺血引起的組織損傷等等。 核磁共振幾乎適用于全身各系統(tǒng)的不同疾病，如腫瘤、炎癥、創(chuàng)傷、退行性病變以及各種先天性疾病的檢查，在脊柱外科更有其廣泛的適應證，應用范圍大大超過CT檢查，診斷價值明顯優(yōu)于CT。CT相比較，MRI具有以下優(yōu)點：無放射線損害，迄今也未見有MRI對人體產(chǎn)生損傷的報道；軟組織密度分辨率高于CT，而空間