現代醫學電子儀器MedicalInstrumentation常見的現代醫學儀器醫用X線診斷裝置計算機斷層成像系統(CT)磁共振成像系統(MRI)核醫學診斷儀器及設備（ECT、PET）超聲設備放射治療裝置（鈷60、X-刀、γ-刀）醫用光學儀器（醫用內窺鏡等）生理量測量儀器（ECG、EMG、EEG、IBP、NIBP、SaO2）、監護儀電治療類設備（起搏器、除顫器、高頻電刀）生化分析類儀器（質譜儀、色譜儀、血氣分析、尿液分析等）

其使用目的是:1、疾病的預防、診斷、治療、監護或者緩解2、損傷或殘疾的診斷、治療、監護、緩解或補償3、解剖或生理過程的研究、替代或者調節4、妊娠控制本門課程的內容醫學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學電子儀器超聲、放射等設備醫學電子儀器測量、診斷治療類儀器心電腦電肌電誘發電位監護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

主要參考書

1、余學飛，現代醫學電子儀器原理與設計,華南理工大學出版社，20072、JohnG.Webster,MedicalInstrumentationApplicationandDesign,Thirdedition,JohnWiley&Sons,INC.19983、吳建剛，現代醫用電子儀器原理與維修，電子工業出版社，20054、鄧親愷，現代醫學儀器原理與設計，科學出版社，2004參考網站成績評定平時成績10％實驗成績10％期末考試80％第一章醫醫學學儀器概述述本章內容：：生物信號特特點醫學電子儀儀器的結構構和工作方方式醫學電子儀儀器的特性性和分類醫學電子儀儀器的設計計原則第一節生生物信號號知識簡介介一、人體系系統的特征征人體是一個個復雜的自自然系統，，它是由神神經系統、、運動系統統、循環系系統、呼吸吸系統等分分系統組成成，分系統統間相互獨獨立，又又保持有機機聯系，共共同維持生生命。器官的自控控制系統神經控制系系統內分泌控制制系統免疫控制系系統二、人體控控制功能的的特點負反饋機制制雙重支配性性多重層次性性適應性非線形三、生物信信號的基本本特征不穩定性非線性概率性四、生物信信號的檢測測與處理1.生物信號的的檢測2.生物信號的的處理針對生物信信號的特點點采用不同同的電極或或傳感器經過模數轉轉換的信號號在計算機機中進行濾濾波、識別別、分析等等第二節：醫醫學電子儀儀器的結構構和工作方方式信號采集信號預處理信號處理控制處理（CPU）記錄/顯示反饋/控制刺激/激勵誘發自發信號校準數據存儲數據傳輸1.生物信號的的采集系統統根據生物信信息的特點點，針對不不同的生理理參量，采采用不同的的方式（傳傳感器和處處理電路））一、醫學儀儀器的基本本構成2.生物信息的的處理為了從檢測測到的信號號中獲得更更多的有用用信息，同同時使信息息的特征更更明確、更更準確、更更直觀3.生物信息的的記錄與顯顯示系統直接描記式式記錄器存儲記錄器器數字式顯示示器4.輔助系統二、醫學儀儀器的工作作方式直接和間接接實時和延時時間斷和連續續模擬和數字字1.準確度（Accuracy）2.精密度(Precision)3.輸入阻抗(Inputimpedance)4.靈敏度(Sensitivity)5.頻率響應(Frequencyresponse)6.信噪比(SignaltoNoiseRatio)7.零點漂移(Zerodrift)8.共摸抑制比比(CMRRcommonmoderejectionratio)一、醫學儀儀器的主要要技術特性性（或稱為靜靜態參數staticcharacteristics）第三節醫學儀器的的特性與分分類一、醫學儀儀器的主要要技術特性性1.準確度（accuracy）準確度是衡衡量儀器測測量系統誤誤差的一個個尺度。準準確度定義義為：影響儀器準準確度的原原因：元件的誤差差指示或記錄錄系統的機機械誤差系統頻響欠欠佳引起的的誤差因非線性轉轉換引起的的誤差來自被測對對象和測試試方法的誤誤差不存在準確確度為零的的儀器2.精密度（precision）精密度是指指儀器對測測量結果區區分程度的的一種度量量，用它可以表表示出在相相同條件下下，用同一一種方法多多次測量所得的的數值得接接近程度。。它不同于準準確度，精精密度高的的儀器其準準確度未必必一定高。。若兩臺儀儀器，在相相同條件下下使用，就就容易比較較出準確度度與精密度度的不同。。一、醫學儀儀器的主要要技術特性性與精確度有有關指標：：精密度、、準確度和和精確度(精度)精確度準確度：說明儀器器輸出值與真值的偏偏離程度。如,某流量儀器器的準確度度為0.3m3/s，表示該測測量儀器的的輸出值與與真值偏離離0.3m3/s。準確度是是系統誤差差大小的標標志，準確確度高意味味著系統誤誤差小。同同樣，準確確度高不一一定精密度度高。精密度：說明測量儀儀器輸出值值的分散性，即對某一一穩定的被被測量，由由同一個測測量者，用用同一個儀儀器，在相相當短的時時間內連續重復測測量多次，其測量結結果的分散散程度。例例如，某測測溫儀器的的精密度為為0.5℃。精密度是是隨即誤差差大小的標標志，精密密度高，意意味著隨機機誤差小。。注意：精精密度高不不一定準確確度高。精確度：是精密度度與準確度度兩者的總總和，精確確度高表示示精密度和和準確度都都比較高。。在最簡單單的情況下下，可取兩兩者的代數數和。機器器的常以測測量誤差的的相對值表表示。（a）準確度高高而精密度度低（（b）準確度低低而精密度度高（（c）精確度高高在測量中我我們希望得得到精確度度高的結果果。3.輸入阻抗（（inputimpedance）醫學儀器的的輸入阻抗抗與被測對對象的阻抗特性、、所用電極極或傳感器器的類型及生物體接觸觸界面有關，表達達式為：若儀器使用用的傳感器器作非電參參數測量，，對于一個個壓力傳感感器而言，，其輸入阻阻抗Z為被測量的的輸入變量量X1和另一個變變量X2的比值，即即：其功率P為：一般生物電電放大器的的輸入阻抗抗應比他本本身的阻抗抗大100倍以上才能能滿足要求求。一、醫學儀儀器的主要要技術特性性輸入阻抗反反映一個系系統對其前前一級系統統的功率要要求，輸入阻抗越越高，它從前一一級所吸取取的電流越越小，因而而越容易與前前一級系統統相連接，不致引起前前級輸入信信號的改變變。許多生物物信號都很很微弱，不不能像測量量儀器提供供較大的電電流，否則則將會引起起被測量的的生物信號號發生變化化（如幅度度衰減）。。因此要求求用于生物物醫學測量量的儀器具具有很高的的輸入阻抗抗，例如生生物電放大大器的輸入入阻抗一般般為2~10兆歐，用于于測量細胞胞單位的微微電極放大大器的輸入入阻抗高達達數十至數數百兆歐。。4.靈敏度（sensitivity）當輸入為單單位輸入量量時，輸出出量的大小小即為靈敏敏度的值。。靈敏度表示示法：生物電位——μv/cm、mv/cm、v/cm壓力——mmHg/刻度心率——每分鐘心博博數/刻度心率間隔——μs/cm、ms/cm、s/cm一、醫學儀儀器的主要要技術特性性5.頻率響應（（frequencyresponse）頻率響應是是指儀器保保持線性輸輸出時允許輸入頻頻率變化的的范圍，它是衡量量系統增益益隨頻率變變化的一個個尺度。一般的醫學學儀器要求求在通頻帶帶內應有平坦的響應。一、醫學儀儀器的主要要技術特性性6.信噪比（signaltonoiseratio）信噪比定義義：信號功功率PS與噪聲功率率PN之比考察醫學儀儀器信噪比比的指標常常用內部噪噪聲電壓Uni（設外部噪噪聲為零））常用對數形形式來表示示：其中，Uni為輸入端短短路時的內內部噪聲電電壓；Uno為輸出端噪噪聲電壓；；AU為電壓增益益。一、醫學儀儀器的主要要技術特性性7.零點漂移（（zerodrift）儀器的輸入入量在恒定定不變（或或無輸入信信號）時，，輸出量偏偏離原來起起始值而上上、下飄動動、緩慢變變化的現象象稱為零點點漂移。造成零點漂漂移的原因因：環境溫度及及濕度的變變化滯后現象沖擊振動不希望的對對外力的敏敏感性，制制造上的誤誤差等一、醫學儀儀器的主要要技術特性性8.共模抑制比（（commonmoderejectionratio）衡量放大差模模信號和抑制制共模信號的的能力為共模模抑制比，用用下式表示：：差模增益共模增益共模抑制比（（CMRR）是衡量諸如如心電、腦電電、肌電等生生物電放大器器對共模干擾擾抑制能力的的一個重要指指標共模抑制比主主要由電路的的對稱性決定定，也是克服服溫度漂移的的重要因素。。一、醫學儀器器的主要技術術特性二、醫學儀器器的特殊性被作用對象（（人）的特殊殊性決定了醫醫學儀器的特特殊性1.噪聲特性2.個體差異與系系統性3.生理機能的自自然性4.接觸界面的多多樣性5.操作與安全性性（一）噪聲特特性從人體拾取的的生物信號不不僅幅度微小小，而且頻率率也低。必須須盡量采取各各種抑制措施施，使噪聲影影響減至最小小。一般來說說，限制噪聲比放放大信號更有有意義。（二）個體差差異與系統性性人體個體差異異相當大，用用醫學儀器作作檢測時，應應從適應人體體的差異性出出發，要有相相應的測量手手段。人體又是一個個復雜的系統統，測定人體體某部分的機機能狀態時，，必須考慮與與之相關因素素的影響。要要選擇適當的的檢測方法，，消除相互影影響，保持人人體的系統性性相對穩定。。（三）生理機機能的自然性性在檢測時，應應防止儀器（（探頭）因接接觸而造成被被測對象生理理機能的變化化。因為只有有保證人體機機能處于自然然狀態下，所所測得的信息息才是可靠的的、準確的。。（四））接觸觸界面面的多多樣性性為了能能測得得人體體的生生物信信息、、必須須使傳傳感器器（或或電極極）與與被測測對象象間有有一個個合適適的、、接觸觸良好好的接接觸界界面。。（五））操作作與安安全性性在醫學學儀器器的臨臨床應應用中中，操操作者者為醫醫生或或醫輔輔人員員，因因此要要求醫醫學儀儀器的的操作作必須須簡單單、方方便、、適用用和可可靠。。另外，，醫學學儀器器的檢檢測對對象是是人體體，應應確保保電氣氣安全全、輻輻射安安全、、熱安安全和和機械械安全全，使使得操操作者者和受受檢者者均處處于絕絕對安安全的的條件件下。。三、典典型醫醫學參參數表1-1典型醫學和生理學參數典型參數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溫度傳感器第四節節：生生理系系統的的建模模與儀儀器設設計一模模型：：是對相相應的的真實實對象象和真真實關關系中中那些些有用用的和和令人人感興興趣的的特性性的抽抽象，，是對對系統某某些本本質方方面的描述述，它它以各各種可可用的的形式式提供供被研研究系系統的的描述述信息息。1代表性性2簡化性性3有效性性二建建模：：建立一一個在在某一一特定定方面面與真真實系系統具具有相似性性的系統統，真真實系系統成成為原原型，，而這這種相相似性性的系系統就就成為為該原原型系系統的的模型型。對于生生理系系統，，原型型一般般為真真實的的活體體系統統，而而模型型則為為與這這些活活體系系統在在某些些方面面相似似的系系統。。生理系系統建建模的的目的的：為了更更好地地了解解生物物系統統的行行為及及規律律，為為生物物控制制奠定定基礎礎。三生生理系系統建建模的的意義義：1.為研制制醫學學儀器器提供供理論論基礎礎。2.用于人人體疾疾病診診斷、、預報報、相相關參參數的的自適適應控控制。。3.為生物物學、、生理理學、、仿生生學等等學科科的研研究提提供一一種新新的研研究手手段和和方法法。生理系系統建建模的的特點點：1、理想想化2、抽象象化3、簡單單化生理系系統建建模的的過程程：1、建立立模型型結構構兩個前前提：：1細化模模型研研究的的目的的；2了解有有關特特定的的建模模目標標與系系統結結構性性質之之間的的關系系。模型結結構的的性質質：1相似性性2簡單性性3多面性性2、為所所建立立的模模型結結構提提供數數據三類模模型：1物理模模型：：按照照真實實系統統的性性質而而構造造的實實體模模型（1）幾何何相似似模型型（2）力學學相似似模型型（3）生理理特性性相似似模型型（4）等效效電路路模型型特點：：直觀觀；可可長時時間重重復實實驗；；可為為數學學模型型的建建立提提供數數據2數學模模型：：用數數學表表達式式或計計算機機程序序來描描述事事物的的數學學特性性特點：：可較較好地地刻畫畫系統統內在在的數數量聯聯系，，從而而定量量的探探求系系統的的運轉轉規律律。兩方面面：（（1）對系系統中中各個個作用用環節節的描描述（（2）表征征系統統的固固有量量的提提取建立數數學模模型的的兩種種方法法：（1）黑箱箱方法法（2）推導導方法法3描述模模型：：一種種抽象象的不不能用用數學學方程程表達達，只只能用用語言言描述述的系系統模模型構建生生理模模型的的常用用方法法與實實例理論分分析法法理論分分析指指應用用自然然科學學中已已被證證明的的正確確的理理論，，原理理和定定律，，對被被研究究系統統的有有關要要素進進行分分析，，演繹繹，歸歸納，，從而而建立立系統統的數數學模模型。。實例——臨床中中血氧飽飽和度度的無創創檢測測引用物物理光光學中中的朗伯比比爾定定律進行建建模。。臨床背背景介介紹血氧飽飽和度度是人人類呼呼吸循循環的的重要要生理理參數數。在在麻醉醉手術術需要要進行行連續續的血血氧監監測。。能提提供病病人體體內的的氧合合狀況況。血氧飽飽和度度是表表示血血液中中血氧氧的濃濃度，，是被氧結結合的的氧合合血紅紅蛋白白的容容量占全部部血紅紅蛋白白的容容量的的百分分比。。對血氧氧飽和和度的的檢測測分為為有創和和無創創兩種。。傳統有有創檢檢測是是對血血液抽抽樣后后進行行血氣分分析。無創檢檢測是是利用用分光光光度測測定原原理。基本原原理：：由由于血血液中中不同成成分對同一一種光光線的的吸收收率各各不相相同，，通過過測量量穿過血血液中中不同同光線線的衰衰減程程度，可以以換算算出血血液中中不同同成分分的含含量。。實驗觀觀察當我們們用單色光光垂直照照射人人體手手指末末端時時候，，在另另一端端用光光電管管接收收投射射光，，發現現光強強明顯顯減弱弱。這時用用濾波波器濾濾波后后的電流分為兩兩部分分。一一部是是直流，一部部是交流。在光線線穿過過手指指透射射后，，觀察察發現現血液液中氧合血血紅蛋蛋白與與還原原血紅紅蛋白白對特定不不同波波長光光的吸收收率相相差很很大實驗觀觀察交流成成分的的波峰與與波谷谷對應的的是心心血管管系統統的收縮與與舒張張，對應應的是是動脈脈血液液中脈脈動的的成分分。其他部部分與與時間間無關關，出出現光光容積積脈搏搏波。。理論分分析朗伯比比爾定定律指指出，，入射射光強強與出出射光光強有有一定定的關關系公公式。。D表示吸吸光度度，ε表示吸光系系數，，I0表示入入射光光強，，I表示透透射光光強，，C表示溶溶液的的濃度度，d表示所所傳過過的厚厚度路路徑。。模型的的簡單單考慮慮血液中中的成成分：：氧合合血紅紅蛋白白，還還原血血紅蛋蛋白。。如果物物質中中存在在兩種或或者兩兩種以以上的成分分，要要確定定其成成分含含量及及濃度度，就就要采采用雙波長長或者者多波波長的方法法。血液靜靜止不不動。。組織模模型由由兩部部分組組成：：無血血組織織表現現為固固定的的光吸吸收，，圖中中的直直流部部分，，動動脈血血管則則為脈脈動變變化的的光吸吸收，，圖中中的交交流變變化信信號。。動脈血血的血血氧飽飽和度度。兩種波波長的的光的的合理理選擇擇很重重要。。需要了了解所所測物物質所所含成成分的的吸光光系數數隨波波長的的變化化情況況。脈搏傳傳感器器接收收的信信號包包含兩兩種成成分，，以直流和和交流流的形式式存在在。用電路的的方法法加以區區分，，以獲獲得動動脈波波動的的血液液信號號和參參考直直流信信號。。血液流流動當動脈脈搏動動，血血管舒舒張，，動脈脈血的的容積積發生生變化化時候候，假假設導導致動動脈血血的光光程由d增加到到Δd,而舒張期期的吸收收作為為背景景保持不不變光光程d，這時時相應應的透透射光光強由由