生物醫學測量與傳感器第1頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一課程安排理論課：54課時實驗課18課時參考書目：

《生物醫學傳感器與檢測技術》楊玉星編著

《生物醫學測量與儀器》王保華主編第2頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一生物醫學工程是一個多科學的交叉領域，其特點是將工程科學與生命科學的原理與方法相結合，在生命體的多個層面上對生命體的現象與運動規律進行定量研究，并發展相應的醫療技術及應用系統，應用于醫學和保健。生物醫學工程涵蓋生物材料與人工器官、生物力學、仿真及控制、生物醫學信號檢測及處理技術、醫學成像及圖像處理、生物醫學電磁學等，而生物醫學測量是生物醫學工程學科中最基礎、應用最廣泛、與其他分支學科聯系最密切的領域。第3頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一第一章現代醫學儀器概論本章內容

1.醫學儀器簡介

2.醫學儀器發展簡史

3.醫學儀器的分類

4.醫學儀器發展現狀及研究方向

5.生物醫學測量概述

6.生物醫學測量方法、特點、安全性第4頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一1.關鍵詞解釋和醫學儀器定義

國際標準化組織對醫療器械（medicaldevice）中的

醫學儀器（medicalinstrumentation）定義：

指那些單純或組合應用于人體的儀器，包括智

能化儀器中的軟件。

其使用目的：

1、疾病的預防、診斷、治療、監護或緩解

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、替代或調節

4、妊娠控制

第5頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一

醫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。但可能有這些手段參與并起到輔助作用。這是對醫學儀器較為嚴格的定義。簡單說來，醫學儀器是以醫學臨床診治和醫學研究為目的的儀器。

第6頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一

醫學儀器性能概要

人體信號類型決定著醫學測量儀器結構

1、周期信號；

2、非周期信號或瞬變信號；

3、隨機信號：平穩隨機信號、非平穩隨機信號

心電、血壓、血流量、脈率、心率、心音、呼吸都是非平

穩周期性隨機信號；

腦電、肌電、胃電、眼電等都是非平穩非周期性隨機信號；

體溫對正常人每天的數值基本是平穩周期性信號，而對于

病人（尤其炎癥發燒患者）是非平穩非周期性隨機信號。

第7頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一人體中每時每刻都存在著大量的生命信

息。由于我們的身體整個生命過程中都在不

斷地實現著物理的、化學的及生物的變化，

因此所產生的信息是極其復雜的。

我們可以把生命信號概括分為二大類：

1、化學信息

2、物理信息

第8頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一化學信息是指組成人體的有機物在發

生變化時所給出的信息，它屬于生物

化學所研究的范疇。

物理信息是指人體各器官運動時所產

生的信息。物理信息所表現出來的信

號又可分為電信號和非電信號兩大類。

第9頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一人體電信號：如體表心電（ECG）信號、腦電

（EEG）、肌電（EMG）、眼電（EOG）、胃

電（EGG）等在臨床上取得了不同程度的應用。

人體磁場信號檢測近年來也引起了國內外研究者

和臨床的高度重視，我們把磁場信號也可歸為人

體電信號。

人體非電信號：如體溫、血壓、心音、心輸出量

人體非電信號及肺潮氣量等，通過相應的傳感器，即可轉變成

電信號。

電信號是最便于檢測、提取和處理的信號。

第10頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一

上述信號是由人體自發生產的，稱為"主動性"信號。另外，還有一種"被動性"信號，即人體在外界施加某種刺激或某種物質時所產生的信號。如誘發響應信號，即是在刺激下所產生的電信號，在超聲波及X

射線作用下所產生的人體各部位的超聲圖像、X射線圖像等也是一種被動信號。這些信號是我們進行臨床診斷的重要工具。

第11頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一人體基本生理參量的測量部位示意圖

參見課本第12頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一醫學測量儀器系統通用組成框圖

第13頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一生物信號反映生物體的生命活動狀態，生物信號的表

現形式具有多樣性，如：既有物理的聲、光、電、力等類

的變化；又有化學的濃度、氣體分壓、PH等的變化，其特

點是信號微弱、非線性、高內阻、干擾因素多等等。這些

特征對于生物信號的研究十分重要。

一個完整的生物信號測量系統一般包括以下四個部分：

1、生物信號的引導

（電極和傳感器）

2、生物信號的放大

（數字和模擬電路）

3、生物信號的采集和采樣

（A/D轉換器）

4、生物信號的記錄與處理

（信息處理）

第14頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一心電電極、心音傳感器、導聯線

第15頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一心電、心音信號放大器

第16頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一數據采集卡（A/D轉換卡）

第17頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一生物醫學信號檢測系統

第18頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一2.醫學儀器發展簡史

現代醫學儀器的誕生和發展始于19世紀末20世紀初，這與以量子力學和相對論為代表的科學重大發現和以機械制造和電機工程為代表的工業文明出現密不可分。

1728年，英國HalesStephen采用開口的管子插入馬的股動脈，做了人類歷史上的第一次血壓實驗。

1816年，法國醫生Rene發明了聽診器。

1842年，Nobelic做早用靜電記錄了肌電信號。

第19頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一

物理學家希托夫觀察到真空管中的陰極發出的射線，當這些射線遇到玻璃管壁會產生熒光。隨后，英國物理學家克魯克斯研究稀有氣體里的能量釋放，并且制造了一種玻璃真空管，內有可以產生高電壓的電極。

1887年4月，尼古拉·特斯拉開始使用自己設計的高電壓真空管與克魯克斯管研究X光。他發明了單電極X光管，在其中電子穿過物質，發生了現在叫做韌致輻射的效應，生成高能X光射線。

1892年特斯拉完成了這些實驗，但是他并沒有使用X光這個名字，而只是籠統成為放射能。他繼續進行實驗，并提醒科學界注意陰極射線對生物體的危害性，但他沒有公開自己的實驗成果。1892年赫茲進行實驗，提出陰極射線可以穿透非常薄的金屬箔。赫茲的學生倫納德進一步研究這一效應，對很多金屬進行了實驗。第20頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一1895年德國物理學家倫琴(W.h.Roentgen)在吳爾茲堡(Uerzburg)大學物理研究所發現X射線，在次年的德國物理學年會上，他宣布并展示了X射線拍攝的人手X照片，由此開創了人體影像診斷的先河。當時的電子變壓器

高壓輸出已可達100kV，滿足了X射線產生的條件，倫琴在

實驗中采用的是WilliamCrookes研制的高真空度的陰極

射線管。這一里程碑式的發現使得倫琴獲得了首屆(1901年)

物理學諾貝爾獎。

/wiki/File:X-ray_by_Wilhelm_R%C3%B6ntgen_of_Albert_von_K%C3%B6lliker%27s_hand_-_18960123-02.jpg拍攝的一張X射線照片，倫琴夫人的手骨與戒指第21頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一X線被廣泛的應用于對疾病的診斷與治療，形成了放射診斷學和放射治療學。X線還用于疾病的預防、康復和預后隨訪，在醫學之外，還用于X線衍射分析和工業探傷等多種用途。隨著計算機技術的發展，數字化X線攝影、數字減影（DSA）應運而生。第22頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一

這期間另一個重大事件是1903年荷蘭生理學家WilliamEinthoven研制成功了第一臺采用弦線式電流計記錄的心電圖儀，被譽為心電圖之父。他創立的肢體標準導聯的概念，沿用至今。Einthoven開創性的貢獻使他獲得了1924年醫學諾貝爾獎。

1924年法國學者Berger首次采用頭皮電極記錄到人腦的電活動，發現人腦活動的p波節律，并第一次繪出了人類癲癰病發作時的腦電圖。

第23頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一1932年，研制了一種可經食管插入胃中觀察胃內病變的半硬式胃鏡。1957年，美國首次開發出纖維光學內鏡。1956年，美國人Anger發明了伽瑪照相機，成為核醫學成像技術的一個里程碑。1957年，美國Mackay制成一種“無線電丸”，由動物吞服下后，可用無線遙測方式檢測體內的某些生理信息，同年，在前蘇聯的空間研究中，將遙測技術用于動物的生理醫學實驗研究。1957年，美國Holter博士利用無線遙測與磁帶記錄技術相結合，連續記錄可行走病人長時間的心電圖，并與1961年制成由佩戴式磁帶記錄器記錄，由示波器回放分析的心電監護系統，后來被稱作Holter監護系統。1963年將圖像重建理論用于放射醫學。第24頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一

基于壓電晶體管效應的超聲波發生裝置，在1880年已由Jaeqnts與PierreCarie建立，其后在第一、二次世界大戰中超聲在水下探測中均發揮了巨大的作用，但作為真正商品化的醫用超聲診斷儀直到1958后才出現，此后由于它的廣泛的優點，很快在臨床普及。今天B超（全數字化彩色B超）已經在全世

界各大中小醫院廣泛普及，成為常規性檢查手段。可以說，沒有B超的醫院不能稱其為醫院。

第25頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一X光投射成像技術在倫琴創立之后近百年間發生了長足的

進展，借助于各種影像增強材料和手段.X成像早已突破早期

主要針對人體骨骼的成像范圍，擴展到全身各個部位。但由

于X光將人體投影到二維成像平面時，反映的是垂直于射線方

向上的無窮多個平行截面人體組織的疊加或平均，使重要的

空間信息模糊或丟失。1972年根據英國工程師毫斯菲爾德

(G.N.Hounfield)和美國人科馬克(A.M.Cormack)，將計算機

技術與X線相結合，發明了X射線計算機斷層掃描

CT(computeraidedtomographyscanner)重建技術。它

能從許多不同的投影圖，計算出真正的二維切片人體組織圖

像。此后人們還從新獲得的連續切層圖通過組合計算出各種

角度的切片圖，直到三維圖像。這一醫學史上劃時代的成果，

使豪斯菲爾德與科馬克共享了1979年生理學與醫學諾貝爾獎。

第26頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一第27頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一

核醫學影像類儀器，是基于給病人施加放射性標記藥物，在人體外部探測所發射的射線而成像的。自從1956年H.O.Anger研制成功醫用Gama照像機后，借助于類似于X線層析成像技術先后有SPECT(單光子發射計算機斷層成像)以及PET(正電子發射層析成像)應用于臨床。它們提供了X成像技術不能提供的人體生理代謝功能等方面的重要信息。第28頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一

核磁共振(nuclearmagneticresonance，NMR)成為一種

譜分析方法，早在1946年就由F.Bloch提出，但直到1973年才

由P.C.Lauterbur等研制出臨床使用的磁共振成像儀

(magneticreso-nanceimaging,MRI)。該儀器不僅提

供了人體解剖圖像(特別是軟組織的圖像)，而且提供了人體特

色部位的生理與代謝信息。

2003年度的諾貝爾生理、醫學獎授予了美國伊利諾大學的

化學、生物物理學和計算生物及生物工程學教授PaulC.Lauterbur和英國諾丁漢大學物理學教授PeterMansfield爵士，

以表彰他們對建立磁共振成像(magneticresonanceimaging,MRI)技術所做出的杰出貢獻。

第29頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一第30頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一

自20世紀60年代，開始出現應用電子技術的臨床監護儀器，1962年，國外開始建立危重病人監護系統（ICU）和冠心病人自動監護系統（CCU）。自70年代后期，微型計算機引入到臨床監護系統中，出現了運用模式識別技術的智能化監護儀器。自20世紀60年代以來，重點用于生物醫學測量的電化學傳感器得到了逐步發展。1962年出現了具有透氧膜的氧電極，此后相繼出現了把某些無機化合物、有機化合物、高分子化合物和生物物質與電極結合而形成的多種電化學傳感器和生物傳感器、半導體技術、微加工工藝和生物技術的進步，促進了生物傳感器的發展。第31頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一

治療類儀器自十八世紀美國科學家富蘭克林(Flanklin)用萊頓瓶放電治療癱瘓病人以來。直到19世紀末20世紀初才有了長足的進展，利用電磁波不同頻段不同的生理效應，研制成功的各種治療儀器大量進人臨床，最具代表意義的有：可植人式心臟起博器、高頻電刀、激光刀、用于癌癥治療的直線加速器等。伴隨微電子技術和計算機技術的發展。各種物理治療類儀器在保健、康復功能替代中發揮了越來越顯著的作用。第32頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一

化學分析起源于17世紀，但儀器分析直到19世紀末才出

現。20世紀得到大的發展，用于醫學的分析儀器，主要沿襲

了現代化學分析儀的方法和手段，如譜分析方法，電化學方

法、各種分離技術等，對人體成份進行離體分析。直接針對

活體內成份的測量，是醫學分析儀器的特殊處和極重要的方

面，這里存在有創和無創，短時診斷和長期監測之分。如針

對糖尿病患者血糖的診斷與監測，針對呼吸系統病人的血氧

飽和度的診斷與監測等。

20世紀末得益于生物工程技術和

電子技術的發展，使醫用分析儀器在大規模測量和小型化、

快速分析等方面均取得了重大進展。

第33頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一醫學儀器結構發展演變歷程：從機械式（水銀溫度計、水銀血壓計、聽診器、肺活量測量計）電子電路（晶體管等

分立元件）集成電路（主要是模擬電路）

大規模集成電路（主要是數字電路）智能化儀器（單片機、DSP高速信號處理器）微機虛擬儀器網絡多媒體遠程醫療未來走向～第34頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一測量儀器經歷三個時代的發展：

●第一代為指針式（或模擬式）儀器儀表

●第二代為數字式儀器儀表

●第三代就是智能式儀器儀表

第35頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一醫學測量儀器的分類生理檢查與記錄儀器

（心電圖、腦電圖、血壓計、體溫計、脈搏測量儀等）生化檢查與記錄儀器

（血液氣體分析儀器、尿液分析儀、血液細胞分析儀）醫學圖像儀器

（超聲波、CT、磁共振、電子內鏡等）臨床監護儀器

（心電監護、呼吸監護、ICU、CCU）第36頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一4.醫學儀器發展現狀及研究方向4.1國外醫療器械現狀美國是世界上最大的醫療器械生產國和消費國，它供應了世界市場40%的醫療器械，同時消費了世界市場的37%的醫療器械，外科手術與醫療儀器比重最大，著名的美國GE(GeneralElecetriccompany)、日本是全球醫療器械第二生產大國，日本的醫療制造廠商以中小企業為主歐盟占世界醫療器械行業的28%，主要投資于提高對內科疾病的早期診斷、改善治療程序、損壞器官的置換、可部分操縱的人工骨骼和關節。第37頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一4.2我國醫療器械的現狀

目前，我國醫療機構的整體醫療裝備水平還很低，我國醫療器械市場已成為繼美國和日本之后的世界第三大市場。

1.病人監護系列產品的市場需求量大，機電一體化技術的復雜性和加工難度不大，生產廠家較多。

2.醫學影像設備技術含量高，基本上是進口。

3.臨床實驗室儀器設備是我國40多年來一直缺乏產品開發生產活力的領域，與國外先進水平差距在20年左右。

4.人才、資金、技術等資源豐富

5.三大區域形態第38頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一

近年來，隨著我國民營企業迅猛發展，醫療器械產業的發展有了長足的進步，特別是在超聲波診斷、病人監護儀等產品。許多企業獲得了CE和FDA認證，如深圳邁瑞生物醫療電子股份公司。（1)專利數量少，科技水平不高

2003-2007年世界醫療器械專利總數100095件美國專利數量39794引用次數21997

日本專利數量31127引用次數6164

我國專利數量3431引用次數243

（2）品種相對數量多，核心技術缺乏

MRI,CT等大型且價格不菲的醫療設備市場主要集中在GE,西門子和飛利浦等外資公司里（3）醫療器械監管滯后，管理不合理第39頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一4.3醫學儀器未來的發展方向

1.計算機電路及醫療器械的微型化

集成電路晶片（CCD），DNA發動機

2.智能手術機器人

“埃索普”內鏡手術“醫生助手”，加拿大機器人“宙斯”

3.納米微型化器械

納米機器人

4.分子醫學

5.微創與無創方法

6.器械、藥物、生物復合產品

7.器官移植、輔助器械第40頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一醫院HIS系統

管理信息系統

門診管理物資管理藥品管理設備管理住院管理財務管理護士工作站院長查詢醫技管理醫保接口手術管理觸摸屏導診

臨床信息系統

門診醫生工作站住院醫生工作站護理信息系統電子病歷HIS接口

LIS系統

檢

驗

服

務

器

檢

驗

服

務

器

檢

驗

服

務

器

檢

驗

服

務

器

檢

驗

服

務

器

檢

驗

服

務

器

OA系統

辦公自動化

互聯網

人事管理

檔案管理

后勤管理

圖書管理

檢驗服務器

HIS接口

HIS接口

通訊接口

圖像服務器

檢驗儀器PACS系統

核磁共振成像

超聲波

CT

第41頁，共49頁，2023年，2月20日，星期一5.生物醫學測量概述生物醫學測量的基本特點一、生物醫學測量基本屬于弱信號測量