课件：电子医疗仪器绪论.ppt

电子医疗仪器,第一章 绪 论,第一节 人体系统的电子诊断 一、主要目的 对人体系统进行电子诊断的主要目的是通过电子诊断技术获取被查体中各种信息数据和图像与正常人的数据和图像进行比较分析，以判断被查体的组织结构、生理功能是否正常，并分析出疾病的原因。 二、诊断方式 根据对人体系统电子诊断的参数和项目的不同，其电子诊断方式也不同。如对生物电参数和波形的诊断是直接摄取电信号的检测方式，对音频、压力、阻力、速度、温度和组织的化学成分和含量等生理功能的诊断是先将其转换为电信号的间接检测方式，对组织结构性质和形态的诊断是通过一种在人体组织中具有穿透性、吸收性、反射性、磁共振性的物质进行检测和描绘的方式。,三、与常规电子工程测量的区别 电子诊断仪器不论是对人体生物电的直接测量、生理功能的换能测量，还是利用一种物质性能对人体组织结构进行测量，它都与电子工程上的一般电子测量是有区别的。因为检测诊断对象人体是一个有机体和活动体，个体之间的差异性较大。要求电子诊断仪器能适应在动态情况下进行检测；能够从多方面来解释所测得的数据；对人体噪声和人体感应到的交流噪声必须加以抑制，能真实无畸变地将生理信号波形和图像描记下来进行诊断。电子诊断时必须对人体无损害，同时要防止病人感觉痛苦或引起生理上的反射等等这些都是对诊断仪器提出严格的技术要求。,四、对人体系统进行电子诊断时应该注意的问题： 1、干扰和噪声 干扰和噪声可以影响电子诊断的结果，严重时，电子诊断仪器基至无法工作。 外界干扰主要有：个体周围的高压电源与人体通过静电耦合产生的干扰；大电流电路与人体通过电磁耦合产生的干扰；噪声电流通过人体产生电压降以后引起的阻抗耦合干扰。 内部噪声主要有电子诊断电路的各种噪声。 消除干扰和噪声的主要措施是利用正确的屏蔽，如磁屏蔽、静电屏蔽、电磁屏蔽；合理接地；选用低噪声元器件和差动方式放大器的电路形式和采用滤波器，将噪声或干扰加以适当地滤除。,2、信号的摄取 电子诊断的内容不同，摄取信号的方式不同。直接摄取人体电信号时需要采用电板，也称作导引电极；摄取人体的非电量信号时，则采用换能器（传感器）。 常用电极有体表电极（包括金属板电极、吸附电极、悬浮电极等）体内电极（包括针电极、同轴电极、胎儿电极、埋藏电极等）组织深部电极（包括金属微电极、玻璃微电极等）检用电极（包括参比电极、离子选择电极等）等。 常用换能器有利用压电效应、热电效应、光电效应等各种物理效应的换能器（包括光电换能器、热电偶、压电换能器、电磁感应拾音器等）和利用形变效应的机械换能器（包括力敏电阻、电容式压力换能器、差动变压器式换能器等）等。,3、信息的分析和处理 人体的各种电信号可由电极取出，各种非电量信号的生理参数可由各种换能器转换成相应的电信号，这些微小的电信号经过放大器放大以后，通过显示器显示或记录器记录，供医务人员诊断和研究，信息的分析与处理是电子诊断的最终一步。 常用的显示和记录装置有描笔式记录器、示波管显示装置、磁带记录器和数字式显示装置（包括辉光数码管、荧光数码管、液晶显示器、发光二级管显示器等）。,计算机控制的监护设备能够及时报警、自动记录和快速处理。 X射线计算机断层技术（简称XCT）是计算机在图象处理技术中应用的一个重要方面。将计算机技术与临床经验相结合，充分利用透视X射线所获得的全部信息，灵敏度高，图像清晰，是对软组织X线检查的最新技术。 随着计算机技术的迅速发展，信息的分析与处理将高度自动化、智能化。,4、安全用电 人体是一个非常复杂的导体，干燥皮肤的阻抗可达几百千欧，肢体间的阻抗约为几百欧。当人体触摸到外部电压时，要受到电击。无论是电流经过皮肤流进体内，再流出体外造成强电击，还是电流直接进入脏器（主要指心脏组织）引起的微电击，都会对生命造成威胁。一般情况下，微电击的安全值为10微安，50赫兹的交流电流流过体内约100mA就会引起心室纤颤，危及生命。因此，应用电子诊断仪器时，一定要做到安全用电。这包括安全用电的技术措施以及操作者、被测试者起码应该具备的安全用电常识。,安全用电应该注意的问题： 首先，电子诊断室内应有接地良好、可靠的地线，医用诊断电子设备一定要妥善接地。 电源布线要正确，合理，输入电源应设保险熔断装置。 电子设备对电路要施行绝缘隔离。 电子设备可以采用浮地技术，低电压供电技术。 电子设备应保持清洁和干燥。 被测试者在诊察过程中应该对地绝缘，不触摸金属、铁床等。,第二节 常用诊断电子仪器,一、种类与分类 常用诊断电子仪器的临床应用从本世纪初开始，随着科学技术和电子工程的发展而有了很大发展，医学界的诊断手段和水平更加依赖于医用电子仪器。目前，电子诊断仪器已发展到智能化、精密化、自动化，品种非常繁多，应用非常广泛。归纳起来诊断电子仪器不外可分为：生物电诊断与监护仪器（如心电图机、脑电图机、肌电图机等），生理功能诊断与监护仪器（如血压、血流、呼吸、脉搏、耳听力、肺功能仪等），人体组织成分的电子分析检验仪器（如血球计数、生化分析、血液气体分析仪等）以及人体组织结构形态的影像诊断仪器（如超声波诊断、X线CT、MRI（核磁共振）、E-CT（单光子发射型计算机断层仪）、电子内窥镜等）。,从电子仪器的检测的信息上来看主要可以分为两种：一种是通过对人体本身固有信息的检测，如人体的血压、心音、血液的酸碱度、血流量、红血球计数等等。这些可检测信息是固有地潜存于人体的，其检测的手段，有的比较简单，有的比较复杂，有的通过传感器，有的则是直测。有的还得由手术、抽血等手段才能达到；另一种则是借助其他的能量作用于人体之后得到人体检测信息，如X光透视超声波、放射线的检测等等。,二、人体固有潜存医学信息的检测 人体潜存信息的检测，从原理看是比较直接的，所以，作为医学仪器它应是首先被认识的。然而，由于检测技术水平的限制或某些信息的重要性还没显出，以致有的信息尚未被采用。 人体固有信息的检测仪器主要分为五大类： 心血管（血压、脉动波形、容积、血流量、心排出量、心冲击图（BCG）、压力脉搏图、容积脉搏图、心率、心音图(PCG)、脉象）。,呼吸系统（呼吸流速描记、呼吸率、CO2、N2O、Halothane(氟烷、三氟氯溴乙烷、三氟乙烷、三氟溴氯乙烷)在呼出气体中的含量）。 消化系统（胃酸碱度、胃肠力、胃肠压力）。 血液检测（包括血气和PH值、血液本身成分的检测等，这一类检测大量的是属于生物、化学的）。,生物电检测：（包括心血管、神经系统、心电图（ECG）、脑电图（EEG）、脑皮层、脑深部脑电图、胃电图、肌电图、皮肤电反射（GSR）、神经电图、眼电图、视网膜电流图、眼球震颤电图。 这类信息检测手段上可以分为接触电极直接检测和通过传感器检测两种。,三、借助外来能量的医学信息检测 有一类信息的检测不能直接从人体取得，而必须借助外来能量对人体激励后能得到被检测的信息。 （1）超声检测 超声检测是借助外能获得检测信息中比较常用的一种，医用中常见的检测原理是基于超声能量射入人体后，人体各部位反射回一系列反射波，被检测信息就是这些反射波。在检测方法上有回波定位、回波B型成像、多普勒超声等技术。,（2）X射线检测 X射线检测是借助产生的X射线，射向人体被检测部位后，收集被人体有关部位阻挡后的X射线。这样检测地虽然是X射线，但反映了人体有关部位对X射线阻挡（或吸收）的情况。X射线检测对比超声检测，它检测到的信息是透射的射线而不是反射的。这类仪器主要是成像仪器。,（3）放射性检测 放射性检测不同于以上两种。它不是在检测部位以外发射能量到达检测部位的，而是直接将放射性元素送到人体内部检测器官（如用注射法），各器官吸收不等量的放射性元素，并发生反映这些元素密集程度的射线，从而被我们检测。所以这样检测到的不仅是简单的器官形态，而且含有器官功能的照片。它检测的信息是人体器官内的放射性元素发生的射线。 这些借助外能得到的检测信息，其机动性是很大的，所以无法象人体固有信息那样给出量值范围。,第三节 医疗器械的发展动态,中国医疗器械行业在世界市场所占份额及发展历程 中国有13 亿人口，31 万个医疗卫生机构，医疗器械有广阔的市场。中国是全球医疗器械十大新兴市场之一，已成为除日本以外亚洲最大的市场。2001 年，中国医疗器械市场容量达527 亿元，年均增长率15%。 但是，和国际发达国家相比，中国医疗器械在世界市场中的份额依然很低，仍有很大增长空间。,世界医疗器械市场容量，近年来连续以6% 7%速度增长，1993 年1997 年五年内，由929 亿美元增加到1370 亿美元，2000 年达到1800 2000 亿美元。,未来的医疗器械产业存在四大趋势，也是行业的增长热点：,(一)计算机相关技术：计算机辅助诊断、智能器械、生物传感器械、机器人器械网络。相应的新产品，如集成化病人医学信息系统、病人智能卡、临床实验室机器人、计算机辅助临床实验系统、生物传感器等。 (二)家庭和自我保健器械：家庭自我监护与诊断、家庭自我医疗与远程医疗相应产品。,(三)微创医疗器械：无创伤或微创伤的医疗器械、医学成像、微型化医疗器械、激光诊疗和非植入式辅助传感等。如各种内窥镜和导管技术等无创和低创的直视检查，将深入到人体各个脏器和部位，获得精确的形态、功能、病理等电生理诊断。 (四)器官移植和辅助医疗器械：如人工骨、心脏瓣膜、心泵、软骨、胰、血管、肾、皮肤、肝、眼和再生的神经细胞及心脏、神经肌肉刺激器等。,世界医疗器械行业的发展,70 年代以后，随着B 超、CT装置、核磁共振装置、直线加速器、伽玛照相机等一批尖端精密医疗仪器设备的广泛应用，医疗器械行业增幅十分惊人。 进入90 年代，全球经济衰退，但医械产品仍然看好。90 年代中期，美国整个经济增长率基本为零，而医械工业却增长6-7%。西欧整个经济增长也举步维艰，欧共体的医械工业增长率却在3%以上，日本经济增长率为3.5%，而医械工业增长率达到8%。,中国医疗器械行业的发展机遇,面临21 世纪，医疗器械作为按国际标准划分的15 类国际化产业之一，医疗器械作为高新技术密集的产业，在我国的发展速度远高于经济发展的平均水平。今后十年，我国的医疗器械正面临这样一个形势，机遇难得，挑战严峻。,第四节 生物医学测量的基础知识,一、生物医学测量的范围 生物医学测量的对象是具有生命的生物体，其基本的对象是人体。人体是由生物分子、细胞、器官和功能系统等各层次组成的复杂系统。因此，生物医学测量的范围包括对生物体分子水平、细胞水平、器官水平和系统水平各层次的信息的测量。,生物医学测量属于弱信号测量范畴，具有弱信号测量的共同特点，即要求测量系统的灵敏度高、分辨力强、抑制噪声和抗干扰能力好。这一特点在生物电、生物磁信号的测量中尤为突出。 部分生物电和生物磁信号幅度范围见下表,二、 生物医学测量的基本特点 1.生物医学测量基本属于弱信号测量,表:部分生物电和生物磁信号的幅度范围,生物体是一个极其复杂的系统，如何从生物体中有效地提取被测信号，是生物医学测量的重要问题。在生物医学测量中，不仅要抑制仪器系统的噪声，更重要的是要充分认识人体噪声的性质和特点，采取有效办法（如滤波、相关或自适应处理，改进信号耦合方法等），从人体噪声中提取有用信号。,2生物体内的噪声对测量有重要影响,3信息测量中容易引入外界环境的干扰,（1）环境电场、磁场和电磁场的干扰 电场干扰： 最常见的电场干扰是工频（50Hz）电场的干扰。 磁场干扰： 变压器、电动机和荧光灯的镇流器周围产生的交流磁场。 高频电磁场干扰： 空中的电磁波, 通过测量系统与人体连接的导线引入。,（2）外界刺激对测量的干扰 外界刺激的干扰主要是通过生物体的感觉器官引入体内， 引起生理状态的异常改变，造成测量结果的不稳定或产生伪差。,各种生物体都是在内环境与外环境相适应的条件下，维持其新陈代谢和生命。为适应各种外环境的变化和差异，生物体内各种系统，包括一个细胞、器官、功能系统乃至整体，它们的功能活动都在不停地变化着，调整着，以在内外环境间保持动态平衡。此外，遗传因素也造成生物体各种功能、状态的个体差异。这些因素使被测量的生物医学信息往往具有多变性。,4生物医学信息的多变性,为了获取生物体内的信息予以测量，生物医学测量系统或仪器一般需通过传感器或电极与生物体联接，这些传感器或电极，有些置于体表（皮肤外），有些需插入或植入机体内部，因此产生了测量系统对生物体的电安全性、机械安全性和化学安全性等问题。,5生物医学测量的安全要求,1、灵敏度 灵敏度是指仪器在稳态下输出量变化与输入量变化之比，可表示为:,S为灵敏度，AO和Ai分别为输出量变化和输入量变化,三、生物医学测量仪器的主要技术指标,2、频率特性 频率特性是指仪器输出量和相位与输入正弦信号频率的关系。使仪器的输出幅度随频率的变化不超过规定值（如3dB）的输入信号频率范围称为响应频率，又称为通频带。部分常见生理信号的频率范围可参考表1-3。,部分常见生理信号的频率范围,3、精密度 精密度简称精度，用相同条件下重复测量间的最大偏差与仪器满量程之比表示，即,Ai、Aj分别为任意两次测量的结果值，为仪器的最大测量范围,4、准确度 准确度用仪器的实际测量结果值同真值（理想值）间的最大偏差与仪器满量程之比来表示，即,Ea为仪器的测量准确度， Amax为实测值与真值间的最大偏差，H为仪器的满量程,5、非线性度 非线性度用实测值和与相应输入量成正比关系的理论值间最大偏差同满量程之比表示，即,EL为仪器的线性度， ALmax为全量程内的实测值与理论值之间的最大偏差，H为全量程,仪器非线性度的示意图,输入量,输出量,理想曲线,实测曲线,Amax,6、漂移 漂移是指仪器的输出量随时间或外部环境变化而变化的程度，主要包括零点漂移、温度漂移和灵敏度温漂等指标。 零点漂移：用无输入信号和恒定环境条件下的仪器输出量在一定时间内的最大变化与满量程之比来表示，即,Dz为零点漂移，Azmax 为指定时间内在输入量为零时输出量的最大变化，H为仪器的满量程,温度漂移：用无输入信号条件下仪器的输出量随环境温度的变化与仪器的满量之比来表示，即,DT为温度漂移，AT为环境温度变化T时引起的仪器输出量变化,灵敏度温漂：用一定环境温度变化范围内仪器灵敏度的最大相对变化量来表示，即,Ds为灵敏度温漂，Smax为一定温度变化范围内仪器灵敏度的最大变化,7、分辨力 分辨力是指仪器分辨出最小的信息变化的能力。按被测信息的性质和仪器用途的不同，仪器分辨力分为幅度分辨率、频率分辨率、时间分辨率和空间分辨力等指标。幅度分辨率一般用仪器最小可分辨的输出信号幅度或大小与仪器满量程之比来表示，即,R为幅度分辨率，又称为分辨率，Amin为仪器最小可分辨的输出信号幅值或大小