生物医学仪器简介

生物医学工程基础（五）生物医学仪器邹远文副教授材料学院学院生物医学工程系望江校区逸夫科技楼5楼TEL85405140ZOUYUANWENYAHOOCOMCN课程安排生物医学工程概述生物医学材料生物力学人工器官生物医学仪器生物医学图象技术发展事例（1/6）1903年荷兰生理学家艾萨文WILLIAMEINTHOVEN研制成功了第一台采用弦线式电流计记录的心电图仪，创立的肢体标准导联的概念，沿用至今，艾萨文开创性的贡献使他获得了1924年医学诺贝尔奖小型化的同步12导联自动心电图仪心电图设备技术发展事例（2/6）用于医学的分析仪器，主要沿袭了现代化学分析仪的方法和手段，如谱分析方法，电化学方法、各种分离技术等，对人体成份进行离体分析，直接针对活体内成份的测量，是医学分析仪器的特殊处和极重要的方面，20世纪末得益于生物工程技术和电子技术的发展，使医用分析仪器在大规模测量和小型化、快速分析等方面均取得了重大进展。法国ABXPENTRA120血球计数仪五分类26项全自动血液分析仪L高解析立方图加RBC、BASO和PLT的3个直方图L样品可贮存48个小时,内存超过90000个结果L单针或多针消融电极是在单针或多针消融电极是在B超或超或CT引导下，直接刺入引导下，直接刺入患者的肿瘤部位，患者的肿瘤部位，RF产生器通过消融电极、接地电产生器通过消融电极、接地电极和机体组织构成了电流回路，机体组织中的导电离极和机体组织构成了电流回路，机体组织中的导电离子和极化分子在射频交变电流的作用下快速改变其运子和极化分子在射频交变电流的作用下快速改变其运动方向，但由于各种导电离子的体积不同、质量不同动方向，但由于各种导电离子的体积不同、质量不同、以及所带有的电何量不同，它们的反转和运动速度、以及所带有的电何量不同，它们的反转和运动速度也就不同，因此它们之间就会产生摩擦热，由于消融也就不同，因此它们之间就会产生摩擦热，由于消融电极周围的电流密度极高，因此电极周围就会形成一电极周围的电流密度极高，因此电极周围就会形成一个局部高温区。当温度达到个局部高温区。当温度达到60以上时，组织中的蛋以上时，组织中的蛋白质会变性，肿瘤细胞成不可逆转性坏死。同时，在白质会变性，肿瘤细胞成不可逆转性坏死。同时，在凝固坏死区外，还有凝固坏死区外，还有4360的热疗区，在此区域的热疗区，在此区域内的肿瘤细胞被杀灭，而正常细胞可恢复。内的肿瘤细胞被杀灭，而正常细胞可恢复。技术发展事例（3/6）射频肿瘤消融设备RFAI型多极射频肿瘤消融系统采用独有的分段式PID控制加热，温度自动控制为902设有双路超温保护电极短路保护，电极脱落（断路）报警，电极温度传感器损坏报警功能有独立的针道电凝止血功能，可以有效的防止针道出血及针道种植技术发展事例（4/6）智能胶囊内窥镜技术RFSYSTEMLAB于1998年4月开始这一计划并取得了巨大成功，推出了NORIKAV1和NORIKAV2内窥镜胶囊，现已开始推出更先进NORIKAV3，带喷药仓和取活检仓。并正致力于更新款式的开发带PH值分析器和手术操作器。接收从NORIKA胶囊发射的影像数据。胶囊姿态控制，焦点调节和亮度控制等。内置线圈的背心把电源发送至NORIKA胶囊中的数据接收天线。由体外可无线遥控胶囊内LED的亮度。不同的光影组合可产生三维图象的效果。RFSYSTEMLABNORIKA技术发展事例（5/6）伦琴因发现X射线获得1901年首届诺贝尔物理学奖1972年毫斯菲尔德GNHOUNFIELD和科马克AMCORMACK，将计算机技术与X线相结合，发明了X射线计算机断层扫描CTCOMPUTERAIDEDTOMOGRAPHYSCANNER重建技术，它能从许多不同的投影图计算出真正的二维切片人体组织图像，此后人们还从新获得的连续切层图通过组合计算出各种角度的切片图，直到三维图像，这一医学史上划时代的成果两人共享了1979年生理学与医学诺贝尔奖CT重建仿真技术发展事例（6/6）类似于X线层析成像技术先后有SPECT单光子发射计算机断层成像以及PET正电子发射层析成像应用于临床，它们提供了X成像技术不能提供的人体生理代谢功能等方面的重要信息SPECT设备四探头SPECT,专门用于脑部SPECT检查，也可进行小动物PET试验。双探头SPECT,专门用于心脏SPECT检查生物医学仪器及应用教材王保华，生物医学测量与仪器，复旦大学出版社，2003年6月，38教材目录CH1绪论CH2生物电测量及仪器CH3生理参数测量及仪器CH4生化参数检测及仪器CH5病房监护系统CH6生理参数的远程传输及检测技术CH7医学超声测量及仪器CH8植入式测量及仪器CH9生物医学光子测量技术CH10细胞和分子层次的检测技术CH1绪论生物医学测量的范围生物医学测量的基本特点生物医学测量方法的分类生物医学测量电极与传感器生物医学测量仪器生物医学测量及其仪器的发展简史和趋势CH2生物电测量及仪器生物电测量电极心电测量及仪器脑电测量及仪器肌电测量及仪器其它生物电测量及仪器多道生物电记录仪生物磁测量心磁图和脑磁图CH3生理参数测量及仪器生理参数的传感技术血压及心输出量的测量技术生物声测量血流测量及仪器体温测量呼吸功能测量及仪器血液流变学测量及仪器在体无创及微创测量技术CH4生化参数检测及仪器生化参数测量的特点血气分析仪经皮血气监测仪电解质分析仪自动生化分析仪生化参数测量技术的发展方向CH5病房监护系统心电床边监护仪中央集中监护动态监护胎儿监护监护系统的发展方向CH6生理参数的远程传输及检测技术生物医学遥测的分类及系统组成远程传输的几个核心技术无线电遥测监护生物参数的光遥测电话线传输监护技术基于LAN和WAN的远程诊断利用卫星通信系统实现远程诊断CH7医学超声测量及仪器医学超声的分类、特点及应用医学超声诊断的声学基础A型和M型超声波B型超声测量仪器彩色超声血流成像CH8植入式测量及仪器植入式电子系统概述吞服式无线电遥测胶囊植入式无线电遥测系统植入式超声波遥测系统植入式光遥测系统植入式闭环测控系统CH9生物医学光子测量技术生物医学光子学概述生物系统的光子辐射激光共焦扫描显微技术组织光学参数的测量方法与技术医学光谱技术光子成像原理CH10细胞和分子层次的检测技术扫描隧道显微镜细胞层次测电生理学方法DNA测序仪PCR技术生物芯片及其应用毛细管电泳仪X射线衍射仪正电子发射型计算机断层成像及其应用（PECT）细胞信号传导示踪技术纳米技术及应用INTRODUCTIONTOBIOMEDICALENGINEERINGSECONDEDITIONCOPYRIGHT2005,ELSEVIERINC主要内容（15）1BIOMEDICALENGINEERINGAHISTORICALPERSPECTIVE（生物医学工程历史全貌）2MORALANDETHICALISSUES（道德与伦理的议题）3ANATOMYANDPHYSIOLOGY（解剖与生理学）4BIOMECHANICS（生物力学）5REHABILITATIONENGINEERINGANDASSISTIVETECHNOLOGY（康复工程与辅助技术）主要内容（611）6BIOMATERIALS（生物材料）7TISSUEENGINEERING（组织工程）8BIOINSTRUMENTATION（生物仪器）9BIOMEDICALSENSORS（生物医学传感器）10BIOSIGNALPROCESSING（生物信号处理）11BIOELECTRICPHENOMENA（生物电现象）主要内容（1217）12PHYSIOLOGICALMODELING（生理建模）13GENOMICSANDBIOINFORMATICS（基因和生物信息）14COMPUTATIONALCELLBIOLOGYANDCOMPLEXITY（）15RADIATIONIMAGING（放射成像）16MEDICALIMAGING（医学成像）17BIOMEDICALOPTICSANDLASERS（生物医学光学学与激光）BIOINSTRUMENTATIONBASICBIOINSTRUMENTATIONSYSTEMCHARGE,CURRENT,VOLTAGE,POWER,ANDENERGYRESISTANCELINEARNETWORKANALYSISLINEARITYANDSUPERPOSITIONTHEVENINSTHEOREMINDUCTORSCAPACITORSAGENERALAPPROACHTOSOLVINGCIRCUITSINVOLVINGRESISTORS,CAPACITORS,ANDINDUCTORSOPERATIONALAMPLIFIERSTIMEVARYINGSIGNALSACTIVEANALOGFILTERSBIOINSTRUMENTATIONDESIGNBIOMEDICALSENSORSINTRODUCTIONBIOPOTENTIALMEASUREMENTSPHYSICALMEASUREMENTSBLOODGASESANDPHSENSORSBIOANALYTICALSENSORSOPTICALBIOSENSORSBIOSIGNALPROCESSINGPHYSIOLOGICALORIGINSOFBIOSIGNALSCHARACTERISTICSOFBIOSIGNALSSIGNALACQUISITIONFREQUENCYDOMAINREPRESENTATIONOFBIOLOGICALSIGNALSLINEARSYSTEMSSIGNALAVERAGINGWAVELETTRANSFORMANDSHORTTIMEFOURIERTRANSFORMARTIFICIALINTELLIGENCETECHNIQUES中国生物医学工程学会分会或专业委员会医学物理分会胡逸民中医药工程分会刘保延人工器官分会顾汉卿心律分会胡大一生物材料分会奚廷斐生物医学与传感技术分会王时明医学超声工程分会徐智章临床医学工程分会俞梦孙生物力学分会樊瑜波生物电磁学专业委员会许正平中国生物医学工程学会分会或专业委员会生物医学测量分会王保华血疗工程分会赵钢生物信息与控制分会陈武凡体外循环分会龙村肿瘤靶向治疗技术分会张积仁组织工程分会曹谊林数字医疗及医疗信息化分会陶笃纯介入医学工程分会奚廷斐干细胞工程技术分会韩中朝军事医学工程与卫生装备研究分会董秀珍生物医学仪器与生物医学工程学的关系生物医学仪器是生物医学工程研究成果的载体。生物医学工程研究的成果是生物医学仪器设计和开发的核心和基础。生物医学仪器与其它分支生物医学仪器包含的内容L临床医学诊断、治疗仪器与设备如各种医学成像设备和技术、各种诊断、治疗、检测分析仪、手术技术设备、监护技术及仪器等；L康复医学工程与技术医学康复技术、设备和方法、物理康复技术与器械等；L基因芯片、DNA检测分析技术与设备等；L远程医疗远程诊断、监护、治疗、手术等；L生物医学传感器技术；L生物医学信息的提取、分析、识别技术；L其他微型手术与监测，植入式装置等。医疗器械定义指单独或者组合使用于人体的仪器、设备、器具、材料或者其他物品，包括所需要的软件；其用于人体体表及体内的作用不是用药理学、免疫学或者代谢的手段获得，但是可能有这些手段参与并起一定的辅助作用；其使用旨在达到下列预期目的1、对疾病的预防、诊断、治疗、监护、缓解2、对损伤或者残疾的诊断、治疗、监护、缓解、补偿；3、对解剖或者生理过程的研究、替代、调节医疗仪器的特点现代医疗仪器通常都是集电子、机械于一体的非常复杂的装置，是非常精密的、可靠性和安全性要求都非常高的自动或半自动系统。对被测体必须是无害的，最理想的是无损伤的要考虑电极或传感器对测量结果产生影响；生物信号弱小，而干扰强大。信号可能只有干扰的千分之一；能量的限制，我们不可能为了提高信噪比或提高治疗效果而无限制地提高外加能量，这会造成机体的损伤；安全考虑，由于病人本身已比较衰弱，安全问题就比较突出。按使用风险大小分类国家对医疗器械实行分类管理。国家有专门机构对医疗器械的研发、生产、销售和使用进行管理和监督。第一类是指通过常规管理足以保证其安全性、有效性的医疗器械（大部分是手术器械）第二类是指对其安全性、有效性应当加以控制的医疗器械。第三类是指植入人体；用于支持、维持生命；对人体具有潜在危险，对其安全性、有效性必须严格控制的医疗器械。从资产管理的角度分类大型仪器一百万以上的，如CT、磁共振设备，中小型仪器如心电图机、床边监护仪等。低值产品包括很多一次性配件植入的和非植入的对于医用植入物有特殊的管理条例，但大部分医疗仪器是非植入的。也有将医疗仪器分为在体测量的和离体测量的，而在体非侵入性测量是医学诊断仪器的发展方向按临床科室或人体系统分类心脏科设备呼吸科设备泌尿科设备这样分类有助于了解不同科室对医疗仪器和工程技术的需求，但很多设备各个科都使用，会有很多重复。按物理原理分类医用电子仪器医用光学仪器医用放射仪器医用核物理仪器现代医疗仪器是声、光、电、机械一体的。按临床应用分类诊断仪器治疗仪器辅助仪器直接用于人体的非直接用于人体的电气敏感非电气敏感N不同的分类方法应用于不同的场合诊断仪器医用电子设备心电图机、脑电图机、床边监护系统、动态心电监护仪、胎儿监护仪、饱和血氧浓度监护仪医用成像装置X射线诊断装置（普通、数字化）、X线计算机断层扫描仪、核医学成像装置、超声诊断装置、磁共振成像装置、热成像装置医用检验仪器生物传感器、生化分析仪、血气分析仪、血细胞分类仪医用光学仪器内窥镜、光学显微镜、激光仪器、眼科光学仪器（自动眼压计、自动验光机、视野测定仪、角膜地形图、眼底照相及眼底图象分析设备等）治疗仪器人工器官人工心脏、瓣膜、心脏辅助装置、人工关节、假肢、人工肝、人工肾、人工肺（氧合器）、人工听觉、人工角膜、人工晶体等物理治疗仪器前列腺治疗仪微波高温治疗仪放射治疗装置钴60、直线加速器、X刀、刀高频治疗设备电刀、射频消融超声治疗设备体外冲击波碎石机、超声乳化白内障手术仪、超声雾化器激光治疗设备激光刀、眼科激光,准分子激光角膜屈光矫正、准分子激光冠状动脉成形术、皮肤美容激光器利用机械能的设备呼吸机、输液泵、体外反搏和主动脉内气囊反搏其他治疗设备高压氧舱、低温麻醉设备、冷冻刀等、远红外理疗设备及电化学治疗设备、麻醉机辅助仪器设备一部分与医疗有关的仪器既不直接用于作疾病诊断，也不直接用于疾病的治疗，这些是医学辅助设备。医学信息系统包括计算机网络系统及与此相应的计算机医院自动化管理系统（包括行政和病史管理等）、地区医疗网络与远程医疗设备、面向家庭的医疗技术（工程）、医学教学工程（如多媒体辅助教学、电视等）设备、环境监控系统、人工智能与专家系统、以及近年来迅速发展的PACS系统（图像存储于传输系统）等。其它辅助设备包括消毒灭菌设备、照明设备（如无影灯、图片灯）、中心供氧和制氧设备、吸引设备、废物处理设备、手术台、电源系统和电安全监护器、制冷设备和空调设备、血库设备、制药机械设备等。总结医疗器械生物医学仪器其它生物医学分支实验设备及装置生物医学信息流向测量处理结果控制如何对课程分类仪器方向课程学习基本要求（测量、处理、控制）数学工程数学（高等数学、线性代数、复变函数、概率与统计）电学基础电路分析、模拟/数字电路、信号与系统计算机基础计算机原理、数据结构、计算机语言（C/C测量模块信号处理模块控制模块测量模块数字信号处理、随机信号处理、传感器技术、电子测量（误差分析）、数据采集技术、信号放大（集成运算放大器）、计算机接口技术、自动测试系统、单片机、嵌入式系统（OS、DSP、FPGA）、计算机网络、电磁兼容及抗干扰、LABVIEW信号与系统数字信号处理随机信号处理模电数电电子测量传感器技术微机原理接口技术高频线路自动测试系统数据采集技术操作系统原理嵌入式系统电磁兼容设计LABVIEW网络测量模块体系单片机应用虚拟仪器综合应用医用电子仪器集成运放数据结构数据库生物医学电子产品设计计算机无线通信通信原理数据采集技术了解模拟信息的获得和采集原理与方法掌握数字/模拟变换原理掌握模拟/数字变换原理了解数据采集系统的基本构成和设计方法掌握数据采集系统设计与数字系统设计的主要差别和注意事项了解采集数据的预处理技术LABVIEWLABVIEW虚拟仪器是一个业界领先的工业标准软件工具，用于开发测试、测量和控制系统使用LABVIEW，工程师和科学家们可以采集到实际信号，并对其进行分析得出有用信息，然后将测量结果和应用程序进行分享。LABVIEW必须使用NI的采集卡（兼容）。嵌入式系统（1/3）嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件和IO端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件（OS）（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。一个典型的ARM嵌入式模块嵌入式系统（2/3）嵌入式微处理器EMBEDDEDMICROPROCESSORUNIT,EMPU主要有INTEL、AM186/88、POWERPC、68000、MIPS、ARM嵌入式微控制器MICROCONTROLLERUNIT,MCU代表性的通用系列包括8051、MCS96/196/296、MC68HC05/11/12/16、68300嵌入式DSP处理器EMBEDDEDDIGITALSIGNALPROCESSOR,EDSPTI、ADSP、MOTOROLA嵌入式片上系统SYSTEMONCHIPSOC包括INFINEONSIEMENS的TRICORE，MOTOROLA的MCORE，某些ARM系列器件，ECHELON和MOTOROLA联合研制的NEURON芯片等。嵌入式系统（3/3）FPGA（FIELDPROGRAMMABLEGATEARRAY现场可编程门阵列）用途用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以实现用户的逻辑（不同的电路功能，内含DSPMCUARM）开发VHDL、VERILOG、C产品XILINX、ALTERA、信号处理模块信号与系统、数字信号处理、随机信号处理、模式识别、谱估计、系统建模与仿真、信号重构、小波分析、神经网络数学基础数学物理方法（常微分方程、偏微分方程、变分法）、数值分析、泛函分析、张量分析、有限元计算信号重构技术信号重构技术讲述如何从观测到的部分数据重构完整的信号。在图象复原、地震勘探、时延估计、语言处理中有重要应用。模式识别（1/2）模式识别PATTERNRECOGNITION是人类的一项基本