《生物医学仪器简介》PPT课件.ppt

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 Tel.Tel.85405140(O) 85405140(O)(M)(M) 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 (William Einthoven)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 ABX PENTRA120 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 B超或超或CTCT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，RFRF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6060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4343-60-60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 RFA-I型多极射频肿瘤消融系统 采用独有的分段式PID控 制加热热，温度自动动控制为为 902 设设有双路超温保护电护电 极短 路保护护，电电极脱落（断路 ）报报警，电电极温度传传感器 损损坏报报警功能 有独立的针针道电电凝止血功 能，可以有效的防止针针道 出血及针针道种植 技术发展事例（4/6） 智能胶囊内窥镜技术 RF System lab于1998年4月开始这一计划并 取得了巨大成功，推出了Norika v1和Norika v2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。 RF System lab Norika 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(G.N.Hounfield)和 科马克(A.M.Cormack)，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CT(computer aided tomography scanner)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 INTRODUCTION TO BIOMEDICAL ENGINEERING SecondEdition Copyright 2005,ElsevierInc. 主要内容（15） 1 BIOMEDICAL ENGINEERING:A HISTORICAL PERSPECTIVE（生物 医学工程：历史全貌） MORAL AND ETHICAL ISSUES（ 道德与伦理的议题） ANATOMY AND PHYSIOLOGY（ 解剖与生理学） BIOMECHANICS（生物力学） REHABILITATION ENGINEERING AND ASSISTIVE TECHNOLOGY（ 康复工程与辅助技术） 主要内容（611） 6 BIOMATERIALS（生物材料） 7 TISSUEENGINEERING（组织工程） 8 BIOINSTRUMENTATION（生物仪 器） 9 BIOMEDICAL SENSORS（生物医学 传感器） 10BIOSIGNAL PROCESSING（生物 信号处理） 11BIOELECTRIC PHENOMENA（生 物电现象） 主要内容（1217） 12PHYSIOLOGICAL MODELING（ 生理建模） 13GENOMICS AND BIOINFORMATICS（基因和生物信 息） 14COMPUTATIONAL CELL BIOLOGY AND COMPLEXITY（？ ？） 15RADIATION IMAGING（放射成像 ） 16MEDICAL IMAGING（医学成像） 17BIOMEDICAL OPTICS AND LASERS（生物医学光学学与激光） BIOINSTRUMENTATION Basic Bioinstrumentation System Charge, Current, Voltage, Power, and Energy Resistance Linear Network Analysis Linearity and Superposition Thevenins Theorem Inductors Capacitors A General Approach to Solving Circuits Involving Resistors, Capacitors, and Inductors Operational Amplifiers Time-Varying Signals Active Analog Filters Bioinstrumentation Design BIOMEDICAL SENSORS Introduction Biopotential Measurements Physical Measurements Blood Gases and pH Sensors Bioanalytical Sensors Optical Biosensors BIOSIGNAL PROCESSING Physiological Origins of Biosignals Characteristics of Biosignals Signal Acquisition Frequency Domain Representation of Biological Signals Linear Systems Signal Averaging Wavelet Transform and Short-Time Fourier Transform Artificial Intelligence Techniques 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 仪器方向相关专业基础与专业课程 单片机原理及应用 生物医学传感器及检测技术 嵌入式系统 生物医学电子产品设计 生物医学仪器及应用 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 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 LabVIEW LabVIEW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（1/2） 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（2/2） 嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU)主要有Intel、Am186/88、Power PC、 68000、MIPS、ARM 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)代 表性的通用系列包括8051、MCS-96/196/296 、MC68HC05/11/12/16、68300. 嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP) TI、ADSP、Motorola 嵌入式片上系统(System On Chip) SOC包括 Infineon(Siemens)的TriCore，Motorola的M- Core，某些ARM系列器件，Echelon和 Motorola联合研制的Neuron芯片等。 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 、滤波算法、信号重构、小波分 析、神经网络 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(Pattern Recognition)是人 类的一项基本智能，随着计算