生物医学仪器第一章.ppt

生物医学测量与仪器原理与设计,李天刚马春排主编西安交通大学出版社南京航空航天大学生物医学工程系,生物医学仪器(),生物医学测量与仪器原理与设计,授课教师：陶玲联系电话：8489193860113913978612Email:taolingnuaatl,课程重要性和要求,重要性:先进的现代医学仪器，是当代医学发展的主要动力，现代医学的几次革命性突破，都跟医学电子仪器有关。医学电子仪器是生物医学工程和医学物理专业学生知识结构的一个重要组成部分，本课程是多学科交叉、多学科相互渗透的一门学科，涉及到电子技术、计算机技术、信号与图像处理技术、通信技术及传感器技术等学科的知识。本课程主要是应用我们学过的相关学科的知识来分析医学电子仪器设计中的关键问题并解决问题。学好本课程，既有利于同学们巩固学过的理论知识，同时又提高了应用知识的能力，深刻体会课本知识如何应用到实际的产品中去，体会理论知识如何转化为产品。本课程的内容几乎涉及本专业的所有知识点,可为同学毕业设计的顺利完成奠定良好的基础；为同学走上工作岗位、较快的适应工作，提供有力的帮助；为继续攻读本专业研究生的同学提供进一步发展的方向。要求：1、遵守课程纪律，课堂的考核占学期末成绩的10%。2、认真完成老师布置的作业，按时交作业，作业占学期末成绩的20%。3、课程的考核：考试占70%。,学习方法和参考资料,学习方法:课前预习，熟悉数电、模电的基本电路原理及其简单电路分析；上课认真听讲，学会记笔记，善于发现问题。课后及时消化课堂内容，认真完成作业。查阅文献，积极讨论，欢迎随时和老师交流自己的想法和见解。参考资料：医学仪器原理与设计，俞仁康，上海交通大学出版社。现代医学仪器设计原理，邓亲凯，科学出版社。中国医疗器械杂志。生物医学工程学杂志。生物医学工程学学报。中国医学影像学杂志。相关网站（关键词搜索）,本课程主要内容,医学电子仪器的原理、结构和相关概念的介绍；医学电子仪器的特点、分类及其各种测量方法的介绍；仪器的静态特性、动态特性及其干扰等问题的介绍；常见医学电子仪器的分析和设计原则。（第一章）电极及其传感器相关技术介绍。（第二章）生物电测量仪器的电路组成、特点及设计原则：心电图机、脑电图机、肌电图机、眼电和胃电图测量（第三章）。非生物电测量（生理参数测量）及其仪器。（第四章）监护系统及其相关仪器介绍。（第五章）心血管治疗与修复装置。（第六章）,本课程主要内容,医学影像成像设备。（第七章）医学仪器的安全与认证管理。（第八章）微机化医学测量仪器。（第九章）,第一章现代医学仪器概论,医学电子仪器的定义及发展医学仪器简介（生理参数特点、测量及分类）生物信号及医学仪器组成医学仪器的特性医学仪器的设计原则,主要内容包括：,1.1医学仪器的定义、发展及展望,一、定义简单地说，医学仪器就是以医学临床诊治和医学研究为目的的仪器，包括所需的软件。,国际标准化组织对医学仪器的定义：单纯或者组合应用于人体的仪器，包括智能化仪器中的软件。使用目的为：(1)疾病的预防、诊断、治疗、监护或者缓解;(2)损伤或残疾的诊断、治疗、监护、缓解或者补偿;(3)解剖或生理过程的研究、替代或者调节;(4)妊娠控制。,医学仪器与其他仪器相比，其特殊性在于他的作用对象是复杂的人体。仪器设计中最基本的要求：安全可靠高精度高标准高质量。,1.1医学仪器的定义、发展及展望,二、现代医学仪器发展简史,现代医学仪器的诞生和发展始于19世纪末20世纪初：,1.1895年德国物理学家伦琴发现X射线（开创了人体影像诊断的先河）,当时的电子变压器的高压输出已可达100KV，满足了X射线产生的条件，这一发现使得伦琴获得了首届（1901年）诺贝尔物理学奖。,伦琴为他妻子戴有戒指的手指拍的X光片,1.1医学仪器的定义、发展及展望,2.1903年荷兰生理学家艾萨文研制成功了第一台心电图仪（创立了肌体标准导联概念）,艾萨文创立的肢体标准导联的概念，沿用至今。他的开创性的贡献使他获得了1924年医学诺贝尔奖。,当时的心电图仪采用三个盛有食盐水的桶作为肌体电极,1.1医学仪器的定义、发展及展望,3.1924年法国学者Berger首次测出脑电图（采用头皮电极记录到人脑的电活动）,4.1958年医用超声诊断仪出现，并很快在临床中普及。,1.1医学仪器的定义、发展及展望,5.X光射线X光成像技术（人体骨骼）X光成像技术发展（人体各部位）1972年将计算机技术与X光射线相结合发明了X射线计算机断层扫描CT（computerizedtomography)磁共振成像仪MRISPECT(单光子发射计算机断层成像)PET(正电子发射层析成像),1.1医学仪器的定义、发展及展望,X机,CT,MRI,SPECT,1.1医学仪器的定义、发展及展望,6.治疗类仪器的发展,十八世纪美国科学家富兰克林用莱顿瓶放电治疗瘫痪病人。19世纪末20世纪初，利用电磁波不同频段不同的生理效应，研制成功的各种治疗仪器大量进人临床，最具代表意义的有可植人式心脏起博器、高频电刀、激光刀、用于癌症治疗的直线加速器等。伴随微电子技术和计算机技术的发展.各种物理治疗类仪器在保健、康复、功能替代中发挥了越来越显著的作用。,1.1医学仪器的定义、发展及展望,三医学仪器的发展展望,医学仪器是多学科交叉的产物，它与当今各门科学技术的发展息息相关，随着科学技术、计算机技术、微电子技术、材料科学技术、分子生物学和生物工程技术的快速发展。医疗器械技术未来十年发展趋势可归纳为六大发展方向：,（1）计算机相关技术包括:计算机辅助诊断、智能器械、生物传感器、机器人和医疗器械网络化。,（2）分子医学包括:遗传诊断、遗传治疗和组织工程化器械。,（3）家庭和自我保健包括:家庭/自我监护与诊断，家庭/自我治疗和远程医疗。,1.1医学仪器的定义、发展及展望,（4）微创与无创方法包括:微创及无创器械、医学成像、微型化器械、激光诊疗、机器人外科器械和非植人式辅助传感。,（5）器械/药物结合产品包括:药物释放系统，药物浸渍系统，植人式药物传递系统(以药物传递为主)，药物灌注器械(药物传递附属于器械功能)等。,（6）采用硬件和组织工程因子的器官移植/辅助器械包括:人工器官、组织工程化器官和电刺激设备。,根据上述预测，CDRH将未来医疗器械的特点归纳成四点:医疗器械将更加智能化;更为智能化和简易化的技术产品，将促使保健工作从医院向家庭发展;集成化与复合型的产品趋势将更加明显;技术发展将大大提高临床诊治在时间上和空间上的精确性。,目前在医疗仪器方面的热门研究课题,在医用电子技术装置的设计方面,力求小型化、轻量化、多功能、高灵敏度、稳定可靠和显示记录多样化。,改革X线诊断机,提高X线成像分辨率，降低X线辐射剂量，扩大诊断范围，提高可靠性，简化操作。,X线电视获得广泛应用,随着电子技术的进步，同位素诊断装置在准确度、灵敏度和确诊速度等方面有很大提高。,医用电子学在治疗装置方面,由于加速器的发展，目前对高能粒子治疗癌症日益重视,生物磁学（Biomagnetics）在防止恶性肿瘤生长方面取得了良好的效果。,电子学直接用于医学方面取得了很大发展,显示技术,应用彩色的XTV装置，用彩色电视摄像机播送手术实况，人们可以通过显示装置远距离观察手术情况。,遥测技术,随着空间技术发展的需要，医用遥测技术相应得到发展，利用电子技术同时传递多种医用数据已不成什么问题。目前遥测制分有线和无线两种，有线遥测主要用于医院（包括ICU和CCU病室）与患者间，通过专用线路、电话线路等进行传递；而无线遥测制用于传递活动对象（处于自然状态下的机体）如运动员、宇航员、潜水员等。,自控技术,近年出现了各种自动检测、诊断装置，如自动体温计，自动呼吸计，心电图自动解析装置，自动心电监护装置等。使用ME自动化系统大大提高了医疗效能。,记录技术,自1961年出现磁带录象机（VTR）以来，接着又出现磁带彩色录象机。医用VTR多采用螺旋式，磁带绕过圆柱体进行半周或一周扫描，录头通过旋转圆柱体表面，把一场图象记录在磁带的一条磁道上。,1.2医学仪器简介,1.2.2、人体生理参数特点,1、频率特性：低频、频带宽；2、幅值特性：幅值低；3、生理参数：非平稳随机性；4、强噪声、强干扰特性；5、难以直接测量（采用间接的方法获取）；6、强调测量的自然性（有效方法：无损测量或体表间接测量）；7、测量的安全性（电气、辐射、热、机械、电击等）；8、测量数据的准确性和可靠性。,1.2医学仪器简介,信号弱：放大器；噪声强：去噪、抗干扰；源信号阻抗高：高输入阻抗；随机性强：分段平稳周期平稳自适应处理技术；,在电路设计过程中，需要掌握的生物信号特点及对电路的要求,1.2医学仪器简介,1.2.3、生物医学测量综述,生物传感器,生物信息,利用生物活性物质选择性识别来测定生化物质,利用材料的物理变化,物理传感器,非电信息,机体的各种生物电（心电、脑电、肌电、神经元放电等）,生物电电极,电信息,利用化学反应原理，把化学成分、浓度转换成电信号,化学传感器,1、测量对象,一维信息,生物信息,二唯及二维以上信息,1.2医学仪器简介,1.2.3、生物医学测量综述,2、测量的手段,3、测量方法分类,生物电和非生物电测量,离体测量,简单分类,在体测量,稳定性、准确性高,无创、有创、微创、植入式,采用电极或传感器,1.2医学仪器简介,1.2.4、医学电子仪器分类,诊断,医学仪器分类,治疗,生理测量,医学影像,生化分析,医学研究,1.3医学人体信号与系统,医学仪器的一般组成,心电图机图例(检测环节),心电电极、心音传感器、导联线,心电图机图例(处理环节),心电、心音信号放大器,心电图机图例(转换环节),数据采集卡（A/D转换卡）,心电图机图例(显示环节),信号显示,1.3医学人体信号与系统,（一）生物信息检测系统：包括被测对象、传感器或电极，它是医学仪器的信号源。,电信号是最便于检测、提取和处理的信号。可通过电极直接从人体（生物体上）提取电信息。,人体（生物体）信息包括：电信息和非电信息。,电信号如：体表心电（ECG）信号、脑电（EEG）、肌电（EMG）、眼电（EOG）、胃电（EGG）等。,非电信号如：体温、血压、心音、心输出量及肺气量等。非电信号通过相应的传感器，即可转变成电信号。,1.3医学人体信号与系统,传感器和电极的性能好坏直接影响到医学仪器的整体性能。,传感器：把反映人体生理信息的物理量或化学量转换成为与之有确定函数关系的电信息的变换装置。,输出电信号,1.3医学人体信号与系统,（二）生物信息处理系统：对信息检测系统传送过来的信号进行处理，包括放大、识别（滤波）、变换、运算等各种处理和分析。,这部分是医学仪器的核心，仪器性能的优劣、精度的高低、功能的多少主要决定于它。是医学电子仪器电路分析和设计的关键模块。,1.3医学人体信号与系统,（三）生物信息的记录与显示系统：将处理后的生物信息变为可供人们直接观察的形式。,对记录显示系统的要求有：（1）记录显示的效果明显、清晰，便于观察和分析。（2）正确反映输入信号的变化情况。（3）系统故障少，寿命长，与其它部分有较好的匹配连接。,1.3医学人体信号与系统,（四）辅助系统：辅助系统一般包括控制和反馈、数据存储和传输、标准信号产生和外加功能源等部分。,控制和反馈：分为开环和闭环两种调节控制系统,数据存储和传输：由于信息数据多，需要专门的存储装置，为了远距离能调用，需要数据传输设备。,标准信号产生：医学仪器必须备有标准信号源，以便适时校正仪器的自身特性。,外加功能源：在某些应用场合，需要仪器向人体施加能量，而不是靠活组织自身的能量。（如X射线、超声波等）,1.医学仪器的一般特性,1.4.1、医学仪器的基本特性：静态特性,1.医学仪器的一般特性：静态特性,1.准确度,准确度定义为：,（11）,通常真值很难得到，真值可以是读数，也可以是范围。例如，准确度可表示为：读数的0.01%，满刻度的0.015%，1位数。,不存在准确度为零的仪器。,1.医学仪器的一般特性：静态特性,2.精度,精度是衡量仪器测量系统误差的一个尺度。精度定义为：,（12）,影响仪器准确度的原因：,元件的误差,由漂移和温度变化引起的误差,由大气压变化引起的误差,由频率响应范围不同引起的误差,由视差或不适应照明引起的读数误差,精度越高，说明仪器的测量值和理论值偏离越小。,1.医学仪器的一般特性：静态特性,3.精密度,精密度是指测量结果可以分辨的最小读数。,它不同于准确度，精密度高的仪器其准确度未必一定高。例如,用两个体温表测量一个正常人的体温:表1测得的值为40.415摄氏度,表2测得的值为37.1摄氏度,显然,表1的精密度比表2高,而准确度不如表2.,有些场合，将准确度与精密度合称为精确度（精密准确度），作为一个特性来考虑时，含义不变，仍包括上述两个方面。,1.医学仪器的一般特性：静态特性,4.分辨率（测量端）,分辨率是指能够确定测量到的最小增益，即仪器能够分辨几乎相等量值的能力。,5.重复性,指仪器在某一时刻内对于所加的相同输入量能提供相同输出量的能力。,重复性好的仪器其准确度未必一定高。,1.医学仪器的一般特性：静态特性,7.静态灵敏度,当输入为单位输入量时，输出量的大小即为灵敏度的值。灵敏度高，则对微弱输入信号反应能力强。,对于线性系统，在全量程范围内灵敏度为常数。,1.医学仪器的一般特性：静态特性,8.线性度,仪器输出响应的波形与输入信号相同，幅度随着输入量同样倍数变化时，该系统称为线性系统。,线性度计算公式：,1.医学仪器的一般特性：静态特性,9.输入阻抗,医学仪器的输入阻抗与被测对象的阻抗特性、所用电极或传感器的类型及生物体接触界面有关。其表达式通常为：,其功率P为:,由于生物体能提供的能量有限，为了减少有限能源在源阻抗上的消耗，应尽可能的提高输入阻抗Ri，将能源尽可能的分配到放大器的输入阻抗上去，从而使被测参数不发生畸变。,1.医学仪器的一般特性：静态特性,9.输入阻抗,通常，放大器的输入阻抗应比它大100倍以上才能满足要求，一般为1M，5.1M或10M。,例如，采用微电极测量细胞内电位时，由于微电极阻抗高达数十兆欧至200兆欧，因此要求微电极放大器的阻抗应在109欧以上才能满足要求。,1.医学仪器的一般特性：静态特性,10.零点漂移,仪器的输入量在恒定不变（或无输入信号）时，输出量偏离原来起始值而上、下飘动、缓慢变化的现象称为零点漂移。,造成零点漂移的原因：,环境温度及湿度的变化,滞后现象,冲击,振动,不希望的对外力的敏感性，制造上的误差等,1.医学仪器的一般特性：静态特性,11.信噪比,（3）信噪比定义：信号功率Ps与噪声功率PN之比,（1-7）,（4）考察医学仪器信噪比的指标常用内部噪声电压Uni（设外部噪声为零）,常用对数形式来表示：,（1-9）,其中，Uni为输入端短路时的内部噪声电压；Uno为输出端噪声电压；AU为电压增益。,（1）噪声：除被测信号之外的任何干扰。,（2）噪声主要来源：外部噪声：电磁场干扰。内部噪声：电子器件的热噪声、散粒噪声和1/f噪声。,1.医学仪器的一般特性：静态特性,12.共模抑制比,衡量放大差模信号和抑制共模信号的能力为共模抑制比，用下式表示：,（1-10）,差模增益,共模增益,共模抑制比（CMRR）是衡量诸如心电、脑电、肌电等生物电放大器对共模干扰抑制能力的一个重要指标。,共模抑制比主要由电路的对称性决定，也是克服温度漂移的重要因素。,特点：结构对称。,ui1,ui2,差动放大器工作原理,当没有输入信号,ui1=ui2=0,RC1IC1RC2IC2,UC1=UC2,Uo=0,输入信号电压为零时，输出信号电压也为零。,当把输入信号电压ui加在两个输入端之间,ui1ui/2,ui2-ui/2,差模信号,差模输入,ic1=-ic2=ic,uoui1ui2RC1iC1RC2iC2=2RCiC,电路是根据两个输入信号之差来工作的，所以有差动式电路之称。,抑制零漂的原理,uo=UC1-UC2,uo=(UC1+uC1)-(UC2+uC2)=0,当温度变化时：uc1=uc2,+UCC,放大倍数(差模),ui1ui/2,ui2-ui/2,单个晶体管放大倍数为k=uc1/ui1,差模放大倍数=(u0/ui)=k,U0=uc1-uc2=kui1-kui2=k(ui/2)-k(-ui/2)=kui,+UCC,放大倍数(共模),+UCC,ui1ui/2,ui2ui/2,单个晶体管放大倍数为k=uc1/ui1,共模放大倍数=(u0/ui)=0,管子完全对称情况下:U0=uc1-uc2=kui1-kui2=0,同相并联型差分放大器(三运放电路),由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。电路的共模抑制比主要取决于A1和A2的对称性和各电阻值的匹配精度。如果A1和A2对称，且各电阻值的匹配误差为0.001，那么电路的共模抑制比可达100dB以上。,在生物信号检测中，要求:输入电阻大,输出电阻小-同相放大器;共模抑制比高-差分放大器;医学测量放大器-同相并联型差分放大器(三运放)-广泛应用于生物医学信号检测中，目前心电图机前置放大器多采用此电路。,1.医学仪器的一般特性,1.4.1、医学仪器的基本特性：2.仪器的动态特性,输入和输出之间的关系通常用常系数线性常微分方程来描述，通常有以下几种形式：,1