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现代医学仪器原理与设计,ModernMedicalInstrumentationTheoryandDesign,1,国际标准化委员会对于医疗器械的定义：医学仪器（medicalinstrument）：是指那些单纯或组合应用于人体的仪器，包括所需的软件。医学仪器的使用目的：疾病的预防、诊断、治疗、监护和缓解损伤或残疾的诊断、治疗、监护、缓解或补偿解剖或生理过程的研究、替代或调节妊娠控制简单的说，医学仪器就是以医学临床和医学研究为目的的仪器,2,医用X线诊断装置计算机断层扫描仪(computerizedtomographyX-raysystem,CT)磁共振成像仪(magneticresonanceimaging,MRI)核医学成像设备（SPECT单光子发射计算机断层成像、PET正电子发射断层成像）超声设备治疗类仪器放射治疗装置（钴60、X-刀、-刀）电治疗类设备（起搏器、除颤器、高频电刀）生理量测量仪器（ECG、EMG、EEG、IBP、NIBP、SaO2）、监护仪医用光学仪器（医用内窥镜等）生化分析类仪器（质谱仪、色谱仪、血气分析、尿液分析等）,3,课程的内容,4,5,课程基本要求三个基本知识基本原理、基本结构、基本电路一个基本能力培养基本应用能力（仪器分析、仪器设计、仪器维护）教学方法课堂理论教学验证性实验教学设计性实验教学主要参考书JohnG.Webster,MedicalInstrumentationApplicationandDesign,Thirdedition,JohnWiley&Sons,INC.1998邓亲恺，现代医学仪器原理与设计，科学出版社，2004,6,第一节生物信息知识简介人体系统的组成现代医学理论神经系统运动系统循环系统呼吸系统现代控制论器官的自控制系统神经控制系统内分泌控制系统免疫控制系统,7,人体控制功能的特点负反馈机制双重支配性多重层次性适应性非线形生物信息的基本特征不稳定性非线性概率性生物信号的检测与处理生物信号检测生物信号处理,8,9,a)离散参数的离散信息b)离散参数的连续信息c)连续参数的连续信息d)连续参数的离散信息,10,第二节医学电子仪器的结构和工作方式,医学仪器基本构成,生物信号采集系统,生物信号处理系统,生物信号的记录与显示,辅助系统,11,医学仪器工作方式：直接和间接、实时和延时、间断和连续、模拟和数字,12,第三节：医学仪器的特性与分类准确度（Accuracy）准确度是衡量仪器测量系统误差的一个尺度。准确度可理解为测量值与理论值之间的接近程度精密度(Precision)精密度是指仪器对测量结果区分程度的一种度量。表示从所选定的已知数据中可能分辨的数值输入阻抗(Inputimpedence)通常称外加输入变量（如电压、力、压强等）与相应应变量（如电流、速度、流量等）之比为仪器的输入阻抗灵敏度(Sensitivity)仪器的灵敏度是指输出变化量与引起它变化的输入变化量之比,13,频率响应(Frequencyresponse)仪器保持线性输出时，允许其输入频率变化的范围，它是衡量系统增益随频率变化的一个尺度精密度(Precision)信噪比(SignaltoNoiseRatio)信噪比定义为信号功率PS与噪声功率PN之比灵敏度(Sensitivity)零点漂移(Zerodrift)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、下漂动、缓慢变化的现象称为零点漂移共摸抑制比(CMRR)放大差模信号和抑制共模信号的能力为共模抑制比,14,医学仪器的特殊性噪声特性个体差异和系统性生理机能的自然性接触界面的多样性操作与安全性医学仪器的分类诊断用仪器理疗用仪器,15,第四节：生理系统的建模与仪器设计,建模:建立一个在某一特定方面与真实系统具有相似性的系统,真实系统称为原型,而这种相似性的系统称为该原型系统的模型,16,生理系统建模是对系统整体各个层次的行为、参数及其关系建立数学模型的工作，最终希望用数学的形式表达出来。生理系统建模的目的为了更好地了解生物系统的行为及规律，为生物控制奠定基础,17,生理系统的建模和仿真的意义,提高研究效率和定量性将复杂的生物系统简化为数学模型并对此模型进行计算机分析以代替实际的复杂、长期、昂贵甚至无法实现的实验研究生物系统运行过程施加人为控制条件,18,一、系统模型和建模关系,19,（一）系统模型的结构特性,相似性实体与模型之间具有相似的物理属性或数学描述简单性保留主要属性，忽略次要因素多面性同一个实体可有多种模型有效性模型如何充分地表示实际系统。,20,（二）模型有效性检验方法,用实际系统数据和模型产生的数据之间的符合程度来度量复制有效模型产生的输入输出数据与从实际系统得到的输入输出数据相匹配预测有效在实际系统取得数据之前，能够由模型看出相应的数据结构有效将实际系统等效为许多子系统相互连接起来而构成的一个整体。不但能重复被观察的实际系统的行为，且能反映实际系统产生这个行为的操作过程,21,二、建立生理系统模型的基本方法,22,系统模型的建立蕴含了三层意思理想化抽象化简单化,23,模型难以全面反映所描述的客观事物，仅能从有限的角度反映事物的某些特征。一般将通过模型对事物的描述成为模型空间。模型空间的解与真实空间同一问题的解有必然的联系。,24,（一）物理模型:根据实体性质构造的模型,几何相似模型强调几何相似性力学相似模型动力学特性上的相似性生理特性相似模型模拟出的生理特性的相似性等效电路模型模拟电路,25,（二）数学模型,利用数学表达式刻画系统内部的数量关系，定量探求系统运转规律系统中各个作用环节的描述：寻找能够描述系统结构、功能和内在联系的数学运算关系表征系统的固有特征量的提取：参量提取来源于实验数据，也可以采用拟合、迭代和最优化方法,26,数学模型的建立方法,1、黑箱方法不追究系统内部细节，而仅仅利用外部观测来研究系统的功能和特性黑箱模型一个具有与实际系统相似的输入和输出特性的系统或是在输入与输出特性上相似的模型,27,2、推导方法掌握系统的内部构造和机理，根据该系统的物理化学过程以及解剖学与生物学知识，用分析的方法推导出描述系统功能和特性的模型,28,3、参数模型利用已有的认识来构造一个与原系统结构相似的数学模型，则模型中的每一变量将对应于原系统中的一个生理量，同时模型中的各个参量也具有较为明确的生理意义。这种由一组具有生理意义的参变量所构成的数学模型则称为参数模型。,29,（三）描述模型,是一种抽象的（没有物理实体），不能用数学方程表达，只能用语言（自然语言、程序语言）描述的系统模型，即尚未数学化或有待数学化的模型医学专家系统描述模型是系统模型定量化、数学化发展的中间过程,30,三、构建生理模型的常用方法,常用方法理论分析法类比分析法数据分析法,31,理论分析法建模,理论分析是指应用自然科学中已被证明的正确的理论、原理和定律，对被研究系统的有关要素进行分析、演绎、归纳，从而建立系统的数学模型。,32,无创血氧饱和度检测,血氧饱和度血液中血氧的浓度血氧饱和度的测量有创血气分析无创分光光度计,33,34,血氧饱和度用以表示血液中血氧的浓度，它是被氧结合的氧合血红蛋白（oxygenatedhemoglobin,HbO2）的容量占全部血红蛋白（hemoglobin,Hb）的容量的百分比，即,35,模型构建过程：（建模在仪器设计中应用过程）实验观察理论分析仪器设计,36,无创血氧饱和度的测量原理,无创测量则是利用分光光度测定原理由于血液中不同成份对同一种光线的吸收率各不相同，通过测量穿过血液中不同光线的衰减程度，可换算出血液中不同成份的含量。,37,观察到的现象：（1）氧合血红蛋白与还原血红蛋白对于不同波长的光吸收率相差较大,1、实验观察,38,（2）光电接受后输出的光电流信号中包括交流成分和直流成分,39,脉搏血氧测定法中的组织模型为：无血组织皮肤、骨骼、静脉血、其他组织表现为固定光吸收，为直流成分动脉血管含有氧合血红蛋白和还原血红蛋白的动脉血液表现为脉动变化的光吸收，为交流成分,40,2、理论分析,朗伯-比尔定律波长为的单色光在吸收物质媒体中传播距离d后，其光强为：为吸光系数，是常数，与吸光物质的种类有关，同时还与入射光的波长有关D表示吸光度，反映光通过吸收物质时被吸收的程度,41,如果物质中存在两种或者两种以上的成分，确定其成分含量及浓度，就要采用双波长或多波长朗伯-比尔定律,42,选择红光波长1=650nm和红外光波长2=805nm，根据两路透射光强及其变化和吸光系数可得血氧饱和度,43,如果由于动脉搏动、血管舒张、动脉血容积变化使得动脉血光程由d增加了d，而舒张期的吸收作为背景吸收保持不变光程d，此时透射光强变化I()透射光中交流成分占直流成分的百分比远小于1令2805nm,44,血氧饱和度检测原理框图,45,类比分析法建模无创连续血压测量血压是指动脉血压，即由心脏泵血活动造成的血液对单位面积血管壁的侧压力，它和心脏功能及外周血管的状况有密切联系，通常所说的血压是指动脉内壁的压强与大气压之差血压无创连续测量方法利用血液容积变化来对血压进行无创连续测量利用脉搏波速度测量血压脉搏波传导速度脉搏波传导时间,46,血流的流体动力学模型如果假设血液为不可压缩的牛顿液体且血管截面为圆形，则血液在血管中的流动过程可以用流体力学中的纳维-斯托克斯方程来描述电学类比模型,电阻表示等效流阻，电感表示等效流感，电容表示血管顺应性，电压表示血压，电流表示血流。,47,无创连续血压测量,48,数据分析法建模心率变异性分析心率变异性（heartratevariablity,HRV）是指逐次心动周期之间的微小时间变异数。HRV一般用R-R间期来描述，也可以用瞬时心率来描述HRV分析就是通过对心率微小涨落的变换和处理以获取心血管系统、自主神经系统等有关信息的信号分析过程，对于大多数心血管疾病及其他相关疾病的早期诊断、治疗及预后评价具有重要意义线性分析法统计学分析、谱分析和传递函数分析非线性分析法Poincare映射图、分数维法、复杂度分析和非线性动力学分析,49,心率变异性分析时域分析法基于统计学方法和几何学方法短时统计学分析指标平均心率、平均R-R间期、极差、标准差（SDNN）、相邻间期差的标准差（SDSD）、相邻间期差的均方根（rMSSD）、相邻间期差大于50ms的个数（NN50）和NN50占总间期数的百分比几何学分析R-R间期直方图、三角指数计算简单、指标意义明确,50,心率变异性分析频域分析法可以把复杂的心率搏动信号按照不同的频段来描述其能量分布，将各种生理因素的作用适量分离进行分析Welch法和自回归（AR）模型频域分析法计算参数总功率（TP）、低频功率（LF）、高频功率（HF）、两个频率范围内总功率的比值（LF/HF）、归一化的LF和HF具有更高的准确性和灵敏度,51,心率变异性分析自回归（AR）模型按照最小均方准则估计参数的全极点模型传递函数随机序列x(n)的AR模型功率谱函数,52,AR模型分析法步骤记录心电信号识别R波（斜率阈值法），计算逐次心跳的