医学电子学概论

医学电子,Email: TelOffice: #9教,北212,教 材,现代医学电子仪器原理与设计(第二版) 华南理工大学出版社，余学飞辅助教材生物医学传感器原理及应用(彭承琳)现代医学仪器设计原理（邓亲恺）生物医学测量与仪器（王保华）,课 程 简 介,专业主干课程64学时（课程），另外32学时实验课程特点:综合性课程 生理学、物理数学、电子、信号处理综合,已学过的课程,模电、数电计算机原理、单片机数字信号处理计算机语言生理学,医学电子仪器,八 章,医学仪器概述医学信号测量中的噪声和干扰生理信号处理：放大、滤波、变换生理电测量，心电，脑电，肌电血压测量、物理量传感器医用监护仪器，多参数测量医用治疗仪器，心脏治疗与高频电刀医用电器安全性,基本部分,增加扩展部分（简介）,单片机或嵌入式系统的医疗智能仪器移动医疗、可穿戴技术（无线传输和通讯）信息技术+通讯+医疗或健康是IT技术的新热点 生物医学工程发展的巨大动力,课程学习目的,掌握医学信号检测原理、电路、应用(心电、脑电、血压、脉搏、血氧饱和度)(放大、滤波、控制、整形等模拟电路）,掌握医学仪器的基本概念、原理、结构、特性、性能,初步了解医学仪器设计、分析、调试、开发,教 学 方 式,每章提出一些问题课堂或课后学习、分析课堂讨论，交报告作业（15）,课后学习实践（15）,形式：自由组合（2-3人一组）任务（3选1）设计并实现一种生理信号检测电路(心电除外)单片机或嵌入式系统实现信号采集与分析实现单片机等蓝牙、Wifi等与手机通讯,医学信号简介医学电子仪器结构和工作方式医学仪器的特殊性与分类生理系统的建模与设计医学仪器的设计原则与步骤,第一章 医学仪器概述,一、生物医学信号简介,人体内具有丰富的信息(海量)提取人体信号是诊断治疗的前提医学仪器能定量提取生理信号，进行诊断 和治疗的仪器100年前，医院没有仪器，凭经验、定性分析 外观诊断疾病，中医望闻问切几千年,一种医学仪器只是对某一方面信号测量 能体现客观因素人是复杂的系统,具有仪器的功能 能够感知、综合、加工和推理（主观因素）辩证地认识人的主观诊断+仪器客观诊断 再先进的仪器也不能取代人的智能分析,1、医学信号特点,1.1 人体系统特点,人体是复杂的系统组成系统独立、相互控制、受控性复杂物理、化学、生物局部决定整体，整体大于局部精神与肉体的统一，物质与意识,系统信号控制性,自控系统，心脏活动神经电控制系统(运动系统，呼吸，循环) 1-100m/s化学控制系统(内分泌系统)激素调控 通过循环系统送至细胞，调节器官生物分子系统(免疫系统)识别异物, 非自体识别及其处理,控制的复杂性,负反馈， 对外界干扰稳定,平衡是反馈结果双重支配，促进和抑制，交感和副交感神经多重，多层次，多系统控制，心脏（ECG,心房心室）非线性,2、生理信号种类,按性质分物理信号化学信号生物信号按形式分结构和功能信号确定、概率信号连续、离散信号,生理信息基本特性,不稳定概率性，不可预测非线性,信号微弱频率低干扰大,EXG频率：几HzkHz,低频,EXG信号,了解信号特征是设计仪器的第一步例如呼吸机，了解呼吸系统特点血压测量，了解血压产生的机理心电测量，了解心电产生机理超声、CT，了解物质波与人体作用规律,3、生物信号的检测与处理,信息检测：传感器模拟信息处理：放大、滤波数字信号处理，A/D，各种数字信号处理,医疗仪器定义：国际标准化组织ISO的定义（一）为下列目的用于人体的，不论是单独使用还是组合使用的，包括使用所需软件在内的任何仪器、设备、器具、材料、或者其他物品，这些目的是：（1） 疾病的诊断、预防、监护、治疗或缓解；（2） 损伤或残疾的诊断、监护、治疗、缓解或者补偿；（3） 解剖或生理学过程的研究替代或者调节；（4） 妊娠控制（二）其对于人体体表及体内的主要作用不是用药理学、免疫学或代谢的手段获得，但可能有这些手段参与并起一定辅助作用。 医疗仪器不是通过化学和免疫系统对人体作用，通过物理手段起作用。,二、医学仪器的结构与工作方式,信息采集 传感器信息处理 放大、滤波、数字信号处理显示和记录 直接描记器、显示器、磁记录 辅助系统 电源、控制、反馈、校准、通讯,医疗仪器结构,医疗仪器系统结构,医学仪器涉及的内容,医学仪器的特殊性,安全：电气、热、机械、辐射、化学精确性和可靠性：低噪声,抗干扰,对人体影响小舒适性：合适稳定的接触面，适应人体的差异 有创、微创、无创、舒适,三、医学仪器的特点与分类,准确度精密度输入阻抗，一般要M灵敏度频率响应信噪比共模抑制比零点漂移,常见仪器的技术指标,医疗仪器的分类,诊断 生理电、非电生理、生化，影像 治疗 各种理疗设备，放疗设备，手术设备,心电图机、脑电图机、肌电图；血压计，骨密度仪，流量计自动生化仪；血、尿、气检测 X光，超声，CT，MRI, PET,内窥镜及各种光学仪器,电刺激器、热疗设备、呼吸机、起搏器、除颤仪、透析机 手术设备：高频电刀、麻醉机、激光、监护仪、导航设备.,家用便携式医疗仪器 电子血压计、小型呼吸机、血糖仪、心电图机、 血氧饱和度仪等 我国已步入老龄化社会，超过65岁以上2亿,医疗仪器分类,I类,血压计,生化仪等II类,心电图机器,监护仪等.III类,手术或植入设备,急救设备,四、血氧饱和度测量,血氧饱和度测量问题,血氧饱和度的生理意义及临床价值测量物理、数学原理（模型）测量方案 测量方式（相关条件、环境）、测量的计算、性能提高仪器设计：电路、软件、外观结构等研制：调试、动物及临床实验,血氧饱和度定义,血红蛋白是红细胞主要成分,运送氧气,一般大于95%，降低的原因,呼吸系统指标,缺氧、打呼噜、高原、手术麻醉,测量数学物理模型,D:吸光度,光电测量法,光与组织的相互作用规律：吸收性,光与组织的相互作用规律：散射性,光与组织的相互作用规律：复杂的微分积分方程，很复杂只考虑吸收有一定误差,如何测量:,测量方案,测量部位及环境，光的选择（强度和波长）,两种波长的光，对应2个未知数,测量计算，如何有利于测量准确度,测量部位，手指，耳垂双波长对应两种物质波长确定原则:红650nm,红外805nm 有吸收和透过 提高灵敏度 易于计算,提高线性度测量计算,如何测量,红光和红外,805nm,infra-red transmitter,receiver,光吸收,脉搏为血管振动及其传播,容积脉搏波形,基线：红色虚线代表血管最大收缩状态峰值：代表血管最大舒张状态中间波动：上升沿代表血管舒张的过程，对应心脏收缩 下降沿代表血管收缩的过程，对应心脏舒张 下降沿小波峰代表心脏瓣膜关闭及血液会流冲击 以及反射回波,测量与计算的具体问题,上述未知数多，C1，C2，d未知,i:波长j:物质的吸收系数,理解各参数的意义,D1，D2如何测量,需测I0,d是个变量,选择血管收缩(d,I)和舒张(d+d,I- I)的两个极限状态测量测量光的输出在两个状态的变化量，d可认为常数,d:未知变化,新吸收方程为:,如何处理？,求解得到：,新吸收方程为,？,？,波长选择考虑,第一种波长，两种物质的吸收差别大第二种波长，两种物质吸收差别小,提高灵敏度提高线性度及准确性,A,B计算?,定标法：克服元件的参数离散性（波长的不同） 通过大量经验数据确定A,B,测量电路(硬件软件),从上述测量中,还可测量哪些信号?加以解释如何血压动态测量,心率,血管弹性?,其他?能否测量血压?如何测量?,如何解释波形中间的小波动?,弹性好，波形大；波形小，弹性差通过模型反推法进行动脉弓血压的计算血液回冲、脉搏反射造成小的波动性,课程课外设计题目一,光电脉搏测量电路设计、调试、测量,动态血压测量,测量参数生理学意义测量系统建模(测量原理)总体设计、测试方案电路结构、软件制作与测试,血压测量,血压:血液对管的压强,实现动态测量血管弹性与传播速度关系血压高、血管硬（弹性差）、传播速度快 Pulse wave velocity (PWV) P=f(v)或P=f(T),电路模型R血管阻力，C血管弹性，L血管惯性电压高，L,C变小，则电路时间常数小， 信号传播快了,L,R,C,如何建立血压与脉搏传输时间的关系:P(V),确定两点，测量时间或速度 通过改变体位进行血压和T关系确定,PWV 测量,Pulse wave transit time (t) and distance (D) PWV (cm/sec or m/sec)=D/t,2个脉搏传感器放大滤波计算,如何检测血糖(生化),糖遇到淀粉或碘产生颜色变化利用光照射,产生不同的反射光计算血糖成分,呼吸检测,呼吸时胸部阻抗变化，心电电极测量呼出气体温度或流量,体温检测,热敏电阻热电偶红外在无空气对流的地方如腋窝,口腔等,五、医学仪器的设计原则与展望,信号因素环境因素医学因素经济因素时代因素,卫生部2010年的统计,心脑血管疾病超过2.7亿人，每年死亡300万 糖尿病9200 万每分钟就有6人确诊为癌症，一年死亡300万1 亿多的心理疾患和精神病者 .,医疗仪器未来发展趋势,从医疗向健康转型，健康检测及治疗生理型到心理型过度, 精神卫生,特殊人群便携式，网络化、智能化，适合家庭使用 (穿戴