仪器原理复习资料

1、生物信息的基本特性：（P2） 不稳定性非线性概率性 医学仪器的主要技术特性：（P6）准确度（accuracy）精密度（precision）输入阻抗（input impedance）灵敏度（sensitivity） 频率响应（frequency response）信噪比（signal to noise ratio）零点漂移（zero drift） 共模抑制比（CMRR common mode rejection ratio）现代医学仪器作为工程设计是理、工、医多学科知识的高度综合应用，设计涉及知识面 很广，技术难度较大，基本设计可归纳为如下六步：1生理模型的构建2系统设计3实验样机研制4动物实验

2、研究5临床研究6仪器的认证与注册生物信号测量的基本条件：抗干扰和低噪声电磁干扰的形成有三个条件：干扰源、耦合通道（即引入方式）与敏感电路（即接受电路）。EMCElectro-Magnetic Compatibility电磁兼容性设计（抑制来自外部的干扰和系统本身对外界其他设备的干扰）电容性耦合：一个导体上的电压或干扰成分通过分布电容使其他导体上的电位受到影响 结论：从抗干扰考虑，增大两导线间距离、尽量避免两导线平行以减小分布电容抑制容性耦合常用的方法： 采用接地良好的优质屏蔽线:P32-图2-8在印制电路板内破坏电容耦合最关键的部位，是处在前置级的第一个运放；减小共模干扰。电感性耦合（磁耦合）

3、：形成的干扰电压：干扰电流产生的磁通能随时间变化而。L=Q/I干扰的主要原因：在系统内部，线圈或变压器的漏磁；在系统外部，多数是由于两个导线在长距离平行架设中形成干扰电压抑制电感耦合的常用方法：远离干扰源，减小干扰源的影响；采用绞合线的走线方式；（每个绞合结的微小面积所引起的感应电压大体相等，由于 相邻的绞合结方向相反，而使局部的感应电压相互抵消）尽量减小耦合通道（减少面积A和cos值）。（可采取尽量使信号回路平面与干扰回路 平面垂直，并使信号线贴近地平面布线，以减小回路的闭合面积等。）系统中的接地线分为两类：一类是安全接地，称为保护接地（必须是大地电位）；另一类是 工作接地，即对信号电压设立

4、基准电压。工作接地方式有两种：一点接地和多点接地。1MHz 一下可以采用一点接地；频度高于10MHz时采用多点接地。在1-10MHz范围，如用一点接地时，其地线长度不得超过波长的1/20，否则应 采用多点接地。噪声电压或电流的均方值是它在1Q电阻上产生的平均功率P,P =产 S (f) df白噪声：噪声具有恒定的功率谱密度，即S(f)为一常数。有色噪声：S(f)不为常数。功率谱密度单位：w/Hz生物医学测量系统中，主要的噪声类型是:1/f噪声(低频噪声/闪烁噪声)热噪声散粒噪声1/f噪声(闪烁噪声)：服从1/fa规律当取a=1时，1/f噪声的功率谱密度S(f)可表示为K为f等于1Hz时的谱密度

5、值，是由具体器件决定的常数由f1-f2带宽内噪声的平均功率得到相应此频段内噪声电压均方值为J f2 S (f) df = J f2 Kdf = K lnfff f f热噪声:由导体中载流子的随即热运动引起的。电阻R中的热噪声电压均方值为U 2 =4kTR颂 tS (f) = 4kTR式中，k为波尔兹曼常数，138x10-23J/K，T为绝对温度，Af为测量系统的频带宽度。 热噪声的谱密度S(f)为 可见热噪声的功率谱密度与工作频率f无关，属于白噪声散粒噪声:是半导体中由于载流子产生于消失的随机性引起电流瞬时的涨落，其电流均方值 为l2=2qIDC&其与流过半导体PN结位垒有关，故三极管、二极管

6、都存在散粒噪声的电流噪 声机构，在简单导体中没有位垒，因而没有散粒噪声。噪声系数:.总的输出噪声助率F =源电阻产生的输出噪声助率二总的等效输入噪声功率 源的麹噪声率输入信噪比乩风=输出信噪比=击:=nmam)况为源电阻的噪声功率，&侃为放大器功率增益A的倒珈噪声系数的对数形式NF(dB)= 10lgF电阻的噪声相并联。I = ：-4kTR W / R电阻元件R可以等效成一个无噪声的电阻R和一个噪声电压源 相串联，或无噪声电阻R和噪声电流源2-5.可以移动电极位置，缩短两电极之间的距离，减小体电阻，降低位移电流形成的干扰， 即容性干扰。减小两电极导线与人体构成的面积，则可减小感性耦合干扰。2-

7、7:白：S(f)=4KTR，Ut2=4KTRAf 粉红：S(f)=K/f，Uf2=ff2f1S(f)df =J%(K/f)df = K ln(1+Af/f1)白噪声：带宽增加功率正比增加；粉红噪声：带宽增加功率增大但小于2倍2-11：串联时R = R1 + R2 + R3Un = U + U + U1 12 23 3.U 2T =n4kRAfG. TR +xT R +、T R )2 11 22 3322Ri + R + R3并联时RR R123 RR + R R + RR1 22 31 312 R R R、：TR + R R (T R + RR * T RT = -n = -231113221

8、233-4kAfRR + RR + R R1 21 32 3前置放大电路的主要设计参数：高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、设置保护电 路外电路电阻失配限定的放大器的共模抑制比CMRRr 器件本身的共模抑制比cmrrd （开环） 整个放大电路的共模抑制比CMRR =少=W CMRRrA CMRR + CMRR cDR夕卜回路电阻匹配条件：尺=时珏=珏差模增益：七=- = -&-I七四共模抑制比：CMRR = 4廿=8 A生物放大器的前置级通常采用差动做大电路结构。RFI1LW割M_日. mK 理想情况闭环CMRR=Ad/A.111与无共模输出.且外部回路电阻匹配条件R1=R2, EF=R

9、3| .耳珏 &+ 与 a耳I为 % J% +与虬能已知CMRXD=100dB, Ad=20, 5 = 0.1%因电阻失|己造 成的放大器的共模抑制比1CMRR2 =弓=5250 = 74.4(必)45*放大器总共模抑制比CMRR =4.99x10 74(5)仁疏跖十CM驼如图所示为同相并联结构的ECG前置级实用电路，所用器件的共模抑制比均为100dB。 输入回路中两电极阻抗分别为20kQ、23kQo放大器输入阻抗实际有80MQ。放大器 中所用电阻的精度陆0.1%，其他参数如图所示。求包括电极系统在内的放大电路 的总共模抑制比。解由电路图可知：u 二竺5泣 , u =A oc N M d x

10、CMRR3 mAd = AfA也，A】=1+ = 1+(2*100 720)=11RRA 出=宜=10020=5 nA. =55& 珞dCMRR、= CMRR*MRRk j CMEIRr =1& = 15QQ CMRR H-CMREiR 招CMRRd =100dB T 13 ,又二此和、=蛙=土圣Jc ut 乙 CMRRjCMRR = 104 -80人体的左肩、右肩及臀部三点与心脏距离相等 等边三角形的中心为心脏，并与三角形在同一平面上体腔是一个均匀导电的、相对心脏来说是很大的球形容积导体心电图机的主要性能参数：高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低零点漂移、线性误差小、灵敏度适当 时间常数大于

11、1.5s、阻尼适中、频率响应好、走纸速度均匀、绝缘性能良好 通常脑电图可划分为4种节律的波谱，分别叫做a波、6波、e波和6波。口a 波8 13Hz口6 波一一13 30Hz口e 波4 8Hz口6 波4Hz特异性诱发电位诱发电位（evoked potential,EP）非特异性诱发电位模式翻转视觉诱发电位脑干听觉诱发电位短潜伏期体感诱发电位 常见的生物电信号心电(ECG, Electrocardiograph) 脑电(EEG, Electroencephalogram) 肌电(EMG, Electromyogram)视网膜电(ERG, Electroretinogram)14-47为玉皮电敏电阻

12、测试电胳厚理图c多谐撮踌器输出的脉冲屯压经电阻K, J200mv,通过A1的放大此时a点IVal4V,从而使A7或A8输出高电平，使得二极管导通，该高电平通过光电耦合器驱动键控电路板上的电极监测发光二极管发光报警，表示电极已经脱落。4-7.心电图机前置放大器在设计上的要求有:高输入阻抗高共模抑制比低零点漂移低噪声宽的线性工作范围收缩压（SP）和舒张压（DP）收缩压：心脏收缩时所达到的最高压力称为收缩压。它把血液推进到主动脉，并维持全 身循环。舒张压：心脏扩张时所达到的最低压力称为舒张压，它使血液能回流到右心房。脉压差：收缩压和舒张压的差称为脉压差，它表示血压脉动量，一定程度上反映心脏的 收缩能

13、力，是反映动脉系统特性的重要指标。平均压（MP）平均压：是在整个心动周期动脉压一平均值中心静脉压（CVP）中心静脉压一般指右心房、上腔静脉或锁骨下静脉血液所给出的压力。左心室压左心室压反映左心室的泵作用，心室压力曲线的上升斜率反映了心室收缩初期的力度，作为 心血管系统的重要功能指标。舒张期末端压则代表了在射血开始前对心室的灌注压力。右心室压和肺动脉压右心室压和肺动脉压由右心室收缩引起，在正常血液循环中，这两种压力低于系统动脉压。 肺楔压（PCWP）它是将导管楔入动脉的某一分支处测得的压力，代表了毛细管与左心房压 之间的压差。对肺楔压的测量可评估左心房的压力。血压测量技术可分为直接法和间接法两种

14、：直接法特点：测量精度高、能进行连续测量、有创测量间接法特点：测量精度低、不能进行连续测量、不能用以测定心脏、静脉系统的压力、 无创测量。体外传感器测量而L、m m直接（有创）测量（导管术乂体外传感器测量血压测量体内传感器测量、间接（无创）测量一柯氏音法、超声法、测振法U - U ；I - I - 0U运放 A4：二 + _ -R R1UU.U ,A 6: o +l R R12U1RT2U1 + R1TU_01R1U -rOU up -1UUUUU T _L+1+0+1- 1RRRRR1T1T1TRT1测压端口方向不同导致的测压误差:(b)T /“动压”造成不同测压结果图5-11a测压管口正对

15、血流方向，所测压力为P2 = P+pv2。即实测值高于理论值;图5-11b测压管口与血流方向相反，所测压力为P1 = P-pv2。即实测值低于理论值;图5-11a测压管口与血流方向垂直，所测压力为P。实测值与理论值相等;6-2、按检测参数分类：单参数监护仪；多参数监护仪。按使用范围分类：（1）床边监护仪；中央监护仪；离院监护仪。按功能分类：通用监护仪；专用监护仪。按仪器接收方式分类：有线监护仪；无线遥测监护仪。按监护仪作用分类：纯监护仪和抢救、治疗用监护仪。按仪器构造功能分类：一体式监护仪；插件式监护仪。常用的监护生理参数其对应的测量方法心电图心电监护仪心率根据心电波形的R波测定瞬时心率和平均

16、心率有创血压导管术无创血压电子柯氏音检测法测振法血氧饱和度电化学法（血气分析仪）光学法（透视法与反射法）呼吸热敏式和阻抗式两种测量方法体温一般采用负温度系数的热敏电阻作为温度传感器呼吸末_氧化碳主要采用红外吸收法心输出量常用热稀释法检测脉搏一是从心电信号中提取；一是从测量血压时压力传感器测 到的波动来计算脉率；三是光电容积法。用较强的脉冲电流通过心脏来消除心律失常，使之恢复窦性心律的方法，称为电击 除颤（defibrillation）或电复律术（cardioversion）。起搏是用一定形式的脉冲电流刺激心脏，使有起搏功能障碍或房室传导功能障碍等 疾病的心脏按一定频率应激收缩。除颤（电击复律）

17、时作用于心脏的是一次瞬时高能脉冲，一般持续时间是410ms， 电能在40400瓦秒（焦耳）内。低压直沛电源电压变换器高压整流图7-16 心朋:除颤兼基木原理图电压变换器是将直流低压变换成脉冲高压，经高压整流后向储能电容C充电，使电 容上获得一定储能。除颤治疗时，控制高压继电器J动作，使充电电路被切断，由储能电容C、电感L 及人体（负荷）串联接通，使之构成RLC（R为人体电阻、导线本身电阻、人体与 电极的接触电阻三者之和）串联谐振衰减振荡电路，即为阻尼振荡放电电路，通过 人体心脏的电流刺激心肌完成除颤功能。1、按是否与R波同步非同步型除颤器同步型除颤器2、按电极板放置位置体内除颤器体外除颤器除颤

18、器的主要技术指标：1、大储能2、释放电能量3、释放效率4、最大储能时间5、最大释放电压7-2心脏起搏器的主要参数有哪些？答：参数有起搏频率、起搏脉冲幅度和宽度、感知灵敏度、反拗期。电流对人体组织的基本作用:热效应，刺激效应，化学效应8-1简述发生电击的原因和预防电击的措施？答：电击产生的原因：一是人与电源之间存在两个接触点，形成回路;二是两点之间存在电 位差；三是电源的电压高至足以产生生理效应。预防电击的措施有：基础绝缘、附加保护、保护接地、漏电断路器、地线的配电方式、等电 位化、辅助绝缘、医用安全超低压电源、患者保护。8-2什么是微电击？微电击的直接危害是什么？答：进入人体内在心脏内部所加的电流所引起的电击叫做微电击。直接危害是有可能引起心 脏纤颤尤其是心室纤颤。8-3简述宏电击和微电击的区别。医院中哪些部门最容易发生宏电击？答：宏电击是指流经人体的较强电流引起的电击，因为电流比较大，人体易于感知。微电击 是指发生宏电击时的大电流在流经人体的同时，有部分微弱的电流流经心脏的所引起的电击。 辅助诊断部门是医院中最容易