医学电子仪器与设计课件

1、现代医学电子仪器原理与设计72学时多学科交叉的结晶理、工、医高度融合的产物生物医学工程研究的有力工具本课程基本要求掌握“三个基本知识”、培养“一个基本能力”，即掌握医学电子类仪器的基本原理、基本结构、基本电路；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 参考网站http:/ (南方医疗器械网) http:/ （医械之家） 第一章 概论 1.1 医学仪器定义及分类 1.2 医学仪器发展简史 1.3 生物信息知识简介 1.4 医学仪器的工作方式和结构 1.5 医学仪器的特性 1.6 医学仪器的设计原则和基本步骤 1.7 医学仪器发展趋势

2、1.1 医学仪器定义你知道的医学仪器有哪些？医学仪器输入或输出的物理量 不是电压或电流输入或输出的物理量 是电压或电流医学电子仪器 超声、放射等设备医疗器械（medical device）医学仪器（medical instrument）单纯或者组合应用于人体的仪器，包括所需的软件。以医学临床和医学研究为目的的仪器。疾病的预防、诊断、治疗、监护、或者缓解损伤或残疾的诊断、治疗、监护、缓解或者补偿解剖或者生理过程的研究、替代或者调节妊娠控制 1.1 医学仪器定义 1.1.2 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

3、次性配件 1.1.4 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。 1.1.5 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。 1.1.6 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

4、 、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

5、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 1.2 医学仪器发展简史新石器时期 医用石器热敷、按摩、叩击体表、 割刺、脓疡、放血 砭石用石为针（古代针术的萌芽）2500年前 九针黄帝内经所述 （人类最早发明、精心制作的医疗器械） 针灸术以经络学说为指导1816年 听诊器发明1850年 医用临床体温计问世19世纪末 科学重大发现（量子力学和相对论的发

6、表）20世纪初 工业文明（机械制造和电机工程的发明）1895年 德国物理学家伦琴发现X射线 （首届1901年诺贝尔物理学奖）1903年 荷兰生理学家艾萨文研制成功第一台心电图仪 （1924年诺贝尔生理学与医学奖） 1.2 医学仪器发展简史 1896年，在德国物理学年会上，伦琴宣布并展示了X射线拍摄的人手X射线图片，开创了人体影像诊断的先河。 1.2 医学仪器发展简史 1903年荷兰生理学家艾萨文研制成功了第一台采用弦线式电流计做记录的心电图仪，他所创立的肢体标准导联的测量方法沿用至今。 1.2 医学仪器发展简史1924年 法国学者Berger首次记录到人脑的电活动1958年 医用超声诊断仪出现

7、1972年 英国工程师G.N.Hounsfield发明X射线计算机 断层扫描仪（computerized tomography X-rays system,CT） 1979年生理学与医学诺贝尔奖1958年 H.O.Anger研制成功医用Gama照相机 SPECT（单光子发射计算机断层成像） PET（正电子发射断层成像）1973年 美国科学家保罗.劳特布尔 英国科学家彼特.曼斯菲尔德 研制出磁共振成像仪（magnetic resonance imaging,MRI） 2003年生理学与医学诺贝尔奖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 生物

8、信息的类型模拟 直接 实时 间断数字 间接 延时 连续测量体温检测心电 脑电 肌电医学仪器的工作方式 1. 4 医学仪器的特性和结构标本化验活体检测生物 检测医学仪器的特殊性噪声特性个体差异与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信息检测系统信息处理系统记录显示系统辅助系统图1-2 医学仪器系统框图 1. 5 医学仪器的主要技术特性医学仪器的主要技术特性：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

9、点漂移（zero drift）共模抑制比（CMRRcommon mode rejection ratio） （一）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。 理论值测量值 准确度 理论值 （二）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。（三）输入阻抗(Input impedence) 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。 输入阻抗Z为被测量的输入变量X1和另一固有变量X2的比值。即 （四）灵敏

10、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。 （五）频率响应(Frequency response) 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。 （六）信噪比(Signal to Noise Ratio) 信噪比定义为信号功率PS与噪声功率PN之比，即 为了便于对信噪比作定量比较，常以输入端短路时的内部噪声电压作为衡量信噪比的指标，即 （七）零点漂移(Zero drift) 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。（八）共摸抑制比(CMRR com

11、mon mode rejection ratio) 定义为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： 医疗仪器的特点1.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；2.生物信号弱小，而干扰强大。信号可能只有干扰的千分之一；3.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；4.安全考虑，由于病人本身已比较衰弱，安全问题就比较突出。 1. 6 医学仪器的设计原则和基本步骤影响医学仪器设计的基本因素：信号因素环境因素医学因素经济因素时代因素 1. 6 医学仪器的设计原则和基本步骤 现代医学仪器作为工程设

12、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：生理模型的构建系统设计实验样机研制动物实验研究临床研究仪器的认证与注册 1. 6 医学仪器的设计原则和基本步骤图13 生物医学仪器的研制过程示意图 1. 7 医学仪器发展趋势计算机技术网络技术微电子技术材料技术生物工程技术信息技术两极化医学仪器虚拟医学仪器远程医学仪器 1. 7 医学仪器发展趋势 1. 7 医学仪器发展趋势医学模式的变革技术发展预测 1. 7 医学仪器发展趋势传统 现代生物技术 生物心理社会技术以医院为中心 以预防为主 以社区医疗（含家庭和个人保健）为中心 微型化、智能化、个性化、网络化21世纪人人享有保健世界卫生组织 1. 7 医学仪器发展趋势 1997年美国食品与药物管理局（FDA）所属器械和放射卫生中心（CDRH）在对专家学者广泛调研的基础上，提出了医疗器械技术未来10年的6大发展趋势预测报告，归纳为6大发展方向：计算机相关技术分子医学家庭和自我保健微创与无创方法器械/药物的复合产品采用硬件和组织工程的器官移植/辅助器械 1. 7 医学仪器发展趋势CDRH的报告将未来医疗器械的特点归纳为4点： 医疗