现代医学电子仪器原理与设计课件

1、现代医学电子仪器原理与设计2022/10/2现代医学电子仪器原理与设计现代医学电子仪器原理与设计2022/9/28现代医学电子仪器第三章 信号处理基本要求差动放大电路分析方法差动放大应用电路前置级共模抑制能力的提高第一节 生物电放大器前置原理现代医学电子仪器原理与设计2第三章 信号处理基本要求第一节 生物电放大器前置原理现代第三章 信号处理1.基本要求(1)高输入阻抗 理论上，源阻抗和电极阻抗都是频率的函数，并且随频率的增加成下降趋势。(2)高共模抑制比放大器的共模抑制比的定义： 共模抑制比(CMRR)是指差分放大器对同时加到两个输入端上的共模信号的抑制能力。现代医学电子仪器原理与设计3第三章

2、 信号处理1.基本要求(2)高共模抑制比现代医学电第三章 信号处理(3)低噪声、低漂移措施：（a）差动输入形式（b）电路对称结构，严格挑选器件，抑制零 点漂移（c）采用调制式直流放大器（d）设置“复零”电路，将基线在特殊情况下 复零(4)设置保护电路 包括人体安全保护电路和放大器输入保护电路。现代医学电子仪器原理与设计4第三章 信号处理(3)低噪声、低漂移(4)设置保护电路现第三章 信号处理2.差动放大电路分析方法外回路电阻的匹配条件为：现代医学电子仪器原理与设计5第三章 信号处理2.差动放大电路分析方法外回路电阻的匹配第三章 信号处理理想闭环差模增益： 此时，共模增益Ac1=0，所以放大器的

3、共模增益上述理想状态能达到，影响因素有两个。现代医学电子仪器原理与设计6第三章 信号处理理想闭环差模增益： 此时，共模第三章 信号处理1.由电阻失配所造成的CMRRR 由外电路电阻失配限定的放大器的共模抑制比为：结论：电阻失配造成的CMRRR与电阻匹配误差和放大器的闭环差模增益Ad有关。并且电阻匹配误差越小，闭环差模增益越大，放大器的共模抑制能力越大。现代医学电子仪器原理与设计7第三章 信号处理1.由电阻失配所造成的CMRRR 第三章 信号处理2.器件本身的共模抑制比CMRRD定义： CMRRD为放大器开环差动增益Ad与共模增益Ac之比，即 共模输出电压uoc折合到放大器输入端的共模误差电压，

4、即现代医学电子仪器原理与设计8第三章 信号处理2.器件本身的共模抑制比CMRRD 第三章 信号处理结论：共模输入电压因为转化成差模电压而形 成共模干扰电压。原因：放大器的运算放大器件本身的共模抑制 比不为无穷大。放大电路的总的共模增益为整个放大电路的总共模抑制比为现代医学电子仪器原理与设计9第三章 信号处理结论：共模输入电压因为转化成差模电压而形第三章 信号处理3.差动放大应用电路（一）同相并联结构的前置放大电路现代医学电子仪器原理与设计10第三章 信号处理3.差动放大应用电路（一）同相并联结构的第三章 信号处理第一级电压增益结论：（1）第一级的输出回路里不产生共模电流，电路的共模抑制能力与外

5、回路电阻是否匹配完全无关。（2）并联结构的电路能方便地实现增益的调节。（3）电路具有完全对称形式，有利于克服失调、漂移的影响。现代医学电子仪器原理与设计11第三章 信号处理第一级电压增益结论：（1）第一级的输出回第三章 信号处理第一级输出端存在共模误差的输出电压：第一级电路的共模抑制比为CMRR12现代医学电子仪器原理与设计12第三章 信号处理第一级输出端存在共模误差的输出电压：第一第三章 信号处理两级放大电路的差动增益为则两级放大电路的总共模抑制比为现代医学电子仪器原理与设计13第三章 信号处理两级放大电路的差动增益为则两级放大电路的第三章 信号处理(二)同相串联结构的前置放大电路外电阻匹配

6、为放大电路的差动闭环增益为现代医学电子仪器原理与设计14第三章 信号处理(二)同相串联结构的前置放大电路外电阻匹第三章 信号处理1.分析电阻失配的影响由于，并且，得到现代医学电子仪器原理与设计15第三章 信号处理1.分析电阻失配的影响由于，并且，得到现第三章 信号处理2.器件本身共模抑制比的影响A1的输出端形成的共模电压为A2的输出（即放大电路的共模输出）为现代医学电子仪器原理与设计16第三章 信号处理2.器件本身共模抑制比的影响A1的输出端第三章 信号处理放大器的总共模抑制比为 结论：同相串联结构的放大电路共模抑制能力的提高，取决于所用的器A1、A2本身的共模抑制比是否相等，并且受外回路电阻

7、的匹配精度影响。现代医学电子仪器原理与设计17第三章 信号处理放大器的总共模抑制比为 结论：同第三章 信号处理集成仪器放大器的技术参数主要包括以下几种：1.输入阻抗2.共模抑制比（CMRR）3.偏置电流4.输入失调电压5.输入噪声现代医学电子仪器原理与设计18第三章 信号处理集成仪器放大器的技术参数主要包括以下几种第三章 信号处理4.前置级共模抑制能力的提高（一）屏蔽驱动（二）右腿驱动技术现代医学电子仪器原理与设计19第三章 信号处理4.前置级共模抑制能力的提高（一）屏蔽驱第三章 信号处理第二节 隔离级设计隔离：信号从浮地部分传递到接地部分，两部分之间没有电路上的直接联系。实现电气隔离有两种方

8、案：电磁耦合；光电耦 合。第三节 生理放大器滤波电路设计 滤波电路最常采用由集成运算放大器和RC网络组成的有源滤波器。它的功能是允许指定频段的信号通过，而将其余频段的信号加以抑制或使其急剧衰减。现代医学电子仪器原理与设计20第三章 信号处理第二节 隔离级设计隔离：信号从浮地部分传第三章 信号处理常用的设计方法有公式法、图表法和计算机辅助设计法。计算机辅助设计法：滤波软件设计法和网络在线设计工具。Microchip Technology Inc：FilterLabNational Semiconductor Corporation：WEBENCH Active Filter Designer现代

9、医学电子仪器原理与设计21第三章 信号处理常用的设计方法有公式法、图表法和计算机计第七章 心脏治疗仪器与高频电刀第一节 电刺激治疗类仪器设计原理 频率小于1kHz时的电流对人体细胞组织的作用主要是以刺激效应为主。 决定组织兴奋后能否接受下一个刺激而产生兴奋的关键是组织绝对不应期的长短。 大多数哺乳动物动物神经肌肉组织产生刺激兴奋的最佳频率都是在100Hz左右。 当刺激频率大于1MHz后，几乎没有任何刺激作用了。这时人体承受电流的能力随频率逐步增大，其产生的效应主要是热效应。现代医学电子仪器原理与设计22第七章 心脏治疗仪器与高频电刀第一节 电刺激治疗类仪器设计原第七章 心脏治疗仪器与高频电刀电

10、刺激系统脉冲发生器产生使神经去极化 的脉冲序列；导联线把脉冲传输到刺激部位；电极把脉冲安全、有效地传输到可兴奋组织。一、刺激方式与效应(一)电刺激的类型现代医学电子仪器原理与设计23第七章 心脏治疗仪器与高频电刀电刺激系统脉冲发生器产生使第七章 心脏治疗仪器与高频电刀按电刺激部位分为三类：表面刺激；经皮刺激；植入式刺激。表面刺激特点：电刺激系统三部分都在体外，电极放在皮肤上或要刺激的肌肉的运动点附近，也可放在特定的穴位上。应用：神经与肌肉的医疗康复。局限性：不能可靠的刺激皮肤下面的组织，也不能刺激深层肌肉。现代医学电子仪器原理与设计24第七章 心脏治疗仪器与高频电刀按电刺激部位分为三类：表面刺

11、第七章 心脏治疗仪器与高频电刀经皮刺激特点：电极置于体内，并靠近要刺激的部位。导联线穿过皮肤连接外部脉冲发生器。应用：短期或长期的刺激需要，但不是永久性的。植入式刺激特点：刺激器的三部分通过外科手术永久植入人体，植入完成后皮肤完全缝合。植入部分和体外部分的联系是通过非接触进行的。现代医学电子仪器原理与设计25第七章 心脏治疗仪器与高频电刀经皮刺激特点：电极置于体内，并(二)电刺激与电兴奋的基本因素刺激波形方波序列刺激序列参数频率、幅度和脉宽刺激频率尽可能小以防止肌肉疲劳并节约刺激能量。决定刺激频率的主要因素是肌肉的融合频率，即可以获得平滑肌响应的频率。(12Hz50Hz)对于表面电极，调节肌肉

12、力量的常规方法是保持刺激脉冲的频率和脉宽不变，改变刺激脉冲的幅度。第七章 心脏治疗仪器与高频电刀现代医学电子仪器原理与设计26(二)电刺激与电兴奋的基本因素刺激波形方波序列刺激序列参第七章 心脏治疗仪器与高频电刀 1.强度阈若电刺激的作用时间一定，则刺激强度必须达到某一最低值，才能引起组织兴奋，此值称为刺激强度的阈值（简称强度阈）。2.时间阈若刺激强度一定，能引起组织兴奋的最短刺激时间（脉冲宽度），即称为组织兴奋的时间阈值。现代医学电子仪器原理与设计27第七章 心脏治疗仪器与高频电刀 1.强度阈若电刺激的作用时间3.强度-时间曲线强度阈与时间阈之间存在一定的关系，这种关系用强度-时间曲线来表示

13、，如图7-4所示。(1)典线上的每一点代表一个阈刺激。(2)基强度：刺激时间无论多长，必须有一个最低的强度阈值，即基强度。利用时：以基强度作为刺激强度引起组织兴奋所需要的最短刺激时间。第七章 心脏治疗仪器与高频电刀现代医学电子仪器原理与设计283.强度-时间曲线强度阈与时间阈之间存在(1)典线上的每一点第七章 心脏治疗仪器与高频电刀(3)时值：用基强度的2倍作为刺激强度，所引 起组织兴奋所需要的最短刺激时间。结论：（1）为得到有效刺激，通常采用电流I=2IR，脉宽略大于时值的信号，此时产生兴奋所需能量最小。（2）不同组织的强度-时间曲线形状相同，但各自的基强度和时值不相同。现代医学电子仪器原理

14、与设计29第七章 心脏治疗仪器与高频电刀(3)时值：用基强度的2倍作为第七章 心脏治疗仪器与高频电刀(三)电刺激引起组织兴奋的原理静息状态兴奋状态现代医学电子仪器原理与设计30第七章 心脏治疗仪器与高频电刀(三)电刺激引起组织兴奋的原理第七章 心脏治疗仪器与高频电刀现代医学电子仪器原理与设计31第七章 心脏治疗仪器与高频电刀现代医学电子仪器原理与设计31第七章 心脏治疗仪器与高频电刀现代医学电子仪器原理与设计32第七章 心脏治疗仪器与高频电刀现代医学电子仪器原理与设计32第七章 心脏治疗仪器与高频电刀(四)电刺激的其他效应1.刺激的电化学效应2.电极腐蚀3.组织损伤现代医学电子仪器原理与设计3

15、3第七章 心脏治疗仪器与高频电刀(四)电刺激的其他效应1.刺激第七章 心脏治疗仪器与高频电刀第二节 心脏起搏器简介人工心脏起搏过程： 脉冲电流心脏（起搏功能障碍、房室传导障碍）按一定频率应激收缩。心脏起搏器功能： 产生电脉冲（一定强度、宽度）导线、电极心脏（心肌）。心脏起搏系统结构： 心脏起博器(低频脉冲发生器及其控制电路)、导线、刺激电极、电源。现代医学电子仪器原理与设计34第七章 心脏治疗仪器与高频电刀第二节 心脏起搏器简介人工心脏 一、人工心脏起搏器的作用1用于治疗： 病症：心律失常（高度或完全性房室传导阻滞、重度病态窦房结综合症等）2用于诊断： 心房调搏辅助诊断冠心病。 心房超速起搏法

16、诊断窦房结功能不全。 预测完全性房室传导阻滞是否将发生心脑综合症。第七章 心脏治疗仪器与高频电刀现代医学电子仪器原理与设计35 一、人工心脏起搏器的作用1用于治疗：2用于诊断：第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀3用于研究： 心血管生理和病理以及药理和临床应用的实验研究。现代医学电子仪器原理与设计36第七章 心脏治疗仪器与高频电刀3用于研究：现代医学电子仪器第七章 心脏治疗仪器与高频电刀(一)心脏起搏器的分类 1按照起搏器与病人的关系分类 (1)感应式： 原理：体外起搏脉冲载波发射体内接受器(感应线圈)解调(检波）起搏脉冲电极心脏。 优点：体内无电源，无电池使用寿命之忧。 缺点：接受效果不佳，

17、易受高频磁场干扰。仅构成固定型起搏。 应用：已趋于淘汰。 现代医学电子仪器原理与设计37第七章 心脏治疗仪器与高频电刀(一)心脏起搏器的分类 1按第七章 心脏治疗仪器与高频电刀(2)经皮式(体外携带式)： 原理：体外（按需或固定）起搏器电极经皮肤、静脉心脏。 优点：起搏频率、输出幅度、脉冲宽度、感知灵敏度等均可调。 缺点：导线经过皮肤，易感染，携带不便， 应用：仅用于临时抢救，不宜永久佩带。 现代医学电子仪器原理与设计38第七章 心脏治疗仪器与高频电刀(2)经皮式(体外携带式)第七章 心脏治疗仪器与高频电刀原理：埋植于皮下(胸部或腹部)，电极静脉心内膜或心肌表面。适合：永久起搏。目前使用大多属

18、此类。缺点：电源使用寿命短等。（3）埋藏式：2按照与心脏活动的P波和R波的关系分类 兴奋性即心肌受到刺激后引起反应的性能，又称应激性。现代医学电子仪器原理与设计39第七章 心脏治疗仪器与高频电刀原理：埋植于皮下(胸部或腹部)第七章 心脏治疗仪器与高频电刀(1)非同步型(固定型)起搏脉冲与P波、 R 波无关。(2)同步型起搏器分为P波同步、R波同步。 按照起搏器与患者心脏活动发出的P波与R波的关系分类有两种：3.按起搏电极分类(1) 单极型： 阴极起搏导管(或导线)静脉或开胸右心室(或右心房)，阳极(无关电极)腹部皮下(体外起搏器)或置于胸部(埋藏式起搏器，外壳即阳极)。现代医学电子仪器原理与设

19、计40第七章 心脏治疗仪器与高频电刀(1)非同步型(固定型)起第七章 心脏治疗仪器与高频电刀 (2)双极型： 阴极、阳极均与心脏接触(固定在心肌上) ；或阴极心内膜，阳极心腔内。 （二）各类起搏器简介 1. 固定型起搏器2R波同步型起搏器（1）R波抑制型(又称为按需型)（2）R波触发型(又称为备用型).现代医学电子仪器原理与设计41第七章 心脏治疗仪器与高频电刀 (2)双极型：（二）各类起搏第七章 心脏治疗仪器与高频电刀四、心脏起搏器的几个参数1起搏频率即起搏器发放脉冲的频率。一般认为，能维持心输出量最大时的心率为最适宜的心率，大部分患者6090次min较为合适2起搏脉冲幅度和宽度幅度电压幅度

20、；宽度脉冲持续时间。幅度宽度能量心搏所需能量（微焦级）5V(0.51)ms现代医学电子仪器原理与设计42第七章 心脏治疗仪器与高频电刀四、心脏起搏器的几个参数1起第七章 心脏治疗仪器与高频电刀3感知灵敏度 感知灵敏度是指起搏器被抑制或被触发所需最小的R波或P波的幅值。R波同步型=1.52.5mV。（R波=515mV，路径损失剩下23mV）P波同步型=0.81mV。 （P波=35mV，路径损失后更小）合理选取：过低不感知、感知不全； 过高误感知、干扰敏感。现代医学电子仪器原理与设计43第七章 心脏治疗仪器与高频电刀3感知灵敏度 感知第七章 心脏治疗仪器与高频电刀4反拗期 反拗期（ni）：同步型起

21、搏器对外信号不敏 感时间（=不应期）。 R波型：反拗期=30050ms。防止T波或起搏脉冲后电位的误触发。 P波型：反拗期=300500ms。防止窦性过速、外界干扰的误触发。 现代医学电子仪器原理与设计44第七章 心脏治疗仪器与高频电刀4反拗期 反拗期（ni）：第七章 心脏治疗仪器与高频电刀第三节 固定型和R波抑制型心脏起搏器多谐振荡器单稳态射频输出现代医学电子仪器原理与设计45第七章 心脏治疗仪器与高频电刀第三节 固定型和R波抑制型心脏第七章 心脏治疗仪器与高频电刀图7-10 R波抑制型心脏起搏器的结构方框图 R波抑制型心脏起搏器的一般结构框图如图7-10所示。主体部分包括感知放大器、按需功

22、能控制器、脉冲发生器三大部分。现代医学电子仪器原理与设计46第七章 心脏治疗仪器与高频电刀图7-10 R波抑制型心脏起第七章 心脏治疗仪器与高频电刀第四节 心脏起搏器的能源和电极一、心脏起搏器的能源二、心脏起搏器的电极（一）导线（又称为起搏导管）和电极的作用（二）电极类型1依其安置及用途的不同分类心内膜电极 心外膜电极心肌电极2按心内膜使用的电极分类单极心内膜电极 双极心内膜电极 特殊电极现代医学电子仪器原理与设计47第七章 心脏治疗仪器与高频电刀第四节 心脏起搏器的能源和电极第七章 心脏治疗仪器与高频电刀第五节 心脏除颤器心脏除颤器又名电复律机，它是一种应用电击来抢救和治疗心律失常的一种医疗

23、电子设备。一、心脏除颤器的作用 临床上通常用药物和电击除颤两种方法来治疗心律失常。(一)颤动机制含义：源于心肌的无序电兴奋，导致心脏正常跳动中协调的机械收缩特性丧失。这些节律不齐普遍认为是心脏内存在兴奋折返通路所致。现代医学电子仪器原理与设计48第七章 心脏治疗仪器与高频电刀第五节 心脏除颤器心脏除颤器又第七章 心脏治疗仪器与高频电刀(二)除颤机制措施:是用强电击来使绝大多数心肌细胞同时去极化，压制快速兴奋波的产生。这样细胞可以重新极化，回到各自的相位。强度持续时间关系用图7-12的曲线来说明。注意：(1)持续时间短的大电流会损伤心肌。(2)过强和过长的电击可能导致迅速重新颤动， 使得恢复心脏

24、功能失败。电击强度的依赖因素：(1)病人的自身特点；(2)电极采用的技术；(3)是否正在进行特别的节律失调治疗。现代医学电子仪器原理与设计49第七章 心脏治疗仪器与高频电刀(二)除颤机制措施:是用强电击第七章 心脏治疗仪器与高频电刀电流(A)负荷(C)能量(J)电击强度电击时间 图7.12(b) 典型的电流、能量、电荷对时间的关系电流(A)时间图7.12(a) 电流强度时间曲线。现代医学电子仪器原理与设计50第七章 心脏治疗仪器与高频电刀电流(A)负荷(C)能量(J)第七章 心脏治疗仪器与高频电刀二、心脏除颤器的一般设计原理(三)电极 体外除颤电极是金属的，表面积在70100cm2之间。 必须用一种导电材料和皮肤耦合以便达到电极-皮肤间的低阻抗。分类手持式粘贴式体内（见图7-18a）体外（见图7-18b ）现代医学电子仪器原理与设计51第七章 心脏治疗仪器与高频电刀二、心脏除颤器的一般设计原理(第七章 心脏治疗仪器与高频电刀(四)同步(五)自动体外除颤(六)除颤器的安全