生物医学工程学导论培训课件

医疗仪器现代医疗仪器

与生物医学工程学的关系

医疗仪器是生物医学工程研究成果的载体。生物医学工程研究的成果是现代医疗仪器设计和开发的核心和基础。医疗仪器的作用和分类医疗仪器的作用现代的医疗服务不但依赖医务人员的知识经验和思维判断，而且在很大程度上还要依赖实验手段和设备条件。提供先进、快捷、安全有效的仪器设备作为诊疗工具，是提高医疗服务质量的物质基础和先决条件。医疗仪器的作用从发展医学科学角度认识，一种先进的科学技术成果很快地应用到医学上来，对于促进医学科学水平的提高往往起到决定性作用。它使人们对疾病的认识从细胞水平深入到分子量子水平，从定性到定量、定位。可以说，装备水平已是医院现代化程度的一个重要标志。医疗仪器的历史回顾医疗仪器的历史回顾细胞的发现是借助于显微镜的发明（十九世纪）。19世纪末从体表记录到心电波形。荷兰生理学家W.Einthovon因对心电记录的贡献获得1924年诺贝尔奖。医疗仪器的历史回顾１８９５年１１月８日德国物理学家伦琴发现了X线，１８９７年德累斯特一家医院安装了伦琴机。伦琴获１９０１年诺贝尔奖。１９７２年，英国EMILtd.将计算机和X线技术结合而发明了X-CT，发明人Cormark（解析法）和Hounsfield（迭加法）获得了七九年诺贝尔生理学和医学奖。医疗仪器的历史回顾2003年诺贝尔生理学和医学奖颁发给美国的PaulCLauterburand英国的PeterMansfield以表彰他们为“磁共振成像”作出的原创性贡献.PaulCLauterbur1929出生于美国伊利诺斯州。1973年，他发现了在主磁场中引入梯度磁场用以创建二维图像的可能性，通过分析所发射的无线电波的特点，他能确定它的发射源。这使得可以形成用其他方法无法得到的结构的二维图像。SirPeterMansfield1933出生于英国诺丁汉郡。他进一步开发了梯度磁场的使用，提出了怎样从数学上分析所得到的信号，从而为开发有用的成像技术提供了可能。他还指出了怎样实现快速成像的方法（echo-planarscanning），从技术上为十年后在医学领域中的应用提供了基础。医疗仪器的分类诊断仪器治疗仪器辅助仪器诊断设备：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

诊断设备：

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

诊断设备：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诊断设备：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1：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治疗仪器2：放射治疗装置钴60直线加速器X刀γ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障手术仪超声雾化器治疗仪器3：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治疗仪器4：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医学辅助设备医疗仪器中的大部分是诊断仪器和治疗仪器，但也有一部分与医疗有关的仪器既不直接用于作疾病诊断，也不直接用于疾病的治疗，这些是医学辅助设备。除了计算机和网络设备组成的医院信息系统外，还有很多其它辅助设备：消毒灭菌设备、照明设备（如无影灯、图片灯）、中心供氧和制氧设备、吸引设备、废物处理设备、手术台、电源系统和电安全监护器、制冷设备和空调设备、血库设备、制药机械设备等。医学信息系统医学信息系统包括计算机网络系统及与此相应的计算医院自动化管理系统（包括行政和病史管理等）、地区医疗网络与远程医疗设备、面向家庭的医疗技术（工程）、医学教学工程（如多媒体辅助教学、电视等）设备、环境监控系统、人工智能与专家系统等。近年来，随着网络技术的迅速发展，PACS系统（图像存储于传输系统）已有所进展。医疗仪器的基本结构和原理医疗仪器原理框图电极和传感器电极：表面电极、埋藏电极、微电极传感器：

物理、化学、生物（酶、微生物、免疫）能量的发射和传导外加能量： 超声、光、X线、磁场监护仪监护仪监护的生理参数心电(ECG)、血压(BP)、呼吸(Resp)、脑电(EEG)、体温(Temp)、心输出量(CO)、饱和血氧浓度(SpO2)、经皮氧和二氧化碳分压(tpO2/CO2)、呼气末二氧化碳（etCO2）。心电监护的项目心电是最基本的监护参数，几乎所有的监护仪都有心电监护。心电监护最基本的项目有心率显示、心率上下限报警、心电波形的实时显示。心电监护仪通常还有以下被选功能：心律不齐检测、S-T段分析、回忆波形显示、趋势图分析、电极脱落报警、电源故障处理、数据储存和传送等。可以有多个通道同时记录多个导联。两种特殊的心电监护技术心电图负荷试验动态监护和分析系统

（AmbulatoryMonitorSystem，Holter）可以对日常生活中的病人作连续24小时不间断的监护，有利于对偶发的症状作记录和诊断。除了心电Holter外，还出现了血压监护Holter、脑电监护Holter、多道Holter和基于阻抗法的心输出量Holter等。Holter系统的组成分成两部分：携带式记录盒和快速回放分析部分。携带部分：包括生命信号获取、调理、储存和病人自觉症状的记录等功能。能记录24小时以上的信号（在介质上，如磁带、存储器）。分析部分：由存储信号解读部分和分析软件组成。主体是高性能的计算机。对所记录的信号进行分析和统计，也能显示、打印所存储的具体信号波形作为医生诊断的依据。回放和自动分析的速度一般可达记录速度60倍以上。血气监护血液中的HbO2和Hb光吸收曲线血液中的HbO2和Hb对不同波长的光的吸收系数不一样:在波长为600-700nm的红光(RED)区，Hb的吸收系数远比HbO2的大；在波长为800—1000nm的红外光(IR)区，Hb的吸收系数要比HbO2的小；在805nm附近是等吸收点。搏动式

动脉血氧饱和度监护仪搏动式血氧饱和度监护原理SaO2=KlR2+K2R+K3

K1、K2、K3是经验常数，R是在某个很小的时间间隔上，两种光电信号的幅度变化量之比，即：R=ΔRED/ΔIR除颤器心肌纤维性颤动当心肌因种种原因不能同步收缩而代之以蠕动样颤动时，心脏的泵血功能就完全丧失，心房肌肉的颤动称为房颤，心室肌肉的颤动为室颤。电击除颤电击除颤就是利用足够大的电流流过心脏来刺激心肌，使所有的心肌细胞同时去极化，然后同时进入不应期，从而促使颤动的心肌恢复同步收缩状态，使心肌恢复正常。只有一定幅度和一定的持续时间的电流才能起到除颤作用。电击除颤是由除颤器来完成的。直流除颤器自七十年代开始己在医院广泛普及。现己是手术室和急救科的必备设备。现代直流除颤器可分为常规的和自动的，自动除颤器又可分为体外的和植入体内的。开关在位置A时：电容器充电，电容器上储存的能量为除颤器的电路原理除颤电极

成人胸部电极和小儿电极

胸-背电极体内除颤电极电极和皮肤要接触良好（达到50Ω左右）只有减少电极和皮肤接触面的阻抗，才能减少能量作用于皮肤而使皮肤烧伤。当接触不好而导致阻抗增加时，实际作用于心肌的能量减少而造成除颤失败。

保证电极-皮肤接触良好的办法电极表面积足够大。直径7.5cm以上，常使用8cm直径的电极。用导电膏降低阻抗。但注意不要涂得太多而产生电极之间的旁路，使心肌得到的实际能量减少，除颤时，在电极上加以足够的压力(约25斤)使皮肤扁平，接触良好。有些除颤器电极内安装有压力感受器及开关，只有加上足够的压力才能接通开关。电极手柄上的电安全考虑

1.手柄和电缆线应核绝缘良好；2.手柄上要有护圈，以防操作人员不小心使手与电极板相接触，或导电膏被涂到手柄上。3.除颤触发按钮一般提倡仅安装在电极手柄，仪器的其它部位没有另外的除颤触发按钮4.除颤器的两个电极上都装有除颤按钮，并且是串联的，只有当两个按钮（S1、S2）同时按下时，高压继电器的回路才导通，才能使K接通而放电。电极上手柄上的其它技术电极上还有充电按钮，使得操作起来更为方便。用来提取心电信号，以便对心电作监护。同步除颤

定义：除颤脉冲的发放在时间上与心电同步。一般是在心电R波的下降期或下降期的中部时释放电击能量，以避开心脏的易损期。最佳的放电时间：R波的下降期或下降期的中部，这时整个心室肌纤维正处于绝对不应期，有利于心律的恢复、又可以避免电击不落在T波段。同步除颤顺序从病人身上取得心电信号检测出R波30ms延迟触发放电由于正常人室壁激动时间小于30ms，所以这时除颤脉冲大约是在R波的下降期中部。同步除颤安全使用的特殊考虑为病人的安全起见，一般要求除颤器在刚接通电源时，自动置非同步状态，以便抢救时使用。因室颤比房颤更危险。目前新型的除颤器都是用微处理芯片组成的电路来完成逻辑控制功能。自动除颤植入式除颤器即自动植入式心律转复/除颤器（AICD）：这种仪器能检测室速或室颤，并能自动连续释放25至30焦耳的电脉冲。对于非常严重的，经常室速或室颤发作甚至从死亡线上救回的而且无法用药物控制的病人，可防止忽然发作死亡.自动体外除颤器植入式除颤器自动体外除颤器AutomatedExternalDefibrillator,AED具有心律分析能力，可分为全自动和半自动两类。生物信号处理连续信号和离散信号：连续信号在连续时间和空间中定义，可以由连续变量函数描述。离散信号指在离散的时间或空间点上定义，并被描述成数字序列。确定性信号和随机信号：确定性信号能用数学函数或定则描述，包括周期信号和暂态信号随机信号是那种仅在零相位相关的那种信号。随机信号常以概率分布等统计特性来描述和分析。平稳随机信号：其频谱或统计特性不随时间变化；非平稳随机信号：其频谱或统计特性随时间而变化。生物系统产生的信号通常总是连续信号。实际生物信号总是不有一些不确定的噪声或参数变化，因而是不确定性的。休息时的正常心电图看上去几乎是周期性的，然而P波，QRS波的精确形状并完全不相同，各个QRS波的间隔（心率）也不相同，R-R间期，也即心率变异（HRV）程度是预测心脏健康的一个指标。信号的检测要将原始信号中的有用信息保留下来，这些信息将用于疾病诊断。在对生物信号的放大、滤波、模/数转换等过程中都不能造成信号的失真以致误解。传感器模拟信号调理数据采集系统数据存储和显示数字信号处理需观察的参数信号调理使得传感器获取的信号符合A/D转换器将其进行数字化的要求信号调理内容：放大、滤波、线性补偿、信号激励、以及电气隔离等。A/D转换器用于将生物信号由连续的模拟波形转变为数字信号的电子器件。它衡量输入的模拟信号的大小，输出相应的数值信号。原先由传感器检测出来并经过放大和滤波后的模拟波形是连续信号，A/D转换器将其转换成了离散的数字信号。所谓离散信号由一系列数字组成的序列。用A/D转换进行信号采样时需要考虑的两个问题：用几位二进制数来表示采集到的电压幅值？采样的时间间隔应该为多少是合适的？纳奎斯特（Nyquist）定理采样后的数字信号必须要能精确的描述原来的模拟信号。如果采样率太低会造成数字信号失真。纳奎斯特定理要求最小采样频率应该是原始模拟信号的最高频率fmax的两倍。即fnyquist=2

fmax例：ECG信号的频率范围是0.5-100Hz，那么它的最低采样频率应是：fnyquist=2

100Hz=200次采样/秒。采样率过低造成的信号失真生物信号的频域描述

动脉血压波形和谐波生物信号既可以在时域中表示也可以在频域中表示信号的频率成分在时域中难以辨别，而在频域中能方便地将其分离出来进行分析，对于许多不同的生物信号处理方法和应用，包括滤波和频谱分析，生物信号的频率描述是非常有用的。下图左边是正弦信号和经FFT计算得到的频谱，图右是淹没在噪声中的正弦信号和它的频谱。EEG功率谱分析Beta,Alpha,ThetaandDeltabandsandpowers(v2)foran8secondepochRelativePower:%ofTotalPowerineachrangeDelta=0.5-4Hz,

Theta=4-8Hz,

Alpha=8-13Hz,

Beta=13-32Hz<8Hzslowwaves>13Hzfastwaves0.530HzV2正常EEG:清醒思考状态0.5481330Frequenz[Hz]aJbdMedian

frequenz:10HzPower[µV2]SEF95:25HzNormalEEG:深睡状态0.5481330Frequenz[Hz]aJbdMedian

frequenz:2.5HzPower[µV2]SEF95:15Hz脑电地形图

频带分类通过傅立叶变换后的脑电功率信号，按不同频率进行分类:δ频带为2

3.8Hz，θ频带为4

7.8Hz，α1频带为8

9.8Hz，α2频带为10

12.8Hz，β1频带为13

19.8Hz，β2频带为20

29.8Hz。

正常人六频带脑电地形图左颈动脉闭塞