医用电子仪器分析及维护.ppt

1、,医用电子仪器分析与维护,贾楠 2014年1月,第一章,听说由你,学本事 得之为子孙,花金钱 施之于父母,第一章 医学仪器概述,本章内容： 医学仪器定义 医学电子仪器的结构和工作方式 医学电子仪器的特性和分类 医学仪器的开发与维修 医学仪器的发展趋势,现在,药,耗材,设备,仪器,器械,家具,将来,药,耗材,设备,仪器,器械,家具,未来”四化”,仪器耗材化 药物靶向化 医疗服务化 数字信息化,未来必要的能力,你会使用网络获取信息吗？ 你会提出问题吗？ 你会遵循说明书、手册吗？,第一节 医学仪器定义,医学仪器主要用于检测人体各种生理参数，并对其进行处理，供医生对患者的疾病进行诊断、治疗的仪器。-P

2、1,定义的解读,目的（P2）: 1、疾病的预防、诊断、治疗、监护或者缓解 2、损伤或残疾的诊断、治疗、监护、缓解或补偿 3、解剖或生理过程的研究、替代或者调节 4、妊娠控制,问题,为什么现在去医院看个感冒会被要求照X光？,第二节 医学仪器的结构和工作方式,共性在哪里 逻辑性 以信号检测提取、处理、应用为主线 检测提取：被测对象、传感器或电极 处理：放大器、滤波器、单片机/计算机、驱动 应用：记录显示、驱动 辅助系统 电源系统,第二节 医学仪器的结构和工作方式,医学仪器的系统框图 见P2 图1-1 由于人体各种生理参数具有幅度低、频率低、存在较强的噪声背景特点，所以，生理信号从人体检测出来到最终

3、以一种可视化的方式表示出来，需要经过信号检测、预处理、信号处理、现实记录几个环节 心电图机、脑电图机、肌电图机、监护仪器,背景知识：生物信号的基本特征,控制论创始人N.维纳：“人是一个维持稳态的机构”、“人的生命在于稳态的维持之中”,背景知识：生物信号的基本特征,不稳定性 非线性 概率性,直接/间接 实时/延时 连续/间断,病情 病种 环境,工程技术条件,背景知识：生物信号的检测与处理,1. 生物信号的检测,2. 生物信号的处理,针对生物信号的特点采用不同的电极或传感器,经过模数转换的信号在计算机中进行滤波、识别、分析等,系统框图的延伸,信号校准,数据存储,数据传输,检测系统 处理系统 记录显

4、示系统 辅助系统,1.生物信息检测系统 根据生物信息的特点，针对不同的生理参量，采用不同的方式（传感器和电极）（处理电路） 传感器和电极的性能好坏直接影响到医学仪器的整机性能，应该十分重视！,医学仪器的基本构成,背景知识：传感器,把各种生理信息转换成可供测量的电信号或其他可用信号,医学仪器的基本构成,2.生物信息的处理系统 为了从检测到的信号中获得更多的有用信息，同时使信息的特征更明确、更准确、更直观 3.生物信息的记录与显示系统 直接描记式记录器 存储记录器 数字式显示器 4.辅助系统,医学仪器的工作方式,直接和间接 实时和延时 间断和连续 模拟和数字,1.准确度（Accuracy） 2.精

5、密度(Precision) 3.输入阻抗(Input impedance) 4.灵敏度(Sensitivity) 5.频率响应(Frequency response) 6.信噪比(Signal to Noise Ratio) 7.零点漂移(Zero drift) 8.共摸抑制比(CMRR common mode rejection ratio),一、医学仪器的主要技术特性（或称为静态参数static characteristics）,第三节 医学仪器的特性与分类,背景知识:静态特性与动态特性,静态特性: 描述仪器对于直流或甚低频信号的性能。对于输入是恒值的信号,由输出信号特此说明测量的质量。

6、动态特性：他需要用微分和（或）积分方程来描述仪器的质量。,一、医学仪器的主要技术特性,1.准确度（accuracy）,准确度是衡量仪器测量系统误差的一个尺度。准确度定义为：,影响仪器准确度的原因：,元件的误差,指示或记录系统的机械误差,系统频响欠佳引起的误差,因非线性转换引起的误差,来自被测对象和测试方法的误差,不存在准确度为零的仪器,2.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， 用它可以表示出在相同条件下，用同一种方法多次 测量所得的数值得接近程度。,它不同于准确度，精密度高的仪器其准确度未必一定高。若两台仪器，在相同条件下使用，就容易比较出准确度与精密度的

7、不同。,一、医学仪器的主要技术特性,与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度),精确度(精密准确度),准确度：说明仪器输出值与真值的偏离程度。如,某流量仪器的准确度为0.3m3/s，表示该测量仪器的输出值与真值偏离0.3m3/s。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定精密度高。,精密度：说明测量仪器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个仪器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。例如，某测温仪器的精密度为0.5。精密度是随即误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。,精确度：是精

8、密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的代数和。机器的常以测量误差的相对值表示。,（a）准确度低 精密度低 （b）准确度低而精密度高 （c）精确度高 在测量中我们希望得到精确度高的结果。,3.输入阻抗（input impedance）,医学仪器的输入阻抗与被测对象的阻抗特性、所用电极或传感器的类型及生物体接触界面有关，表达式为：,若仪器使用的传感器作非电参数测量，对于一个压力传感器而言，其输入阻抗Z为被测量的输入变量X1和另一个变量X2的比值，即：,其功率P为：,一般生物电放大器的输入阻抗应比他本身的阻抗大 100倍以上才能满足要求。,一、医学仪

9、器的主要技术特性,输入阻抗反映一个系统对其前一级系统的功率要求，输入阻抗越高，它从前一级所吸取的电流越小(X2越小)，因而越容易与前一级系统相连接，不致引起前级输入信号的改变。许多生物信号都很微弱，不能像测量仪器提供较大的电流，否则将会引起被测量的生物信号发生变化（如幅度衰减）。因此要求用于生物医学测量的仪器具有很高的输入阻抗，例如生物电放大器的输入阻抗一般为210兆欧，用于测量细胞单位的微电极放大器的输入阻抗高达数十至数百兆欧。,背景知识: 输出阻抗,输出阻抗：反映系统输出端向后级系统提供电流的能力，输出阻抗越低，向后级系统提供电流的能力愈强。 Z0表示输入端接的负载阻抗；V0和Vh分别表示

10、系统输出端开路和接电阻Zh时的输出电压,4.灵敏度（sensitivity）,当输入为单位输入量时，输出量的大小即为灵敏度的值。,一、医学仪器的主要技术特性,输出变化量与引起它变化的输入变化量之比,对于线性系统，灵敏度是常数；对于非现行系统则不然； 当输出变化一定时,灵敏度越高的仪器对微弱输入信号反应的能力越强!,4.灵敏度（sensitivity）,灵敏度表示法：,生物电位v/cm、mv/cm、v/cm 压力mmHg/刻度 心率每分钟心博数/刻度 心率间隔s/cm、ms/cm、s/cm,一、医学仪器的主要技术特性,4.灵敏度（sensitivity）,输出响应的波形与输入信号相同，而幅度随输

11、入量同样倍数变化时称为线性。 在现性系统中，灵敏度对所有输入的绝对电平是相同的，并可以应用叠加原理。 实际上医学仪器不可能是一个理想的线性系统，有时为了满足一定的需要常引入非线性环节。,一、医学仪器的主要技术特性,背景知识：电平与绝对电平,在电子电路中，所谓“电平”，指的是电路中的两点或几点在相同阻抗下电量的相对比值。 在这里的电量指的是“电压”、“电流”和“电功率”。通常总是用某点为“高电平”，某点为“低电平”来叙述 虽然未指出高、低电平的数值，但通常高电平总是指接近于工作电源电压的数值，而低电平则是指接近0v的电压数值。,背景知识：电平与绝对电平,在参考电平的设定中，有相对电平和绝对电平两

12、种选择。 两种方式完全是根据测量的需要来选择的 例如我们在测量放大器的增益时，若选取输入电压作为参考电平，则按照公式所求得的输出电平为相对电平。如果所选参考电平选取国家规定的标准值，则所求出的电平值为绝对电平。,背景知识：叠加原理,定义：由全部独立电源在线性电阻电路中产生的任一电压或电流，等于每一个独立电源单独作用所产生的相应电压或电流的代数和。 比如，物理中几个外力作用于一个物体上所产生的加速度，等于各个外力单独作用在该物体上所产生的加速度的总和，这个原理称为叠加原理。,背景知识：叠加原理,定义：由全部独立电源在线性电阻电路中产生的任一电压或电流，等于每一个独立电源单独作用所产生的相应电压或

13、电流的代数和。 比如，物理中几个外力作用于一个物体上所产生的加速度，等于各个外力单独作用在该物体上所产生的加速度的总和，这个原理称为叠加原理。,背景知识：叠加原理,叠加原理是指:如果系统相应于任意两种输入和初始状态(u1(t),x01)和(u2(t),x02)时的状态和输出分别为(x1(t),y1(t)和(x2(t),y2(t), 则当输入和初始状态为(C1u1(t)+C2u2(t),C1x01+C2x02)时，系统的状态和输出必为(C1x1(t)+C2x2(t),C1y1(t)+C2y2(t) 其中x表示状态,y表示输出，u表示输入，C1和C2为任意实数。,背景知识：叠加原理,线性系统的状态

14、变量(或输入变量)与输出变量间的因果关系可用一组线性微分方程或差分方程来描述，这种方程称为系统的数学模型。 作为叠加性质的直接结果，线性系统的响应可以分解为两个部分：零输入响应和零状态响应。 前者指由非零初始状态所引起的响应；后者则指由输入引起的响应。两者可分别计算。 这一性质为线性系统的分析和研究带来很大方便。,背景知识：非线性度,5.频率响应（frequency response）,频率响应是指仪器保持线性输出时允许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。 一般的医学仪器要求在通频带内应有平坦的响应。,一、医学仪器的主要技术特性,频率响应,频率响应 简称频响，(Frequ

15、ency Response)，在电子学上用来描述一台仪器对于不同频率的信号的处理能力的差异。 频响也称响曲线，是指增益随频率的变化曲线。理想的频响曲线应当是平直的，声音信号通过后不产生失真。,背景知识:增益,表示放大器功率放大倍数,以输出功率同输入功率比值的常用对数表示，单位为分贝,用以表示功率放大的程度。亦指电压或电流的放大倍数。,如果a的n次方等于x（a0，且a不等于1），那么数n叫做以a为底x的对数（logarithm），记作n=ax其中，a叫做对数的底数，x叫做真数,n叫做“以a为底x的对数”。,频率响应,有没有看懂了一些?,6.信噪比（signal to noise ratio）,一

16、、医学仪器的主要技术特性,噪声:除被测信号之外的任何干扰都可称为噪声. 外部噪声 磁场干扰 内部噪声 电子器件的热噪声 散粒噪声 1/f噪声,背景知识：热噪声,thermal noise 又称白噪声。是由导体中电子的热震动引起的，它存在于所有电子器件和传输介质中。它是温度变化的结果，但不受频率变化的影响。热噪声是在所有频谱中以相同的形态分布，它是不能够消除的，由此对通信系统性能构成了上限。,背景知识：电阻的热噪声,引起电路中电流或电路两点间电位差不停起伏的电阻热噪声 它是电阻的固有性质，任何电阻器都不例外。 Vn= 4kTRB0.5 其中k为波尔兹曼常数（1.38x1023J/K），T为电阻的

17、温度，B是带宽，R是电阻阻值。 由于噪声与绝对温度的平方根成正比，所以用降低温度的方法降低噪声通常没有明显效果,背景知识：散粒噪声,散粒噪声是半导体的载体密度变化引起的噪声 散粒效应噪声是Schottky于1918年研究此类噪声时,用子弹射入靶子时所产生的噪声命名的。因此,它又称为散弹噪声或颗粒噪声。,背景知识：散粒噪声,在低频和中频下，散粒噪声与频率无关（白噪声），高频时，散粒噪声谱变得与频率有关。 散粒噪声有白噪声的特性，其电流均方值与电子电荷量q、总的直流电流Idc和带宽delt(f)成正比关系：I2=2*q*Idc*delt(f)。 这种噪声的强度随着平均电流强度或平均光强度增加，但是

18、由于电流强度或光强度的增加会使信号本身的强度增加相对散粒噪声的增加更快，增加电流强度或光强度实际是提升了信噪比。,背景知识：散粒噪声,噪声的历史 布朗运动爱因斯坦 Schottky贝朗实验室,背景知识：1/f噪声,宇宙中的“1/f 波动(1/f fluctuation ，1/f 噪声)”具有维系大环境平衡、和谐的重要作用 自然界存在着许多波动，可以按功率谱密度与频率的对应关系对其进行分类。有三种典型噪声的波动特性。 白噪声，功率谱密度平行于横轴，是与频率无关的量，1/f0 波动 布朗噪声，功率谱密度与 f2 成反比，我们称之为 1/f2 波动 1/f 波动介于上述两种形式之间的噪声，在局部呈无

19、序状态，而在宏观上具有一定相关性的噪声,背景知识：1/f噪声,事实证明：“1/f 波动”与人在安静时的脑波及心拍周期等生物体信号的变化节奏相吻合并与人的情感、感觉有着密切联系，使人能感到舒适。 人的感觉千差万别造成对美的感受各有不同，我们缺少一个客观评估的标准。而“1/f 波动”理论的提出使我们有了这样一个准则。,背景知识：内部噪声种类,背景知识：外部噪声（自然噪声）,背景知识：外部噪声（人为噪声）,背景知识：共模噪声,背景知识：共模噪声,6.信噪比（signal to noise ratio）,信噪比定义：信号功率PS与噪声功率PN之比,考察医学仪器信噪比的指标常用内部噪声电压Uni（设外部

20、噪声为零）,常用对数形式来表示：,其中，Uni为输入端短路时的内部噪声电压；Uno为输出端噪声电压；AU为电压增益。,一、医学仪器的主要技术特性,讨论放大电路放大微弱信号的能力时，常用信噪比来描述在弱信号工作时的情况,7.零点漂移（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、下飘动、缓慢变化的现象称为零点漂移。,造成零点漂移的原因：,环境温度及湿度的变化,滞后现象,冲击,振动,不希望的对外力的敏感性，制造上的误差等,一、医学仪器的主要技术特性,8.共模抑制比（common mode rejection ratio）,衡量放大差模信号和抑制共模信号

21、的能力为共模抑制比，用下式表示：,差模增益,共模增益,共模抑制比（CMRR）是衡量诸如心电、脑电、肌电等生物电放大器对共模干扰抑制能力的一个重要指标,共模抑制比主要由电路的对称性决定，也是克服温度漂移的重要因素。,一、医学仪器的主要技术特性,共模抑制比,输入回路的共模抑制比 差分放大电路的共模抑制比,课堂互动,医学仪器中何为有用信号？何为干扰信号？ 医学仪器中有用信号和干扰信号都是以何种方式输入的？,二、医学仪器的特殊性,被作用对象（人）的特殊性决定了医学仪器的特殊性 1.噪声特性 2.个体差异与系统性 3.生理机能的自然性 4.接触界面的多样性 5.操作与安全性,（一）噪声特性 从人体拾取的

22、生物信号不仅幅度微小，而且频率也低。（强噪声背景下的弱信号测量）必须尽量采取各种抑制措施，使噪声影响减至最小。 比如：交流感应噪声，电磁感应噪声 一般来说，限制噪声比放大信号更有意义。,背景知识： 感应噪声,感应噪声:电路中器件布局、配线和接地方式不当发生静电感应、 电磁感应并通过线路耦合而形成的噪声。,背景知识：抑制电磁干扰的原则,（二）个体差异与系统性 人体个体差异相当大，用医学仪器作检测时，应从适应人体的差异性出发，要有相应的测量手段。 人体又是一个复杂的系统，测定人体某部分的机能状态时，必须考虑与之相关因素的影响。要选择适当的检测方法，消除相互影响，保持人体的系统性相对稳定。,（三）生

23、理机能的自然性 在检测时，应防止仪器（探头）因接触而造成被测对象生理机能的变化。因为只有保证人体机能处于自然状态下，所测得的信息才是可靠的、准确的。 无损测量可以较好的保持人体生理功能的自然性,（四）接触界面的多样性 为了能测得人体的生物信息、必须使传感器（或电极）与被测对象间有一个合适的、接触良好的接触界面。,（五）操作与安全性 在医学仪器的临床应用中，操作者为医生或医辅人员，因此要求医学仪器的操作必须简单、方便、适用和可靠。 另外，医学仪器的检测对象是人体，应确保电气安全、辐射安全、热安全和机械安全，使得操作者和受检者均处于绝对安全的条件下。,三、典型医学参数,四、医学仪器的分类,N种方法,诊断用仪器 治疗用仪器 监护用一起,用途分类,四、医学仪器的分类,以输入、输出信号物理属性来看,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,各种物理量与电的转换（检测系统、处理系统）,医学电子仪器,测量、诊断,治疗类仪器,心电 脑电 肌电 诱发 电位,监 护 仪,血压 测量 仪器,心