现代医学电子仪器原理与设计课件3
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现代医学电子仪器原理与设计(3、7、8小结)PPT课件
04.02.2021
18
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
04.02.2021
19
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案：电磁耦合；光电耦
合。
第三节 生理放大器滤波电路设计
Ad
Ad1Ad2
12R'F RW
RF R1
则两级放大电路的总共模抑制比为
C M R RA dA d1C M R R 12C M R R 3 A c A d1C M R R 3C M R R 12
04.02.2021
13
第三章 信号处理
(二)同相串联结构的前置放大电路 外电阻匹配为
R1 RF2 RF RF1 R2 R
第一级电压增益
Ad 1
1
2R 'F RW
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。
04.02.2021
11
第三章 信号处理 第一级输出端存在共模误差的输出电压：
CMRRD
A 'd A 'c
共模输出电压uoc折合到放大器输入端的共
模误差电压，即 u ' i c
04.02.2021
u 'ic
uic CMRRD
8
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。
现代医学电子仪器原理与设计课件第二版_第二章[46P][5.65MB]
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放大器内所有噪声源贡献的噪声，用与输入端串 联的阻抗为零的噪声电压发生器Un和与输入端并 联的阻抗为无穷大的噪声电流In以及二者的相关系 数C来表示。
设放大器输出端噪声为U no , 是由U ns ,U n 和I n 造成， 它们各自对U no的贡献：
U ns : U o1 U ns
Zi A Rs Z i
b)
I.
干扰耦合途径
传导耦合：经导线传播把干扰引入测试系统。 如：交流电源线、测试系统中的长线 。 经公共阻抗耦合： Rcs
Vc1 Vcs
II.
前 置 级
电 路 I
电 路 II
Rce
III.
近场： 远场： 2 2
电场和磁场耦合
：电磁波波长
电场干扰：主要以电容耦合引入。 磁场干扰：主要以电感性耦合引入干扰。 近场干扰： 1MHz 近场＜300m 30kHz 近场＜10km。
第一节 人体电子测量系统中的电磁干扰
一． 干扰的引入
干扰形成的三个条件：干扰源、耦合通道（即引 入方式）与敏感电路（即接收电路）。
干扰源 耦合通道 敏感电路
a)
干扰源：能产生一定的电磁能量而影响周围电路 正常工作的物体或设备。
自然界的干扰 外界干扰源： 周围电气、电子设备的干扰 50Hz工频干扰
Zin
Zin
ZG
Cd2 ZG
人体内位移电流通过右腿接地电阻ZG产生共模 干扰，在理想情况下，共模干扰通过系统的高共 模抑制比被克服。
VI.
生物电测量中磁场的电感性耦合(图2-14)
在人体和测试系统输入回路构成环路时，将在环路中感 应出干扰电压，其幅度为： SB cos
一般病室中B cos 3.2 10 7 Wb / m 2 则50 Hz感应电压 100 S ( V )。 回路面积限定在0.1m 2以下方可使电感耦合干扰电压小于10V
设放大器输出端噪声为U no , 是由U ns ,U n 和I n 造成， 它们各自对U no的贡献：
U ns : U o1 U ns
Zi A Rs Z i
b)
I.
干扰耦合途径
传导耦合：经导线传播把干扰引入测试系统。 如：交流电源线、测试系统中的长线 。 经公共阻抗耦合： Rcs
Vc1 Vcs
II.
前 置 级
电 路 I
电 路 II
Rce
III.
近场： 远场： 2 2
电场和磁场耦合
：电磁波波长
电场干扰：主要以电容耦合引入。 磁场干扰：主要以电感性耦合引入干扰。 近场干扰： 1MHz 近场＜300m 30kHz 近场＜10km。
第一节 人体电子测量系统中的电磁干扰
一． 干扰的引入
干扰形成的三个条件：干扰源、耦合通道（即引 入方式）与敏感电路（即接收电路）。
干扰源 耦合通道 敏感电路
a)
干扰源：能产生一定的电磁能量而影响周围电路 正常工作的物体或设备。
自然界的干扰 外界干扰源： 周围电气、电子设备的干扰 50Hz工频干扰
Zin
Zin
ZG
Cd2 ZG
人体内位移电流通过右腿接地电阻ZG产生共模 干扰，在理想情况下，共模干扰通过系统的高共 模抑制比被克服。
VI.
生物电测量中磁场的电感性耦合(图2-14)
在人体和测试系统输入回路构成环路时，将在环路中感 应出干扰电压，其幅度为： SB cos
一般病室中B cos 3.2 10 7 Wb / m 2 则50 Hz感应电压 100 S ( V )。 回路面积限定在0.1m 2以下方可使电感耦合干扰电压小于10V
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
第七章 心脏治疗仪器与高频电刀
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， 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。
现代医学电子仪器原理与设计
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
第三章 信号处理 第一级输出端存在共模误差的输出电压：
第七章 心脏治疗仪器与高频电刀
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：
(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。
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Hale Waihona Puke 室(或右心房)，阳极(无关电极)→腹部
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。
现代医学电子仪器原理与设计
第七章 心脏治疗仪器与高频电刀
一、刺激方式与效应 (一)电刺激的类型
脉冲发生器——产生使神经去极化 的脉冲序列；
电 刺 激 导联线——把脉冲传输到刺激部位； 系 统
电极——把脉冲安全、有效地传输 到可兴奋组织。
现代医学电子仪器原理与设计
第七章 心脏治疗仪器与高频电刀
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， 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。
现代医学电子仪器原理与设计
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
第三章 信号处理 第一级输出端存在共模误差的输出电压：
第七章 心脏治疗仪器与高频电刀
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：
(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。
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Hale Waihona Puke 室(或右心房)，阳极(无关电极)→腹部
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。
现代医学电子仪器原理与设计
第七章 心脏治疗仪器与高频电刀
一、刺激方式与效应 (一)电刺激的类型
脉冲发生器——产生使神经去极化 的脉冲序列；
电 刺 激 导联线——把脉冲传输到刺激部位； 系 统
电极——把脉冲安全、有效地传输 到可兴奋组织。
现代医学电子仪器原理与设计
现代医学仪器概论PPT课件
输出显示：
显示的最好形式，可以是数字的或图形的，离散的或连续的，永久 的或暂时的，这取决于特定的被测对象和操作人员的操作。
辅助部分
医学仪器定义：
通常是指那些单纯或者组合应用于人体的仪器，包括 所需的软件。其使用目的是：
（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、缓解或者补偿。 （3）解剖或生理过程的研究、替代或者调节。 （4）妊娠控制
在仪器的设计和检验的所有阶段，都必须考虑到病人和医 务人员的安全
1.6 医学仪器设计
影响仪器设计的的四个基本因素
信号因素
设计仪器时，应该首先考虑所获取的信号的大小、相位及其幅频响应 和相位响应。
环境因素
设计仪器需要考虑其在特定的使用环境所提出的技术要求。
医学因素
首先考虑仪器与人体之间的作用方式；其次考虑传感器对人体组织界 面的具体要求，要求所用材料无腐蚀性、无毒；再则考虑仪器具有一 定的散热性能和抗辐射的能力以及仪器的安全绝缘性能。
1.4 医学仪器的未来发展趋势
医学模式的变革 生物——技术
生物——心理——社会——技术
医学模式变革的原因
当代疾病的流行趋势发生改变 医疗费用的急剧上升令患者难以承担 现有模式失去了对疾病预防和早期诊断的便宜时机 技术发展使需求成为现实
医学仪器技术发展预测
仪器装置趋向于计算机化、智能化，远程医疗信息网络化， 诊疗用机器人将被采用。
人体控制功能的特点：
负反馈机制
人体控制系统对任意的外界干扰是稳定的，对系统内参数变化的灵敏度 也较低，原因是系统存在负反馈机制。
双重支配性
生物体往往是各自存在着促进器官和抑制器官的控制，并以两者的协调 工作来支配系统，构成负反馈控制机制。
显示的最好形式，可以是数字的或图形的，离散的或连续的，永久 的或暂时的，这取决于特定的被测对象和操作人员的操作。
辅助部分
医学仪器定义：
通常是指那些单纯或者组合应用于人体的仪器，包括 所需的软件。其使用目的是：
（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、缓解或者补偿。 （3）解剖或生理过程的研究、替代或者调节。 （4）妊娠控制
在仪器的设计和检验的所有阶段，都必须考虑到病人和医 务人员的安全
1.6 医学仪器设计
影响仪器设计的的四个基本因素
信号因素
设计仪器时，应该首先考虑所获取的信号的大小、相位及其幅频响应 和相位响应。
环境因素
设计仪器需要考虑其在特定的使用环境所提出的技术要求。
医学因素
首先考虑仪器与人体之间的作用方式；其次考虑传感器对人体组织界 面的具体要求，要求所用材料无腐蚀性、无毒；再则考虑仪器具有一 定的散热性能和抗辐射的能力以及仪器的安全绝缘性能。
1.4 医学仪器的未来发展趋势
医学模式的变革 生物——技术
生物——心理——社会——技术
医学模式变革的原因
当代疾病的流行趋势发生改变 医疗费用的急剧上升令患者难以承担 现有模式失去了对疾病预防和早期诊断的便宜时机 技术发展使需求成为现实
医学仪器技术发展预测
仪器装置趋向于计算机化、智能化，远程医疗信息网络化， 诊疗用机器人将被采用。
人体控制功能的特点：
负反馈机制
人体控制系统对任意的外界干扰是稳定的，对系统内参数变化的灵敏度 也较低，原因是系统存在负反馈机制。
双重支配性
生物体往往是各自存在着促进器官和抑制器官的控制，并以两者的协调 工作来支配系统，构成负反馈控制机制。
医学电子仪器原理与技术课件
心电监护仪是一种用于监测患者心电活动的医学电子仪器 ，通过电极片采集心脏电信号并显示在屏幕上，帮助医生 诊断心律失常、心肌缺血等疾病。
心电监护仪的应用场景包括手术室、重症监护室、急诊室 等，用于实时监测患者的心电情况，及时发现异常并采取 相应措施。
心电监护仪的优点包括操作简便、实时性强、可长时间连 续监测等，但也存在一些局限性，如易受干扰、不能完全 替代心电图机等。
介绍医学电子仪器中使用的各种算法，如 信号处理算法、控制算法等。
软件开发工具
软件测试与验证
阐述在医学电子仪器软件开发中使用的工 具和技术，如集成开发环境（IDE）、版本 控制系统等。
说明如何对医学电子仪器的软件进行测试 和验证，以确保其功能和性能。
医学电子仪器的系统集成与测试
系统集成
描述如何将医学电子仪器的硬件和软件 进行集成，形成一个完整的系统。
总线技术
采用标准化的总线技术，如USB、CAN等，实现模块 之间的通信。
集成测试
在仪器制造过程中，需要进行严格的集成测试，确保 各个模块之间的兼容性和稳定性。
03
医学电子仪器的技术
医学电子仪器的信号检测技术
信号检测技术
医学电子仪器通过特定的传感器将生理信号 转换为电信号，以便进行后续处理和分析。
THANKS
感谢观看
超声成像仪的应用实例
超声成像仪是一种利用超声波回声成 像的医学电子仪器，可以无创地观察 人体内部结构，广泛应用于妇科、产 科、心血管等领域。
超声成像仪的优点包括无创、无痛、 无辐射等，但也存在一些局限性，如 对气体和骨骼的穿透能力较弱、分辨 率较低等。
超声成像仪的应用场景包括产前检查 、妇科疾病诊断、心脏疾病评估等， 能够提供高清晰度的图像，帮助医生 准确判断病情。
心电监护仪的应用场景包括手术室、重症监护室、急诊室 等，用于实时监测患者的心电情况，及时发现异常并采取 相应措施。
心电监护仪的优点包括操作简便、实时性强、可长时间连 续监测等，但也存在一些局限性，如易受干扰、不能完全 替代心电图机等。
介绍医学电子仪器中使用的各种算法，如 信号处理算法、控制算法等。
软件开发工具
软件测试与验证
阐述在医学电子仪器软件开发中使用的工 具和技术，如集成开发环境（IDE）、版本 控制系统等。
说明如何对医学电子仪器的软件进行测试 和验证，以确保其功能和性能。
医学电子仪器的系统集成与测试
系统集成
描述如何将医学电子仪器的硬件和软件 进行集成，形成一个完整的系统。
总线技术
采用标准化的总线技术，如USB、CAN等，实现模块 之间的通信。
集成测试
在仪器制造过程中，需要进行严格的集成测试，确保 各个模块之间的兼容性和稳定性。
03
医学电子仪器的技术
医学电子仪器的信号检测技术
信号检测技术
医学电子仪器通过特定的传感器将生理信号 转换为电信号，以便进行后续处理和分析。
THANKS
感谢观看
超声成像仪的应用实例
超声成像仪是一种利用超声波回声成 像的医学电子仪器，可以无创地观察 人体内部结构，广泛应用于妇科、产 科、心血管等领域。
超声成像仪的优点包括无创、无痛、 无辐射等，但也存在一些局限性，如 对气体和骨骼的穿透能力较弱、分辨 率较低等。
超声成像仪的应用场景包括产前检查 、妇科疾病诊断、心脏疾病评估等， 能够提供高清晰度的图像，帮助医生 准确判断病情。
现代医学电子仪器原理与设计第二版-第一章 PPT课件
生理系统建模：是对系统整体各个层次的行 为、参数及其关系建立数学模型的工作，最 终希望用数学的形式表达出来。
建模的目的：是为了更好地了解生物系统的 行为及规律，为生物控制奠定基础。
意义：生物系统建模与仿真可以将生物系统 简化为数学模型并对此模型进行计算分析， 从而代替实际的复杂、长期、昂贵及至无法 实现的实验，大大提高研究效率和定量性， 并可研究人为施加控制条件以影响生物系统 运行过程。
等效电路模型
(二)、 数学模型黑推箱导方方法法
（三）、描述模型 描述模型：是一种抽象的（没有物理实体）、不
能（至少目前很难）用数学方程表达，只能用语 言（自然语言、程序语言）描述的系统模型。 可以认为，描述模型是系统模型向定量化、数学 化目标发展的一个中间过程，而建立系统的数学 模型是我们力求达到的目的。 三． 构建生理模型的常用方法与实例 （一）、理论分析法建模：是指应用自然科学中已被 证明的正确的理论、原理和定理，对被研究系统 的有关要素进行分析、演绎、归纳，从而建立系 统的数学模型。 （二）、类比分析法建模：若两个不同的系统可以用 同一形式的数学模型来描述，则两个系统就可以 互相类比。即是说，类比分析法是根据两个（或 两类）系统某些属性或关系的相似，去推论两者 的其他属性或者关系也可相似的一种方法。
一． 人体系统的特征 人体是一个复杂的自然系统，它由八大系统组成： 运动、循环、呼吸、消化、排泄、神经、内分泌 和生殖系统组成。
二． 人体控制功能的特点
负反馈机制：人体系统对外界干扰是稳定的。 反馈：将输出信息传递到输入端称为反馈。 负反馈：输出反馈量与输入量的极性相反。 负反馈的作用： 双重支配性：生物体很少以一个变量的正负值来单独控制。 多重层次性：上一级环路对下一级环路进行控制。 适应性：根据外界的刺激改变控制系统本身。 非线性：
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Ad1
Ac1
Байду номын сангаасU oc U ci
1 CMRR
2
-
1 CMRR
1
Ad1
第一级电路的共模抑制比：
CMMR12
Ad1 Ac1
1 1 -1
CMRR1 CMRR 2 (3 30) CMRR1 CMRR 2
CMRR 2 CMRR1
两级放大的差动增益：
Ad
Ad1
Ad 2
1
2R F1 RW
RF R1
生物电放大器，通常是对任意两点的电位差 进行放大，因此，生物电放大器前置级通常 采用差动放大电路结构。
生物电信号本身为高内阻的微弱信号。
一． 基本要求
（一）高输入阻抗
图3-1 生物电放大器和输入回路
ZS1
RT1
1
RS1
jRS1CS1
RL1
RT1 RS1 RL1 (3 1)
ZS2
RT 2
1
Ui2
- Ui1
理想情况下：第一级输出不产生共模电压； 选择A1，A2的性能参数，使之精确匹配， 可充分发挥对称电路误差电压抵消的优点， 并能获得低漂移。
第一级放大器放大倍数
:
Ad1
1
2R F1 RW
非理想情况下：考虑A1,A2器件本身的
共模抑制能力：
U oc
Uic CMRR
2
-
Uic CMRR 1
(3 31)
总的共模输出电压 : Uoc
Uic CMRR 12
Ad
- Uic CMRR 3
Ad 2
总的共模抑制比：
CMRR Ad Ad1 CMRR12 CMRR3 (3 33) Ac Ad1 CMRR3 CMRR12
选择A1，A2的性能参数，使： CMRR1,CMRR2 具有较好的对称性。则有：
)
通常：
，
1
，
2
，
3
F
1；
Ac1
1
2 3 F
1 RF R1
设： 1 2 3 F
电阻失配时的共模增益：A
c1
4
11 Ad
(3 19)
电阻失配时的共模抑制比：CMRR
R
Ad Ac1
1 Ad (3 20)
4
运算放大器本身的共模抑制比：CMRR
D
Ad' Ac'
Ac'
U
' oc
；U
U ic
理想运放的条件：虚短、虚断；
U U ; I I 0
则：U o2 U i2 U i2 U i1 U i1 U o1
RF1
Rw
RF1
Uo2
1
R F1 RW
U i2
-
R F1 RW
Ui1
- U o1
R F1 RW
Ui2
- 1
R F1 RW
U i1
U
' o
U o2
- Uo1
1
2R F1 RW
第一章：概述
医用电子仪器；
医学仪器的结构各工作方式；
主要技术特性；
复
医学仪器的特殊性；
习
医学仪器设计原则与步骤
总
第二章 噪声和干扰
结
人体电子测量中的电磁干扰
干扰形成的三个条件：干扰源、耦合通道、
敏感电路
测试系统的噪声
低噪声放大器设计
第三第 信号处理
第一节 生物电放大器前置级原理
生物信号特征——低频微弱信号，为了对生 物信号进行各种处理、记录、显示，必须首 先把信号放大到所要求的强度。
' oc
Ad'
U
' ；U
ic
' ic
U ic CMRRD
由电阻失配和运算放大器本身产生的共模误差电压：
U oc
Ac1U ic
U ic CMRR D
Ad
Ac
Uoc U ic
Ac1
Ad CMRRD
放大器总共模抑制比：
CMRR Ad CMRRD CMRRR (3 26) Ac CMRRD CMRRR
Zi，
并今Ad
Uo Us
则:
Ad'
Ad
Zi Zs Zi
(3 4)
（二）高共模抑制比
CMRR
Ad 差模增益 Ac 共模增益
UA
U CM
Zi
Zi ZS1
UB
UCM
Zi (3 5) Zi ZS2
共模电压转化为差模电压(Zi Zs1(Zs2 ) :
UA UB
UCM
Zs2 Zs1 (3 7) Zi
（四）设置保护电路
放大器输入保护(保护电路本身) 人体安全保护
校准电路：a).检验仪器工作情况；b).校 准仪器指示值。
二． 差动放大电路分析方法
理想运放的条件：虚短、虚断；
U U ; I I 0
U
U
:U
R2
R3
R3
U
i
2
Ui2 Uic Uid 2；U i1 Uic Uid 2(3 10,11)
RS 2
jRS 2CS 2
RL2
RT 2
RS 2
RL2 (3 2)
粗略估计， 与放大器输入端相连接的
信号源内阻高达约：100k。 这样，
放大器的输入阻抗至少应大于1M
放大器差模增益为Ad ， 输输出电压Uo
Uo
Us
2Zi ZS1 ZS2 2Zi
Ad (3 3)
设Z S1
ZS2
Z
，
S
且Z S
I I 0：I R1 I RF
I R1
U i1 U R1
I RF
U Uo RF
Uo
U
RF R1
U i1 U
Uo
1
RF R1
R2
R3
R3
U
i2
RF R1
U i1
1
RF R1
R3 R2 R3
RF R1
U ic
1
RF R1
R3 R2 R3
RF R1
U id 2
Uo Uoc Uod
U
：
oc
共模输出；
U
：
od
差模输出
令：1
RF R1
R2
R3
R3
RF R1
0(3 14)
CMRR Ad Ac1
为了补偿放大器输入平均偏值电流及其漂移：
令：R 1 // RF R2 // R3 R1 R2，R F R3 (3 16)
此时：A
d
RF R1
(3 17)
输入阻抗：r i 2R1
差动放大电路分析方法； --满足：高共模抑制比；低噪声、低漂移。 生物电放大器前置级的基本要求： 高输入阻抗； 高共模抑制比； 低噪声、低漂移； 差分电路解决了高共模抑制比； 尚未解决问题：高输入阻抗；
三． 差动放大应用电路
（一）同相并联结构的前置放大电路
图3-3 同相并联结构的前置放大电路
（三）低噪声、低漂移
生物电信号：微弱(微伏级、毫伏级)、低频 信号、高阻抗。
放大器本身固有噪声：组成放大器各元件 的噪声。--放大器放大的信号下限。
理想的生物放大器：1.低噪声；2.抑制外界 干扰；3.低零点漂移(对称结构的差动放大 电路对元件参数严格筛选；交流放大电路 零点不会逐级放大—放大直流信号可进行 调制—变成交流进行放大)。
非理想情况下：A
c1
1
RF R1
R3 R2 R3
RF R1
(3 18)
R1 R1(1 1)；R 2 R2 (1 2 )；R 3 R3 (1 3 )；R F RF (1 F )
Ac1
1 F 2 (1 1)(1 2 )
3 1 2 1 F RF R1 (1 1 )(1 2