现代医学电子仪器原理与设计课件第二版第一章
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模型一般分为三类：物理模型、数学模 型和描述模型。
物理模型
静态 动态
系统模型
数学模型
静态
数值法 解析法
动态
数值法 解析法
仿真模拟
ห้องสมุดไป่ตู้
描述模型
真实系统
模型
真实空间解
模型空间解
图1-3 生理系统建模的基本方法
几何相似模型
(一)、 物理模型生 力理 学特 相征 似相 模似 型模型
等效电路模型
3. 输入阻抗： Z X 1 X2
4. 灵敏度：输出变化量与引起它变化的输入变化量 之比。
S ＝ PS
N PN
5.
频率响应：仪器保持线性输出时，允许输入频率变
化的范围。
6. 7.
信噪比：信号功率与噪声功率之比。 S PS
噪
N
声：除被测信号之外的任何干扰。
PN
噪声内 外部 部噪 噪:声 :声 电 电路 磁本 干身 扰的热噪。声等 仪器内部噪声：输入端短路时的噪声电压。
一． 系统模型与建模关系
建立模型:确 结定 构系统的 ， 边界 建模的任 : 务鉴别系统系统、的 属实 性体 和活 。 动
提供数:要 据求各个属性间 关有 系 。确定
在选择模型结构时，要满足两个前提条件： 一是要细化模型研究的目的； 二是要了解有关特定的建模目标与系统结构性 质之间的关系。
系统模型的结构具有以下性质：
c) 结构有效：建模者不但搞清了实际系统内部 之间的工作关系，且了解了实际系统的内部 分解结构，可把实际系统描述为由许多子系 统相互连接起来而构成的一个整体。
二． 建立生理系统模型的基本方法
建模：即要建立一个在某一特定方面与 真实系统具有相似性的系统，真实系统 称为原型，而这种相似的系统称为该原 型系统的模型。
第一章 医学仪器概述
医学仪器：主要用于对人体的疾病进 行诊断和治疗，其作用对象是复杂的 人体，所以医学仪器与其它仪器相比 有其特殊性。
在医学仪器没有大量出现前，医生主 要凭经验通过手和五官来获取诊断信 息。现在，医学仪器可以将人体的各 种信息提供给医生观察和诊断。
ykxb
第一节 生物信号知识简介
ykxb
三． 生物信息的基本特性
不稳定性：如心电、血压等由于精神紧张， 心电畸变，血压升高。 非线性： 概率性： 四． 生物信息的检测与处理 生物信号检测：微弱、低频信号检测。 生物信号处理：时域、频域信号处理。
第二节 医学仪器的结构和工作方式
一． 医学仪器的基本构成
信号 采集
信号 预处理
反馈 控制
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：
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。
现代医学电子仪器 原理与设计
第二版
主 编 余学飞 主 讲 叶哲江
课程要求
课 程 要 求： 课程要求：不得缺席、迟到、早退。 作业，辅导（周四下午系办）。 考试成绩：平时成绩20%，实验10%，考 试70%。
本课程意义：
专业定位为：医用仪器设计、使用及维护。 学习医用仪器的结构、原理； 撑握医用仪器设计、使用、维护方法； 为就业及工作打下一定的基础。
信号 处理
记录 显示
刺激 激励
信号校准
数据 存储
数据 传输
图1-1 医学电子仪器结构框图
生物信号采集系统：被测对象，传感 器；
生物信号处理系统：信号预处理、信 号处理；
生物信号的记录显示系统：直接记录， 存储记录，数字式显示；
辅助系统：控制和反馈、数据存储和 传输、标准信号产生和外加能量等。
二． 医学仪器的工作方式 直接和间接方式：
(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。
直接工作方式： 间接工作方式：
实时和延时方式：
实时工作方式： 延时工作方式：
间断和连续: 模拟和数字:
Z＝ Vi Ii
第三节 医学仪器的特性与分类
一． 医学仪器的主要技术特性
1.
准确度：
准确 理 度 理 论 测 论 值量 值 1值 0% 0
2. 精密度：在相同条件下用同一种方法多次测量所 得数值的接近程度。
UNi＝20lg
UNO AU
7. 零点漂移：输入量恒定不变（或无输入信号）时， 输出量偏离原起始值而上下漂动，缓慢变化的现象。
8. 共模抑制比： CMRR＝ Ad
AC
9. Ad ：差模增益A c； ：共模增益。
二． 医用仪器的特殊性 生物信号检测（医用诊断仪器）： 标本化验
活体检测
生物系统不同于物理系统，在检测过程中，它不 能休止运转，也不能拆卸。因此，人体及生物信 息的特殊性构成了医用仪器的特殊性。
4. 接触界面的多样性：
传感器（电极）与被测对象间有一个合适接触良好 的界面。
5. 操作与安全性：
医用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，有时因操作失误产生 的危害也是不允许的。
操作者是医生或医辅人员，仪器操作必须简单、 安全、适用、可靠。
三． 典型医学参数（了解） P9 表1－1
第五节 生物医学仪器的设计原则与步骤
一． 设计原则： P12 图1－3
1. 信号因素： 2. 环境因素： 3. 医学因素： 4. 经济因素 5. 时代因素
二． 设计步骤
1. 生理模型的构建： 2. 系统设计： 3. 实验样机设计： 4. 动物实验研究： 5. 临床实验： 6. 仪器认证与注册：
谢谢聆听
共同学习相互提高
四． 医用仪器分类
诊断用仪器：断生监物护电、诊生理监功护能、
按用途 分
组织成分分析。、像诊断
理疗用仪器：疗电、疗磁、疗光、超。声波
第四节 生理系统的建模与仪器设计
构造一个真实系统的模型，在模型上进行实 验，成为系统分析、研究的十分有效的手段。 为了达到系统研究的目的，系统模型用来收 集系统有关信息和描述系统有关实体。也就 是说，模型是为了产生行为数据的一组指令， 它可以用数学公式、图、表等形式表示。模 型是对相应的真实对象和真实关系中那些有 用的和令人感兴趣的特性的抽象，是对系统 某些本质方面的描述，它以各种可用的形式 提供被研究系统的描述信息。
1. 噪声特性：
生物信号一般为微弱、低频信号，常见的交流感 应噪声和电磁感应噪声危害较大。一般来说，限 制噪声比放大信号更有意义。
2. 个体差异与系统性：
个体差异相当大，医用仪器必须适应人体的差异。 人体又是一个复杂的系统测定某部分机能状态时 必须考虑相关因素的影响。
3. 生理机能的自然性：
在检测时，应防止仪器（探头、传感器）因接触而 造成对被测对象生理机能的变化。
相似性：模型与所研究系统在属性上具有相 似的特性和变化规律；
简单性：实用的前提下，模型越简单越好；
多面性：对同一系统可以产生相应于不同层 次的多种模型；
模型的有效性用符合程度来度量，它可分为 以下三个不同级别的模型有效：
a) 复制有效：模型产生的输入输出与实际系统所得 到的输入输出数据是匹配的。
b) 预测有效：可预测实际系统的将来的状态和行为 变化，实际系统数据取得之前，能够由模型看出 相应的数据。
物理模型
静态 动态
系统模型
数学模型
静态
数值法 解析法
动态
数值法 解析法
仿真模拟
ห้องสมุดไป่ตู้
描述模型
真实系统
模型
真实空间解
模型空间解
图1-3 生理系统建模的基本方法
几何相似模型
(一)、 物理模型生 力理 学特 相征 似相 模似 型模型
等效电路模型
3. 输入阻抗： Z X 1 X2
4. 灵敏度：输出变化量与引起它变化的输入变化量 之比。
S ＝ PS
N PN
5.
频率响应：仪器保持线性输出时，允许输入频率变
化的范围。
6. 7.
信噪比：信号功率与噪声功率之比。 S PS
噪
N
声：除被测信号之外的任何干扰。
PN
噪声内 外部 部噪 噪:声 :声 电 电路 磁本 干身 扰的热噪。声等 仪器内部噪声：输入端短路时的噪声电压。
一． 系统模型与建模关系
建立模型:确 结定 构系统的 ， 边界 建模的任 : 务鉴别系统系统、的 属实 性体 和活 。 动
提供数:要 据求各个属性间 关有 系 。确定
在选择模型结构时，要满足两个前提条件： 一是要细化模型研究的目的； 二是要了解有关特定的建模目标与系统结构性 质之间的关系。
系统模型的结构具有以下性质：
c) 结构有效：建模者不但搞清了实际系统内部 之间的工作关系，且了解了实际系统的内部 分解结构，可把实际系统描述为由许多子系 统相互连接起来而构成的一个整体。
二． 建立生理系统模型的基本方法
建模：即要建立一个在某一特定方面与 真实系统具有相似性的系统，真实系统 称为原型，而这种相似的系统称为该原 型系统的模型。
第一章 医学仪器概述
医学仪器：主要用于对人体的疾病进 行诊断和治疗，其作用对象是复杂的 人体，所以医学仪器与其它仪器相比 有其特殊性。
在医学仪器没有大量出现前，医生主 要凭经验通过手和五官来获取诊断信 息。现在，医学仪器可以将人体的各 种信息提供给医生观察和诊断。
ykxb
第一节 生物信号知识简介
ykxb
三． 生物信息的基本特性
不稳定性：如心电、血压等由于精神紧张， 心电畸变，血压升高。 非线性： 概率性： 四． 生物信息的检测与处理 生物信号检测：微弱、低频信号检测。 生物信号处理：时域、频域信号处理。
第二节 医学仪器的结构和工作方式
一． 医学仪器的基本构成
信号 采集
信号 预处理
反馈 控制
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：
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。
现代医学电子仪器 原理与设计
第二版
主 编 余学飞 主 讲 叶哲江
课程要求
课 程 要 求： 课程要求：不得缺席、迟到、早退。 作业，辅导（周四下午系办）。 考试成绩：平时成绩20%，实验10%，考 试70%。
本课程意义：
专业定位为：医用仪器设计、使用及维护。 学习医用仪器的结构、原理； 撑握医用仪器设计、使用、维护方法； 为就业及工作打下一定的基础。
信号 处理
记录 显示
刺激 激励
信号校准
数据 存储
数据 传输
图1-1 医学电子仪器结构框图
生物信号采集系统：被测对象，传感 器；
生物信号处理系统：信号预处理、信 号处理；
生物信号的记录显示系统：直接记录， 存储记录，数字式显示；
辅助系统：控制和反馈、数据存储和 传输、标准信号产生和外加能量等。
二． 医学仪器的工作方式 直接和间接方式：
(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。
直接工作方式： 间接工作方式：
实时和延时方式：
实时工作方式： 延时工作方式：
间断和连续: 模拟和数字:
Z＝ Vi Ii
第三节 医学仪器的特性与分类
一． 医学仪器的主要技术特性
1.
准确度：
准确 理 度 理 论 测 论 值量 值 1值 0% 0
2. 精密度：在相同条件下用同一种方法多次测量所 得数值的接近程度。
UNi＝20lg
UNO AU
7. 零点漂移：输入量恒定不变（或无输入信号）时， 输出量偏离原起始值而上下漂动，缓慢变化的现象。
8. 共模抑制比： CMRR＝ Ad
AC
9. Ad ：差模增益A c； ：共模增益。
二． 医用仪器的特殊性 生物信号检测（医用诊断仪器）： 标本化验
活体检测
生物系统不同于物理系统，在检测过程中，它不 能休止运转，也不能拆卸。因此，人体及生物信 息的特殊性构成了医用仪器的特殊性。
4. 接触界面的多样性：
传感器（电极）与被测对象间有一个合适接触良好 的界面。
5. 操作与安全性：
医用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，有时因操作失误产生 的危害也是不允许的。
操作者是医生或医辅人员，仪器操作必须简单、 安全、适用、可靠。
三． 典型医学参数（了解） P9 表1－1
第五节 生物医学仪器的设计原则与步骤
一． 设计原则： P12 图1－3
1. 信号因素： 2. 环境因素： 3. 医学因素： 4. 经济因素 5. 时代因素
二． 设计步骤
1. 生理模型的构建： 2. 系统设计： 3. 实验样机设计： 4. 动物实验研究： 5. 临床实验： 6. 仪器认证与注册：
谢谢聆听
共同学习相互提高
四． 医用仪器分类
诊断用仪器：断生监物护电、诊生理监功护能、
按用途 分
组织成分分析。、像诊断
理疗用仪器：疗电、疗磁、疗光、超。声波
第四节 生理系统的建模与仪器设计
构造一个真实系统的模型，在模型上进行实 验，成为系统分析、研究的十分有效的手段。 为了达到系统研究的目的，系统模型用来收 集系统有关信息和描述系统有关实体。也就 是说，模型是为了产生行为数据的一组指令， 它可以用数学公式、图、表等形式表示。模 型是对相应的真实对象和真实关系中那些有 用的和令人感兴趣的特性的抽象，是对系统 某些本质方面的描述，它以各种可用的形式 提供被研究系统的描述信息。
1. 噪声特性：
生物信号一般为微弱、低频信号，常见的交流感 应噪声和电磁感应噪声危害较大。一般来说，限 制噪声比放大信号更有意义。
2. 个体差异与系统性：
个体差异相当大，医用仪器必须适应人体的差异。 人体又是一个复杂的系统测定某部分机能状态时 必须考虑相关因素的影响。
3. 生理机能的自然性：
在检测时，应防止仪器（探头、传感器）因接触而 造成对被测对象生理机能的变化。
相似性：模型与所研究系统在属性上具有相 似的特性和变化规律；
简单性：实用的前提下，模型越简单越好；
多面性：对同一系统可以产生相应于不同层 次的多种模型；
模型的有效性用符合程度来度量，它可分为 以下三个不同级别的模型有效：
a) 复制有效：模型产生的输入输出与实际系统所得 到的输入输出数据是匹配的。
b) 预测有效：可预测实际系统的将来的状态和行为 变化，实际系统数据取得之前，能够由模型看出 相应的数据。