现代医学电子仪器原理与设计课件第二版第一章
现代医学电子仪器原理与设计第二版-第三章PPT课件
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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 :A大 d1倍 12数 RRW F1
非理想情况下：考虑A1,A2器件本身的 共模抑制能力：
UocCU M ic 2R-CRU M ic 1R A R d1
.
10
；R；R；R R 1 R 1 ( 1 1 )2 R 2 ( 1 2 )3 R 3 ( 1 3 )F R F ( 1 F )
A c 1(1 1 1 ) 1 ( F 2) 2R F3 R 1(1 1 2 1)1 1 ( F2)
通常： 1，2，3，F 1；
Ac1
1
IR1Ui1R 1U IRFUR FUo
Uo
U
RF R1
Ui1U
Uo1R RF 1R2R 3R3Ui2R RF 1Ui1
1R RF 1R2R 3R3R RF 1Uic1R RF 1R2R 3R3R RF 1U 2id
： ； ： U o U o cU odU oc共模 U o 输 d差 出 模
.
9
令 ： 1R R F 1 R 2R 3R 3R R F 10 (31)4
CMRR Ad Ac1
为了补偿放大均 器偏 输值 入电 平流及 ： 其漂 令：R1//RF R2//R3R1R2，RF R3(316)
此：时 AdR RF 1 (31)7
：A 非理想 c 1 1 情 R R F 1 R 2 R 况 3 R 3 R R 下 F 1 (3 1)8
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；
现代医学电子仪器原理与设计复习指导
现代医学电子仪器原理与设计复习指导第一章医学仪器概述1.依据检测和处理信号的方法不同，医学仪器的工作方式分为：（直接）和间接、（实时）和延时、间断和连续、模拟和（数字）。
2.依据医学仪器的用途不同，医学仪器通常分为：（诊断）用仪器，如生物电诊断与监护、生理功能诊断与监护、人体组织成分的电子分析、人体组织结构形态影像诊断；（理疗）用仪器，如电疗、光疗、磁疗与超声波治疗.3.（生理系统的建模与仿真）方法，即是为了研究、分析生理系统而建立的一个与真实系统具有某种相似性的模型，然后利用这一模型对生理系统进行一系列实验，这种在模型上进行实验的过程就称为系统仿真。
4.（建模）是医学仪器设计的第一步和关键，是对生命对象进行科学定量描述的产物。
5.建模关系即模型的（有效性）度量主要包括：复制有效，在系统输入与输出上认识系统；预测有效，对系统内部状态及总体结构认识清楚；结构有效，内部状态、总体结构及分解结构均有了解等三个层次。
6.广义而言，生理系统的模型不仅包括人造的物理或（数学）的模型，也应包括动物模型。
7.（建模）即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，而这种相似性的系统就称为该原型系统的模型。
8.模型的建立蕴含的三层意思即（理想化）、（抽象化）和（简单化）9.模型可分为（数学模型）（物理模型）和（描述模型）三种.10.按照真实系统的性质而构造的实体模型即（物理模型）。
对生理系统而言，其物理模型通常是由非生物物质构成的，根据其与原型相似的形式可分为如下四种类型：（几何相似模型）、（力学相似模型）（生理特性相似模型）（等效电路模型）。
11.所谓（数学）模型，就是用数学表达式来描述事物的数学特性，它不像物理模型那样追求与客观事物的几何结构或物理结构的相似性，但可较好地刻划系统内在的数量联系，从而可定量地探求系统的运转规律。
12.构造一个数学模型主要包括（系统中各个作用环节的描述）即寻求一个适当的数学运算关系来描述系统的结构、功能和内在联系和（表征系统的固有特征量的提取）即主要来源于实验数据的参量提取两个方面的内容。
现代医学电子仪器原理与设计课件第二版第一章
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：
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 、属 的性 实和 体。活动
提供数:要 据求各个属性关 间系 有 。 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：
仪器内部噪声：UN输＝ i 2入0l端gUA短NUO路时的噪声电压。
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。CMRR＝ Ad
共模抑制比：
AC
Ad
Ac
：差模增益； ：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）：活标体本检化测验
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。
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。
现代医学电子仪器原理与设计复习指导(含答案)
现代医学电子仪器原理与设计复习指导(含答案)现代医学电子仪器原理与设计复指导（含答案）第一章医学仪器概述医学仪器的工作方式分为直接和间接、实时和延时、间断和连续、模拟和数字。
根据用途不同，医学仪器通常分为诊断用仪器和理疗用仪器。
诊断用仪器包括生物电诊断与监护、生理功能诊断与监护、人体组织成分的电子分析、人体组织结构形态影像诊断。
理疗用仪器包括电疗、光疗、磁疗与超声波治疗。
生理系统的建模与仿真方法是为了研究、分析生理系统而建立的一个与真实系统具有某种相似性的模型，然后利用这一模型对生理系统进行一系列实验，这种在模型上进行实验的过程就称为系统仿真。
建模是医学仪器设计的第一步和关键，是对生命对象进行科学定量描述的产物。
建模关系即模型的有效性度量主要包括复制有效，在系统输入与输出上认识系统；预测有效，对系统内部状态及总体结构认识清楚；结构有效，内部状态、总体结构及分解结构均有了解等三个层次。
广义而言，生理系统的模型不仅包括人造的物理或数学的模型，也应包括动物模型。
建模即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，而这种相似性的系统就称为该原型系统的模型。
模型的建立蕴含的三层意思即理想化、抽象化和简单化。
模型可分为数学模型、物理模型和描述模型三种。
按照真实系统的性质而构造的实体模型即物理模型。
对生理系统而言，其物理模型通常是由非生物物质构成的，根据其与原型相似的形式可分为如下四种类型：几何相似模型、力学相似模型、生理特性相似模型、等效电路模型。
数学模型是用数学表达式来描述事物的数学特性，它不像物理模型那样追求与客观事物的几何结构或物理结构的相似性，但可较好地刻划系统内在的数量联系，从而可定量地探求系统的运转规律。
构造一个数学模型主要包括系统中各个作用环节的描述即寻求一个适当的数学运算关系来描述系统的结构、功能和内在联系和表征系统的固有特征量的提取即主要来源于实验数据的参量提取两个方面的内容。
现代医学电子仪器原理与设计复习指导
现代医学电子仪器原理与设计复习指导第一章医学仪器概述1.依据检测和处理信号的方法不同，医学仪器的工作方式分为：（直接）和间接、（实时）和延时、间断和连续、模拟和（数字）。
2.依据医学仪器的用途不同，医学仪器通常分为：（诊断）用仪器，如生物电诊断与监护、生理功能诊断与监护、人体组织成分的电子分析、人体组织结构形态影像诊断；（理疗）用仪器，如电疗、光疗、磁疗与超声波治疗.3.（生理系统的建模与仿真）方法，即是为了研究、分析生理系统而建立的一个与真实系统具有某种相似性的模型，然后利用这一模型对生理系统进行一系列实验，这种在模型上进行实验的过程就称为系统仿真。
4.（建模）是医学仪器设计的第一步和关键，是对生命对象进行科学定量描述的产物。
5.建模关系即模型的（有效性）度量主要包括：复制有效，在系统输入与输出上认识系统；预测有效，对系统内部状态及总体结构认识清楚；结构有效，内部状态、总体结构及分解结构均有了解等三个层次。
6.广义而言，生理系统的模型不仅包括人造的物理或（数学）的模型，也应包括动物模型。
7.（建模）即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，而这种相似性的系统就称为该原型系统的模型。
8.模型的建立蕴含的三层意思即（理想化）、（抽象化）和（简单化）9.模型可分为（数学模型）（物理模型）和（描述模型）三种.10.按照真实系统的性质而构造的实体模型即（物理模型）。
对生理系统而言，其物理模型通常是由非生物物质构成的，根据其与原型相似的形式可分为如下四种类型：（几何相似模型）、（力学相似模型）（生理特性相似模型）（等效电路模型）。
11.所谓（数学）模型，就是用数学表达式来描述事物的数学特性，它不像物理模型那样追求与客观事物的几何结构或物理结构的相似性，但可较好地刻划系统内在的数量联系，从而可定量地探求系统的运转规律。
12.构造一个数学模型主要包括（系统中各个作用环节的描述）即寻求一个适当的数学运算关系来描述系统的结构、功能和内在联系和（表征系统的固有特征量的提取）即主要来源于实验数据的参量提取两个方面的内容。
现代医学电子仪器原理与设计课件第二版第五章
平均压：是在整个心动周期动脉压一平均值，由下式计算：
MP通常用以评价整个心血管系M 统的 状D P 况。 P S P D P (51 ) ○ 例如：整个心血管的阻力（ SVR）便可用平均压3（ MP），中心静脉压（ CVP）和心排量
（CO）求得。
平
均
左 心
压 （
MP
室
压
S ( M V C R C P ) V 8 O ( 0 5 P 2 ) ）
ICL7106 3位半数字万用表芯片，它 包括A/D 转换电路、LED 数码管显示、 驱动 ，仅仅使用一只 DC9V 电池，数 字电压表就可以正常使用了。Rp2为满 量程调整电位器。
U U；I I 0
运放A4：U1 U1 UO1 U1
R1 RT
03 导 管 进 入 测 压 部 位 ， 可 能 影 响 血 液 正 常 流 通 ， 甚 至 产 生 堵塞现象，从而造成测压误差。
04 传 感 器 的 感 压 面 与 插 入 体 内 的 测 压 导 管 端 口 不 是 处 在 同 一等压面上，其差值将直接导致测压误差，尤其是在测 量数值较低的静脉压时这个误差不能忽视。
1
连接导管腔与血压传感器 的管道，若采用可塑性较 强的一般输液管，其管腔 可能因血压的高低而舒张 和收缩，也可能因外部物 品挤压管道或管道扭动、 弯曲或管外的振动而导致 测压误差即产生所谓的的 导管鞭形畸变，如图512C所示。
2
在血压监护系统中，所使 用的连接三通接头制作各 异、内腔粗细不匀，导致 血液流动时的局部速度改 变，也会影响测压精度。
大气压力在人体中分布是均匀的，当测量人体相对压力值时，大气压力变化不会影响测量结果。但是， 当测量绝对压力时，大气压的变化就必须考虑，即在测量过程中应随时标测当时的大气压。
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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
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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：
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。
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
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。
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：
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。
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。
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。
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。
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第一节 生物信号知识简介
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。
(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：
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。
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。
共同学习相互提高
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。
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
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
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
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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