第1课：生物医学电子学概论

生物医学工程学的研究以应用基础性研究为主，其 领域十分广泛，并在不断扩展。现阶段它所涉及的研 究领域主要有生物力学、生物材料、人工器官、生物 系统的建模与控制、物理因子的生物效应、生物系统 的质量与能量传递、生物医学信号的检测与传感器原 理、生物医学信号处理方法、医学成像和图象处理方 法、治疗与康复的工程方法等。与分子生物学相结合， 加强细胞和分子水平的研究，是生物医学工程发展的 一个重要趋势。利用多学科交叉的优势来揭示人类思 维和认知的奥秘，是21世纪生物医学工程学的一个主攻 方向。同时，微创伤手术、老年医学、家庭健康监护 和远程医疗等正在成长为新的研究领域。
3． 实验
教学安排
有4次“计划”的实验。希望不仅是要预习实 验内容，还要在认真完成实验基本内容的基础上， 尽量多学习仪器的使用、测试的方法、提高或改变 电路的参数、尝试……。做得多，学得多；碰到的 问题越多，学到的东西越多，本领越大。 应该注意：（1）安全；（2）爱护公物；（3）实验 后必须整理好仪器与器材、做好卫生。
三、医学仪器的一般结构
四、医学仪器设计
要遵循自上而下的原则。先从整体考虑： 1. 被测量的量是什么？信号的大小与频率？ 2. 要控制什么？ 3. 仪器的测量与控制的精度、性能。 4. 仪器的使用条件。 5. 仪器所具有的功能。 如信号的显示、记录、存储及其它一些功能。 6. 仪器的成本、设计或研发的时间，工艺条件。
最正确的学习方法： 最正确的学习方法：
实践！学习！ 实践！学习！ 再实践！再学习！ 再实践！再学习！
学习资源
1、精品课程网站： http://202.113.13.67/courses/shengwu/index.php 2、教材与参考书 《生物医学电子学》 生物医学电子学》 《实用电子技术1000问》 实用电子技术1000问 《电路学习与分析实例解析》 电路学习与分析实例解析》 3、老师，实验室，同学 4、图书馆与internet 、图书馆与internet
（三）、医学仪器的特点 ）、医学仪器的特点
1. 生物信号弱小，而干扰强大。信号可能只有干扰 生物信号弱小，而干扰强大。 的千分之一，给测量造成很大难度。 的千分之一，给测量造成很大难度。 2. 要考虑电极或传感器对测量结果产生影响； 要考虑电极或传感器对测量结果产生影响； 3. 能量的限制，我们不可能为了提高信噪比或提高 能量的限制， 治疗效果而无限制地提高外加能量， 治疗效果而无限制地提高外加能量，这会造成机 体的损伤； 体的损伤； 4. 对被测体必须是无害的，最理想的是无损伤的。 对被测体必须是无害的，最理想的是无损伤的。 安全考虑，由于病人本身已比较衰弱， 安全考虑，由于病人本身已比较衰弱，安全问题 就比较突出。 就比较突出。
治疗仪器
人工器官： 人工器官： 人工心脏、瓣膜、人工关节、 人工肝、 人工心脏、瓣膜、人工关节、假肢 、人工肝、人工肾 、 人工肺、人工听觉、人工角膜、 人工肺、人工听觉、人工角膜、人工晶体等 物理治疗仪器 –微波高温治疗仪 微波高温治疗仪 –放射治疗装置 ：钴60 、直线加速器 、X刀 、γ刀 放射治疗装置 –高频治疗设备 ：电刀 、射频消融 高频治疗设备 –超声治疗设备 ：体外冲击波碎石机 、超声乳化白内障手 超声治疗设备 术仪 –激光治疗设备 ：激光刀 、眼科激光准分子激光角膜屈光 激光治疗设备 矫正、 矫正、 皮肤美容激光器 –利用机械能的设备 ：呼吸机 利用机械能的设备 –利用磁场治疗的设备：低频磁场治疗仪 利用磁场治疗的设备： 利用磁场治疗的设备
诊断仪器
• 生理信息监测仪器 ：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 、血氧饱 和度监护仪 • 医用成像仪器 ：X射线诊断仪器（普通、数字化）、 X线计算机断层扫描仪(CT) 、核医学成像装置 (PET)、 超声诊断仪器 (B超,彩超)、磁共振成像仪器、 热成 像仪器(红外) • 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 • 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）
二、本课程的教学安排与学习方法
1． 考试
教学安排
A． 下节课公布考题 ，第7周抽题， 第13周答辩，第16周演示。 B． 评分标准： 设计报告30％ 测试报告30％ 制作与演示40％ C． 累积3次缺课（含实验）、缺作业或其他严重 违纪，不准参加考试。制作的电路不能达到设 计要求，不能通过。 D． 申请样片和自费购买器件。
简单的生物电的发现和测量历史表明，电 子学与生命科学的结合已有150年的历史。 现代科学研究表明：生命的最小单位是细 胞，而存在电活动是细胞表现生命活性的基本 特征。换言之，生命的本质在于“电”。因此 通过检测细胞或生物组织的电活动，可以了解 细胞或生物组织的生理状态或病理状态。
正如测量仪器是人们感官的功能与能力的延 伸一样，通过各种各样的传感器也可以将检测生 物“电”延伸到测量温度、压力、流量、成份、 成像、……，通过这些测量，人们可以研究各种 生命现象，诊断各种疾病。
三、
医学仪器的概念， 医学仪器的概念，分类和特点
）、医学仪器的概念 （一）、医学仪器的概念
指单独或者组合使用于人体的仪器、设备、 指单独或者组合使用于人体的仪器、设备、器 材料或者其他物品，包括所需要的软件； 具、材料或者其他物品，包括所需要的软件；其用 于人体体表及体内的作用不是用药理学、 于人体体表及体内的作用不是用药理学、免疫学或 者代谢的手段获得， 者代谢的手段获得，但是可能有这些手段参与并起 一定的辅助作用；其使用旨在达到下列预期目的： 一定的辅助作用；其使用旨在达到下列预期目的： 对疾病的预防、诊断、治疗、监护、缓解； 1、对疾病的预防、诊断、治疗、监护、缓解； 对损伤或者残疾的诊断、治疗、监护、缓解、 2、对损伤或者残疾的诊断、治疗、监护、缓解、 补偿； 补偿； 对解剖或者生理过程的研究、替代、调节； 3、对解剖或者生理过程的研究、替代、调节； 4、妊娠控制。 妊娠控制。
人们将电子学应用到生命科学与医学中的 同时，也从生命科学与医学的研究中获取许多 有益的启发。 人工神经网络
）、生命科学与医学的进展也启 （3）、生命科学与医学的进展也启 ）、 迪和促进了电子学的发展。 迪和促进了电子学的发展。
生物医学电子学的概念 用电子学的方法去解决生物医 学中的问题、提供临床上的诊、疗 手段和基础研究所需的手段，同时， 通过生物学的研究中向大自然学习。
辅助仪器
一部分与医疗有关的仪器或软件,既不直接用于作疾病 一部分与医疗有关的仪器或软件 既不直接用于作疾病 诊断，也不直接用于疾病的治疗， 诊断，也不直接用于疾病的治疗，但在现代医疗中占有极其 重要的作用,这些是医学辅助设备 这些是医学辅助设备。 重要的作用 这些是医学辅助设备。 –医学信息系统： 包括计算机网络系统及与此相应的医院 医学信息系统： 医学信息系统 信息系统、地区医疗网络与远程医疗设备、 信息系统、地区医疗网络与远程医疗设备、面向家庭的 医疗技术、人工智能与专家系统、 医疗技术、人工智能与专家系统、以及近年来迅速发展 PACS系统 图像存储于传输系统），电子病例等。 系统（ ），电子病例等 的PACS系统（图像存储于传输系统），电子病例等。 –其它辅助设备：包括消毒灭菌设备、照明设备（如无影 其它辅助设备：包括消毒灭菌设备、照明设备（ 其它辅助设备 图片灯）、中心供氧和制氧设备、废物处理设备、 ）、中心供氧和制氧设备 灯、图片灯）、中心供氧和制氧设备、废物处理设备、 手术台、电源系统和电安全监护器、 手术台、电源系统和电安全监护器、制冷设备和空调设 血库设备、制药机械设备等。 备、血库设备、制药机械设备等。
建议学习方法
1. 孔子论学习的三个层次： 知之，好之，乐之 2. 适应本课程学习的一个重要转折与标志： 分析→综合（设计） 3. 需要学习的三个层面： 器件，电路，系统 4. 学习的三个方面： 本课程的理论 本课程的实践 本课程与其他课程的结合 5. 学习的三句话： 学以致用，讲究实效，实事求是
学以致用：通过实践 学以致用：通过实践培养学生的兴趣、产生感性认 识，验证理论知识、检验应用能力，使学生彻底摆 使学生彻底摆 脱应试的怪圈。 脱应试的怪圈 讲究实效：运用各种传统和现代的教学手段和方式。 讲究实效：运用各种传统和现代的教学手段和方式。 通过课堂提问和讨论、发挥多媒体的优势、让学生 自拟习题和通过实验、阅览和BBS讨论等培养学生综 合能力。 实事求是：以全面提高学生的能力与素质为目的， 实事求是：以全面提高学生的能力与素质为目的， 将教学的视野从本课程的课堂扩展到对教学的各个 环节以及与其他课程的衔接进行全方位、综合、系 统地进行教学改革。
以上例子，电子学的作用是直接控制并输出到 生物组织以到达治疗或康复的效果。 其他物理量用于治疗：如微波、激光、γ射线 （γ刀），磁场，这些运用各种物理量的现代治疗仪 器和康复仪器中必须采用电子学的方法来进行控制。
）、电子学在生命科学与医学中的另 （2）、电子学在生命科学与医学中的另 ）、 一个作用是用于控制。 一个作用是用于控制。
问题2 问题2： 医学仪器在生物医学工程中的地位? 医学仪器在生物医学工程中的地位?
第一章 生物医学电子学 生物医学电子学概论
一、电子学在生命科学和医学中的作用
年物理学家Nobeli Nobeli首次用静电计方法 1842 年物理学家Nobeli首次用静电计方法 记录出蛙肌电图； 记录出蛙肌电图； 1903年 荷兰生理学家W Einthoven采用 1903年，荷兰生理学家W．Einthoven采用 弦线型电流计， 弦线型电流计，利用光学放大原理在感光板 上记录了第一个实用的心电图， 上记录了第一个实用的心电图，这是现代心 电图的雏形。 电图的雏形。 1929年 德国医生Hans Berger用检流计在 1929年，德国医生Hans Berger用检流计在 开颅的情况下记录了人的脑电图， 开颅的情况下记录了人的脑电图，从此揭开 了人类认识大脑的新纪元。 了人类认识大脑的新纪元。
（1）、 电子学在生命科学与医学中的 ）、 一个作用是测量生理参数和成份分析以及 成像。 成像。
神经肌肉电刺激是指利用低频脉冲电流，刺激 神经或肌肉，引起肌肉收缩，提高肌肉功能，治 疗神经肌肉疾患的一种方法。国外将电刺激用于 瘫痪治疗已有40多年的历史 。 用于治疗心脏骤停的必需装置——心脏起搏器。 目前治疗帕金森病最有效的脑深部刺激器—— 脑起搏器。
2． 作业
教学安排
每周三道自问自答题（2～7周，共6次作业）： A． 内容：书本上的问题、实验中的问题、任何你认 为是“问题”的问题； B． 要求：不能“抄”，对自己有帮助。但自己回答 不全、不准、甚至不能回答的问题均可以。 C ．作业网上提交，在求实BBS建立班级俱乐部。 作业采用word编辑，文件名和作业首行的格式为： “学号―姓名―作业序号”， 例如：“081234567－郝铜雪－1 ” 081234567－郝铜雪－1 D ．每周日晚12时前将本周作业上传。
精密仪器与光电子工程学院 周鹏 2009.2
问题1 问题1： 生物医学工程的内涵与外延？ 生物医学工程的内涵与外延？
生物医学工程（Biomedical Engineering, BME）是 综合生物学、医学和工程学的理论和方法而发展起来 的新兴边缘学科，其基本任务是运用工程技术手段， 研究和解决生物学和医学中的有关问题，揭示人体奥 秘，造福人类。多学科的交叉，使她不同于那些经典 的学科，也有别于生物学和纯粹的工程学科。由于她 在保障人类健康和为疾病的预防、诊断、治疗、康复 等方面起着巨大作用，发达国家均将它列入高技术领 域，投巨资予以发展。
（二）、医学仪器的分类 ）、医学仪器的分类
从输入和输出关系来分： －－测量仪器（或系统），如简单的心电图机 －－控制仪器（或系统），如简单的来自百度文库颤机 －－测控仪器（或系统），如按需起搏器
从临床应用功能来分（最常用的分类方式）： －－诊断仪器（或设备） －－治疗仪器（或设备） －－辅助仪器（或设备）