医疗仪器原理与设计期末总结缩印

医学仪器（medical instrument ）：以医学临床诊治和医学研究为目的的仪器，包括所需软件。 生物信息：生物体的细胞、组织、器官的生理、病理、药理过程所反映出来的各种信息 。

医学电子仪器主要是用来检测和处理生物信息，从而分析研究人体（生物体）的结构与机能，给诊断提供依据，或用于辅助治疗。

该类医学仪器主要有两方面用途：

（1）探寻生物成份或生物组织机体的特性和内部结构（用来诊断）；

（2）导致生物特性的改变或形成生物效应和破坏（用来治疗和康复手术）例如：辐射治疗肿瘤、激光治疗近视眼等。

医学仪器基本构成

（一）生物信号采集系统：包括被测对象、传感器或电极，它是医学仪器的信号源。传感器和电极的性

能好坏直接影响到医学仪器的整体性能。

（二）生物信号息处理系统：对信息检测系统传送过来的信号进行处理，包括放大、识别（滤波）、变

换运算等各种处理和分析。

（三）生物信息的记录与显示系统：将处理后的生物信息变为可供人们直接观察的形式 。 （四）辅助系统：辅助系统一般包括控制和反馈、数据存储和传输、标准信号产生和外加功能源等部分。

医学仪器工作方式：

医学仪器的工作方式是指因其检测和处理生物信息方法的不同，而采用的直接的或间接的、实时的或延

时的、间断的或连续的、模拟的或数字的各种工作方式。 一、医学仪器的主要技术特性

a) 1. 准确度（accuracy ） b) 2. 精密度（precision ） 用同一种方法多次测量所得的数值的接近程度。 c) 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。其表达式通常为：

d) 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。 e) 5. 频率响应（frequency response ） f) 6. 信噪比（signal to noise ratio ） 噪声定义：除被测信号之外的任何干扰。 g) 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。

8. 共模抑制比（CMRR ——common rejection ratio ） 衡量放大差模信号和抑制共模信号的能力为共模抑制比，用下式表示：CMRR=Ad/Ac;

9. 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

三．建立生理系统模型的基本方法

将实际条件理想化，将具体事物抽象化，将复杂系统简单化

四．构建生理模型的常用方法

理论分析法：应用自然科学中已被证明的正确的理论、原理和定律，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。建模案例：无创血氧饱和度检测

类比分析法：建模案例：无创连续血压测量 数据分析法：心率变异性分析

四、医学仪器的分类

1.基本分类方法:（1）根据检测的生理参数来分类;（2）根据转换原理的不同进行分类

（3）根据生理系统中的应用来分类;（4）根据临床的专业进行分类

2.医学仪器按用途分类 （1）诊断用仪器（2）理疗用仪器

（一）物理模型::根据实体性质构造的模型

（二）数学模型:利用数学表达式刻画系统内部的数量关系，定量探求系统运转规律。1、黑 箱方法2、推导方法

（三）描述模型：抽象（没有物理实体）、不能（或很难）用数学方程表达，只能用自然语 言或程序语言描述的系统模型，即尚未数学化或有待数学化的模型。

医学仪器设计步骤：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仪器的认证与注册。

第二章 生物信息检测中的噪声和干扰

（一）干扰源：能产生一定电磁能量影响周围电路正常工作的物体或设备称为干扰源。 （二）干扰耦合途径：传导耦合：经导线传播把干扰引入测试系统，称为传导耦合。

经公共阻抗耦合：在测试系统内部各单元电路之间，或两种测试系统之间存在公共阻抗，电流流经公共

阻抗形成的压降造成干扰。

电场和磁场的耦合：场的特性取决于“场源”的性质、场源周围的介质以及观察点与源之间的距离等。 近场感应耦合：1）电容性耦合，2）电感性耦合 生物电测量中电场的电容性耦合

采取下述方法减小U2S ： 远离干扰源，削弱干扰的影响。采用绞合线的走线方式。尽量减少耦合通路，即减少面积A 和cos θ值。

二. 合理接地与屏蔽：一）合理接地：一类是安全接地，称为保护接地；一类是工作接地，即对信号电压设立基准电位。二）屏蔽效果 泛指在两个空间区域加以金属隔离，用以控制从一个区域到另一个区域电场或磁场的传播

三. 其它抑制干扰的措施：隔离，去耦，滤波，系统干扰的抑制。

生物医学测量系统中的主要噪声类型：1/f 噪声－－闪烁噪声、低频噪声 ，热噪声，散粒噪声 描述放大器噪声性能的参数：1。Un.In 参数。（二）噪声系数 F=总的输出噪声功率/源电阻产生的输出噪声功率=总的等效输入噪声功率/源的热噪声功率=输入信噪比(Si/Ni)/输出信噪比(So/No)；意义：噪声系数是放大器引起的信号质量（信噪比）恶化程度的度量。（三）多级放大器的总噪声

噪声性能指标：用放大器输入端对地短路时的固有噪声Uni 作为放大器的噪声性能指标。 第三章 信号处理

差动放大电路分析方法：1. 共模抑制比CMRRr=Ad/Ac1；定义由外电路电阻匹配精度所限定的放大器的共模抑制比为CMRRR ，所用的集成器件本身的共模抑制比为CMRRD 。

差动放大器的共模抑制能力受到以下因素的影响：1闭环电路的增益；2外电路电阻匹配精度；3放大器本身的共模抑制比等。

解决方法（提高生物电放大器前置级的输入阻抗）：

方案一：是把差动输入信号都从同相侧送入，采用图3-3的同相并联结构。 方案二：是在差动放大电路前面增加一级缓冲级（同相电压跟随器），实现阻抗变换。

同相并联差动放大电路构成生物电前置级时，其共模抑制能力取决于： （1）A1，A2运放器件的CMRR1和CMRR2的对称程度； （2）A3运放器件的共模抑制比； （3）差动放大级的闭环增益； （4）RF,R1电阻的匹配精度；

（5）同相并联的第一级差动增益。 浮地（或浮置），即信号在传递的过程中，不是利用一个公共的接地点逐级地往下面传送（如阻容耦合、直接耦合等），而是利用诸如电磁耦合或光电耦合等隔离技术，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。 设计方法：公式法

图表法： 有源带阻滤波器

滤除频带中某一频段内的成分

阻带宽度B ——表征带阻滤波器的频率抑制或选频特性。B 越小表示阻带越窄，即陷波器对阻带外的信号衰减越小。

品质因数Q ——Q 越高，频率选择性越好，但是较高的Q 值会导致滤波器性能不稳定。 工频陷波器——双T 有源陷波器和文氏桥陷波器

极化现象：在有电流通过电极/溶液界面时，电极电位从平衡电极电位E （0）变为一个新的、与电流密度有关的电极电位E （i ），将电极在有电流通过时的电极电位与它没有电流通过时的平衡电极电位发生偏离的现象 电极的极化：当电流流经一对电极时，电极会出现极化现象并产生极化电位。 标准导联：以两肢体间的电位差为所获取的体表心电。

心电图机信号通道部分电路：输入部分，威尔逊电阻网络，时间常数，导联切换复零电路，1mv 定标电路，电极脱落检测电路，肌电滤波电路，50Hz 滤波电路，灵敏度选择电路，光耦隔离电路

心电图机的主要性能参数：输入电阻，灵敏度，噪声和漂移，时间常数，线性，极化电压，阻尼，频率响应特性，共模抑制比，走纸速度，绝缘性能。

脑电图机导联：单极导联法是将活动电极置于头皮上，并通过导联选择开关接至前置放大器的一个输入端（G1）；无关电极置于耳垂，并通过导联选择开关接至前置放大器的另一个输入端（G2）。

双极导联法不使用无关电极，只使用头皮上的两个活动电极。这样记录下来的是两个电极部位脑电变化的差值，因此可以大大减小干扰，并可排除无关电极引起的误差；

生理血压力量的直接测量：第一类：将血管内测量点的压力引出(一般通过充满液体的导管)体外，传感器置于体外进行测量；

第二类：测量则是将传感器置于导管的顶端，直接进入血管内测试点进行测量。

传感器置于体内的测量 ：这是一种将传感器置于导管端部，并能直接达到被测部位的测量方式。由于不需要置于体外的传感器中所用的传导压力量的液体，因此在频响和时延方面均能达到更理想的指标（一般可达几千赫兹）。

血压传感器标定原理电路：传感器的灵敏度加以标定。并使不同灵敏度的传感器与同一测量电路相配时，仍可得到同样的结果显示。

血压间接测量:1超声法原理:运用超声波对血流和血管壁运动的多普勒效应来检测收缩压和舒张压。2,测振法（示波法）首先把袖带捆在手臂上，自动对袖带充气，到一定压力（一般为180- 230 mmHg ）开始放气，当气压到一定程度，血流就能通过血管，且有一定的振荡波，振荡波通过血管传播到机器里的压力传感器，压力传感能实时检测到所测袖带内的压力及波动。逐渐放气，振荡波越来越大。再放气由于袖带与手臂的接触越松，因此压力传感器所检测的压力及波动越来越小。 第六章：医用监护仪器

监护仪的分类：1．监护仪器按结构可以分成以下四类：便携式监护仪、一般监护仪、遥测监护仪、Holter 心电监测记录仪。

2、依据病症分类：有冠心病自动监护仪、危重病人自动监护仪、手术室自动监护仪、手术后自动监护仪等等。

3、根据使用范围分类：有床边监护仪、中央监护仪和离院监护仪三种，智能化和非智能化；

医用监护仪结构：一是工业电视摄像与放像系统；二是必要的抢救设备，三是多种生理参数智能监护仪。

呼吸测量：1、热敏式呼吸测量；2、阻抗式呼吸测量：呼吸引起的肌体组织电阻抗变化；

血氧饱和度：透射法:根据郎伯-比尔定律，当一束光照射到某种物质的溶液上时，物质对光有一定的吸收衰减，透射光强I 与入射光强I0之间有以下关系：I =I0e-cd;利用氧合血红蛋白和非氧合血红蛋白对不同波长红光和红外光的吸收存在差异.

第七章：心脏起搏器与除颤器：心脏起搏器：能人工产生起搏兴奋脉冲波并把它释放给心脏的装置。用较强的脉冲电流通过心脏来消除心律失常，使之恢复窦性心律的方法，称为电击除颤或电复律术。 用于心脏电击除颤的设备称为除颤器，

起搏器的作用：1、治疗：人工心脏电起搏器能治疗一些严重的心律失常。2、诊断：还可用于某些疾病的诊断。3、药理及实验研究：

脏起搏器的适应症：房室传导阻滞、三束支阻滞、病态窦房结综合症 心脏起搏器的分类：1、感应式：2、经皮式；3、埋藏式；（非同步型：同步型起搏器）

除颤器原理：除颤机制：用强电击来使绝大多数心肌细胞同时去极，压制快速兴奋波的产生，这些细胞可以重新极化，回到各自的相位。 起搏和除颤的区别：起搏是用一定形式的脉冲电流刺激心脏，使有起搏功能障碍或房室传导功能障碍等疾病的心脏按一定频率应激收缩。

除颤（电击复律）时作用于心脏的是一次瞬时高能脉冲，一般持续时间是4～10ms ，电能在40～400瓦·秒（焦耳）内。

心脏除颤器的一般原理 ：电压变换器是将直流低压变换成脉冲高压，经高压整流后向储能电容C 充电，使电容上获得一定储能。

除颤治疗时，控制高压继电器J 动作，使充电电路被切断，由储能电容C 、电感L 及人体（负荷）串联接通，使之构成RLC （R 为人体电阻、导线本身电阻、人体与电极的接触电阻三者之和）串联谐振衰减振荡电路，即为阻尼振荡放电电路，通过人体心脏的电流刺激心肌完成除颤功能。

高频电刀：通过有效电极尖端产生的高频(通常200kHz 至3MHz)高压电流与肌体接触时对组织进行加热，实现对肌体组织的分离和凝固，从而起到切割和止血的目的。

高频电刀工作模式：单极模式：用一完整的电路来切割和凝固组织，该电路由高频电刀内的高频发生器、病人极板、接连导线和电极组成。在大多数的应用中，电流通过有效导线和电极穿过病人，再由病人极板及其导线返回高频电刀的发生器。

2．双极模式：双极电凝是通过双极镊子的两个尖端向机体组织提供高频电能，使双极镊子两端之间的血管脱水而凝固，达到止血的目的。它的作用范围只限于镊子两端之间，对机体组织的损伤程度和影响范围远比单极方式要小得多，