第1课生物医学电子学概论.

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精密仪器与光电子工程学院 周鹏 2009.2
问题1: 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。
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、射线 (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。
(2)、电子学在生命科学与医学中的另 一个作用是用于控制。
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
五.医学测量仪器中的噪声、干扰
噪声是被测对象和仪器内部固有的,而干扰则是被测 对象和仪器以外的原因造成的。噪声和干扰是弱信号检测 的一个主要限制因素。 (1) 电阻热噪声
假定有一个1k的电阻,在常温20℃工作,带宽 为1kHz,由上式可计算得到电阻的热噪声为 0.127μV,这样小的值只有经过高增益放大才有 可能在普通的示波器上观察到。但在许多医学测 量仪器中,前置放大器的输入阻抗常常在10MΩ 以上(由于信号源的输入阻抗也接近、甚至超过 这个数量级左右),这时计算得到的热噪声为 12.7μV。
三、
医学仪器的概念,分类和特点
(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、器 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、免疫学或 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: 1、对疾病的预防、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; 3、对解剖或者生理过程的研究、替代、调节; 4、妊娠控制。
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。
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 ” D .每周日晚12时前将本周作业上传。
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 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。 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, 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。
(2) 晶体管噪声
分配噪声:在晶体管中,由于发射极注入基区的载流子在与基 区本身的载流子复合时,载流子的数量时多时少;因而引起基区 载流子复合率有起伏,导致集电极电流与基极电流的分配有起伏, 最后造成集电极电流的起伏,这种噪声称为分配噪声,分配噪声 不是白噪声,它与频率有关;频率越高,噪声也越大。 散粒噪声:在晶体管中,载流子的迁移速度不会相同,致使在 单位时间内通过PN结空间电荷区的载流子数目有起伏,因而引起 通过PN结的电流在某一电平上有一个微小的起伏,这种起伏就是 所谓散粒噪声。散粒噪声与流过PN结的直流电流成正比。散粒噪 声也是白噪声,它的频谱范围很宽,但在低频段占主要地位。 1/f噪声:晶体管的1/f噪声主要是由半导体材料本身和表面处 理等因素引起的。其噪声功率与工作频率f近似成反比关系,故称 1/f噪声,频率越低,1/f噪声越大,故1/f噪声亦称为“低频噪声”。
治疗仪器
人工器官: 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、人工晶体等 物理治疗仪器 –微波高温治疗仪 –放射治疗装置 :钴60 、直线加速器 、X刀 、γ刀 –高频治疗设备 :电刀 、射频消融 –超声治疗设备 :体外冲击波碎石机 、超声乳化白内障手 术仪 –激光治疗设备 :激光刀 、眼科激光准分子激光角膜屈光 矫正、 皮肤美容激光器 –利用机械能的设备 :呼吸机 –利用磁场治疗的设备:低频磁场治疗仪
–其它辅助设备:包括消毒灭菌设备、照明设备(如无影 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、制冷设备和空调设 备、血库设备、制药机械设备等。
(三)、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 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; 3. 能量的限制,我们不可能为了提高信噪比或提高 治疗效果而无限制地提高外加能量,这会造成机 体的损伤; 4. 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,安全问题 就比较突出。
3. 实验
教wenku.baidu.com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。
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 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。 –医学信息系统: 包括计算机网络系统及与此相应的医院 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、以及近年来迅速发展 的PACS系统(图像存储于传输系统),电子病例等。
最正确的学习方法:
实践!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》 《实用电子技术1000问》 《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
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。
磁场干扰的检测:
1. 改变设备或电路的放置方向(但不改变空间位置), 检测电路的输出,如果输出信号的幅值发生变化,即 可初步判定存在磁场干扰。 2. 停止可能的干扰源的工作,如果电路的输出也显著降 低甚至消逝,此时可以确定产生磁场干扰的来源。
磁场干扰的抑制方法
1. 屏蔽或去除干扰源。 2. 屏蔽电路或比较敏感的部分(一般是传感器、信号输 入部分和前级放大器) 3. 减少电路或敏感部分的环路面积。 4. 改变电路或敏感部分的方位,使其环路的方向与干扰 磁场的方向平行。
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。
(3)、生命科学与医学的进展也启 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。
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%
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。
(3)磁场干扰及其抑制
磁场的干扰来源于变压器、电动机和荧光灯的镇流 器等设备,这些设备中的线圈通以交流电时,就会产生 一个交变的磁场,在交变磁场中的其他导线环路,或其 他线圈都会感应出电动势。根据法拉第电磁感应定律, 这种干扰的强度与电路或线圈的环路面积成正比。磁场 干扰直接影响医学测量仪器,必须采取措施予以抑制。 一般说来,磁场干扰的频率较低,作用距离较近,作用 较强。
(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。
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。
(二)、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),如简单的除颤机 --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)
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)
问题2: 医学仪器在生物医学工程中的地位?
第一章 生物医学电子学概论
一、电子学在生命科学和医学中的作用
1842 年物理学家Nobeli首次用静电计方法 记录出蛙肌电图; 1903年,荷兰生理学家W.Einthoven采用 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,这是现代心 电图的雏形。 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,从此揭开 了人类认识大脑的新纪元。
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