医学电子仪器与设计

72学时
多学科交叉的结晶 理、工、医高度融合的产物 生物医学工程研究的有力工具
I 《现代医学电子仪器原理与设
n;
课程要求
►掌握“三个基本知识"、培养“一个基本能力”，即掌握医学电子类仪器的基本原理、基本结构、基本电路；培养基本应用能力
（仪器分析、仪器设计、仪器维护）
教学方法! ::™會善►设计性实验教学
三、主要书
1、余学飞，现代医学电子仪器原理与设计，华南理工大学出版
社，2007
2、吴建刚，现代医用电子仪器原理与维修，电子工业出版社，
2005
3、邓亲恺，现代医学仪器原理与设计，科学出版社，
2004
第一章概论
§ 1.1医学仪器定义及分类
§ 1.2医学仪器发展简史
§ 1.3生物信息知识简介
§ 1.4医学仪器的工作方式和结构
§ 1.5医学仪器的特性
§ 1.6医学仪器的设计原则和基本步骤
§ 1.1医学仪器定
义
你后道的医曇仪器帝哪密7
输入或输出的物理量不是电压或电流输入或输出的物理量是电压或电流
超声、放射等设备
医学电子仪器
微弱信号处理
测量、诊断
高频电刀
▼心脏除颤
器
■心脏起搏器
「
血压
医疗器械(medical device)
医学仪器(medical instrument)
单纯或者组合应用于人体的仪器，包括所需的软件。

以医学临床和医学研究为目的的仪器。

A疾病的预防、诊断、治疗、监护、或者缓解
A损伤或残疾的诊断、治疗、监护、缓解或者补偿
A解剖或者生理过程的研究、替代或者调节
§ 1・1、医学仪器的种类
§ 1.1.1按使用风险大小分类
第一类是指通过常规管理足以保证其安全性、有效性的医疗器械（大部分是手术器械）。

第二类是指对其安全性、有效性应当加以控制的医疗器
械。

第三类是指植入人体；用于支持、维持生命；对人体具有潜在危险，对其安全性、有效性必须严格控制的医疗
§ 1.1.2从资产管理的角度分类
♦大型仪器：一百万以上的，如CT、磁共振设备,♦中小型仪器:如心电图机、床边监护仪等。

♦低值产品：包括很多一次性配件
§ 1.1.3植入的和非植入的
对于医用植入物有特殊的管理条例，但大部分医疗仪器是非植入的。

也有将医疗仪器分为在体测量的和离体测量的，而在体非侵入性测量是医学诊断仪器的发展方向。

§ 1.1.4按临床科室或人体系统分类
心脏科设备
呼吸科设备
泌尿科设备
这样分类有助于了解不同科室对医疗仪器和工程技术的需求，但很多设备各个科都使用，会有很多重复。

§ 1.1.5按物理原理分类♦医用电子仪器
♦医用光学仪器
♦医用放射仪器
♦医用核物理仪器
诊断仪器 治疗仪器 辅助仪器
§ 1.1.6按临床应用分类:
＞直接用于人体的 丿
｝非直接用于人体的
电气敏感 非
电气敏感
♦医用电子设备：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、饱和血氧浓度监护仪
♦医用成像装置:X射线诊断装置（普通、数字化）、X线计算机断层扫描仪、核医学成像装置、超声诊断装置、磁共振成像装置.热成像装置
♦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）
人工器官：人工心脏.瓣膜、心脏辅助装置、人工关节、假肢、人工肝、人工 肾、人
工肺（氧合器）、 物理治疗仪器
-前列腺治疗仪
-微波高温治疗仪
-放射治疗装置:
-高频治疗设备:
-超声治疗设备:
-激光治疗设备: 治疗仪器
钻60
♦
辅助仪器设备
一部分与医疗有关的仪器既不直接用于作疾病诊断，也不直接用于疾病的治疗，这些是医学辅助设备。

-医学信息系统:PACS系统（图像存储于传输系统）等。

-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、吸引设备、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。

医用石一热敷、按摩、叩击体表、 割刺、脓疡、放血
眨石——用石为针（古代针术的萌芽） 九针——《黄帝内经》所述
（人类最早发明、精心制作的医疗器械） 针灸术一一以经络学说为指导
听诊器发明
医用临床体温计问世 科学重大发现（量子力学和相对论的发表） 工业文明（机械制造和电机工程的发明） 德国物理学家伦琴发现X 射线 （首届1901年诺贝尔物理学奖）
荷兰生理学家艾萨文研制成功第一台心电图仪
（1924年诺贝尔生理学与医学奖） 新石器时期 2500年前 1816 年
1850年
19世纪末
20世纪初
1895年 1903年
1896年，在德国物理学年会上，伦琴宣布并展示了X射
E 1.3：用以产生.X线Crookes管，初
期为洽阴擬管，后改为热阴极管
伦琴在实验室中采用的高真空度的冷阴极射线——Crookes 管。

图1. 4：早期研制的心电图仪采用三个盛有食盐水0勿蹶
俟腹体电极（剑桥大学心电图室）
1903年荷兰生理学家艾萨文研制成功了第一台采用弦线式电流计做记录的心电图仪，他所创立的肢体标准导联的测量方法沿用至今。

生物信息的基本特性:
不稳定性非线性概率性
生物信息的类型
a）离辭数的离散信息b）我散参9
V的连续信息f v
C）连续参连
甲军续参数…•
续渚意寸
离散信息
医学仪器的工作方式
模拟直接 --- 实时 --- 间断--- 测量体温▲ ▲ ▲ \ ▲
▼ ▼ ▼ ■ ▼
数字间接延时连续一f检测心电脑电肌电
（噪声特性
个体差异与系统性
生理机能的自然性 接触界面的多样性
.操作与安全性标本化验
活体检测
医学仪
器的
特殊
性
物测
医学仪器的特性和结构
反馈/控制
信号处理控制处理(CPU)
信号预处理记录/显示S1-2医学仪器系统框图
图1-2医学仪器系统框图
医学仪器的主要技术特性:
准确度(accuracy )
精密度(precision ) 输入阻抗(input
impedance ) 灵敏度(sensitivity)
频率响应(frequency response) 信噪比(signal to noise ratio) 零点漂移(zero drift)
共模抑制比(CMRR—common mode rejection
ratio )
(一)准确度(Accuracy)
准确度是衡量仪器测量系统误差的一个尺度。

准确度可理解为测量值与理论值之间的接近程度o
理论值一测量值
准确度二
理论值
（二）精密度（Precision）
精密度是指仪器对测量结果区分程度的一种度量。

表
示从所选定的已知数据中可能分辨的数值。

（三）输入阻抗（Input impedence）
通常称外加输入变量（如电压、力、压强等）与相应应变量（如电流、速度、流量等）之比为仪器的输入阻抗。

输入阻抗Z为被测量的输入变量XI和另一固有变量X2的比值。

即
(四)灵敏度(Sensitivity)
仪器的灵敏度是指输出变化量与引起它变化的输入变化量之比。

(五)频率响应(Frequency response)
仪器保持线性输出时，允许其输入频率变化的范围，它是衡量系统增益随频率变化的一个尺度。

(六)信噪比(Signal to Noise Ratio) 信噪比定义为信号功率Ps与噪声功率P N之比，即
为了便于对信噪比作定量比较，常以输入端短路时的内部噪声电压作为衡量信噪比的指标，即
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、下漂动、缓慢变化的现象称为零点漂移。

(八)共摸抑制比(CMRR common mode rejection ratio)定义为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:
2•生物信号弱小，而干扰强大。

信号可能只有干扰的千分之一；
医疗仪器的特点
1 •对被测体必须是无害的，最理想的是无损伤的
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
4•安全考虑，由于病人本身已比较衰弱，安全问题就比较突
果而无限制地提高外加能量，这会造成机体的损伤;
出。

§
6医学仪器的设计原则和基本步骤影响医学仪器设计的基
本因素：
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
信号因素环境因素
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医学因素经济因素时代因素□ □ □ □
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§ 1. 6医学仪器的设计原则和基本步骤
现代医学仪器作为工程设计是理、工、医多学科知识的高
度综合应用，设计涉及知识面很广，技术难度较大，基本设计可归纳为如下六步:
生理模型的构建
2.系统设计
3.实验样机研制
4.动物实验研究
5.临床研究
6.仪器的认证与注册
医学仪器的设计原则和基本步骤
型建立
T 系秦亦—
仪器的认证
与注册
X
.
图1—3生物医学仪器的研制过程示意图
两极化医学仪器
虚
拟
医
学
仪
器
远
程
医
学
仪
器
信息技术
材料技术
计算机技术
生物工程技术
网络技术微电子技术。