2018生物医学电子学1-概论

《医学电子学》本课程是在模拟电子技术和数字电子技术的基础上阐述生物医学领域的信号提取、检测和医学仪器设计等方面的问题。主要研究内容包括生物医学信号的特点与提取方法、生物医学信号放大电路设计、预处理电路设计、生物遥测系统以及信号分析与处理知识和现代生物医学中常用的设备。为学生奠定有关医学电子仪器的设计与开发，维修等基础知识，培养学生用理论解决实际问题的能力。要求学生通过课堂和实验教学后，掌握多种医学电子电路及设备的原理，设计及应用，并具有简单的电子及影像设备的初步分析设计与实际应用能力。绪论心电信号及检测肌电信号原理及应用脑电、红外、光电、血氧检测压力传感生物信号检测第一章概论内容提要1.1生物电子学发展简史1.2研究医学电子学的意义1.3常用医学电子仪器1.4学习方法1.5医学测量仪器中的噪声和干扰1.1生物电子学发展简史18世纪，意大利神经生理学家伽尔伐尼由观察蛙的神经肌肉收缩现象，建立了生物电（bioelectricity）的理论。1786年有一天，伽伐尼在实验室解剖青蛙，把剥了皮的蛙腿，用刀尖碰蛙腿上外露的神经时，蛙腿剧烈地痉挛，同时出现电火花。经过反复实验，他认为痉挛起因于动物体上本来就存在的电，他还把这种电叫做动物电。生物体内不同的生命活动，能产生不同形式的生物电，如人体心脏的跳动、肌肉的收缩、大脑的思维等等。1733年，英国牧师S.Hales作了第一个血压测量的实验。生物电子学发展简史1819年，法国医生laennaec发明听诊器。1875年，发现了脑的生物电现象。1889年，A.C.Waller首先提出了心脏的电偶极子模型。1895年，德国物理学家W.C.伦琴在实验室研究阴极射线时，偶然发现了x射线。1895年11月8日发现了X射线，为开创医疗影像技术铺平了道路，1901年被授予首次诺贝尔物理学奖。这一发现不仅对医学诊断有重大影响，还直接影响了20世纪许多重大科学发现。例如安东尼·亨利·贝克勒尔就因发现天然放射性，与居里夫妇共同获得1903年的诺贝尔物理学奖。威廉·康拉德·伦琴，1845年3月27日-1923年2月10日)，德国物理学家生物电子学发展简史1903年，著名的心电图之父WilliamEinthoven根据前人的许多研究成果，制成了第一部用于记录心脏电位的心电图机。1929年，德国医生HansBerger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。1952年Zoll将体外心脏起搏器引入至医学临床。Maekay和Jaeobson于1957年制做的一个体积小于1cm3的无线电丸药用于最早的生物遥测。使患者处于无拘束的自然状态下连续测定消化道器官各部分的pH值、温度、出血部位、压力、消化酶活性等美国联邦通信委员会(FCC)已将用于植入用途(MICS和MEDS频带)的频带分配在400MHz范围内，以便在体内时达到最佳性能。植入的无线电还需要极低的功耗、泄漏电流和有效的唤醒机制来启动通讯。生物电子学发展简史生理信号类：脑电图（EEG）、心电图（ECG）、肌电图（EMG）、心音、血流、血压、体温等生化分析类：生化仪，三、五分类血球仪，血气分析仪、电解质分析仪影像类：X光机、CT、MRI、超声等……从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。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。1.2研究医学电子学的意义常见的生物电信号或生理参数生物医学测量的各种参量1.3常用医学电子仪器从临床应用功能来分：诊断仪器，治疗仪器，辅助仪器（或设备）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）生理信息监测仪器：心电图机、脑电图机、床边监护系统、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）、计算机断层扫描仪(CT)、超声诊断仪器(B超,彩超)、磁共振成像仪器、热成像仪器(红外)、核医学成像装置(PET)医用检验仪器：生化分析仪、血液分类仪、血气分析仪、电解质分析仪医用光学仪器：内窥镜、光学显微镜等诊断仪器利用机械能的设备：呼吸机、麻醉机、透析机超声治疗设备：体外冲击波碎石机除颤仪高频治疗设备：电刀、射频消融利用磁场治疗的设备：低频磁场治疗仪（脉冲磁场治疗仪）微波治疗仪放射治疗装置：直线加速器、X刀、γ刀、钴60治疗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、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。其它辅助设备：包括消毒灭菌设备、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。辅助仪器医学电子仪器的一般结构1.4学习方法理论，实践，本课程与其他课程的结合1.5医学测量仪器中的噪声和干扰对于信号来说，噪声和干扰是有害的扰动，严重的影响了信号的检测。为了区别，一般把外界因素对放大电路中各部分的影响称为干扰，而把由于材料或器件的物理原因所产生的扰动称为噪声。生物医学信号一般都是伴随着噪声和干扰信号，如心电、肌电信号总是伴随着因肢体动作和精神紧张等带来的假象，且常有较强的工频干扰；诱发脑电信号总是伴随着较强的自发脑电信号；超声回波信号中往往伴随其他反射杂波。此外，信号中的无用成分亦视为检测中的干扰。1.5.1干扰磁场干扰电场干扰电磁场干扰干扰源：能产生一定的电磁能量而影响周围电路的物体或设备1、磁场干扰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。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。磁场干扰通过电感性耦合进入放大电路。电感性耦合又称磁耦合；起因：干扰电流产生的磁通随时间变化从而形成干扰电压。在系统内部，线圈和变压器的漏磁是形成干扰电压的主要原因。在系统外部，多数是由于两条导线在长距离架设中形成干扰电压。电感性耦合(a)耦合示意图,(b)等效电路,(c)用互感表示的等效电路cossuBAA为闭合回路Ⅱ所包围的面积(m2),B为正弦变化磁通密度的均方根值(wb/m2),为角频率(rad/s)，θ为B与面积A法线的夹角。感应电压：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，当作用距离较近时，作用较强。2、电场干扰电场的干扰主要来源于交流电源，其中50Hz的工频干扰最普遍。一般放大电路的直流电源是用50Hz的交流电源经整流、滤波、稳压后得到的，如果滤波不齐，整流电源输出的电压就有50Hz的纹波电压，使电路的电流产生波动而形成干扰电压，特别是第一级，由于电源所产生的干扰电压将被后续各级放大而使输出端产生较大的干扰电压。50Hz的工频干扰除了通过传感器及其引线引入放大电路意外，还通过电容性耦合形成进入放大电路形成电场干扰。（交流信号）电容性耦合起因：分布电容，由两电路间的电场相互作用引起。在电子系统内部元件和元件之间，导线与导线以及导线与元件之间等等都存在着分布电容，一个导体上的电压或干扰成分通过分布电容使导体上电位受到影响——电容性耦合。一、平行导线容性耦合假设电路1为骚扰源电路，电路2为敏感电路，两电路间的耦合电容为C。根据等效电路图（b），可以计算出骚扰源电路在电路2上耦合的骚扰电压为:电容性耦合引起的感应电压正比于骚扰源的工作频率、敏感电路对地的电阻R2（一般情况下为阻抗）、耦合电容C、骚扰源电压U1；电容性耦合主要在射频频率形成骚扰，频率越高，电容性耦合越明显；电容性耦合的骚扰作用相当于在电路2与地之间连接了一个幅度为的电流源。一般情况下，骚扰源的工作频率、敏感电路对地的电阻R2（一般情况下为阻抗）、骚扰源电压U1是预先给定的，所以，抑制电容性耦合的有效方法是减小耦合电容C。3、电磁场干扰电磁场干扰的主要来源是各类无线电发射装置、各种工业干扰、无线电台和设备内部的高频电磁场干扰。电磁场干扰的特点是频率高，作用距离远，幅值不稳定。交流电源线、测试系统中的长线都能引起传导耦合，它们都具有天线的效果，能够拾取空间的干扰引入测试系统。4、干扰的抑制1、屏蔽2、合理接地屏蔽或去除干扰源。输入引线可以采用屏蔽线。尽量缩短导线伸出屏蔽层的长度使屏蔽层可靠接地要求较高时，可采用电池供电。前置级第一个运放两输入管脚布一圈地线。（1）屏蔽所谓屏蔽，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。屏蔽分主动屏蔽和被动屏蔽。主动屏蔽用屏蔽体把干扰源包围起来，使电磁场不向外扩散，称为主动屏蔽。被动屏蔽屏蔽体用于防止外界电磁辐射，称为被动屏蔽。干扰的损耗电磁波入射到金属表面时产生的损耗有两种：一部分从金属表面反射回，称之为反射损耗；另一部分穿过金属板并被衰减，称为吸收损耗。电磁波通过介质时，其幅度以指数方式衰减，产生这种衰减的原因是由于介质中感应的电流造成欧姆损耗，变为热能而耗散。吸收损耗对远场、近场、电场磁场都是一样的，衰减表示为：表示吸收损耗],)[/(69.8lg)/(20时的距离。)%37或(/1衰减为原来入射波的为集肤深度，是电磁波距离处的场强；为入射波在介质内和)为电导率为导磁率，(2;;/0/0AdBlelAelHEeHHeEEll吸收损耗随屏蔽体厚度和电磁场频率的增加而增加钢比铜吸收损耗优越。反射损耗取决于介质的阻特性和场的具体形式。的材料。可选用高电导和低磁导因此为增强屏蔽效果，）；（）（，远场时波阻抗为常数耗越大；屏蔽阻抗越低，反射损为电导率；为导磁率，表示屏蔽阻抗，表示波阻抗；表示场的反射损耗；lglg103925.9420377;4lg20sswswZRZZRZZR钢比铜的反射损耗小。对于电场屏蔽，通常采用铜、铝等金属薄板导电率高的材料制成，对于磁场屏蔽，通常采用玻莫合金、锰合金、磁钢等高导磁率材料，无论是电场屏蔽还是磁场屏蔽，都要有合理的接地，几乎所有生物电放大器的前置级都加装屏蔽罩。但在实际中，导线孔，通风孔，开关等都形成孔洞和缝隙，所以实际的屏蔽效果可能主要取决于缝隙和孔洞的泄漏，而不是材料本身。电场屏蔽和磁场屏蔽（2）合理接地安全接地（保护接地）工作接地安全接地安全接地又称保护接地；一般电子仪器设备，为了安全起见，机壳都应接地（对地电阻小于10Ω），尤其在生物医学测量中，这一点更加重要，机壳接地的目的是为了在任何情况下，使人经常接触的机壳保持零电位。必须是大地电位。等电位地线如果产生漏电，但是只要接地电位和人体电位相等，那么电流也就不会通过人体。为此目的，可以把仪器周围的导电部分（如水管，暖气等各种金属管，金属窗框以及水泥地面）和仪器外壳连在一起，形成等电位。即使人体接触仪器外壳，由于不存在电位差，仍然能防止电击事故。安全标准中，规定要求离患者2.5m以内的范围要等电位化，规定的2.5m距离意味着在患者伸手或借助其他人所能接触的范围，把这一范围称为患者环境。工作接地对信号电压设立基准电位，可以是大地电位，也可以不是大地电位。高频时导线