现代医学电子仪器原理与设计-考试重点

第一章医学仪器概述1、人体系统的特征人体是一个复杂的自然系统，分为器官自控制系统、神经控制系统、内分泌系统和免疫系统。器官自控制系统具有不受神经系统和内分泌系统控制的机制，如心脏的收缩与舒张。神经控制系统是一种由神经进行快速反应的控制调节机制，如人的喜怒哀乐。内分泌系统通过循环系统的路径将信息传到全身细胞进行控制。免疫系统识别异物，排斥异物。2、人体控制功能的特点负反馈机制、双重支配性、多重层次性、适应性、非线性。3、生物信号的基本特性不稳定性、非线性、概率性、信号弱、噪声强、频率范围低。4、生物信号类型电信号机体的各种生物电（心电、脑电、肌电、神经元放电等）生物电电极利用材料的物理变化物理传感器非电信号利用化学反应把化学成分、浓度转换成电信号化学传感器利用生物活性物质选择性识别来测定生化性质生物传感器5、医学电子仪器从功能上来说主要有生理信号检测和治疗两大类。6、医学电子仪器的基本构成1）生物信号采集系统包括被测对象、传感器或电极2）生物信号处理系统包括信号与处理和信号处理预处理一般包括过压保护、放大、识别（滤波）、调制\解调、阻抗匹配3）生物信号的记录与处理方式有直接描记式记录器（模拟量）、存储记录器(模拟量或数字量)、数字式显示器（数字量）4）辅助系统包括控制和反馈、数据存储和传输、标准信号产生和外加能量源控制和反馈分为开环和闭环两种调节控制系统。手动控制、时间程序控制均属开环控制；通过反馈回路对控制对象进行调节的自动控制系统称为闭环系统。外加能量源是指仪器向人体施加的能量（X射线、超声波等），用其对生物做信息检测，而不是靠活组织自身的能量。7、医学仪器的主要技术特性1）准确度---越小越好，不存在准确度为零的仪器，准确度也称为精度准确度=（理论值-测量值）/理论值*100%是衡量仪器测量系统误差的一个尺度2）精密度可以表示在相同条件下用同一种方法测量所得数值的接近程度。3）输入阻抗---越大越好，外加输入变量与相应应变量之比生物放大电极应大于输入电阻的100倍电极-皮肤接触电阻2~150K引线和保护电阻10~30K体表电极10~150K4）灵敏度输出变化量与引起它变化的输入变化量之比。当输入为单位输入量是，输出量的大小即为灵敏度的量值。5）频率响应仪器保持线性输出时允许其输入频率范围的变化，是衡量系统增益随频率变化的尺度6）信噪比信号功率PS与噪声功率PN之比7）零点漂移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8)共模抑制比衡量放大差模信号和抑制共模信号的能力8、医学仪器的特殊性1）噪声特性—限制噪声比放大噪声更有意义2）个体差异与系统性—因人而异，选择适当的检测方法，，保持人体的系统性相对稳定3)生理机能的自然性—检测时应防止仪器因接触而造成被测对象生理机能的变化，可进行无损测量4）接触界面的多样性-采用各种办法来保证仪器与人体有一个合适稳定的接触界面5）操作与安全性-医学仪器的操作必须简单、方便、适用和可靠；应确保电气安全、辐射安全、热安全和机械安全，使操作者和受检者均处于绝对安全的条件下；避免误操作危害检测对象9、医学仪器的分类1）基本分类方法--根据检测的生理参数、根据转化原理的不同、根据生理系统中的应用、根据临床的专业2）按用途分类—诊断用仪器和理疗用仪器诊断用仪器--生物电诊断与监护仪器、生理功能诊断与监护仪器、人体组织成分的电子分析检验仪器、人体组织结构形态的影像诊断仪器理疗用仪器--电疗机、光疗机、磁疗机、超声波治疗机10、模型的任务—建立模型结构和提供数据11.模型的有效性用符合程度来度量，分为三的级别—复制有效、预测有效、结构有效12、模型的分类1）物理模型--几何相似模型、力学相似模型、生理特性相似模型、等效电路模型2）数学模型—主要方法有黑箱方法和推导方法3）描述模型13、生物医学仪器的设计思路原理分析电路分析测量信号分析仪器性能指标特殊性要求||||四个环节四个模块四个特点八大性能指标、五点特殊性||||检测检测信号弱见7和8小点处理处理噪声强转换显示输入阻抗高显示辅助随机性14、设计原则影响因素—信号因素、环境因素、医学因素、经济因素、时代因素15、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）在得到该产品的“检验报告”和“临床报告”后，即可向政府管理部门提交仪器认证与注册的有关申请，经审查符合国家相关产品的认证及注册的相关规定后，就可以授权该产品“中华人民共和国医疗器械注册证”和“医疗器械产品生产制造认可表”。第二章生物信息测量中的噪声和干扰1、构成生物信号测量的基本条件：抗干扰和低噪声2、干扰形成的条件：干扰源，耦合通道（引入方式）与敏感电路（接受电路）干扰源：能产生一定的电磁能量而影响周围电路正常工作的物体或设备主要干扰是近场50赫兹干扰源，因为生物电信号中大都包含有50赫兹的频率成分，而且生物电信号的强度远小于50赫兹的干扰。周围的220伏交流电源是最直接的50赫兹干扰源。3、电磁兼容性设计：包括抑制来自外部的干扰和抑制系统本身对外界其他设备产生的干扰4、干扰耦合的途径：传导耦合、经公共阻抗耦合、电场和磁场耦合、近场感应耦合、生物电测量中电场的电容性耦合、生物电测量中磁场的感应耦合5、场的特性取决于：“场源”的性质、场源周围的介质及观察点与源之间的距离。近场时，场的特性主要取决于长远的性质；近场：到场源的距离小于λ/2pai远场时，场的特性主要取决于场传播时所通过的介质；远场（辐射场）：到场源的距离大于λ/2pai（约1/6波长）电场E对磁场H的比为波阻抗。远场时，E/H=377欧等于介质特性阻抗，呈现平面波近场时，E/H377欧（源为大电流低电压）近场为磁场，以电感性耦合形成干扰；E/H377欧（源为小电流高电压）近场为电场，以电容性耦合形成干扰6、近场感应耦合分为电容性耦合和电感性耦合电容性耦合：一个导体上的电压或干扰成分通过分布电容使其他导体上的电位受到影响减小电容性耦合的方法：采用屏蔽导线（常用的有效方法）；增大两导线之间的距离，尽量避免两导线平行，以减少分布电容C来减少干扰电感性耦合产生的原因：在系统内部，线圈或变压器的漏磁是形成干扰的主要原因；在系统外面，多数是由于两根导线在长距离平行架设中形成的干扰电压。减小us达到抑制电感性耦合的目的的方法：远离干扰源，削弱干扰源的影响；采用绞合线的走线方式；尽量减小耦合通路，即减小面积A和cosθ值8、屏蔽和接地是抑制电磁场干扰的有效方法9、合理接地分类：安全接地又称保护接地；工作接地，即对信号电压设立基准电压。10、安全接地:把仪器的外壳用导线与大地连通目的：为了在任何情况下，使人经常接触的机壳保持零电位原因：由于杂散阻抗形成漏电通路，甚至产生绝缘击穿分类：电源接地、保护接地、等电位接地多台仪器接地的正确方法：一点接地注意：公共地线不能太长，不能绕圈；使用粗地线，减小地线电阻11、工作接地方式：一点接地和多点接地一点接地分为串联形式和并联形式串联形式虽然不合理，但由于简单、方便，在电路电平相差不多时仍可使用并联形式适用于低频信号，不适用于高频信号12、一般来说1M赫兹一下可以采用一点接地，频率高于10M赫兹时采用多点接地。在1M赫兹至10M赫兹范围，如用一点接地，其地线长度不得超过波长的1/20，否则应采用多点接地。13、低频的电子系统接地的三个分开的地线：低平信号地线、功率地线、机壳地线14、屏蔽：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区域电场或磁场的传播。用屏蔽体把干扰源包围起来，是电磁场不向外扩散，称为主动屏蔽；屏蔽体用以防止外界电磁辐射，称为被动屏蔽。15、屏蔽体：金属板、金属网屏蔽效果：用屏蔽后场强被衰弱的程度来描述损耗：反射损耗和吸收损耗反射损耗：入射波的一部分从金属表面反射回，取决于场的形式和波阻抗吸收损耗：入射波的另一部分穿过金属板并被衰减，与屏蔽体的厚度和电磁场频率成正比总屏蔽效果=吸收损耗+反射损耗+有关在薄层屏蔽体上多次反射的修正16、屏蔽效果：吸收损耗，钢比铜优越；反射损耗，铜铝钢17、发射损耗：低频平面波的大量衰减是来自反射损耗，在高频时的大量衰减是来自吸收损耗。远场时，屏蔽阻抗愈低，反射损害愈大；进场时，电场是高阻抗场，磁场是低阻抗场。18、选择屏蔽材料的原则：屏蔽电场或远场的平面波（辐射场），宜选择铜、铝、钢等高电导率的材料。低频磁场的屏蔽，宜选择玻莫合金、锰合金、磁钢、铁高磁导率材料。19、其他抑制干扰的措施：隔离、去耦、滤波、系统内部干扰的抑制隔离：用隔离的方法使两部分电路互相独立，不成电路，从而切断从一个电路进入另一个电路的干扰的通路，通常用光电耦合变压器耦合实现隔离去耦：用RC和RL滤波环节消除直流电源因负载变化引起的干扰。滤波：是一个低通滤波器，消除频率较高的干扰电压系统内部干扰的抑制：常用的方法是在电感或接点两端加一个耗散瞬变过程产生的电磁能的耗能电路（吸收电路）。20、系统噪声的特点不能采用屏蔽、合理接地方式减到次要程度，是系统测试精度的限制性因素降低系统噪声的方法：通过对噪声过程的分析，进行合理的低噪声电路设计，可以使噪声降到最低限度21、均方根值正弦响应的电压变表测量到的噪声电压必须乘以1.13修正系数才能得到噪声电压的均方根值。22、S（f）为常数—白噪声谱密度随频率减小而上升—粉红色噪声功率谱密度随频率升高而增加—蓝噪声23、噪声的基本特性可以用统计平均量来描述，均方值表示噪声的强度，概率密度表示噪声在幅度域里的分布密度，功率谱密度表示噪声在频域里的特性24、噪声的主要类型：1/f噪声（闪烁噪声或低频噪声）、热噪声、散粒噪声1）1/f噪声属于粉红色噪声形成：凡两种材料之间不完全接触、形成起伏的电导率便产生1/f噪声1/f噪声的功率谱密度：S（f）=K/ff1~f2带宽内噪声的电压均方值：U2f=K㏑f2/f12）热噪声属于白噪声形成：由导体中载流子的随机热运动引起的电阻R的热噪声电压均方值：U2t=4kTR△f谱密度：S（f）=4kTRk=1.38*10-23J/K,T是绝对温度3）散粒噪声属于白噪声形成：在半导体器件中，载流子产生与消失的随机性，使得流动的载流子数目发生波动，时多时少，由此引起电流瞬时涨落电流的均方值：I2=2qIDC△fS（f）=2qIDCq=1.59*10-19C25、描述放大器噪声性能的参数输入端串联的阻抗为零的噪声电压发生器Un和与输入端并联的阻抗为无穷大的噪声电流发生器In，均由放大器内部的噪声源引起等效输入噪声Uin=U2ns+U2n+I2nR2s26、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/输出信噪比对数形式NF=10lgF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F=（Pns*Ap+Pn）/ApPns=1+Pn/ApPns第三章信号处理1、生物电放大器前置级通常采用差动电路结构2、生物电放大器前置级基本要求：高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、设置保护电路1）高输入阻抗原因：信号源阻抗—高内阻的微弱信号信号源阻抗—因人而异，因身体状况而异，与电极安放位置，电极本身物理状态有关（造成放大器增益不稳定）源阻抗—频率的函数，随频率的增加而下降，易产生低频失真源阻抗—电极阻抗还随电极中电流密度的大小而变化，易产生输出干扰2）高输入阻抗同时也是放大器高共模抑制比的必要条件为了抑制人体所携带的工频干扰以及测量的参数外的其他生理干扰，必须采用差动放大形式（高共模抑制比的条件）3）低频生物信号的特点：幅值低(微弱信号)，仅在微伏、毫伏级；高阻抗源，本身带来相当高的热噪声（输入信号质量差）；具有十分低的频率成分4）低噪声放大器前置级设计要求：正确设计放大器的增益分配，在前置级的噪声系数较小时可获得良好的低噪声性能；采用严格的装配工艺，对前置级电路加以特殊保护5）低漂移放大器前置级设计要求：采用差动输入电路形式，利用了电路的对称结构并对元器件参数进行严格挑选，