医学电子仪器与设计

《现代医学电子仪器原理与设计》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本课程基本要求►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►课堂理论教学►验证性实验教学►设计性实验教学三、主要参考书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，20072、吴建刚，现代医用电子仪器原理与维修，电子工业出版社，20053、邓亲恺，现代医学仪器原理与设计，科学出版社，2004参考网站►►(南方医疗器械网)►►（医械之家）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§1.7医学仪器发展趋势§1.1医学仪器定义你知道的医学仪器有哪些？医学仪器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医学电子仪器超声、放射等设备医学电子仪器测量、诊断治疗类仪器心电脑电肌电诱发电位监护仪血压测量仪器心脏起搏器心脏除颤器微弱信号处理电气安全高频电刀医疗器械（medicaldevice）医学仪器（medicalinstrument）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。疾病的预防、诊断、治疗、监护、或者缓解损伤或残疾的诊断、治疗、监护、缓解或者补偿解剖或者生理过程的研究、替代或者调节妊娠控制§1.1医学仪器定义§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器械。§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现代医疗仪器是声、光、电、机械一体的。§1.1.6按临床应用分类：诊断仪器治疗仪器辅助仪器直接用于人体的非直接用于人体的电气敏感非电气敏感不同的分类方法应用于不同的场合诊断仪器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）治疗仪器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）、人工听觉、人工角膜、人工晶体等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：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、超声雾化器–激光治疗设备：激光刀、眼科激光,准分子激光角膜屈光矫正、准分子激光冠状动脉成形术、皮肤美容激光器–利用机械能的设备：呼吸机、输液泵、体外反搏和主动脉内气囊反搏–其他治疗设备：高压氧舱、低温麻醉设备、冷冻刀等、远红外理疗设备及电化学治疗设备、麻醉机辅助仪器设备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。§1.2医学仪器发展简史新石器时期医用石器——热敷、按摩、叩击体表、割刺、脓疡、放血砭石——用石为针（古代针术的萌芽）2500年前九针——《黄帝内经》所述（人类最早发明、精心制作的医疗器械）针灸术——以经络学说为指导1816年听诊器发明1850年医用临床体温计问世19世纪末科学重大发现（量子力学和相对论的发表）20世纪初工业文明（机械制造和电机工程的发明）1895年德国物理学家伦琴发现X射线（首届1901年诺贝尔物理学奖）1903年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）§1.2医学仪器发展简史1896年，在德国物理学年会上，伦琴宣布并展示了X射线拍摄的人手X射线图片，开创了人体影像诊断的先河。§1.2医学仪器发展简史伦琴在实验室中采用的高真空度的冷阴极射线管——Crookes管。§1.2医学仪器发展简史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。§1.2医学仪器发展简史1924年法国学者Berger首次记录到人脑的电活动1958年医用超声诊断仪出现1972年英国工程师G.N.Hounsfield发明X射线计算机断层扫描仪（computerizedtomographyX-rayssystem,CT）1979年生理学与医学诺贝尔奖1958年H.O.Anger研制成功医用Gama照相机SPECT（单光子发射计算机断层成像）PET（正电子发射断层成像）1973年美国科学家保罗.劳特布尔英国科学家彼特.曼斯菲尔德研制出磁共振成像仪（magneticresonanceimaging,MRI）2003年生理学与医学诺贝尔奖§1.3生物信息知识简介生物信息的基本特性：不稳定性非线性概率性a)离散参数的离散信息b)离散参数的连续信息c)连续参数的连续信息d)连续参数的离散信息生物信息的类型模拟直接实时间断数字间接延时连续测量体温检测心电脑电肌电医学仪器的工作方式§1.4医学仪器的特性和结构标本化验活体检测}生物检测医学仪器的特殊性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§1.4医学仪器的特性和结构图1-2医学仪器系统框图信号采集信号预处理信号处理控制处理（CPU）记录/显示反馈/控制刺激/激励诱发自发信息检测系统信息处理系统记录显示系统辅助系统图1-2医学仪器系统框图§1.5医学仪器的主要技术特性医学仪器的主要技术特性：•准确度（accuracy）•精密度（precision）•输入阻抗（inputimpedance）•灵敏度（sensitivity）•频率响应（frequencyresponse）•信噪比（signaltonoiseratio）•零点漂移（zerodrift）•共模抑制比（CMRR－commonmoderejectionratio）（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。理论值－测量值准确度＝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(Inputimpedence)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X1和另一固有变量X2的比值。即21XXZ（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(Frequencyresponse)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(SignaltoNoiseRatio)信噪比定义为信号功率PS与噪声功率PN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►►►NSPPNSUNoiNAUU（七）零点漂移(Zerodrift)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(CMRRcommonmoderejectionratio)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：AcAdCMRR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；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；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.安全考虑，由于病人本身已比较衰弱，安全问题就比较突出。§1.6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.时代因素作用对象生产有有有有有有有有有有有有有有有样样样样有有有有有有有应用各种先进技术时代因素经济因素医学因素环境因素信号因素有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有§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：1.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§1.6医学仪器的设计原则和基本步骤图1－3生物医学仪器的研制过程示意图生理模型建立系统设计实验样机研制动物实验研究临床实验仪器的认证与注册NYNN样机设计是否合理模型是否正确样机设计是否合理§1.7医学仪器发展趋势计算机技术网络技术微电子技术材料技术生物工程技术信息技术两极化医学仪器虚拟医学仪器远程医学仪器§1.7医学仪器发展趋势§1.7医学仪器发展趋势§1.7医学仪器发展趋势传统现代生物－技术生物－心理－社会－技术以医院为中心以预防为主以社区医疗（含家庭和个人保健）为中心微型化、智能化、个性化、网络化21世纪人人享有保健世界卫生组织§1.7医学仪器发展趋势1997年美国食品与药物管理局（FDA）所属器械和放射卫生中心（CDRH）在对专家学者广泛调研的基础上，提出了医疗器械技术未来10年的6大发展趋势预测报告，归纳为6大发展方向：1.计算机相关技术2.分子医学3.家庭和自我保健4.微创与无创方法5.器械/药物的复合产品6.采用硬件和组织工程的器官移植/辅助器械§1.7医学仪器发展趋势CDRH的报告将未来医疗器械的特点归纳为4点：医疗器械将更加智能化，器械和系统的内部功能可能更为复杂，但外部操作方式将简单化；产品的智能化和简易化，将有利于保健工作从医院向家庭发展。产品开发的需求将促使生物学领域与物理学和工程设计领域互相交叉融合，产品集成化、复合化趋势将更加明显；技术发展将大大提高临床诊治在时间上和空间上的精确性。作业查阅文献资料（中国期刊网）主题词：医疗设备、医疗设备现状及发展趋势准备一篇综述第8周学术报告（抽查）