電子醫(yī)療儀器緒論課件

1、電子醫(yī)療儀器緒論,電子醫(yī)療儀器,電子醫(yī)療儀器緒論,第一章 緒 論,第一節(jié) 人體系統(tǒng)的電子診斷 一、主要目的 對人體系統(tǒng)進(jìn)行電子診斷的主要目的是通過電子診斷技術(shù)獲取被查體中各種信息數(shù)據(jù)和圖像與正常人的數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行比較分析，以判斷被查體的組織結(jié)構(gòu)、生理功能是否正常，并分析出疾病的原因。 二、診斷方式 根據(jù)對人體系統(tǒng)電子診斷的參數(shù)和項目的不同，其電子診斷方式也不同。如對生物電參數(shù)和波形的診斷是直接攝取電信號的檢測方式，對音頻、壓力、阻力、速度、溫度和組織的化學(xué)成分和含量等生理功能的診斷是先將其轉(zhuǎn)換為電信號的間接檢測方式，對組織結(jié)構(gòu)性質(zhì)和形態(tài)的診斷是通過一種在人體組織中具有穿透性、吸收性、反射性、磁

2、共振性的物質(zhì)進(jìn)行檢測和描繪的方式,電子醫(yī)療儀器緒論,三、與常規(guī)電子工程測量的區(qū)別 電子診斷儀器不論是對人體生物電的直接測量、生理功能的換能測量，還是利用一種物質(zhì)性能對人體組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量，它都與電子工程上的一般電子測量是有區(qū)別的。因為檢測診斷對象人體是一個有機體和活動體，個體之間的差異性較大。要求電子診斷儀器能適應(yīng)在動態(tài)情況下進(jìn)行檢測；能夠從多方面來解釋所測得的數(shù)據(jù)；對人體噪聲和人體感應(yīng)到的交流噪聲必須加以抑制，能真實無畸變地將生理信號波形和圖像描記下來進(jìn)行診斷。電子診斷時必須對人體無損害，同時要防止病人感覺痛苦或引起生理上的反射等等這些都是對診斷儀器提出嚴(yán)格的技術(shù)要求,電子醫(yī)療儀器緒論,四、

3、對人體系統(tǒng)進(jìn)行電子診斷時應(yīng)該注意的問題： 1、干擾和噪聲 干擾和噪聲可以影響電子診斷的結(jié)果，嚴(yán)重時，電子診斷儀器基至無法工作。 外界干擾主要有：個體周圍的高壓電源與人體通過靜電耦合產(chǎn)生的干擾；大電流電路與人體通過電磁耦合產(chǎn)生的干擾；噪聲電流通過人體產(chǎn)生電壓降以后引起的阻抗耦合干擾。 內(nèi)部噪聲主要有電子診斷電路的各種噪聲。 消除干擾和噪聲的主要措施是利用正確的屏蔽，如磁屏蔽、靜電屏蔽、電磁屏蔽；合理接地；選用低噪聲元器件和差動方式放大器的電路形式和采用濾波器，將噪聲或干擾加以適當(dāng)?shù)貫V除,電子醫(yī)療儀器緒論,2、信號的攝取 電子診斷的內(nèi)容不同，攝取信號的方式不同。直接攝取人體電信號時需要采用電板，也

4、稱作導(dǎo)引電極；攝取人體的非電量信號時，則采用換能器（傳感器）。 常用電極有體表電極（包括金屬板電極、吸附電極、懸浮電極等）體內(nèi)電極（包括針電極、同軸電極、胎兒電極、埋藏電極等）組織深部電極（包括金屬微電極、玻璃微電極等）檢用電極（包括參比電極、離子選擇電極等）等。 常用換能器有利用壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)等各種物理效應(yīng)的換能器（包括光電換能器、熱電偶、壓電換能器、電磁感應(yīng)拾音器等）和利用形變效應(yīng)的機械換能器（包括力敏電阻、電容式壓力換能器、差動變壓器式換能器等）等,電子醫(yī)療儀器緒論,3、信息的分析和處理 人體的各種電信號可由電極取出，各種非電量信號的生理參數(shù)可由各種換能器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號

5、，這些微小的電信號經(jīng)過放大器放大以后，通過顯示器顯示或記錄器記錄，供醫(yī)務(wù)人員診斷和研究，信息的分析與處理是電子診斷的最終一步。 常用的顯示和記錄裝置有描筆式記錄器、示波管顯示裝置、磁帶記錄器和數(shù)字式顯示裝置（包括輝光數(shù)碼管、熒光數(shù)碼管、液晶顯示器、發(fā)光二級管顯示器等,電子醫(yī)療儀器緒論,計算機控制的監(jiān)護設(shè)備能夠及時報警、自動記錄和快速處理。 X射線計算機斷層技術(shù)（簡稱XCT）是計算機在圖象處理技術(shù)中應(yīng)用的一個重要方面。將計算機技術(shù)與臨床經(jīng)驗相結(jié)合，充分利用透視X射線所獲得的全部信息，靈敏度高，圖像清晰，是對軟組織X線檢查的最新技術(shù)。 隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，信息的分析與處理將高度自動化、智能化

6、,電子醫(yī)療儀器緒論,4、安全用電 人體是一個非常復(fù)雜的導(dǎo)體，干燥皮膚的阻抗可達(dá)幾百千歐，肢體間的阻抗約為幾百歐。當(dāng)人體觸摸到外部電壓時，要受到電擊。無論是電流經(jīng)過皮膚流進(jìn)體內(nèi)，再流出體外造成強電擊，還是電流直接進(jìn)入臟器（主要指心臟組織）引起的微電擊，都會對生命造成威脅。一般情況下，微電擊的安全值為10微安，50赫茲的交流電流流過體內(nèi)約100mA就會引起心室纖顫，危及生命。因此，應(yīng)用電子診斷儀器時，一定要做到安全用電。這包括安全用電的技術(shù)措施以及操作者、被測試者起碼應(yīng)該具備的安全用電常識,電子醫(yī)療儀器緒論,安全用電應(yīng)該注意的問題： 首先，電子診斷室內(nèi)應(yīng)有接地良好、可靠的地線，醫(yī)用診斷電子設(shè)備一定

7、要妥善接地。 電源布線要正確，合理，輸入電源應(yīng)設(shè)保險熔斷裝置。 電子設(shè)備對電路要施行絕緣隔離。 電子設(shè)備可以采用浮地技術(shù)，低電壓供電技術(shù)。 電子設(shè)備應(yīng)保持清潔和干燥。 被測試者在診察過程中應(yīng)該對地絕緣，不觸摸金屬、鐵床等,電子醫(yī)療儀器緒論,第二節(jié) 常用診斷電子儀器,一、種類與分類 常用診斷電子儀器的臨床應(yīng)用從本世紀(jì)初開始，隨著科學(xué)技術(shù)和電子工程的發(fā)展而有了很大發(fā)展，醫(yī)學(xué)界的診斷手段和水平更加依賴于醫(yī)用電子儀器。目前，電子診斷儀器已發(fā)展到智能化、精密化、自動化，品種非常繁多，應(yīng)用非常廣泛。歸納起來診斷電子儀器不外可分為：生物電診斷與監(jiān)護儀器（如心電圖機、腦電圖機、肌電圖機等），生理功能診斷與監(jiān)護

8、儀器（如血壓、血流、呼吸、脈搏、耳聽力、肺功能儀等），人體組織成分的電子分析檢驗儀器（如血球計數(shù)、生化分析、血液氣體分析儀等）以及人體組織結(jié)構(gòu)形態(tài)的影像診斷儀器（如超聲波診斷、X線CT、MRI（核磁共振）、E-CT（單光子發(fā)射型計算機斷層儀）、電子內(nèi)窺鏡等,電子醫(yī)療儀器緒論,從電子儀器的檢測的信息上來看主要可以分為兩種：一種是通過對人體本身固有信息的檢測，如人體的血壓、心音、血液的酸堿度、血流量、紅血球計數(shù)等等。這些可檢測信息是固有地潛存于人體的，其檢測的手段，有的比較簡單，有的比較復(fù)雜，有的通過傳感器，有的則是直測。有的還得由手術(shù)、抽血等手段才能達(dá)到；另一種則是借助其他的能量作用于人體之后得

9、到人體檢測信息，如X光透視超聲波、放射線的檢測等等,電子醫(yī)療儀器緒論,二、人體固有潛存醫(yī)學(xué)信息的檢測 人體潛存信息的檢測，從原理看是比較直接的，所以，作為醫(yī)學(xué)儀器它應(yīng)是首先被認(rèn)識的。然而，由于檢測技術(shù)水平的限制或某些信息的重要性還沒顯出，以致有的信息尚未被采用。 人體固有信息的檢測儀器主要分為五大類： 心血管（血壓、脈動波形、容積、血流量、心排出量、心沖擊圖（BCG）、壓力脈搏圖、容積脈搏圖、心率、心音圖(PCG)、脈象,電子醫(yī)療儀器緒論,呼吸系統(tǒng)（呼吸流速描記、呼吸率、CO2、N2O、Halothane(氟烷、三氟氯溴乙烷、三氟乙烷、三氟溴氯乙烷)在呼出氣體中的含量）。 消化系統(tǒng)（胃酸堿度、

10、胃腸力、胃腸壓力）。 血液檢測（包括血氣和PH值、血液本身成分的檢測等，這一類檢測大量的是屬于生物、化學(xué)的,電子醫(yī)療儀器緒論,生物電檢測：（包括心血管、神經(jīng)系統(tǒng)、心電圖（ECG）、腦電圖（EEG）、腦皮層、腦深部腦電圖、胃電圖、肌電圖、皮膚電反射（GSR）、神經(jīng)電圖、眼電圖、視網(wǎng)膜電流圖、眼球震顫電圖。 這類信息檢測手段上可以分為接觸電極直接檢測和通過傳感器檢測兩種,電子醫(yī)療儀器緒論,三、借助外來能量的醫(yī)學(xué)信息檢測 有一類信息的檢測不能直接從人體取得，而必須借助外來能量對人體激勵后能得到被檢測的信息。 （1）超聲檢測 超聲檢測是借助外能獲得檢測信息中比較常用的一種，醫(yī)用中常見的檢測原理是基于超

11、聲能量射入人體后，人體各部位反射回一系列反射波，被檢測信息就是這些反射波。在檢測方法上有回波定位、回波B型成像、多普勒超聲等技術(shù),電子醫(yī)療儀器緒論,2）X射線檢測 X射線檢測是借助產(chǎn)生的X射線，射向人體被檢測部位后，收集被人體有關(guān)部位阻擋后的X射線。這樣檢測地雖然是X射線，但反映了人體有關(guān)部位對X射線阻擋（或吸收）的情況。X射線檢測對比超聲檢測，它檢測到的信息是透射的射線而不是反射的。這類儀器主要是成像儀器,電子醫(yī)療儀器緒論,3）放射性檢測 放射性檢測不同于以上兩種。它不是在檢測部位以外發(fā)射能量到達(dá)檢測部位的，而是直接將放射性元素送到人體內(nèi)部檢測器官（如用注射法），各器官吸收不等量的放射性元素

12、，并發(fā)生反映這些元素密集程度的射線，從而被我們檢測。所以這樣檢測到的不僅是簡單的器官形態(tài)，而且含有器官功能的照片。它檢測的信息是人體器官內(nèi)的放射性元素發(fā)生的射線。 這些借助外能得到的檢測信息，其機動性是很大的，所以無法象人體固有信息那樣給出量值范圍,電子醫(yī)療儀器緒論,第三節(jié) 醫(yī)療器械的發(fā)展動態(tài),中國醫(yī)療器械行業(yè)在世界市場所占份額及發(fā)展歷程 中國有13 億人口，31 萬個醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)，醫(yī)療器械有廣闊的市場。中國是全球醫(yī)療器械十大新興市場之一，已成為除日本以外亞洲最大的市場。2001 年，中國醫(yī)療器械市場容量達(dá)527 億元，年均增長率15%。 但是，和國際發(fā)達(dá)國家相比，中國醫(yī)療器械在世界市場中的份

13、額依然很低，仍有很大增長空間,電子醫(yī)療儀器緒論,世界醫(yī)療器械市場容量，近年來連續(xù)以6% 7%速度增長，1993 年1997 年五年內(nèi)，由929 億美元增加到1370 億美元，2000 年達(dá)到1800 2000 億美元,電子醫(yī)療儀器緒論,未來的醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)存在四大趨勢，也是行業(yè)的增長熱點,一)計算機相關(guān)技術(shù)：計算機輔助診斷、智能器械、生物傳感器械、機器人器械網(wǎng)絡(luò)。相應(yīng)的新產(chǎn)品，如集成化病人醫(yī)學(xué)信息系統(tǒng)、病人智能卡、臨床實驗室機器人、計算機輔助臨床實驗系統(tǒng)、生物傳感器等。 (二)家庭和自我保健器械：家庭自我監(jiān)護與診斷、家庭自我醫(yī)療與遠(yuǎn)程醫(yī)療相應(yīng)產(chǎn)品,電子醫(yī)療儀器緒論,三)微創(chuàng)醫(yī)療器械：無創(chuàng)傷或微創(chuàng)

14、傷的醫(yī)療器械、醫(yī)學(xué)成像、微型化醫(yī)療器械、激光診療和非植入式輔助傳感等。如各種內(nèi)窺鏡和導(dǎo)管技術(shù)等無創(chuàng)和低創(chuàng)的直視檢查，將深入到人體各個臟器和部位，獲得精確的形態(tài)、功能、病理等電生理診斷。 (四)器官移植和輔助醫(yī)療器械：如人工骨、心臟瓣膜、心泵、軟骨、胰、血管、腎、皮膚、肝、眼和再生的神經(jīng)細(xì)胞及心臟、神經(jīng)肌肉刺激器等,電子醫(yī)療儀器緒論,世界醫(yī)療器械行業(yè)的發(fā)展,70 年代以后，隨著B 超、CT裝置、核磁共振裝置、直線加速器、伽瑪照相機等一批尖端精密醫(yī)療儀器設(shè)備的廣泛應(yīng)用，醫(yī)療器械行業(yè)增幅十分驚人。 進(jìn)入90 年代，全球經(jīng)濟衰退，但醫(yī)械產(chǎn)品仍然看好。90 年代中期，美國整個經(jīng)濟增長率基本為零，而醫(yī)械工

15、業(yè)卻增長6-7%。西歐整個經(jīng)濟增長也舉步維艱，歐共體的醫(yī)械工業(yè)增長率卻在3%以上，日本經(jīng)濟增長率為3.5%，而醫(yī)械工業(yè)增長率達(dá)到8,電子醫(yī)療儀器緒論,中國醫(yī)療器械行業(yè)的發(fā)展機遇,面臨21 世紀(jì)，醫(yī)療器械作為按國際標(biāo)準(zhǔn)劃分的15 類國際化產(chǎn)業(yè)之一，醫(yī)療器械作為高新技術(shù)密集的產(chǎn)業(yè)，在我國的發(fā)展速度遠(yuǎn)高于經(jīng)濟發(fā)展的平均水平。今后十年，我國的醫(yī)療器械正面臨這樣一個形勢，機遇難得，挑戰(zhàn)嚴(yán)峻,電子醫(yī)療儀器緒論,第四節(jié) 生物醫(yī)學(xué)測量的基礎(chǔ)知識,一、生物醫(yī)學(xué)測量的范圍 生物醫(yī)學(xué)測量的對象是具有生命的生物體，其基本的對象是人體。人體是由生物分子、細(xì)胞、器官和功能系統(tǒng)等各層次組成的復(fù)雜系統(tǒng)。因此，生物醫(yī)學(xué)測量的范

16、圍包括對生物體分子水平、細(xì)胞水平、器官水平和系統(tǒng)水平各層次的信息的測量,電子醫(yī)療儀器緒論,生物醫(yī)學(xué)測量屬于弱信號測量范疇，具有弱信號測量的共同特點，即要求測量系統(tǒng)的靈敏度高、分辨力強、抑制噪聲和抗干擾能力好。這一特點在生物電、生物磁信號的測量中尤為突出。 部分生物電和生物磁信號幅度范圍見下表,二、 生物醫(yī)學(xué)測量的基本特點 1.生物醫(yī)學(xué)測量基本屬于弱信號測量,電子醫(yī)療儀器緒論,表:部分生物電和生物磁信號的幅度范圍,電子醫(yī)療儀器緒論,生物體是一個極其復(fù)雜的系統(tǒng)，如何從生物體中有效地提取被測信號，是生物醫(yī)學(xué)測量的重要問題。在生物醫(yī)學(xué)測量中，不僅要抑制儀器系統(tǒng)的噪聲，更重要的是要充分認(rèn)識人體噪聲的性質(zhì)

17、和特點，采取有效辦法（如濾波、相關(guān)或自適應(yīng)處理，改進(jìn)信號耦合方法等），從人體噪聲中提取有用信號,2生物體內(nèi)的噪聲對測量有重要影響,電子醫(yī)療儀器緒論,3信息測量中容易引入外界環(huán)境的干擾,1）環(huán)境電場、磁場和電磁場的干擾 電場干擾： 最常見的電場干擾是工頻（50Hz）電場的干擾。 磁場干擾： 變壓器、電動機和熒光燈的鎮(zhèn)流器周圍產(chǎn)生的交流磁場。 高頻電磁場干擾： 空中的電磁波, 通過測量系統(tǒng)與人體連接的導(dǎo)線引入,電子醫(yī)療儀器緒論,2）外界刺激對測量的干擾 外界刺激的干擾主要是通過生物體的感覺器官引入體內(nèi)， 引起生理狀態(tài)的異常改變，造成測量結(jié)果的不穩(wěn)定或產(chǎn)生偽差,電子醫(yī)療儀器緒論,各種生物體都是在內(nèi)環(huán)

18、境與外環(huán)境相適應(yīng)的條件下，維持其新陳代謝和生命。為適應(yīng)各種外環(huán)境的變化和差異，生物體內(nèi)各種系統(tǒng)，包括一個細(xì)胞、器官、功能系統(tǒng)乃至整體，它們的功能活動都在不停地變化著，調(diào)整著，以在內(nèi)外環(huán)境間保持動態(tài)平衡。此外，遺傳因素也造成生物體各種功能、狀態(tài)的個體差異。這些因素使被測量的生物醫(yī)學(xué)信息往往具有多變性,4生物醫(yī)學(xué)信息的多變性,電子醫(yī)療儀器緒論,為了獲取生物體內(nèi)的信息予以測量，生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)或儀器一般需通過傳感器或電極與生物體聯(lián)接，這些傳感器或電極，有些置于體表（皮膚外），有些需插入或植入機體內(nèi)部，因此產(chǎn)生了測量系統(tǒng)對生物體的電安全性、機械安全性和化學(xué)安全性等問題,5生物醫(yī)學(xué)測量的安全要求,電子醫(yī)

19、療儀器緒論,1、靈敏度 靈敏度是指儀器在穩(wěn)態(tài)下輸出量變化與輸入量變化之比，可表示為,S為靈敏度，AO和Ai分別為輸出量變化和輸入量變化,三、生物醫(yī)學(xué)測量儀器的主要技術(shù)指標(biāo),電子醫(yī)療儀器緒論,2、頻率特性 頻率特性是指儀器輸出量和相位與輸入正弦信號頻率的關(guān)系。使儀器的輸出幅度隨頻率的變化不超過規(guī)定值（如3dB）的輸入信號頻率范圍稱為響應(yīng)頻率，又稱為通頻帶。部分常見生理信號的頻率范圍可參考表1-3,電子醫(yī)療儀器緒論,部分常見生理信號的頻率范圍,電子醫(yī)療儀器緒論,3、精密度 精密度簡稱精度，用相同條件下重復(fù)測量間的最大偏差與儀器滿量程之比表示，即,Ai、Aj分別為任意兩次測量的結(jié)果值，為儀器的最大測

20、量范圍,電子醫(yī)療儀器緒論,4、準(zhǔn)確度 準(zhǔn)確度用儀器的實際測量結(jié)果值同真值（理想值）間的最大偏差與儀器滿量程之比來表示，即,Ea為儀器的測量準(zhǔn)確度， Amax為實測值與真值間的最大偏差，H為儀器的滿量程,電子醫(yī)療儀器緒論,5、非線性度 非線性度用實測值和與相應(yīng)輸入量成正比關(guān)系的理論值間最大偏差同滿量程之比表示，即,EL為儀器的線性度， ALmax為全量程內(nèi)的實測值與理論值之間的最大偏差，H為全量程,電子醫(yī)療儀器緒論,儀器非線性度的示意圖,輸入量,輸出量,理想曲線,實測曲線,Amax,電子醫(yī)療儀器緒論,6、漂移 漂移是指儀器的輸出量隨時間或外部環(huán)境變化而變化的程度，主要包括零點漂移、溫度漂移和靈敏度溫漂等指標(biāo)。 零點漂移：用無輸入信號和恒定環(huán)境條件下的儀器輸出量在一定時間內(nèi)的最大變化與滿量程之比來表示，即,Dz為零點漂移，Azmax 為指定時間內(nèi)在輸入量為零時輸出量的最大變化，H為儀器的滿量程,電子醫(yī)療儀器緒論,溫度漂移：用無輸入信號條件下儀器的輸出量隨環(huán)境溫度的變化與儀器的滿量之比來表示，即,DT為溫度漂移，AT為環(huán)境溫度變化T時引起的