心電圖概述-生物醫(yī)學工程學院課件

1、現(xiàn)代醫(yī)學電子儀器原理與設計 什么是醫(yī)學儀器?是指那些單純或組合應用于人體的儀器，包括所需的軟件。其使用目的是:1、疾病的預防、診斷、治療、監(jiān)護或者緩解2、損傷或殘疾的診斷、治療、監(jiān)護、緩解或補償3、解剖或生理過程的研究、替代或者調(diào)節(jié)4、妊娠控制簡單定義：以醫(yī)學臨床和醫(yī)學研究為目的的儀器常見的現(xiàn)代醫(yī)學儀器醫(yī)用X線診斷裝置計算機斷層成像系統(tǒng)(CT) 磁共振成像系統(tǒng) (MRI) 核醫(yī)學診斷儀器及設備 （ECT、PET）超聲設備放射治療裝置 （鈷60、X-刀、-刀）醫(yī)用光學儀器 （醫(yī)用內(nèi)窺鏡等）生理量測量儀器 （ECG、EMG、EEG、IBP、NIBP、SaO2）、監(jiān)護儀電治療類設備（起搏器、除顫器、

2、高頻電刀）生化分析類儀器（質(zhì)譜儀、色譜儀、血氣分析、尿液分析等）一、本門課程的內(nèi)容醫(yī)學儀器輸入或輸出的物理量不是電壓或電流輸入或輸出的物理量是電壓或電流醫(yī)學電子儀器超聲、放射等設備醫(yī)學電子儀器測量、診斷治療類儀器心電腦電肌電誘發(fā)電位監(jiān)護儀血壓測量儀器心臟起搏器心臟除顫器微弱信號處理電氣安全高頻電刀二、本課程基本要求掌握“三個基本知識”、培養(yǎng)“一個基本能力”，即掌握醫(yī)學電子類儀器的基本原理、基本結構、基本電路；培養(yǎng)基本應用能力（儀器分析、儀器設計、儀器維護）教學方法課堂理論教學驗證性實驗教學設計性實驗教學三、主要參考書1、余學飛，現(xiàn)代醫(yī)學電子儀器原理與設計,華南理工大學出版社，20072、Joh

3、n G.Webster,Medical Instrumentation Application and Design,Third edition,John Wiley & Sons,INC.19983、吳建剛，現(xiàn)代醫(yī)用電子儀器原理與維修，電子工業(yè)出版社，20054、鄧親愷，現(xiàn)代醫(yī)學儀器原理與設計，科學出版社，2004第一節(jié) 生物信息知識簡介一、人體系統(tǒng)的特征 人體是一個復雜的自然系統(tǒng)，它是由神經(jīng)系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)等分系統(tǒng)組成，分系統(tǒng)間相互獨立， 又保持有機聯(lián)系，共同維持生命。 器官的自控制系統(tǒng) 神經(jīng)控制系統(tǒng) 內(nèi)分泌控制系統(tǒng) 免疫控制系統(tǒng)二、人體控制功能的特點負反饋機制雙重支配性

4、多重層次性適應性非線形三、生物信息的基本特征不穩(wěn)定性非線性概率性四、生物信息的類型a)離散參數(shù)的離散信息 b)離散參數(shù)的連續(xù)信息 c)連續(xù)參數(shù)的連續(xù)信息 d)連續(xù)參數(shù)的離散信息 第二節(jié)：醫(yī)學電子儀器的結構1.生物信息的檢測 根據(jù)生物信息的特點，針對不同的生理參量，采用不同的方式（傳感器和處理電路）一、醫(yī)學儀器的基本構成典型參數(shù)幅度范圍頻率范圍使用傳感器（電極）類型心電（ECG）0.015mV0.05100Hz表面電極腦電（EEG）2200V0.1100Hz帽狀、表面或針狀電極肌電（EMG）0.025mV52000Hz表面電極胃電（EGG）0.011mVDC1Hz表面電極心音（PCG）0.052

5、000Hz心音傳感器血流（主動脈）1300mL/sDC20Hz電磁超聲血流計輸出量425L/minDC20Hz染料稀釋法心阻抗15500DC60Hz表面電極、針電極體溫3240CDC0.1Hz溫度傳感器2.生物信息的處理 為了從檢測到的信號中獲得更多的有用信息，同時使信息的特征更明確、更準確、更直觀3.生物信息的記錄與顯示系統(tǒng) 直接描記式記錄器 磁記錄器 數(shù)字式顯示器4.輔助系統(tǒng)二、醫(yī)學儀器的工作方式直接和間接實時和延時間斷和連續(xù)模擬和數(shù)字第三節(jié)：醫(yī)學儀器的特性與分類一、醫(yī)學儀器的主要技術參數(shù)（或稱為靜態(tài)參數(shù)static characteristics）1.準確度（Accuracy）2.精密度

6、(Precision)3.輸入阻抗(Input impedence)4.靈敏度(Sensitivity)5.頻率響應(Frequency response)6.信噪比(Signal to Noise Ratio)7.零點漂移(Zero drift)8.共摸抑制比(CMRR common mode rejection ratio)（一）準確度（Accuracy） 準確度是衡量儀器測量系統(tǒng)誤差的一個尺度。準確度可理解為測量值與理論值之間的接近程度。 理論值測量值 準確度 理論值（二）精密度(Precision) 精密度是指儀器對測量結果區(qū)分程度的一種度量。表示從所選定的已知數(shù)據(jù)中可能分辨的數(shù)值。（

7、三）輸入阻抗(Input impedence) 通常稱外加輸入變量（如電壓、力、壓強等）與相應應變量（如電流、速度、流量等）之比為儀器的輸入阻抗。 輸入阻抗Z為被測量的輸入變量X1和另一固有變量X2的比值。即 信號功率為（四）靈敏度(Sensitivity) 儀器的靈敏度是指輸出變化量與引起它變化的輸入變化量之比。（五）頻率響應(Frequency response) 儀器保持線性輸出時，允許其輸入頻率變化的范圍，它是衡量系統(tǒng)增益隨頻率變化的一個尺度。（六）信噪比(Signal to Noise Ratio)信噪比定義為信號功率PS與噪聲功率PN之比，即 為了便于對信噪比作定量比較，常以輸入端

8、短路時的內(nèi)部噪聲電壓作為衡量信噪比的指標，即（七）零點漂移(Zero drift) 儀器的輸入量在恒定不變（或無輸入信號）時，輸出量偏離原來起始值而上、下漂動、緩慢變化的現(xiàn)象稱為零點漂移。（八）共摸抑制比(CMRR common mode rejection ratio)定義為放大差模信號和抑制共模信號的能力為共模抑制比，用下式表示： 二、醫(yī)學儀器的特殊性被作用對象（人）的特殊性決定了醫(yī)學儀器的特殊性 1.噪聲特性 2.個體差異與系統(tǒng)性 3.生理機能的自然性 4.接觸界面的多樣性 5.操作與安全性（一）噪聲特性 從人體拾取的生物信號不僅幅度微小，而且頻率也低。必須盡量采取各種抑制措施，使噪聲影

9、響減至最小。一般來說，限制噪聲比放大信號更有意義。（二）個體差異與系統(tǒng)性 人體個體差異相當大，用醫(yī)學儀器作檢測時，應從適應人體的差異性出發(fā)，要有相應的測量手段。 人體又是一個復雜的系統(tǒng)，測定人體某部分的機能狀態(tài)時，必須考慮與之相關因素的影響。要選擇適當?shù)臋z測方法，消除相互影響，保持人體的系統(tǒng)性相對穩(wěn)定。（三）生理機能的自然性 在檢測時，應防止儀器（探頭）因接觸而造成被測對象生理機能的變化。因為只有保證人體機能處于自然狀態(tài)下，所測得的信息才是可靠的、準確的。 （四）接觸界面的多樣性 為了能測得人體的生物信息、必須使傳感器（或電極）與被測對象間有一個合適的、接觸良好的接觸界面。（五）操作與安全性

10、在醫(yī)學儀器的臨床應用中，操作者為醫(yī)生或醫(yī)輔人員，因此要求醫(yī)學儀器的操作必須簡單、方便、適用和可靠。 另外，醫(yī)學儀器的檢測對象是人體，應確保電氣安全、輻射安全、熱安全和機械安全，使得操作者和受檢者均處于絕對安全的條件下。第四節(jié)：醫(yī)學儀器的設計原則Design criteria for commercial medical instrumentation development 影響儀器設計的基本因素有五種，即信號因素、環(huán)境因素、醫(yī)學因素、經(jīng)濟因素和時代因素，這些因素都是進行設計時考慮的基本原則。 醫(yī)學儀器設計的靈感來源于臨床需求：Ideas often come from people work

11、ing where health care is delivered,because clinical needs are most evident there. 儀器設計時必須做的幾項工作1、尋找設計靈感（ideas）2、對設計靈感進行可行性分析3、進行技術可行性分析4、進行生產(chǎn)、市場可行性分析5、制定產(chǎn)品標準6、樣機研制及產(chǎn)品質(zhì)量檢測7、動物及臨床試驗8、醫(yī)療儀器新產(chǎn)品的審批和注冊 醫(yī)學儀器設計步驟醫(yī)學儀器發(fā)展的重大事件1、1816年發(fā)明了聽診器，1850年發(fā)明了臨床體溫計2、1895年倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，由此開創(chuàng)了人體影像診斷的先河（1901年NP 物理）3、1903年荷蘭生理學家艾薩文（

12、William Einthoven）研制了第一臺心電圖儀并創(chuàng)立了肢體標準導聯(lián)測量方法（1924年NP生理）4、1924年法國學者Berger采用頭皮電極記錄了人腦的電活動，標志著腦電圖機的誕生5、1958年商品化的超聲診斷儀問世6、1972年英國工程師豪斯菲爾德（G.N.Hounsfield）將計算機技術和X射線相結合，發(fā)明了X射線計算機斷層掃描儀（computerized tomography X-ray system,CT），使三維醫(yī)學圖像診斷成為現(xiàn)實（1979年NP 生理學與醫(yī)學獎）7、自1958年H.O.Anger研制成功醫(yī)用Gama照相機，核醫(yī)學影像類儀器開始應用于臨床，基于給病人施

13、加放射性標記藥物，在人體外部探測所發(fā)射的射線而成像的，隨著CT技術的發(fā)展，有ECT（放射性同位素斷層成像），單光子放射斷層成像SPECT，正電子發(fā)射斷層成像PET，能提供生理代謝方面的信息。8、核磁共振（Nuclear magnetic resonance NMR）是一種譜分析方法，1973年美國科學家保羅.老特布爾和英國科學家彼特.曼斯菲爾德獨立地研制出臨床實用的磁共振成像儀MRI。不僅提供人體解剖圖象，還能提供特定部位的生理功能信息。（均獲2003年NP生理醫(yī)學獎）9、治療類儀器：20世紀初，利用電磁波譜不同頻段（包括非電磁波譜的超聲波）的生理效應，研制了各種治療儀器，代表的有：心臟起搏器

14、、高頻電刀、激光刀、直線加速器等10、生化分析儀器：19世紀末出現(xiàn)，20世紀得到得到長足發(fā)展，是利用譜分析方法、電化學方法、各種分離技術等，對人體成分進行離體分析。發(fā)展預測未來5年醫(yī)學儀器的六大發(fā)展方向：1、計算機相關技術：計算機輔助診斷、智能器械、機器人和網(wǎng)絡技術（HIS- hospital information system and PACSpicture archiving and communication system醫(yī)學影像存檔與傳輸系統(tǒng)），小型化生化和光學生物傳感器融合方式出現(xiàn)的儀器。2、分子醫(yī)學儀器：包括遺傳診斷、遺傳治療和組織工程化儀器以及生物傳感器。3、家庭和自我保健類儀

15、器：隨著醫(yī)學模式由“生物技術”模式向“生物心理社會技術”模式轉(zhuǎn)化，家庭和自我保健類儀器會越來越受到重視，主要包括：家庭/自我監(jiān)護與診斷、家庭/自我治療和遠程醫(yī)療；產(chǎn)品有：血尿生化指標和藥物濃度的家用診斷測試儀器、血糖水平檢測儀、家用智能化器械來控制治療和“訓導”病人、床邊監(jiān)護等用于家庭和社區(qū)的遠程醫(yī)療設備、“低技術操作”的高技術產(chǎn)品。4、基于微創(chuàng)及無創(chuàng)方法的器械：微創(chuàng)心血管和神經(jīng)外科器械、激光外科、機器人外科、納米技術、內(nèi)鏡、功能和多模式成像、MRI、PET和造影劑，主要集中在微小型化器械上。微型電子機械系統(tǒng)（MEMS-micro electric machine system）5、器械/藥物的復合產(chǎn)品：第一，用于胰島素和其它藥物的植入式泵，采用生物傳