醫(yī)學(xué)電子儀器與設(shè)計教材課件

1、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計72學(xué)時多學(xué)科交叉的結(jié)晶理、工、醫(yī)高度融合的產(chǎn)物生物醫(yī)學(xué)工程研究的有力工具現(xiàn)代醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計72學(xué)時多學(xué)科交叉的結(jié)晶理、工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(xué)電子類儀器的基本原理、基本結(jié)構(gòu)、基本電路；培養(yǎng)基本應(yīng)用能力（儀器分析、儀器設(shè)計、儀器維護(hù)） 本課程基本要求掌握“三個基本知識”、培養(yǎng)“一個基本能力”，教學(xué)方法課堂理論教學(xué) 驗證性實驗教學(xué) 設(shè)計性實驗教學(xué) 教學(xué)方法課堂理論教學(xué) 三、主要參考書1、余學(xué)飛，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計,華南理工大學(xué)出版社，2007 2、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，2005

2、3、鄧親愷，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器原理與設(shè)計，科學(xué)出版社，2004三、主要參考書1、余學(xué)飛，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計,華參考網(wǎng)站/ (南方醫(yī)療器械網(wǎng)) （醫(yī)械之家） 參考網(wǎng)站/ 第一章 概論 1.1 醫(yī)學(xué)儀器定義及分類 1.2 醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展簡史 1.3 生物信息知識簡介 1.4 醫(yī)學(xué)儀器的工作方式和結(jié)構(gòu) 1.5 醫(yī)學(xué)儀器的特性 1.6 醫(yī)學(xué)儀器的設(shè)計原則和基本步驟 1.7 醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展趨勢第一章 概論 1.1 醫(yī)學(xué)儀器定義及分類 1.1 醫(yī)學(xué)儀器定義你知道的醫(yī)學(xué)儀器有哪些？ 1.1 醫(yī)學(xué)儀器定義你知道的醫(yī)學(xué)儀器有哪些？醫(yī)學(xué)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(xué)電子儀

3、器 超聲、放射等設(shè)備醫(yī)學(xué)儀器輸入或輸出的物理量 輸入或輸出的物理量 醫(yī)學(xué)電子儀器醫(yī)學(xué)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(hù) 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 刀醫(yī)學(xué)電子儀器測量、診斷 治療類儀器心電 監(jiān) 血壓 心 心 微醫(yī)療器械（medical device）醫(yī)學(xué)儀器（medical instrument）單純或者組合應(yīng)用于人體的儀器，包括所需的軟件。以醫(yī)學(xué)臨床和醫(yī)學(xué)研究為目的的儀器。疾病的預(yù)防、診斷、治療、監(jiān)護(hù)、或者緩解損傷或殘疾的診斷、治療、監(jiān)護(hù)、緩解或者補(bǔ)償解剖或者生理過程的研究、替代或者調(diào)節(jié)妊娠控制 1.1

4、 醫(yī)學(xué)儀器定義醫(yī)療器械（medical device）醫(yī)學(xué)儀器（medic 1.1、醫(yī)學(xué)儀器的種類 1.1.1 按使用風(fēng)險大小分類第一類是指通過常規(guī)管理足以保證其安全性、有效性的醫(yī)療器械（大部分是手術(shù)器械）。第二類是指對其安全性、有效性應(yīng)當(dāng)加以控制的醫(yī)療器械。第三類是指植入人體；用于支持、維持生命；對人體具有潛在危險，對其安全性、有效性必須嚴(yán)格控制的醫(yī)療器械。 1.1、醫(yī)學(xué)儀器的種類 1.1.1 按使用風(fēng)險大小分類 1.1.2 從資產(chǎn)管理的角度分類大型儀器：一百萬以上的，如CT、磁共振設(shè)備，中小型儀器：如心電圖機(jī)、床邊監(jiān)護(hù)儀等。 低值產(chǎn)品：包括很多一次性配件 1.1.2 從資產(chǎn)管理的角度分類大

5、型儀器：一百萬以上的， 1.1.3 植入的和非植入的對于醫(yī)用植入物有特殊的管理條例，但大部分醫(yī)療儀器是非植入的。也有將醫(yī)療儀器分為在體測量的和離體測量的，而在體非侵入性測量是醫(yī)學(xué)診斷儀器的發(fā)展方向。 1.1.3 植入的和非植入的對于醫(yī)用植入物有特殊的管理條 1.1.4 按臨床科室或人體系統(tǒng)分類心臟科設(shè)備呼吸科設(shè)備泌尿科設(shè)備這樣分類有助于了解不同科室對醫(yī)療儀器和工程技術(shù)的需求，但很多設(shè)備各個科都使用，會有很多重復(fù)。 1.1.4 按臨床科室或人體系統(tǒng)分類心臟科設(shè)備 1.1.5 按物理原理分類醫(yī)用電子儀器醫(yī)用光學(xué)儀器醫(yī)用放射儀器醫(yī)用核物理儀器現(xiàn)代醫(yī)療儀器是聲、光、電、機(jī)械一體的。 1.1.5 按物理

6、原理分類醫(yī)用電子儀器 1.1.6 按臨床應(yīng)用分類：診斷儀器治療儀器輔助儀器直接用于人體的非直接用于人體的電氣敏感非電氣敏感不同的分類方法應(yīng)用于不同的場合 1.1.6 按臨床應(yīng)用分類：診斷儀器直接用于人體的非直接診斷儀器 醫(yī)用電子設(shè)備 ：心電圖機(jī)、腦電圖機(jī) 、床邊監(jiān)護(hù)系統(tǒng) 、動態(tài)心電監(jiān)護(hù)儀 、胎兒監(jiān)護(hù)儀 、飽和血氧濃度監(jiān)護(hù)儀 醫(yī)用成像裝置 ：X射線診斷裝置（普通、數(shù)字化）、X線計算機(jī)斷層掃描儀 、核醫(yī)學(xué)成像裝置 、超聲診斷裝置 、磁共振成像裝置、 熱成像裝置 醫(yī)用檢驗儀器 ：生物傳感器 、生化分析儀 、血氣分析儀、 血細(xì)胞分類儀 醫(yī)用光學(xué)儀器 ：內(nèi)窺鏡 、光學(xué)顯微鏡 、激光儀器 、眼科光學(xué)儀器（

7、自動眼壓計、自動驗光機(jī)、視野測定儀、角膜地形圖、眼底照相及眼底圖象分析設(shè)備等）診斷儀器 醫(yī)用電子設(shè)備 ：心電圖機(jī)、腦電圖機(jī) 、床邊監(jiān)護(hù)系統(tǒng)治療儀器 人工器官：人工心臟、瓣膜、心臟輔助裝置 、人工關(guān)節(jié)、假肢 、人工肝、人工腎 、人工肺（氧合器） 、人工聽覺、人工角膜、人工晶體等 物理治療儀器前列腺治療儀 微波高溫治療儀 放射治療裝置 ：鈷60 、直線加速器 、X刀 、刀 高頻治療設(shè)備 ：電刀 、射頻消融 超聲治療設(shè)備 ：體外沖擊波碎石機(jī) 、超聲乳化白內(nèi)障手術(shù)儀 、超聲霧化器 激光治療設(shè)備 ：激光刀 、眼科激光,準(zhǔn)分子激光角膜屈光矯正、 準(zhǔn)分子激光冠狀動脈成形術(shù) 、皮膚美容激光器 利用機(jī)械能的設(shè)備

8、 ：呼吸機(jī) 、輸液泵 、體外反搏和主動脈內(nèi)氣囊反搏 其他治療設(shè)備 ：高壓氧艙 、低溫麻醉設(shè)備、冷凍刀等 、遠(yuǎn)紅外理療設(shè)備及電化學(xué)治療設(shè)備 、麻醉機(jī) 治療儀器 人工器官：人工心臟、瓣膜、心臟輔助裝置 、人工關(guān)輔助儀器設(shè)備 一部分與醫(yī)療有關(guān)的儀器既不直接用于作疾病診斷，也不直接用于疾病的治療，這些是醫(yī)學(xué)輔助設(shè)備。醫(yī)學(xué)信息系統(tǒng)： PACS系統(tǒng)（圖像存儲于傳輸系統(tǒng)）等。其它輔助設(shè)備：包括消毒滅菌設(shè)備、照明設(shè)備（如無影燈、圖片燈）、中心供氧和制氧設(shè)備、吸引設(shè)備、廢物處理設(shè)備、手術(shù)臺、電源系統(tǒng)和電安全監(jiān)護(hù)器、制冷設(shè)備和空調(diào)設(shè)備、血庫設(shè)備、制藥機(jī)械設(shè)備等。輔助儀器設(shè)備 一部分與醫(yī)療有關(guān)的儀器既不直接用于作疾

9、病診斷， 1.2 醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展簡史新石器時期 醫(yī)用石器熱敷、按摩、叩擊體表、 割刺、膿瘍、放血 砭石用石為針（古代針術(shù)的萌芽）2500年前 九針黃帝內(nèi)經(jīng)所述 （人類最早發(fā)明、精心制作的醫(yī)療器械） 針灸術(shù)以經(jīng)絡(luò)學(xué)說為指導(dǎo)1816年 聽診器發(fā)明1850年 醫(yī)用臨床體溫計問世19世紀(jì)末 科學(xué)重大發(fā)現(xiàn)（量子力學(xué)和相對論的發(fā)表）20世紀(jì)初 工業(yè)文明（機(jī)械制造和電機(jī)工程的發(fā)明）1895年 德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線 （首屆1901年諾貝爾物理學(xué)獎）1903年 荷蘭生理學(xué)家艾薩文研制成功第一臺心電圖儀 （1924年諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎） 1.2 醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展簡史新石器時期 醫(yī)用 1.2 醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展簡史 1

10、896年，在德國物理學(xué)年會上，倫琴宣布并展示了X射線拍攝的人手X射線圖片，開創(chuàng)了人體影像診斷的先河。 1.2 醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展簡史 1896年，在 1.2 醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展簡史 倫琴在實驗室中采用的高真空度的冷陰極射線管Crookes管。 1.2 醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展簡史 倫琴在實驗室中 1.2 醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展簡史 1903年荷蘭生理學(xué)家艾薩文研制成功了第一臺采用弦線式電流計做記錄的心電圖儀，他所創(chuàng)立的肢體標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)的測量方法沿用至今。 1.2 醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展簡史 1903年荷蘭 1.2 醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展簡史1924年 法國學(xué)者Berger首次記錄到人腦的電活動1958年 醫(yī)用超聲診斷儀出現(xiàn)1972年 英國工程師G.N

11、.Hounsfield發(fā)明X射線計算機(jī) 斷層掃描儀（computerized tomography X-rays system,CT） 1979年生理學(xué)與醫(yī)學(xué)諾貝爾獎1958年 H.O.Anger研制成功醫(yī)用Gama照相機(jī) SPECT（單光子發(fā)射計算機(jī)斷層成像） PET（正電子發(fā)射斷層成像）1973年 美國科學(xué)家保羅.勞特布爾 英國科學(xué)家彼特.曼斯菲爾德 研制出磁共振成像儀（magnetic resonance imaging,MRI） 2003年生理學(xué)與醫(yī)學(xué)諾貝爾獎 1.2 醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展簡史1924年 1.3 生物信息知識簡介生物信息的基本特性： 不穩(wěn)定性 非線性 概率性 1.3 生物信息知

12、識簡介生物信息的基本特性：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 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 生物模擬 直接 實時 間斷數(shù)字 間接 延時 連續(xù)測量體溫檢測心電 腦電 肌電醫(yī)學(xué)儀器的工作方式模擬 直接 實時 1. 4 醫(yī)學(xué)儀器的特性和結(jié)構(gòu)標(biāo)本化驗活體檢測生物 檢測醫(yī)學(xué)儀器的特殊性噪聲特性個體差異與系統(tǒng)性生理機(jī)能的自然性接觸界面的多樣性操作與安全性 1. 4 醫(yī)學(xué)儀器的特性和結(jié)構(gòu)標(biāo)本化驗生物醫(yī)噪聲特性 1. 4 醫(yī)學(xué)儀器的特性和結(jié)構(gòu)圖1-2 醫(yī)學(xué)儀器系統(tǒng)框圖 1. 4 醫(yī)學(xué)儀器的特性和結(jié)構(gòu)圖1-2 醫(yī)學(xué)儀器系

13、統(tǒng)信息檢測系統(tǒng)信息處理系統(tǒng)記錄顯示系統(tǒng)輔助系統(tǒng)圖1-2 醫(yī)學(xué)儀器系統(tǒng)框圖信息檢測系統(tǒng)信息處理系統(tǒng)記錄顯示系統(tǒng)輔助系統(tǒng)圖1-2 醫(yī)學(xué) 1. 5 醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性：準(zhǔn)確度（accuracy）精密度（precision）輸入阻抗（input impedance）靈敏度（sensitivity）頻率響應(yīng)（frequency response）信噪比（signal to noise ratio）零點漂移（zero drift）共模抑制比（CMRRcommon mode rejection ratio） 1. 5 醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性 （一）準(zhǔn)確度（Ac

14、curacy） 準(zhǔn)確度是衡量儀器測量系統(tǒng)誤差的一個尺度。準(zhǔn)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(zhǔn)確度 理論值 （一）準(zhǔn)確度（Accuracy） （二）精密度(Precision) 精密度是指儀器對測量結(jié)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。（三）輸入阻抗(Input impedence) 通常稱外加輸入變量（如電壓、力、壓強(qiáng)等）與相應(yīng)應(yīng)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 （二）精密度(Precision) （三）輸入阻抗(In （四）靈敏度(Sensitivity) 儀器

15、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(yīng)(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。 （四）靈敏度(Sensitivity) （五）頻 （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，常以輸入端短路時的內(nèi)部噪聲電壓作為衡量信噪比的指標(biāo)，即 （六）信噪比(Signal to Noise Ratio （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

16、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： （七）零點漂移(Zero drift) （八）共摸抑制比醫(yī)療儀器的特點1.對被測體必須是無害的，最理想的是無損傷的要考慮電極或傳感器對測量結(jié)果產(chǎn)生影響；2.生物信號弱小，而干擾強(qiáng)大。信號可能只有干擾的千分之一；3.能量的限制，我們不可能為了提高信噪比或提高治療效果而無限制地提高外加能量，這會造成機(jī)體的損傷；4.安全考慮，由于病人本身已比較衰弱，安全問題就比較突出。 醫(yī)療儀器的特點1.對被測體必須是無害的，

17、最理想的是無損傷的 1. 6 醫(yī)學(xué)儀器的設(shè)計原則和基本步驟影響醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計的基本因素：信號因素環(huán)境因素醫(yī)學(xué)因素經(jīng)濟(jì)因素時代因素 1. 6 醫(yī)學(xué)儀器的設(shè)計原則和基本步驟影響醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計醫(yī)學(xué)電子儀器與設(shè)計教材課件 1. 6 醫(yī)學(xué)儀器的設(shè)計原則和基本步驟 現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器作為工程設(shè)計是理、工、醫(yī)多學(xué)科知識的高度綜合應(yīng)用，設(shè)計涉及知識面很廣，技術(shù)難度較大，基本設(shè)計可歸納為如下六步：生理模型的構(gòu)建系統(tǒng)設(shè)計實驗樣機(jī)研制動物實驗研究臨床研究儀器的認(rèn)證與注冊 1. 6 醫(yī)學(xué)儀器的設(shè)計原則和基本步驟 1. 6 醫(yī)學(xué)儀器的設(shè)計原則和基本步驟圖13 生物醫(yī)學(xué)儀器的研制過程示意圖 1. 6 醫(yī)學(xué)儀器的設(shè)計原則和基本步驟圖

18、13 生物 1. 7 醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展趨勢計算機(jī)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)微電子技術(shù)材料技術(shù)生物工程技術(shù)信息技術(shù)兩極化醫(yī)學(xué)儀器虛擬醫(yī)學(xué)儀器遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)儀器 1. 7 醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展趨勢計算機(jī)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)微電子技術(shù) 1. 7 醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展趨勢 1. 7 醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展趨勢醫(yī)學(xué)模式的變革技術(shù)發(fā)展預(yù)測 1. 7 醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展趨勢 1. 7 醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展 1. 7 醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展趨勢傳統(tǒng) 現(xiàn)代生物技術(shù) 生物心理社會技術(shù)以醫(yī)院為中心 以預(yù)防為主 以社區(qū)醫(yī)療（含家庭和個人保?。橹行?微型化、智能化、個性化、網(wǎng)絡(luò)化21世紀(jì)人人享有保健世界衛(wèi)生組織 1. 7 醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展趨勢傳統(tǒng) 1. 7 醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展趨勢 1997年美國食品與藥物管理局（FDA）所屬器械和放射衛(wèi)生中心（CDRH）在對專家學(xué)者廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出了醫(yī)療器械技術(shù)未來10年的6大發(fā)展趨勢預(yù)測報告，歸納為6大發(fā)展方向：計算機(jī)相關(guān)技術(shù)分子醫(yī)學(xué)家庭和自我保健微創(chuàng)與無創(chuàng)方法器械/藥物的復(fù)合產(chǎn)品采用硬件和組織工程的器官移植/輔助器械 1. 7 醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展趨勢