醫(yī)用電子儀器分析與維護第一章

醫(yī)用電子儀器分析與維護賈楠2021年1月第一章聽說由他學(xué)身手得之為子孫花金錢施之于父母第一章醫(yī)學(xué)儀器概述本章內(nèi)容：

醫(yī)學(xué)儀器定義醫(yī)學(xué)電子儀器的構(gòu)造和任務(wù)方式醫(yī)學(xué)電子儀器的特性和分類醫(yī)學(xué)儀器的開發(fā)與維修醫(yī)學(xué)儀器的開展趨勢如今藥耗材設(shè)備儀器器械家具未來藥耗材設(shè)備儀器器械家具未來〞四化〞儀器耗材化藥物靶向化醫(yī)療效力化數(shù)字信息化未來必要的才干他會運用網(wǎng)絡(luò)獲取信息嗎？他會提出問題嗎？他會遵照闡明書、手冊嗎？第一節(jié)醫(yī)學(xué)儀器定義醫(yī)學(xué)儀器主要用于檢測人體各種生理參數(shù)，并對其進展處置，供醫(yī)生對患者的疾病進展診斷、治療的儀器。---P1定義的解讀獲取病人各類信息去偽存真轉(zhuǎn)換放大還原顯示特征提取輔助判斷“看”清病灶排除可能實時監(jiān)測調(diào)整輸出

目的〔P2〕:1、疾病的預(yù)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討、替代或者調(diào)理4、妊娠控制問題為什么如今去醫(yī)院看個感冒會被要求照X光？第二節(jié)醫(yī)學(xué)儀器的構(gòu)造和任務(wù)方式共性在哪里邏輯性以信號檢測提取、處置、運用為主線檢測提?。罕粶y對象、傳感器或電極處置：放大器、濾波器、單片機/計算機、驅(qū)動運用：記錄顯示、驅(qū)動輔助系統(tǒng)電源系統(tǒng)第二節(jié)醫(yī)學(xué)儀器的構(gòu)造和任務(wù)方式醫(yī)學(xué)儀器的系統(tǒng)框圖見P2圖1-1由于人體各種生理參數(shù)具有幅度低、頻率低、存在較強的噪聲背景特點，所以，生理信號從人體檢測出來到最終以一種可視化的方式表示出來，需求經(jīng)過信號檢測、預(yù)處置、信號處置、現(xiàn)實記錄幾個環(huán)節(jié)心電圖機、腦電圖機、肌電圖機、監(jiān)護儀器背景知識：生物信號的根本特征控制論開創(chuàng)人N.維納：“人是一個維持穩(wěn)態(tài)的機構(gòu)〞、“人的生命在于穩(wěn)態(tài)的維持之中〞背景知識：生物信號的根本特征不穩(wěn)定性非線性概率性直接/間接實時/延時延續(xù)/延續(xù)病情病種環(huán)境工程技術(shù)條件背景知識：生物信號的檢測與處置1.生物信號的檢測2.生物信號的處置針對生物信號的特點采用不同的電極或傳感器經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換的信號在計算機中進展濾波、識別、分析等系統(tǒng)框圖的延伸信號采集信號預(yù)處置信號處置控制處置〔CPU〕記錄/顯示反響/控制刺激/鼓勵誘發(fā)自發(fā)信號校準數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)傳輸檢測系統(tǒng)處置系統(tǒng)記錄顯示系統(tǒng)輔助系統(tǒng)1.生物信息檢測系統(tǒng)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〔傳感器和電極〕〔處置電路〕傳感器和電極的性能好壞直接影響到醫(yī)學(xué)儀器的整機性能，應(yīng)該非常注重！醫(yī)學(xué)儀器的根本構(gòu)成背景知識：傳感器把各種生理信息轉(zhuǎn)換成可供丈量的電信號或其他可用信號醫(yī)學(xué)儀器的根本構(gòu)成2.生物信息的處置系統(tǒng)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)直接描記式記錄器存儲記錄器數(shù)字式顯示器4.輔助系統(tǒng)醫(yī)學(xué)儀器的任務(wù)方式直接和間接實時和延時延續(xù)和延續(xù)模擬和數(shù)字

1.準確度〔Accuracy〕2.精細度(Precision)3.輸入阻抗(Inputimpedance)4.靈敏度(Sensitivity)5.頻率呼應(yīng)(Frequencyresponse)6.信噪比(SignaltoNoiseRatio)7.零點漂移(Zerodrift)8.共摸抑制比(CMRRcommonmoderejectionratio)一、醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性

〔或稱為靜態(tài)參數(shù)staticcharacteristics〕第三節(jié)醫(yī)學(xué)儀器的特性與分類背景知識:靜態(tài)特性與動態(tài)特性靜態(tài)特性:描畫儀器對于直流或甚低頻信號的性能。對于輸入是恒值的信號,由輸出信號特此闡明丈量的質(zhì)量。動態(tài)特性：他需求用微分和〔或〕積分方程來描畫儀器的質(zhì)量。一、醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性1. 準確度〔accuracy〕準確度是衡量儀器丈量系統(tǒng)誤差的一個尺度。準確度定義為：影響儀器準確度的緣由：元件的誤差指示或記錄系統(tǒng)的機械誤差系統(tǒng)頻響欠佳引起的誤差因非線性轉(zhuǎn)換引起的誤差來自被測對象和測試方法的誤差不存在準確度為零的儀器2. 精細度〔precision〕精細度是指儀器對丈量結(jié)果區(qū)分程度的一種度量，用它可以表示出在一樣條件下，用同一種方法多次丈量所得的數(shù)值得接近程度。它不同于準確度，精細度高的儀器其準確度未必一定高。假設(shè)兩臺儀器，在一樣條件下運用，就容易比較出準確度與精細度的不同。一、醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性與準確度有關(guān)目的：精細度、準確度和準確度(精度)準確度(精細準確度)準確度：闡明儀器輸出值與真值的偏離程度。如,某流量儀器的準確度為0.3m3/s，表示該丈量儀器的輸出值與真值偏離0.3m3/s。準確度是系統(tǒng)誤差大小的標志，準確度高意味著系統(tǒng)誤差小。同樣，準確度高不一定精細度高。精細度：闡明丈量儀器輸出值的分散性，即對某一穩(wěn)定的被丈量，由同一個丈量者，用同一個儀器，在相當短的時間內(nèi)延續(xù)反復(fù)丈量多次，其丈量結(jié)果的分散程度。例如，某測溫儀器的精細度為0.5℃。精細度是隨即誤差大小的標志，精細度高，意味著隨機誤差小。留意：精細度高不一定準確度高。準確度：是精細度與準確度兩者的總和，準確度高表示精細度和準確度都比較高。在最簡單的情況下，可取兩者的代數(shù)和。機器的常以丈量誤差的相對值表示?！瞐〕準確度低精細度低〔b〕準確度低而精細度高〔c〕準確度高在丈量中我們希望得到準確度高的結(jié)果。3. 輸入阻抗〔inputimpedance〕醫(yī)學(xué)儀器的輸入阻抗與被測對象的阻抗特性、所用電極或傳感器的類型及生物體接觸界面有關(guān)，表達式為：假設(shè)儀器運用的傳感器作非電參數(shù)丈量，對于一個壓力傳感器而言，其輸入阻抗Z為被丈量的輸入變量X1和另一個變量X2的比值，即：其功率P為：普通生物電放大器的輸入阻抗應(yīng)比他本身的阻抗大100倍以上才干滿足要求。一、醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性輸入阻抗反映一個系統(tǒng)對其前一級系統(tǒng)的功率要求，輸入阻抗越高，它從前一級所汲取的電流越小(X2越小)，因此越容易與前一級系統(tǒng)相銜接，不致引起前級輸入信號的改動。許多生物信號都很微弱，不能像丈量儀器提供較大的電流，否那么將會引起被丈量的生物信號發(fā)生變化〔如幅度衰減〕。因此要求用于生物醫(yī)學(xué)丈量的儀器具有很高的輸入阻抗，例如生物電放大器的輸入阻抗普通為2~10兆歐，用于丈量細胞單位的微電極放大器的輸入阻抗高達數(shù)十至數(shù)百兆歐。背景知識:輸出阻抗輸出阻抗：反映系統(tǒng)輸出端向后級系統(tǒng)提供電流的才干，輸出阻抗越低，向后級系統(tǒng)提供電流的才干愈強。Z0表示輸入端接的負載阻抗；V0和Vh分別表示系統(tǒng)輸出端開路和接電阻Zh時的輸出電壓4. 靈敏度〔sensitivity〕當輸入為單位輸入量時，輸出量的大小即為靈敏度的值。一、醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性輸出變化量與引起它變化的輸入變化量之比對于線性系統(tǒng)，靈敏度是常數(shù)；對于非現(xiàn)行系統(tǒng)那么不然；當輸出變化一定時,靈敏度越高的儀器對微弱輸入信號反響的才干越強!4. 靈敏度〔sensitivity〕靈敏度表示法：生物電位——μv/cm、mv/cm、v/cm壓力——mmHg/刻度心率——每分鐘心博數(shù)/刻度心率間隔——μs/cm、ms/cm、s/cm一、醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性4. 靈敏度〔sensitivity〕輸出呼應(yīng)的波形與輸入信號一樣，而幅度隨輸入量同樣倍數(shù)變化時稱為線性。在現(xiàn)性系統(tǒng)中，靈敏度對一切輸入的絕對電平是一樣的，并可以運用疊加原理。實踐上醫(yī)學(xué)儀器不能夠是一個理想的線性系統(tǒng)，有時為了滿足一定的需求常引入非線性環(huán)節(jié)。一、醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性背景知識：電平與絕對電平在電子電路中，所謂“電平〞，指的是電路中的兩點或幾點在一樣阻抗下電量的相對比值。在這里的電量指的是“電壓〞、“電流〞和“電功率〞。通常總是用某點為“高電平〞，某點為“低電平〞來表達雖然未指出高、低電平的數(shù)值，但通常高電平總是指接近于任務(wù)電源電壓的數(shù)值，而低電平那么是指接近0v的電壓數(shù)值。背景知識：電平與絕對電平在參考電平的設(shè)定中，有相對電平和絕對電平兩種選擇。兩種方式完全是根據(jù)丈量的需求來選擇的例如我們在丈量放大器的增益時，假設(shè)選取輸入電壓作為參考電平，那么按照公式所求得的輸出電平為相對電平。假設(shè)所選參考電平選取國家規(guī)定的規(guī)范值，那么所求出的電平值為絕對電平。背景知識：疊加原理定義：由全部獨立電源在線性電阻電路中產(chǎn)生的任一電壓或電流，等于每一個獨立電源單獨作用所產(chǎn)生的相應(yīng)電壓或電流的代數(shù)和。比如，物理中幾個外力作用于一個物體上所產(chǎn)生的加速度，等于各個外力單獨作用在該物體上所產(chǎn)生的加速度的總和，這個原理稱為疊加原理。背景知識：疊加原理定義：由全部獨立電源在線性電阻電路中產(chǎn)生的任一電壓或電流，等于每一個獨立電源單獨作用所產(chǎn)生的相應(yīng)電壓或電流的代數(shù)和。比如，物理中幾個外力作用于一個物體上所產(chǎn)生的加速度，等于各個外力單獨作用在該物體上所產(chǎn)生的加速度的總和，這個原理稱為疊加原理。背景知識：疊加原理疊加原理是指:假設(shè)系統(tǒng)相應(yīng)于恣意兩種輸入和初始形狀(u1(t),x01)和(u2(t),x02)時的形狀和輸出分別為(x1(t),y1(t))和(x2(t),y2(t)),那么當輸入和初始形狀為(C1u1(t)+C2u2(t),C1x01+C2x02)時，系統(tǒng)的形狀和輸出必為(C1x1(t)+C2x2(t),C1y1(t)+C2y2(t))其中x表示形狀,y表示輸出，u表示輸入，C1和C2為恣意實數(shù)。背景知識：疊加原理線性系統(tǒng)的形狀變量(或輸入變量)與輸出變量間的因果關(guān)系可用一組線性微分方程或差分方程來描畫，這種方程稱為系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。作為疊加性質(zhì)的直接結(jié)果，線性系統(tǒng)的呼應(yīng)可以分解為兩個部分：零輸入呼應(yīng)和零形狀呼應(yīng)。前者指由非零初始形狀所引起的呼應(yīng)；后者那么指由輸入引起的呼應(yīng)。兩者可分別計算。這一性質(zhì)為線性系統(tǒng)的分析和研討帶來很大方便。背景知識：非線性度5. 頻率呼應(yīng)〔frequencyresponse〕頻率呼應(yīng)是指儀器堅持線性輸出時允許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。普通的醫(yī)學(xué)儀器要求在通頻帶內(nèi)應(yīng)有平坦的呼應(yīng)。一、醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性頻率呼應(yīng)頻率呼應(yīng)簡稱頻響，(FrequencyResponse)，在電子學(xué)上用來描畫一臺儀器對于不同頻率的信號的處置才干的差別。頻響也稱響曲線，是指增益隨頻率的變化曲線。理想的頻響曲線該當是平直的，聲音信號經(jīng)過后不產(chǎn)生失真。背景知識:增益表示放大器功率放大倍數(shù),以輸出功率同輸入功率比值的常用對數(shù)表示，單位為分貝,用以表示功率放大的程度。亦指電壓或電流的放大倍數(shù)。假設(shè)a的n次方等于x〔a>0，且a不等于1〕，那么數(shù)n叫做以a為底x的對數(shù)〔logarithm〕，記作n=㏒ax其中，a叫做對數(shù)的底數(shù)，x叫做真數(shù),n叫做“以a為底x的對數(shù)〞。頻率呼應(yīng)有沒有看懂了一些?6. 信噪比〔signaltonoiseratio〕一、醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性噪聲:除被測信號之外的任何干擾都可稱為噪聲.外部噪聲磁場干擾內(nèi)部噪聲電子器件的熱噪聲散粒噪聲1/f噪聲背景知識：熱噪聲thermalnoise又稱白噪聲。是由導(dǎo)體中電子的熱震動引起的，它存在于一切電子器件和傳輸介質(zhì)中。它是溫度變化的結(jié)果，但不受頻率變化的影響。熱噪聲是在一切頻譜中以一樣的形狀分布，它是不可以消除的，由此對通訊系統(tǒng)性能構(gòu)成了上限。背景知識：電阻的熱噪聲引起電路中電流或電路兩點間電位差不停起伏的電阻熱噪聲它是電阻的固有性質(zhì)，任何電阻器都不例外。Vn=4kTRB^0.5其中k為波爾茲曼常數(shù)〔1.38x10^23J/K〕，T為電阻的溫度，B是帶寬，R是電阻阻值。由于噪聲與絕對溫度的平方根成正比，所以用降低溫度的方法降低噪聲通常沒有明顯效果背景知識：散粒噪聲散粒噪聲是半導(dǎo)體的載體密度變化引起的噪聲散粒效應(yīng)噪聲是Schottky于1918年研討此類噪聲時,用子彈射入靶子時所產(chǎn)生的噪聲命名的。因此,它又稱為散彈噪聲或顆粒噪聲。背景知識：散粒噪聲在低頻和中頻下，散粒噪聲與頻率無關(guān)〔白噪聲〕，高頻時，散粒噪聲譜變得與頻率有關(guān)。散粒噪聲有白噪聲的特性，其電流均方值與電子電荷量q、總的直流電流Idc和帶寬delt(f)成正比關(guān)系：I^2=2*q*Idc*delt(f)。這種噪聲的強度隨著平均電流強度或平均光強度添加，但是由于電流強度或光強度的添加會使信號本身的強度添加相對散粒噪聲的添加更快，添加電流強度或光強度實踐是提升了信噪比。背景知識：散粒噪聲<噪聲的歷史>doc88/p-96589060182.html布朗運動—愛因斯坦–Schottky—貝朗實驗室…背景知識：1/f噪聲宇宙中的“1/f動搖(1/ffluctuation，1/f噪聲)〞具有維系大環(huán)境平衡、調(diào)和的重要作用自然界存在著許多動搖，可以按功率譜密度與頻率的對應(yīng)關(guān)系對其進展分類。有三種典型噪聲的動搖特性。白噪聲，功率譜密度平行于橫軸，是與頻率無關(guān)的量，1/f0動搖布朗噪聲，功率譜密度與f2成反比，我們稱之為1/f2動搖1/f動搖介于上述兩種方式之間的噪聲，在部分呈無序形狀，而在宏觀上具有一定相關(guān)性的噪聲背景知識：1/f噪聲現(xiàn)實證明：“1/f動搖〞與人在安靜時的α腦涉及心拍周期等生物體信號的變化節(jié)拍相吻合并與人的情感、覺得有著親密聯(lián)絡(luò)，使人能感到溫馨。人的覺得千差萬別呵斥對美的感受各有不同，我們短少一個客觀評價的規(guī)范。而“1/f動搖〞實際的提出使我們有了這樣一個準那么。背景知識：內(nèi)部噪聲種類背景知識：外部噪聲〔自然噪聲〕背景知識：外部噪聲〔人為噪聲〕背景知識：共模噪聲背景知識：共模噪聲6. 信噪比〔signaltonoiseratio〕信噪比定義：信號功率PS與噪聲功率PN之比調(diào)查醫(yī)學(xué)儀器信噪比的目的常用內(nèi)部噪聲電壓Uni〔設(shè)外部噪聲為零〕常用對數(shù)方式來表示：其中，Uni為輸入端短路時的內(nèi)部噪聲電壓；Uno為輸出端噪聲電壓；AU為電壓增益。一、醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性討論放大電路放大微弱信號的才干時，常用信噪比來描畫在弱信號任務(wù)時的情況7. 零點漂移〔zerodrift〕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、下飄動、緩慢變化的景象稱為零點漂移。呵斥零點漂移的緣由：環(huán)境溫度及濕度的變化滯后景象沖擊振動不希望的對外力的敏感性，制造上的誤差等一、醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性8. 共模抑制比〔commonmoderejectionratio〕衡量放大差模信號和抑制共模信號的才干為共模抑制比，用下式表示：差模增益共模增益共模抑制比〔CMRR〕是衡量諸如心電、腦電、肌電等生物電放大器對共模干擾抑制才干的一個重要目的共模抑制比主要由電路的對稱性決議，也是抑制溫度漂移的重要要素。一、醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性共模抑制比輸入回路的共模抑制比差分放大電路的共模抑制比課堂互動醫(yī)學(xué)儀器中何為有用信號？何為干擾信號？醫(yī)學(xué)儀器中有用信號和干擾信號都是以何種方式輸入的？二、醫(yī)學(xué)儀器的特殊性

被作用對象〔人〕的特殊性決議了醫(yī)學(xué)儀器的特殊性1.噪聲特性2.個體差別與系統(tǒng)性3.生理機能的自然性4.接觸界面的多樣性5.操作與平安性

〔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。〔強噪聲背景下的弱信號丈量〕必需盡量采取各種抑制措施，使噪聲影響減至最小。比如：交流感應(yīng)噪聲，電磁感應(yīng)噪聲普通來說，限制噪聲比放大信號更有意義。背景知識：感應(yīng)噪聲感應(yīng)噪聲:電路中器件規(guī)劃、配線和接地方式不當發(fā)生靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)并經(jīng)過線路耦合而構(gòu)成的噪聲。背景知識：抑制電磁干擾的原那么

〔二〕個體差別與系統(tǒng)性人體個體差別相當大，用醫(yī)學(xué)儀器作檢測時，應(yīng)從順應(yīng)人體的差別性出發(fā)，要有相應(yīng)的丈量手段。人體又是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，測定人體某部分的機能形狀時，必需思索與之相關(guān)要素的影響。要選擇適當?shù)臋z測方法，消除相互影響，堅持人體的系統(tǒng)性相對穩(wěn)定。

〔三〕生理機能的自然性在檢測時，應(yīng)防止儀器〔探頭〕因接觸而呵斥被測對象生理機能的變化。由于只需保證人體機能處于自然形狀下，所測得的信息才是可靠的、準確的。無損丈量可以較好的堅持人體生理功能的自然性

〔四〕接觸界面的多樣性為了能測得人體的生物信息、必需使傳感器〔或電極〕與被測對象間有一個適宜的、接觸良好的接觸界面。

〔五〕操作與平安性在醫(yī)學(xué)儀器的臨床運用中，操作者為醫(yī)生或醫(yī)輔人員，因此要求醫(yī)學(xué)儀器的操作必需簡單、方便、適用和可靠。另外，醫(yī)學(xué)儀器的檢測對象是人體，應(yīng)確保電氣平安、輻射平安、熱平安和機械平安，使得操作者和受檢者均處于絕對平安的條件下。三、典型醫(yī)學(xué)參數(shù)表1-1典型醫(yī)學(xué)和生理學(xué)參數(shù)典型參數(shù)幅度范圍頻率范圍使用電極類型心電（ECG）0.01~5mV0.05~100Hz表面電極腦電（EEG）2~200μV0.1~100Hz帽狀、表面或針狀電極肌電（EMG）0.02~5mV5~2000Hz表面電極胃電（EGG）0.01~1mVDC~1Hz表面電極心音（PCG）0.05~2000Hz心音傳感器血流（主動脈）1~300mL/sDC~20Hz電磁超聲血流計輸出量4~25L/minDC~20Hz染料稀釋法心阻抗15~500ΩDC~60Hz表面電極、針電極體溫32~40℃DC~0.1Hz溫度傳感器四、醫(yī)學(xué)儀器的分類N種方法診斷用儀器治療用儀器監(jiān)護用一同用途分類四、醫(yī)學(xué)儀器的分類以輸入、輸出信號物理屬性來看醫(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)電子儀器超聲、放射等設(shè)備各種物理量與電的轉(zhuǎn)換〔檢測系統(tǒng)、處置系統(tǒng)……〕醫(yī)學(xué)電