生物信號基礎(chǔ)知識

《醫(yī)學(xué)儀器》李正義第1頁生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)（電子）工程應(yīng)用醫(yī)學(xué)儀器…生命科學(xué)電子技術(shù)計算機(jī)技術(shù)…基礎(chǔ)理論、基本方法為何學(xué)習(xí)《醫(yī)學(xué)儀器》這門課？第2頁生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科內(nèi)涵第3頁《醫(yī)學(xué)儀器》是:多學(xué)科交叉結(jié)晶理、工、醫(yī)高度融合產(chǎn)物生物醫(yī)學(xué)工程研究有力工具第4頁章節(jié)課時第一章醫(yī)學(xué)儀器概述4第二章生物信息測量中噪聲與干擾6第三章信號處理6第四章生物電測量儀器6第五章血壓測量6第六章醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀器6第七章心臟治療儀器與高頻電刀6第八章醫(yī)用電子儀器電氣安全5教學(xué)內(nèi)容第5頁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)）總成績=平時（30%）+試卷（70%）第6頁參考書1、余學(xué)飛，當(dāng)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，2、JohnG.Webster,MedicalInstrumentationApplicationandDesign,Thirdedition,JohnWiley&Sons,INC.19983、王保華，生物醫(yī)學(xué)測量與儀器，復(fù)旦大學(xué)出版社，4、吳建剛，當(dāng)代醫(yī)用電子儀器原理與維修，電子工業(yè)出版社，5、鄧親愷，當(dāng)代醫(yī)學(xué)儀器原理與設(shè)計，科學(xué)出版社，第7頁醫(yī)學(xué)儀器定義及發(fā)展簡史你知道醫(yī)學(xué)儀器有哪些？第8頁第9頁第10頁第11頁第12頁數(shù)字化X射線儀其顯示了人體結(jié)構(gòu)解剖學(xué)形態(tài)，診療依據(jù)密度上改變，較難在病理學(xué)研究中發(fā)揮作用第13頁第14頁當(dāng)代心電圖儀第15頁第16頁第17頁全功效數(shù)字化彩超無創(chuàng)、無電離輻射、實時顯示第18頁第19頁X-CT成像設(shè)備高密度分辨率、無重合體層圖像，分辨率高于超聲第20頁CT重建仿真第21頁第22頁P(yáng)ET設(shè)備圖SPECT設(shè)備圖非介入、以圖像方式給出病人生化及生理過程功效信息第23頁第24頁其對軟組織病變發(fā)覺比X-CT要敏感，有利于顱腦、脊椎等部位病變早期發(fā)覺。NMR儀第25頁第一章醫(yī)學(xué)儀器概述主要知識點:生物信息基本特征醫(yī)學(xué)電子儀器基本結(jié)構(gòu)醫(yī)學(xué)儀器特征生理系統(tǒng)建?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、流程第26頁第一節(jié)生物信號知識介紹一、人體系統(tǒng)特征

人體是一個復(fù)雜自然系統(tǒng)，它是由神經(jīng)系統(tǒng)、運(yùn)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(dú)立，又保持有機(jī)聯(lián)絡(luò)，共同維持生命。

人體系統(tǒng)可分為：

器官自控制系統(tǒng)神經(jīng)控制系統(tǒng)內(nèi)分泌系統(tǒng)免疫系統(tǒng)第27頁器官自控制系統(tǒng)器官自控制系統(tǒng)含有不受神經(jīng)系統(tǒng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)控制機(jī)制。第28頁神經(jīng)控制系統(tǒng)

神經(jīng)控制系統(tǒng)是一個由神經(jīng)進(jìn)行快速反應(yīng)控制調(diào)整機(jī)制。不論是人內(nèi)部器官機(jī)能、身體動作、各種知覺或是人思想、感情等都受神經(jīng)系統(tǒng)控制。第29頁內(nèi)分泌系統(tǒng)經(jīng)過循環(huán)系統(tǒng)將信息傳到全身細(xì)胞進(jìn)行控制，與神經(jīng)調(diào)整相比速度慢，但極微量激素可使器官亢進(jìn)或抑制。第30頁二、人體控制功效特點負(fù)反饋機(jī)制雙重支配性多重層次性適應(yīng)性非線形第31頁三、生物信號基本特征不穩(wěn)定性非線性概率性第32頁四、生物信號檢測與處理生物信號檢測

考慮到生物信號特點，針對不一樣生理參量，采取不一樣方式。生物信號處理

模數(shù)改變、非線性信號->線性化處理、時域->頻域轉(zhuǎn)化等等。第33頁第二節(jié)：醫(yī)學(xué)電子儀器結(jié)構(gòu)

和工作方式第34頁信號采集系統(tǒng)信號處理系統(tǒng)統(tǒng)計與顯示輔助系統(tǒng)一、醫(yī)學(xué)電子儀器基本組成醫(yī)學(xué)電子儀器基本組成第35頁1.生物信號采集系統(tǒng)

依據(jù)生物信息特點，針對不一樣生理參量，采取不一樣方式（傳感器和處理電路）第36頁2.生物信號處理系統(tǒng)為了從檢測到信號中取得更多有用信息，同時使信息特征更明確、更準(zhǔn)確、更直觀3.生物信息統(tǒng)計與顯示系統(tǒng)

直接描記式統(tǒng)計器存放統(tǒng)計器數(shù)字式顯示器第37頁4.輔助系統(tǒng)控制和反饋數(shù)據(jù)存放和傳輸標(biāo)準(zhǔn)信號產(chǎn)生外加能量源第38頁醫(yī)學(xué)電子儀器結(jié)構(gòu)框圖第39頁二、醫(yī)學(xué)儀器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40頁第三節(jié)：醫(yī)學(xué)儀器特征與分類一、醫(yī)學(xué)儀器主要技術(shù)特征1.準(zhǔn)確度（Accuracy）2.精密度(Precision)3.輸入阻抗(Inputimpedence)4.靈敏度(Sensitivity)5.頻率響應(yīng)(Frequencyresponse)6.信噪比(SignaltoNoiseRatio)7.零點漂移(Zerodrift)8.共摸抑制比(CMRRcommonmoderejectionratio)第41頁（一）準(zhǔn)確度（Accuracy）準(zhǔn)確度是衡量儀器測量系統(tǒng)誤差一個尺度。準(zhǔn)確度可了解為測量值與理論值之間靠近程度。理論值－測量值準(zhǔn)確度＝理論值100%第42頁（二）精密度(Precision)

精密度是指儀器對測量結(jié)果區(qū)分程度一個度量。表示從所選定已知數(shù)據(jù)中可能分辨數(shù)值。第43頁（三）輸入阻抗(Inputimpedence)

通常稱外加輸入變量（如電壓、力、壓強(qiáng)等）與對應(yīng)應(yīng)變量（如電流、速度、流量等）之比為儀器輸入阻抗。輸入阻抗Z為被測量輸入變量X1和另一固有變量X2比值。即

信號功率為第44頁（四）靈敏度(Sensitivity)

儀器靈敏度是指輸出改變量與引發(fā)它改變輸入改變量之比。（線性和非線性）第45頁（五）頻率響應(yīng)(Frequencyresponse)

儀器保持線性輸出時，允許其輸入頻率改變范圍，它是衡量系統(tǒng)增益隨頻率改變一個尺度。第46頁（六）信噪比(SignaltoNoiseRatio)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，常以輸入端短路時內(nèi)部噪聲電壓作為衡量信噪比指標(biāo)，即第47頁（七）零點漂移(Zerodrift)

儀器輸入量在恒定不變（或無輸入信號）時，輸出量偏離原來起始值而上、下漂動、遲緩改變現(xiàn)象稱為零點漂移。第48頁（八）共摸抑制比(CMRRcommonmoderejectionratio)放大差模信號和抑制共模信號能力為共模抑制比，用下式表示：

第49頁二、醫(yī)學(xué)儀器特殊性

被作用對象（人）特殊性決定了醫(yī)學(xué)儀器特殊性

1.噪聲特征

2.個體差異與系統(tǒng)性

3.生理機(jī)能自然性

4.接觸界面多樣性

5.操作與安全性第50頁（一）噪聲特征從人體拾取生物信號不但幅度微小，而且頻率也低。必須盡可能采取各種抑制辦法，使噪聲影響減至最小。普通來說，限制噪聲比放大信號更有意義。第51頁（二）個體差異與系統(tǒng)性人體個體差異相當(dāng)大，用醫(yī)學(xué)儀器作檢測時，應(yīng)從適應(yīng)人體差異性出發(fā)，要有對應(yīng)測量伎倆。人體又是一個復(fù)雜系統(tǒng)，測定人體某部分機(jī)能狀態(tài)時，必須考慮與之相關(guān)原因影響。要選擇適當(dāng)檢測方法，消除相互影響，保持人體系統(tǒng)性相對穩(wěn)定。第52頁（三）生理機(jī)能自然性在檢測時，應(yīng)預(yù)防儀器（探頭）因接觸而造成被測對象生理機(jī)能改變。因為只有確保人體機(jī)能處于自然狀態(tài)下，所測得信息才是可靠、準(zhǔn)確。第53頁（四）接觸界面多樣性為了能測得人體生物信息、必須使傳感器（或電極）與被測對象間有一個適當(dāng)、接觸良好接觸界面。第54頁（五）操作方便與安全性．在醫(yī)學(xué)儀器臨床應(yīng)用中，操作者為醫(yī)生或醫(yī)輔人員，所以要求醫(yī)學(xué)儀器操作必須簡單、方便、適用和可靠。另外，醫(yī)學(xué)儀器檢測對象是人體，應(yīng)確保電氣安全、輻射安全、熱安全和機(jī)械安全，使得操作者和受檢者均處于絕對安全條件下。第55頁經(jīng)典醫(yī)學(xué)參數(shù)經(jīng)典參數(shù)幅度范圍頻率范圍使用傳感器（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~Hz表面電極胃電（EGG）0.01~1mVDC~1Hz表面電極心音（PCG）

0.05~Hz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°CDC~0.1Hz溫度傳感器第56頁醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展非?？焖?，各種新醫(yī)學(xué)儀器不停出現(xiàn)。所以，醫(yī)學(xué)儀器分類比較復(fù)雜，通常情況按照儀器在醫(yī)學(xué)、醫(yī)療中用途可分為兩大類：

診療用儀器理療用儀器

四、醫(yī)學(xué)儀器分類第57頁診療用儀器生物電診療與監(jiān)護(hù)儀器：如心電圖機(jī)、腦電圖機(jī)、肌電圖機(jī)等。生理功效診療與監(jiān)護(hù)儀器： 如血壓計、血流圖儀、呼吸機(jī)及檢測脈搏、聽力、肺功效參數(shù)儀器等。人體組織成份電子分析檢驗儀器： 如血球計數(shù)器、生化分析儀、血液氣體分析儀等。人體組織結(jié)構(gòu)形態(tài)影像診療儀器： 如超聲儀器、X線計算機(jī)層析攝影、核磁共振計算機(jī)斷層攝影及電子內(nèi)窺鏡等。第58頁理療用儀器電療機(jī)：包含靜電治療機(jī)和低、中、高頻治療機(jī)等。光療機(jī)： 包含紅外線治療機(jī)、紫外線治療機(jī)、激光治療機(jī)等。磁療機(jī)： 包含旋磁治療機(jī)、中頻交變治療機(jī)等。超聲波治療機(jī)： 包含超聲霧化吸入器、超聲波治療機(jī)等。第59頁第五節(jié)：醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)影響儀器設(shè)計基本原因有五種，即信號原因、環(huán)境原因、醫(yī)學(xué)原因、經(jīng)濟(jì)原因和時代原因，這些原因都是進(jìn)行設(shè)計時考慮基本標(biāo)準(zhǔn)。

醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計靈感起源于臨床需求：第60頁一

設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

因