1、医学电子仪器技术与应用,主讲： 杨宏丽电话：13603006420办公室：行政楼504,课程介绍,课程性质：专业核心课程，学分为4；前导课程：数字电子技术、模拟电子技术、嵌入式单片机应用设计；后续课程：医疗设备检测技术、超声诊断技术、人体机能代行装置；,学习目的,操作：能通过产品说明书和操作培训，掌握心电图机、血压计以及医用监护仪器等常用医学电子仪器的操作。拆卸和组装：掌握医学电子仪器的结构、基本组成、生产工序及特殊要求。测试、维护与维修：了解医学电子仪器的工作方式、工作原理和技术应用。,考核方法,平时实训项目及阶段测试等占总成绩的40%，重点考察学生的学习过程。操作考核与课程设计占总成绩的4
2、0%，每个人单独通过。内容为常用仪器的使用、拆装与维护，重点考核学生连接线路、检测、调试以及操作使用维修医用电子仪器的能力。学习态度，平时作业和课堂上回答问题的情况占总成绩的20%。,第一章 医学仪器概述,生物信息知识 医学仪器的基本构成、特性及分类 医学仪器的设计及发展展望,第一节 生物信息知识,人体系统的特征 生物电信号典型生物医学参数生物医学参数的特点生物医学信息的类型医学参数测量的特殊性,一. 人体系统的特征,人体是一个复杂的自然系统，它由神经系统、运动系统、循环系统、呼吸系统等分系统组成，分系统间既互相独立，又保持有机的联系，共同维持生命。,运用现代理论分析研究人体，可将人体系统分为
3、：,器官控制系统 神经控制系统 内分泌系统 免疫系统,为什么用心电图机可以测量到心电信号？,心电信号,1. 细胞和组织的电学特性生物电位是由“可兴奋细胞”的电化学活动产生的，这些细胞是神经、肌肉或腺组织的组成成分，平时呈现出静息电位，给予适当刺激便产生动作电位。,二. 生物电信号,无脊椎动物神经轴突动作电位,2. 体表电位人体表面的任意一点相对于某参考点存在确定的电位，如心电、脑电、肌电等，是心脏、脑、肌肉等活动的综合效果。 （1） 体表心电图 （2） 脑电 （3） 肌电,（1） 体表心电图：,（2） 脑电： 大脑皮层的神经元具有自发生物电活动，因此大脑皮层经常具有持续的节律性电位变化，称为自
4、发脑电活动。,（2） 脑电： 除了自发脑电波外，用刺激的方式能够引起大脑皮层局部区域的电活动，这称为脑的诱发电位EP。,体感诱发电位,听觉诱发电位,胶质层,皮层,（3） 肌电： 肌肉的生物电活动形成的电位随时间的变化曲线称为肌电图。肌电活动是一种快速的电变化，他的振幅在20uV到几个毫伏，频率为2Hz到10kHz.,背侧骨间肌运动单元动作电位,3. 非电量生理信号： 除生物电信号外，作为有生理机能特征的信号外，还有机械信号、声学信号、生物化学信号以及生物磁信号等。诸如血压、脉搏、血流、体温及呼吸、脑磁、心磁等多种生理参数。,血压波形,血压分布图,典型生物医学参数,生物医学信号属于强噪声背景下的
5、低频微弱信号，是由复杂的生命体发出的不确定的自然信号。 医学仪器所要测量的生理参数的特点是被测生理量的幅值和频率范围都是比较低的。 生物电现象是生命活动的基本属性，几乎在机体的一切生命过程中都伴随生物电的产生。人体的各种生物电的研究、记录已经成为了解人体各器官的功能、临床诊断、治疗的可靠依据。,生物医学参数的特点,获得有效的生物医学参数，必须通过科学的测量手段来完成。,本节小结,生物医学参数的特点？ 医学仪器所要测量的生理参数的特点是被 测生理量的幅值和频率范围都是比较低的。 生物医学参数主要有哪两类信号？ 电类、非电类,医学仪器定义医学仪器是以医学临床诊治和医学研究为目的的仪器。通常是指那些
6、单纯或者组合应用于人体的仪器，包括所需的软件。医学仪器用于人体体表及体内的作用不是用药理学、免疫学或者代谢的手段获得的。医学电子仪器的基本构成,第二节 医学电子仪器的结构和工作方式,医学仪器主要由信息检测系统、信息处理系统、信息记录系统及辅助系统等部分构成。,信息检测系统,信息处理系统,记录显示系统,辅助系统,医学仪器的基本构成,医学仪器的基本构成,生物信息检测系统：,被测对象,传感器,电信号,生物信息处理系统：,放大、识别、变换、运算,生物信息记录与显示系统：,打印、显示,辅助系统：,控制与反馈、数据存储与传输、信号产生与能量供应,医学仪器的特性与分类,医学仪器的主要技术特性（衡量医学仪器性
7、能的主要技术指标） 1）准确度（accuracy）： 仪器的测量值与理论值之间的接近程度。 2）精密度（precision）： 在相同条件下，用同一种方法多次测量所得数值的接近程度。 精确度 = 准确度 + 精密度,3）输入阻抗（input impedance）： 外加输入变量（如电压、力、压强）与相应 应变量（电流、速度、流量）之比。,采用电极,采用传感器,输入变量 X1,应变量 X2,4）灵敏度（sensitivity）： 仪器的输出变化量与引起它变化的输入变化量之比。 5）频率响应（frequency response）： 仪器保持线性输出时允许其输入频率变化的范围。 6）信噪比（sig
8、nal to noise ratio）： 信号功率Ps与噪声功率PN之比。,7）零点漂移（zero drift）： 仪器的输入量在恒定不变时（或误输入量），输出量偏离原来起始值而上下飘动、缓慢变化的现象。 8）共模抑制比（common mode rejection ratio）：仪器放大差模信号和抑制共模信号的能力。,二. 医学仪器的分类 医学仪器发展非常迅速，各种新的医学仪器不断出现。因此，医学仪器的分类比较复杂，通常情况按照仪器在医学、医疗中的用途可分为两大类： 诊断用仪器 理疗用仪器,你知道哪些具体仪器？,诊断用仪器,生物电诊断与监护仪器： 如心电图机、脑电图机、肌电图机等。生理功能诊断
9、与监护仪器：如血压计、血流图仪、呼吸机及检测脉搏、听力、肺功能参数的仪器等。人体组织成分的电子分析检验仪器：如血球计数器、生化分析仪、血液气体分析仪等。人体组织结构形态的影像诊断仪器：如超声仪器、X线计算机层析摄影、核磁共振计算机断层摄影及电子内窥镜等。,理疗用仪器,电疗机： 包括静电治疗机和低、中、高频治疗机等。光疗机： 包括红外线治疗机、紫外线治疗机、激光治疗机等。磁疗机：包括旋磁治疗机、中频交变治疗机等。超声波治疗机：包括超声雾化吸入器、超声波治疗机等。,根据医学仪器的原理进行分类：当前，医学仪器大致可以分为三大类： 医学成像装置类、 医学电子仪器类、 医学分析仪器类。,成像类仪器的种类
10、：1）X射线成像装置（XCT）2）磁共振成像装置（MRI）3）超声成像装置（US）4）正电子发射断层扫描成象系统（PET）5）功能磁共振成像（fMRI）,1-33,医学成像装置,1-34,医学成像装置,1-35,2. 医学电子仪器类特点：技术上采用微电子化、智能化、组合化和遥测化、产品上自动化、小型化和多功能化。种类：1）心脑电子仪器2）监护仪器,1-36,医学电子仪器,1-37,医学分析仪器类 ?,由第一组负责收集、讲解（类型、产品图片、产品功能、主要生产厂家）,本节小结,1. 医学仪器的基本结构：,本节小结,2. 医学传感器的作用：,将反映人体机能状态信息的物理量或化学物质转变为电（或电磁
11、）信号,3. 医学仪器的信息处理系统的作用：,对信息检测系统传送过来的信息进行处理，包括放大、识别（滤波）、变换、运算等各种处理和分析。是医学仪器的核心。,生物医学仪器的发展与展望,一. 21世纪生物医学仪器的发展 由于各学科的新成果不断融入 ，现代电子技术、计算机技术、信号与信息处理技术已是现代生物医学工程技术与医疗仪器设备的核心技术，特别是当代生命科学和信息科学两大前沿学科的发展 ，为生物医学工程和医疗器械的未来展现了更为广阔的前景。 当代生物医学工程技术中最具代表性的技术是：数字医学影象技术；物理外科手术技术；电生理参数检测与监护技术；临床检验、分析与分子生物学技术；医学网络与信息系统。
12、,21世纪生物医疗仪器的发展,1、数字医学影像技术： 主要有CT、MRI、PET、DR、Ultro-S等。,是根据人体组织对外源性X线的不同吸收程度，来判断人体组织器官结构变化的成像设备。,（1）计算断层摄影 （ Computed Tomography ）诊断，简称CT ：,CT的主要结构包括两大部分：X线体层扫描装置：产生X线束的发生器和球管， 接收和检测X线的探测器计算机系统：数据采集系统、中央处理系统、磁带机、操作台等。,CT,胃,胰腺,肠,胆囊,肝脏,右肾,左肾上腺,主动脉,脊椎,肋骨,4层、8层、16层、32层、64层图像的螺旋CT机,CT发展现状：,Philips(飞利浦）tosh
13、iba(东芝）岛津siemens(西门子） 日立GE(美国通用）,主要生产厂家：,（2）磁共振造影术 (Magnetic Resonance Imaging），简称MRI：,利用人体中的遍布全身的氢原子在外加的强磁场内受到射频脉冲的激发，产生核磁共振现象，经过空间编码技术，用探测器检测并接受以电磁形式放出的核磁共振信号。,MRI工作原理图,MRI扫描的梯度磁场,收发器,患者,Z轴线圈,X轴线圈,Y轴线圈,恒定静磁场,MRI 之一,MRI 之二,MRI 之三,MRI 之四,CT 与 MRI,這是出血第三天的影像。左邊是 CT，右邊是 MRI,医用MRI系统分类： 根据磁体不同可以分为： 常导型、
14、永磁型和超导型。 根据磁体的主磁场大小可以分为： 低场（1.0T) 目前临床应用的达到3.0T主要生产厂家：GE 、飞利浦、西门子等,http:/ Emission Tomography)，简称 PET,1、数字医学影象技术：,利用回旋加速器加速带电粒子轰击靶核，通过核反应产生带正电子的放射性核素，并合成显像剂 。,在衰变过程中发射带正电荷的电子，这种正电子在组织中运行很短距离后，即与周围物质中的电子相互作用，发生湮没辐射，发射出方向相反，能量相等的两光子 。,比例符合计算单元,图像重构,光电转换数据,正电子湮灭,21世纪生物医疗仪器的发展,（4）US(ultrasound)：代表当前水平的产
15、品是全数字化多功能彩超，融入了宽带、高密度探测、全程动态聚焦、谐波成象、快速三维重构等新技术。由于其无创、实时，被广泛用于体检普查、临床诊断、定位以及手术导航等。,1、数字医学影象技术：,全数字化多功能彩色多普勒超声诊断仪,21世纪生物医疗仪器的发展,（5） DR(Digital Radiography) 直接数字化X射线摄影系统 ： 是直接将X线光子通过电子暗盒转换为数字化图像，它利用硒作为X线检测器，由电子暗盒、扫描控制器、系统控制器、影像监示器等组成。 辐射剂量低（可下降30%-70%），分辨率高，可数字化传输、存储实现无胶片化。,1、数字医学影象技术：,DR的成像原理,DR（X-RAY
16、）,DR（X-RAY）,21世纪生物医疗仪器的发展,（6）医学影像的后处理技术： CT、MRI、DSA、SPECT、PET和超声等产生的数字化图像，经计算机技术对其进行再加工并从定性到定量对图像进行分析的过程称为医学图像后处理技术。 如：图象滤噪、图象分割、三维重构等技术 ； 图象配准和融合技术； 图象无损压缩技术； 虚拟人体可视化技术等等 。,1、数字医学影象技术：,21世纪生物医疗仪器的发展,2、高能物理治疗技术： （1）放疗与立体定向放射外科手术： 刀；X刀；粒子刀 （2）超声治疗技术：其代表性的进展表现在超声外科手术刀（2030kHz），超声体外碎石机（12MHz）、无创性高强聚焦超声
17、外科（0.5-4.5MHz）等方面。（3）电磁波热疗技术 ：主要是利用微波（2450、915、433MHz）、高频（几MHz到几十MHz）、射频（100-1000KHz）的生物热效应，在生物组织产生高温达到治疗目的。（4）高能肿瘤热疗技术,高能聚焦超声热疗仪,放射治疗,21世纪生物医疗仪器的发展,3、高度发展的电生理检测设备与监护技术 ： （1）以微机为核心的数字化电生理检测设备，正在逐步取代传统的模拟设备。数字化与检测、分析相结合是现代化电生理检测仪器发展的重要趋势。 （2）监护仪是一种需求日益增长的、临床急需的设备。目前，常用的监护仪有：多导生理监护仪（血压、血氧、心电、心率、阻抗呼吸、体
18、温），24小时动态监护仪（心电、脑电），手术监护设备，母婴监护仪，胎儿监护仪，睡眠监护仪等。,21世纪生物医疗仪器的发展,4、整体优化的TMS方案 ： TMS（Total Medical Solutions）方案，是围绕一个医疗目标，将分散、独立工作的相关设备，优化组合构成一个仪器系统。目的在于把需要的诊断、治疗技术进行整合，构架成一个完整体系，以获得最佳医疗效果。例如心脏病学科TMS方案包括12导心电图机、运动负荷测试系统、动态心电诊断系统、CCU中央监护系统，由中央心电管理系统进行统一管理；以及由肺功能测定仪、动态血压诊断系统、脉氧仪、除颤起搏监护仪等构成的日常检测、救护仪器系统。,21世
19、纪生物医疗仪器的发展,5、医学信息系统：（1）PACS-DICOM-IHE：PACS(Picture Archiving and Communication System)数字图象归档与通信系统，是一个建立在计算机、网络、信息等技术基础上的管理医学图象的综合系统。 DICOM3.0 ( Digital Imaging and Communication in Medicine,3.0) 是为解决不同厂商生产的医学影象设备能上网互连而推出的医学数字图象通信标准 IHE(Integrating the Healthcare Enterprise)集成医疗机构，目的在于对医院各种医疗设备和系统进行集
20、成，实现信息资源整合和综合利用。,PACS系统结构图,21世纪生物医疗仪器的发展,5、医学信息系统：（2）远程医疗 ： 远程医疗主要解决跨地区的医学信息资源最佳整合与利用，以及边远地区的诊疗问题。能使医生实时、在线的对异地病人进行会诊、监护、咨询、指导治疗，可在自己的计算机上直接对异地病人资料进行采集、查阅、编辑，并可以通过计算机，与二位以上的同行对同一记录资料进行讨论研究，作出判断，提出医疗指导性建议。,21世纪生物医疗仪器的发展展望,21世纪生物医疗仪器将继续在医学诊断、手术、监护、康复等方面获得更大发展， 总趋势是：器械智能化、简易化；保健转向家庭；生物、物理、工程设计领域交叉融合；提高
21、临床诊断精确性。 计算机辅助诊断、智能器械、生物传感器、机器人、网络等在内的计算机相关技术；分子医学；家庭与自我保健；微创方法；器械/药物结合的产品；人工器官移植/辅助装置及组织工程组件等产品将进一步得到发展。,21世纪生物医疗仪器的发展展望,1） 机器人外科与微系统技术 ： 机器人外科是指外科医生应用机器人去完成某些精确的外科任务，而非用机器人取代外科医生。 微系统技术：是微电子、计算机技术和精密机械相结合的高新技术。主要用于微创诊断和治疗。 2）纳米材料与纳米医学： 纳米医学是指制造和利用纳米结构与纳米级装置，在分子水平上诊断、防病、治病的技术。,21世纪生物医疗仪器的发展展望,3）生物芯
22、片 ：分子电子器件：目前的进展是分子开关、分子储存器、分子导线、分子神经元等分子器件。微型多参数生物传感器：是在一微小基片的表面固定大量的分子识别探针，实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞或其他生物组织，准确、快速、大信息量的筛选或检测。基因芯片：是一种最重要的分子芯片，实际它是DNA微阵列芯片，它集成了大量密集排列的基因探针，通过与被检测的核酸序列，互补匹配，进行序列测量。,21世纪生物医疗仪器的发展展望,4） 组织工程组件 ：应用生命科学和工程学原理 ，研制能够修复和改善，损伤或缺失组织功能的人造组织或器官。,CT与核磁共振（MRI）是两种截然不同的检查方法。MRI是Magnetic Resn
23、ane Iamge的简称，中文为磁共振成像。MRI是把人体放置在一个强大的磁场中，通过射频脉冲激发人体内氢质子，发生核磁共振，然后接受质子发出的核磁共振信号，经过梯度场三个方向的定位，再经过计算机的运算，构成各方位的图像。CT由于X线球管和探测器是环绕人体某一部位旋转，所以只能做人体横断面的扫描成像，而MRI可做横断、矢状、冠状和任意切面的成像。核磁共振(MRl)与CT都属于技术含量非常高的影像学检查手段，两者相比，核磁共振主要具有以下优点。核磁共振能敏感地检查出组织成分中水含量的变化，能显示功能和新陈代谢过程等生理生化信息的变化，它使机体组织从单纯的解剖显像发展为解剖学与组织生化和物理学特性
24、变化相结合的“化学性图像”，为一些早期病变提供了诊断依据，常常比CT能更有效和更早地发现病变。它能非常清晰地显示脑和脊髓的灰质和白质，故在神经系统疾病的诊断方面优于CT，对颅脑、脊柱和脊髓疾病的显示优于CT，这是CT所无法比拟的； 核磁共振可根据需要直接显示人体任意角度的切面像，可以直接作出横断面、矢状面、冠状面和各种斜面的体层图像；而CT只能显示与身体长轴相垂直的横断层像； 核磁共振有高于CT数倍的软组织分辨能力，图像中对于软组织的对比度可以提高13个等级度，大功率的核磁共振机器拍摄的照片非常清晰，甚至可以看到组织内的细小血管； 核磁共振在仪器结构上不需要像CT那样有较大的机械口转动部件和一
25、系列高精度的探测器，只要通过电子方法调节磁场梯度即可实现扫描； 核磁共振不会像CT那样产生对人体有损伤的电离辐射，对机体没有不良影响，甚至孕妇接受核磁共振检查时对胎儿也无任何不良影响； 核磁共振有3个特性参数，而CT只有X射线束穿过生物组织的衰减一个物理参数，故核磁共振漏诊率比CT低； 核磁共振不用造影剂就可得到很好的软组织对比度，能显示血管的结构，故对血管、肿块、淋巴结和血管结构之间的相互鉴别有其独到之处，而且还避免了造影剂可能引起的过敏反应； 核磁共振不会产生CT检测中的骨性伪影，能使脊柱中的脊髓及神经根显像清晰，还有可能检查出由于缺血引起的组织损伤等等。 核磁共振几乎适用于全身各系统的不
26、同疾病，如肿瘤、炎症、创伤、退行性病变以及各种先天性疾病的检查，在脊柱外科更有其广泛的适应证，应用范围大大超过CT检查，诊断价值明显优于CT。CT相比较，MRI具有以下优点：无放射线损害，迄今也未见有MRI对人体产生损伤的报道；软组织密度分辨率高于CT，而空间分辨率也可与CT相媲美，直径小于2厘米的胰癌也能发现；可直接作任意的切层扫描；成像参数及方法多，所获得诊断信息较CT丰富；一般无需作增强扫描，近年采用的一种特殊的MRI增强剂（Gd-DTPA）以增强病灶的信号对比，且无潜在危险的碘过敏反应；借助于质子的流动效应，可清晰显示血管，尤其是运用数字减影原理可作MRI血管造影；无骨性伪影，对颅窝病
27、变的诊断比CT优越得多。其不足之处是：钙化及骨病灶不能显示；扫描时间一般较长，每日能检查的人数较CT少；上腹部MRI仍存在运动伪影干扰；体内有磁性金属物者不能检查；价格昂贵。,器官自控制系统,器官自控制系统具有不受神经系统和内分泌系统控制的机制。,神经控制系统,神经控制系统是一种由神经进行快速反应的控制调节机制。 不论是人的内部器官的机能、身体的动作、各种知觉或是人的思想、感情等都受神经系统的控制。 人的神经系统分成两个主要部分：一是中枢神经系统，包括脑和脊髓；二是周围神经系统，包括脑神经、脊神经和内脏神经。,内分泌系统,内分泌系统（endocrine system）是机体的重要调节系统，它与
28、神经系统相辅相成，共同调节机体的生长发育和各种代谢，维持内环境的稳定，并影响行为和控制生殖等。内分泌系统由内分泌腺和分布于其它器官的内分泌细胞组成。 内分泌系统通过循环系统的路径将信息传到全身细胞进行控制。,免疫系统,免疫系统（immune system）是机体保护自身的防御性结构，主要由淋巴器官（胸腺、淋巴结、脾、扁桃体）、其它器官内的淋巴组织和全身各处的淋巴细胞、抗原呈递细胞等组成；广义上也包括血液中其它白细胞及结缔组织中的浆细胞和肥大细胞。构成免疫系统的核心成分是淋巴细胞，它使免疫系统具备识别能力和记忆能力。 对人体来说，人体内的非自体识别及其处理形式是最基本的控制机制。,生物医学信息的类型,医学仪器所检测和处理的生物信息主要有两种：连续信息和离散信息，或称为模拟信息和数字信息,离散参数的离散信息,离散参数的连续信息,连续参数的连续信息,连续参数的离散信息,
