【文档说明】医学电子仪器wiederholen课件.pptx，共(95)页，5.361 MB，由小橙橙上传

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11Chapter1BasicConceptsofMedicalInstrumentation21.Unstable2.Probability3.NonlinearityCharacteristicsofphysiologicalsignalHumanBodySys

tem3BioelectricalSignalsCharacteristicsofBiomedicalMeasurement4⚫Multi-variability•生命体的生命活动是由多个生理及生化参量共同决定的，而在测量过程中，

往往只针对某种效应和某些参量进行测量。•生命系统的这种多变量特性，决定了测量方法和技术以及测量结果的涵义和结论都会带有明显的局限性。CharacteristicsofBiomedicalMeasurement5⚫Disturbance生物医学测量过程中，由于被测参

数往往十分微弱，易受外界环境干扰(例如工频交流电干扰)和来自人体自身的其他无用信息的干扰(例如在测量体表希氏束电位时，很易受来自肌电信号的干扰)，人体活动时的体位变化、电极不良及传感器错位时也会产生伪差，必须采用抗干扰技术、排除伪差等方法提取

有用信号。CharacteristicsofBiomedicalMeasurement6⚫PsychophysiologyFactors在测量过程中，由于被测对象出现紧张，生理和心理都会发生变化。心理的变化会导

致生理参数(心率、血压、体温等)变化。在测量过程中，被测者的不理解和不配合，尤其在进行麻醉和经受物理和药物刺激时，受试者不能很好配合，直接影响测量过程中的伪差，从而影响测量的准确度CharacteristicsofBiomedicalMeasurement7⚫Clo

seLoop•生命体具有精确的自动调节功能，这是由于在生命体中存在多环路、多层次、多重控制的闭环系统特性所决定的。多种原因可导致同一生理参数的变化，同一原因又可导致多种生理参数的同时变化。•因此，测量单一生理参数难于有效评估生理和病理状态，需要多参数综合测试，并用适当方法使人

体的闭环系统暂时开环，以测量某一环节的开环响应特性，正确地加以定位并确保测量结果的唯一性与正确性。CharacteristicsofBiomedicalMeasurement8⚫Safety⚫生物医学测量的对象是生命体，尤其是人体，因此安全性极其重要。➢1）测量中应防止各种

电击的危害⚫尤其是在体内对心脏进行直接测量时，极微小的电流(uA级)也有可能导致室颤（VantricularFibrillation）。⚫其次，电流通过人体时，会产生许多物理变化(例如热效应)和化学变

化，并会引起多种复杂的生理效应。➢2）测量装置不能产生有毒物质，应与组织与血液有较好的生物相容性(Bio-compatibility)。CharacteristicsofBiomedicalMeasureme

nt9⚫Evaluation生物医学测量的新方法，尤其是一些间接测量方法往往会涉及测试模型的建立问题。由于研究者对生命现象复杂程度了解不够，加上生物个体差异很大，因此测试模型往往带有片面性，在评估时也缺乏正确、有效的措施。Characteristic

sofBiomedicalMeasurement10⚫Environment测量环境，例如温度、湿度、电磁场干扰、振动、冲击等，都会使测量产生困难。尤其是在进行细胞级的测量时，利用微电极测量细胞内的电位变化时，对环境要求很严，否则将影响测量结果的可靠性。Characteri

sticsofBiomedicalMeasurement11⚫aprioriknowledge•由于研究者、设计者乃至操作者缺乏对生物医学的先验知识，可能对生物医学测量的结果以及表达产生影响。•在临床诊断过程中，医生必须利用其对医

学的先验知识结合仪器测量的结果进行综合判断。CharacteristicsofBiomedicalMeasurement12⚫Suitability•任何测量方法与技术都有一定的局限性，尤其是在生物医学领域。生命体中的各个系统、组织和器官，同一测量对象可能有多种测

量方法，每一种测量都在一定条件限制下进行的。因此，不同测量对象需要有其相关的测量手段与方法，在进行测量以前首先要研究方法与技术的适用性问题CharacteristicsofBiomedicalMeasuremen

t13⚫Biopotential⚫Pressure⚫Flow⚫Dimensions(imaging)⚫Displacement(velocity,acceleration,force)⚫Impedance⚫Temperature⚫ChemicalConce

ntrationMeasurand:Thephysicalquantity,property,orconditionGeneralizedinstrumentationsystem14MedicalandPhysiologicalParametersGeneralizedinstrumen

tationsystem15SensorandTransducer⚫Sensor–Convertsaphysicalmeasurandtoanelectricaloutput–Interfacewithlivingsystem–Minimizetheenerg

yextracted–MinimallyinvasivediaphragmStraingagepressuredisplacementelectricvoltageGeneralizedinstrumentationsystem16SignalConditioning•Amplificat

ion•Filtering•Impedancematching•Analog/Digitalforsignalprocessing•Signalform(timeandfrequencydomains)Generalizedinstrumentatio

nsystem17OutputDisplay•Numericalorgraphical•Discreteorcontinuous•Permanentortemporary•Visualsense•Auditorysense(Dopplerultra

sonicsignals)Generalizedinstrumentationsystem18Parametersusedtoevaluatemedicalinstrument:⚫Accuracy:Thedif

ferencebetweenthetruevalueandthemeasuredvaluedividedbythetruevalue⚫Precision:Thenumberofdistinguishablealternativesfromwhichagivenresultsisselecte

d⚫Resolution:Thesmallestincrementquantitythatcanbemeasuredwithcertainty⚫Reproducibility:Theabilitytogivethesameoutputfo

requalinputsappliedoversomeperiodoftime.GeneralizedStaticCharacteristics19HighprecisionLowaccuracyHighaccuracyLowprecisionGeneralizedStaticC

haracteristics20GeneralizedStaticCharacteristics21医学电子仪器Chapter2-BasicSensorsandPrinciples22Thetermtransducerisdefinedasadevicethat

convertsoneformofenergytoanother.Asensorconvertsaphysicalmeasurandtoanelectricoutput.传感器的定义：能感受或响应规定的被测量并按

照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器的定义和组成医用传感器（medicalsensor）：能够感知多数为非电量的生物信息并将其转换成电学量的器件或装置。23传感器起着关键作用，其原因：➢生物信号很多是非电量信号，必须经过传感器感知才能转换

成电信号➢生物信号十分微弱➢生物信号信噪比很低➢生物信号多数变化频率很低，容易受到50Hz电源和其他生理活动的干扰➢无创伤的检测，患者才乐于接受传感器的作用传感器决定着检测的可能性和检测仪器的精确性、可靠性及其应用范围。2

4(1)足够高的灵敏度，能够检测出微弱的生物信号。(2)尽可能高的信噪比，以便在干扰和噪声背景中提取有用的信息。(3)良好的精确性，以保证检测出的信息准确、可靠。(4)足够快的响应速度，能够跟随生物体信息量的变化(5)良好的稳定性，保持长时间检测漂移很小，输出稳定。(6)

较好的互换性，调试、维修方便。医用传感器的特性和要求医用传感器的特性25(1)与人体接触、特别是植入体内的传感器材料必须是无毒的，并且与生物体组织具有良好的相容性，长期接触不会引起排异、炎症等不良反应。(2)传感器在进行检测时，不能影响或者尽可能少影响正常的生理活动，

否则检测的信息将是不准确的。(3)传感器应具有良好的电气安全性，特别是与体内接触的传感器应按照防止微电击的电气安全标准具有良好的绝缘性能。(4)传感器在结构上和性能上要便于清洁和消毒，防止有害物质交叉感染。医用传感器的特殊要求医用传感器的特性和要求26Whe

atstoneBridgevoiszerowhenthebridgeisbalanced-thatiswhen3421//RRRR=IfallresistorhasinitialvalueR0thenifR1andR3in

creasebyR,andR2andR4decreasesbyR,thenivRRv00=++−+−=+−+=−=+=+=))(()()(4132413234414323414323RRRRRRRRR

RVVRRRRRRVVVVRRRVVRRRVVioibaoibia2727Piezoelectriceffect1、正（顺）压电效应2、逆压电效应（电致伸缩）压电介质正压电效应Q(E)电能T(S)机械能逆压电效应2828居

里点573℃，六角晶系结构光轴电轴机械轴yfPiezoelectricMaterials——QuartzCrystal轴（光轴）：轴（电轴）：轴（机械轴）：xzy光线沿此方向入射时不产生双折射现象，沿此方向加力也不产生压电电荷产生压电电荷的方向沿此方向受力时变形最

小，机械强度最大29C/Nconstant,ricpiezoelect==kkfqVoTofindVo,assumesystemactslikeacapacitor(withinfiniteleakresistance):AkfxCkfCqVro0===xACr0=Capacitor:(t

ypicallypC/N,amaterialproperty)kforQuartz=2.3pC/Nkforbariumtitanate=140pC/NPiezoelectriceffect30deflectionxconstantalityproportio

n===KKxqViewpiezoelectriccrystalasachargegenerator:Rs:sensorleakageresistanceCs:sensorcapacitanceCc:cablecapacitanceCa:amplifie

rinputcapacitanceRa:amplifierinputresistanceRaTransferFunctionofPiezoelectricSensors31Convertchargegeneratortocurrentgenerator:dtdxKdtdqis==Curre

ntKxq=RaTransferFunctionofPiezoelectricSensorsRVdtdxKdtdVCiiiiiiooRscRcs−=−=+=()()1+=jjKjXjVsoKs=K/C,

sensitivity,V/m=RC,timeconstantRa32医学仪器Chapter4-TheOriginofBiopotentials33动作电位的概念:指可兴奋细胞在受到一定强度的刺激后，膜

两侧的电位在原有静息电位的基础上发生的一次快速的倒转和复原TheActiveState34动作电位有一下几部分组成:上升支下降支超射负后电位正后电位TheActiveState35TheActiveState不同种类细胞的动作电位其特征相似，但其变化幅度与持续时间是有差别的。在

骨骼肌和粗神经纤维锋电位的幅值可达120mV,持续时间为0.5～2.0ms，而后电位则易变性较大，负后电位一般约持续5～30ms，正后电位持续60～80ms。36IfstimulusdepolarizethecellsuchthatVcell>Vthresho

ldanactionpotentialisgenerated.InternalmediaExternalmedia+---++ElectricFieldNa+140mmol/literofK+2.5mmol

/literofK++---++ElectricFieldK+TheActiveState37ActionPotentialAbsoluterefractoryperiod:membranecannotrespondtoany

stimulus.Relativerefractoryperiod:membranecanrespondtointensesuperthresholdstimulus.38ActionPotential391.电化学驱动力：决定离子跨膜流动的方向和速度，某离子电化学驱动

力应等于膜电位与该离子平衡电位之差。如Na+：Em-ENa=-70mV-(+60mV)=-130mVAP产生的基本条件:①膜内外存在[Na+]差:[Na+]i＞[Na+]O≈1∶10；②膜在受到阈刺激而兴奋时，对离子的通透性增加：即电压门控性Na+、K+通道激活而开放。MechanismofAP4

0当细胞受到刺激细胞膜上少量Na+通道激活而开放Na+顺浓度差少量内流→膜内外电位差↓→局部电位当膜内电位变化到阈电位时→Na＋通道大量开放Na+顺电化学差和膜内负电位的吸引→再生式内流膜内负电位减小到零并变为正电位（AP上升支）Na+通道关→

Na+内流停+同时K+通道激活而开放K＋顺浓度差和膜内正电位的吸引→K＋迅速外流膜内电位迅速下降，恢复到RP水平（AP下降支）∵[Na+]i↑、[K+]O↑→激活Na+－K+泵Na+泵出、K+泵回，离子恢复到兴奋前水平→后电位Mechanism

ofAP41MechanismofAP42结论：1、AP的上升支由Na＋内流形成，下降支是K＋外流形成的，后电位是Na＋－K＋泵活动引起的2、AP的产生是不消耗能量的，AP的恢复是消耗能量的（Na＋－K

＋泵的活动）。3、AP=Na＋的平衡电位。MechanismofAP43ActionPotentialTravel44心肌细胞的分类1.工作心肌细胞(workingcardiaccell)：心房肌、心室

肌2.自律心肌细胞(rhythmiccell):⚫特殊分化的心肌细胞，包括窦房结、房室交界区、房室束和浦肯野纤维等。⚫基本不含肌原纤维，无收缩性；⚫具有自律性和特殊传导性；⚫构成了心脏的起搏传导系统。Cardiaccond

uctionsystem45RhythmiccellandContractilecell461.传导途径窦房结↓↓结间束房间束（优势传导通路）↓↓房室交界心房肌↓房室束↓左、右束支↓浦肯野纤维↓心室肌Cardiac

conductionsystem4748➢TheP-waveshowstheheart'supperchambers(atria)contracting(depol.)➢TheQRScomplexshowsthehea

rt'slowerchambers(ventricles)contracting➢TheT-waveshowstheheart'slowerchambers(ventricles)relaxing(r

epol.)➢TheU-wavebelievedtobeduerepolarizationofventricularpapillarymuscles.ECG(Electrocardiogram)49ECG心电图典型波形

50StandardLead•I导联左上肢LA(+)vs.右上肢RA(-)•II导联右上肢RA(-)vs.左下肢LL(+)•III导联左上肢LA(-)vs.左下肢LL(+)51StandardLead•TheEinthovenlimbleads(standardleads)aredefine

dinthefollowingway:LeadI:VI=VL-VRLeadII:VII=VF–VRLeadIII:VIII=VF-VLAccordingtoKirchhoff'slawtheseleadvoltageshavethefollowingrelationship:VI+V

III=VIIhenceonlytwoofthesethreeleadsareindependent.52(A)ThecircuitoftheWilsoncentralterminal(CT).(B)ThelocationoftheWilsoncentralterminalinthei

magespace(CT').ItislocatedinthecenteroftheEinthoventriangle.UnipolarMeasurements单极肢体导联FFCTRRCTLLCTVVVVVVVVV=−=−=−Frank

NWilson(1890-1952)53ShowthatthevoltageinleadaVRis50%greaterthanthatinleadVRatthesameinstant..2321;21)2(),1()2(;0)1(;222,2/

)(RVVRVVRVVVRaVRVVRRVVVRaVRVRVVRVLVFVFVLVRVVVVVLVFLVFVVLVFVVVLLVVVFFVWWCWCWCWCWCWW=−++=−=−=−=+−=−=+=++−=−+=++=−=−=，且得出：由54Typical

impedancevalues:1.放大器输入阻抗：10MΩ2.人体手指到肩部阻抗：400Ω3.躯干阻抗：20Ω4.皮肤电极之间的阻抗：几百~几十KΩInterferencefromelectricdevicesDisplacementcircuitfrompowerlinetol

eadlines55ECGlevel：50μV-5mVEEGlevel：10-300μVInterferencefromelectricdevicesDisplacementcircuitfrompowerlinetoleadlines56Interferencefromelectricdev

icesDisplacementcircuitfrompowerlinetoleadlinesMinimizingtheinterferenceby:1.Shieldingleadline2.GroundingeveryshieldinECG3.Lowerin

gtheskinimpedances4.Z1=Z25.IncreasingZin57Driven-right-legcircuit58Driven-right-legcircuit59⚫Summingthecurrentsatthenegativeinputo

ftheopamp,wegetThus,substituting(E6.2)into(E6.3)yieldsDriven-right-legcircuit60➢对比P.260(6.7)，Vcm=10mVDriven-right-legcir

cuit61两种诱发电位的比较定义意义非特异性诱发电位给予不同刺激时产生的反应相同.该电位幅度比较高.没有任何特定意义,在临床诊断中不具有诊断价值.特异性诱发电位给予刺激后经过一定的潜伏期，在脑的特定区域出现的电位反应与刺激信号之间有严格的时间关系.电位幅值较

小,完全淹没在自发脑电信号中.电位的形成与特定的刺激之间有严格的对应关系,可以反映神经系统的功能与病变,在临床上具有诊断价值.诱发电位62诱发试验“事件相关电位”（event-relatedpotential,ERP）是一种特殊的诱发电位，通过

有意地赋予刺激以特殊的心理意义，利用多个或多样的刺激所引起的脑的电位。它反映了认知过程中大脑的神经电生理的变化，也被称为认知电位，也就是指当人们对某课题进行认知加工时，从头颅表面记录到的脑电位。63医学仪器C

hapter7-BloodPressure64Bloodpressuremeasurement•Directmeasurement(invasive,highaccurate)•Indirectmeasurement(noninvasive,lowaccurate)65Indirec

tmeasurementsofBPAuscultatoryMethod•Auscultation:theactoflistening,eitherdirectlyorthroughastethoscopeorotherinstrument,tosoundswithinthe

body.•Thismethodisbasedonthefactthatpulsewaveswhenfirstpropagatethroughthebrachialartery,generateKorotkof

fsounds.66IndirectmeasurementsofBPAuscultatoryMethod67AutomatedBPmeasurementmethod1MicrophonepickupKorotkoffs

ound•Inflatedsanddeflatesancuffatacertainratemustbeautomaticallyfinished•Microphonereplacesthestethoscope•Microprocessorisues

edinthesystemBloodpressuremeasurement68Theoscillometricmethod(示波法)•theobservationofoscillationsofbloodflowduringthepulsation

.•Itusesasphygmomanometercuff,liketheauscultatorymethod,butwithpressuresensor(transducer)toobservecuffpressureoscillations•Thepres

suresensor(withintheinflatedcuff)detectsthepulsationofthearterywallasapressurevibration.•Theinterpretationofthesesmallvibrationsamplitudepr

ovidethebloodpressurevalue.69Theoscillometricmethod(示波法)OmOsOd370示波法血压判定方法➢固定比率计算法–幅度最大处为平均压–收缩压和舒张压根据经

验公式计算➢突变点方法–对脉搏波包络微分，确定舒张压、收缩压和平均压8.0OdOs75.0OmOs==Theoscillometricmethod(示波法)71医学仪器OpticalMolecularI

maging—Bioluminescenceimaging(BLI)Fluorescenceimaging(FI)72MolecularImagingHighlyspecificimagingprobesS

ensitiveimagingsystem73MolecularImaging优势：•更深入——细胞分子水平•更早——解剖结构改变前74MolecularImaging应用领域：•肿瘤检测•药物研发•基因

表达75•生物发光现象是生物体内的化学反应将化学能转化为光能而发光的现象Bioluminescence76荧光素酶报告基因实验流程制备含有萤光素酶基因的DNA转染提供刺激测量萤光调节序列Luc报告基因载体报告基因检测Biolumines

cenceMark77BioluminescenceImaging优点：在体无创伤高特异性高灵敏度，最低检测100多细胞无电离辐射系统简单，操作方便成本低廉781.GFP的光谱特性—最大激发波长—460-490nm

发射波长—500-550nmGFP的特性2.GFP的分子量小（27kDa）—当与其它蛋白组成融合蛋白时，不影响结合蛋白的功能GFP的优点1.可溶性蛋白，性质稳定2.荧光强，易加工到其它蛋白质序列上3.无进入细胞问题，标记可靠4.表达GFP融合物的细胞，可在生活状态下进行实验和检测5.对细

胞无毒FluorescenceProbe79医学仪器MedicalImaging—X-rayImaging801.X射线的波粒二象性✓X射线同时具有波动性和微粒性，统称为波粒二象性。✓X射线在传播时，它的波动性占主

导地位，具有频率和波长，且有干涉、衍射等现象发生。✓X射线在与物质相互作用时，它的粒子特性占主导地位，具有质量、能量和动量。X射线的特性81X射线的特性✓X射线的频率大约是可见光的1000倍，所以它的光子能量比可见光的光子能量大得多，表现明显的粒子性✓X射线和其它电磁波一

样，能产生反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振和吸收等现象，在通常实验条件下，很难观察到X射线的反射✓对于所有的介质，X射线的折射率n都很接近于1（但小于1），所以几乎不能被偏折到任一有实际用途的程度，不可能像

可见光那样用透镜成像82✓人的肉眼看不见X射线，但X射线能使气体电离，使照相底片感光，能穿过不透明的物体，还能使荧光物质发出荧光。✓X射线呈直线传播，在电场和磁场中不发生偏转；当穿过物体时仅部分被散射。✓X射线对动物有机体（其中包括对人体）能产生巨大的生理上影

响，能杀伤生物细胞。X射线的特性83X射线的吸收衰减规律uuxeII−=0称为线性衰减系数uI0IxX射线与物质的相互作用84X射线的穿透作用的强弱与物质的性质有关X射线与物质的相互作用85组织比重吸收比（60kV)荧光屏胶片骨骼：Ga60%,密度大软组织及体液：皮肤、

肌肉、内脏及血液、淋巴液等水：脂肪：密度低气体：肺及胃肠道内，密度最低1.91.01～1.0610.920.00135.01.0110.500.001黑灰黑灰灰白白白灰白灰灰黑黑人体的物质组成X射线与物质的相

互作用86①人体不同密度组织与X线成像的关系X射线成像原理87②人体不同厚度组织与X线成像的关系密度和厚度的差别是产生影像对比的基础，是X线成像的基本条件X射线成像原理88X射线成像类型89检查时间CR&DR90CR&DR91CR&DR92CR&DR93数字减影血管造影(

DigitalSubtractionAngiography,DSA)A/D存储器1存储器2D/A12941、DSA成像方法⑴时间减影：将不同时间得到的两副数字图像相减得到的影像缺点：易受病人位置移动和动脉博动的影响掩模数字减影血管造影95■将同一时间在不同能量X光透视下获得的数

字图象相减。⑵能量减影：K-缘减影：分别用高、低于33keV两种能量曝光影像，碘与其他物质的衰减特性有较大差别。碘对于33KeV的X射线有显著吸收