生物医学电子学概论.docx

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生物医学电子学概论

生物医学电子学

刘伟峰

2012.11

上课要求

•请关闭手机或把手机调成振动!

•上课时请不要吃东西。

考核方式

•平时成绩:

20分

•考试成绩:

80分

参考书目

1、《生物医学传感器与检测技术》

杨玉星编著化学工业出版社www.china-

2、《生物医学电子学》

蔡建新,张唯真编著北京大学出版社注:

以上图书电子版可查询

图书馆APABI电子图书

:

8080/List.asp

参考书目

3、《现代医学仪器设计原理》

邓亲恺主编科学出版社

4、《医学电子仪器原理与设计》

余学飞主编华南理工大学出版社

注:

以上图书电子版可查询

图书馆APABI电子图书

:

8080/List.asp

参考书目

5、《生物医学测量与仪器》

王保华主编复旦大学出版社

6、MedicalInstrumentation,Applicationand

Design

JohnG.WebsterJohnWiley

推荐网站

•上海交通大学:

医学仪器原理课程

天津大学:

生物医医学电子学课程（精品课程

概论

脑电控制机械手脑电控制机械手

肌电控制机械手

JesseSullivan,theWorld'sFirst"BionicMan"

http:

//www.ric.org/research/centers/cbm/#jessebionic_arm（withtext.wmv

RoboRoach

什么是生物医学电子学?

生物医学电子学是应用电子技术、计算机技术解决生物医学问题,它是生物医学工程学科的一个重要的组成部分。

即电子学在生物医学中的应用。

生物电子学对象:

动物等

医学电子学对象:

人体

主要任务

•研究生物医学信号的采集;

•研究生物医学信号的处理;

•研究医疗器械（电类的设计问题。

医疗器械的定义

按照我国《医疗器械监督管理条例》的规定,医疗器械是指单独或者组合使用于人体的仪器、设备、器具、机器、用具、植入物、离体试剂或校准物、软件、材料或者其他物品;其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,但是可能有这些手段参与并起一定的辅助作用;其使用旨在达到下列一项或者多项预期目的:

1、对疾病的诊断、预防、监护、治疗或缓解;

2、对损伤或者残疾的诊断、监护、治疗、缓解或补偿;

3、对解剖或者生理过程的研究、替代、调节或支持;

4、生命的支持或维持;

5、妊娠控制;

6、医疗器械的消毒或灭菌;

7、通过对来自人体的样本进行离体检查,为医学或诊断目的提供信息。

注:

医疗仪器隶属于医疗器械（medicaldevice

医疗仪器的特点

现代医疗仪器通常都是集电子、机械于一体的非常复杂的装置,是非常精密的、可靠性和安全性要求都非常高的自动或半自动系统。

与普通的精密仪器相比,医疗仪器有如下特点

•对被测体应该是无害的,最理想的是无损伤的。

•能量的限制,我们不可能为了提高信噪比或提高治疗效果而无限制地提高外加能量,这会造成机体的损伤;

•安全考虑,由于病人本身已比较衰弱,安全问题就比较突出。

•生物信号弱小,而干扰强大。

信号可能只有干扰的千分之一;

医疗器械产品的生命周期

医疗器械产品的生命周期一般包括以下几个阶段:

概念研发、原型设计、动物实验、临床验证、生产工艺、质量体系、入市许可及产品跟踪。

FDA定义

医疗仪器的种类

按使用风险大小分类

•按照《医疗器械监督管理条例》的规定,国家对医疗器械实行分类管理。

目前中国将医疗器械分为三类:

•第一类是指,通过常规控制可以保障其安全性、有效性的医疗器械。

•第二类是指,通过特殊控制可以保障其安全性、有效性的医疗器械。

•第三类是指,植入人体,用于支持、维持生命,或对人体具有较高的潜在危险,对其安全性、有效性必须严格控制的医疗器械。

医疗器械分类目录

医用X射线设备

医用磁共振设备中医器械

物理治疗及康复设备医用高频仪器设备

医用激光仪器设备医用超声仪器及有关设备

医用光学器具、仪器及内窥镜设备医用电子仪器设备

普通诊察器械烧伤（整形科手术器械

注射穿刺器械计划生育手术器械

妇产科手术器械矫形外科（骨科手术器械

泌尿肛肠外科手术器械腹部外科手术器械

胸腔心血管外科手术器械口腔科手术器械

耳鼻喉科手术器械眼科手术器械

神经外科手术器械显微外科手术器械

基础外科手术器械国务院药品监督管理部门负责组织制订医疗器械分类规则,确定医疗器械产品分类。

医疗器械分类目录–续

介入器材软件

医用高分子材料及制品医用缝合材料及粘合剂

医用卫生材料及敷料口腔科材料

医用冷疗、低温、冷藏设备及器具消毒和灭菌设备及器具

病房护理设备及器具口腔科设备及器具

手术室、急救室、诊疗室设备及器具植入材料和人工器官

体外循环及血液处理设备医用化验和基础设备器具

临床检验分析仪器医用射线防护用品、装置

医用核素设备医用高能射线设备

医用X射线附属设备及部件

植入的和非植入的

•对于医用植入物有特殊的管理条例,但大部分医疗仪器是非植入的。

•也有将医疗仪器分为在体测量的和离体测量的,而在体非侵入性测量是医学诊断仪器的发展方向。

按临床科室或人体系统分类

•心脏科设备

•呼吸科设备

•泌尿科设备

•……

•这样分类有助于了解不同科室对医疗仪器和工程技术的需求,但很多设备各个科都使用,会有很多重复。

按物理原理分类

•医用电子仪器

•医用光学仪器

•医用放射仪器

•医用核物理仪器

•……

•现代医疗仪器是声、光、电、机械一体的。

按临床应用分类

•诊断仪器•治疗仪器•辅助仪器直接用于人体的

非直接用于人体的

电气敏感

非电气敏感

不同的分类方法应用于不同的场合

诊断仪器

•医用电子设备:

心电图机、脑电图机、床边监护系统、动态心电监护仪、胎儿监护仪、饱和血氧浓度监护仪

•医用成像装置:

X射线诊断装置（普通、数字化、X线计算机断层扫描仪、核医学成像装置、超声诊断装置、磁共振成像装置、热成像装置

•医用检验仪器:

生物传感器、生化分析仪、血气分析仪、血细胞分类仪

•医用光学仪器:

内窥镜、光学显微镜、激光仪器、眼科光学仪器（自动眼压计、自动验光机、视野测定仪、角膜地形图、眼底照相及眼底图象分析设备等

治疗仪器

•人工器官:

人工心脏、瓣膜、心脏辅助装置、人工关节、假肢、人工肝、人工肾、人工肺（氧合器、人工听觉、人工角膜、人工晶体等

•物理治疗仪器

–前列腺治疗仪

–微波高温治疗仪

–放射治疗装置:

钴60、直线加速器、X刀、γ刀

–高频治疗设备:

电刀、射频消融

–超声治疗设备:

体外冲击波碎石机、超声乳化白内障手术仪、超声雾化器

–激光治疗设备:

激光刀、眼科激光,准分子激光角膜屈光矫正、准分子激光冠状动脉成形术、皮肤美容激光器

–利用机械能的设备:

呼吸机、输液泵、体外反搏和主动脉内气囊反搏

–其他治疗设备:

高压氧舱、低温麻醉设备、冷冻刀等、远红外理疗设备及电化学治疗设备、麻醉机

辅助仪器设备

一部分与医疗有关的仪器既不直接用于作

疾病诊断,也不直接用于疾病的治疗,这

些是医学辅助设备。

–医学信息系统:

包括计算机网络系统及与此相应的计算机医院自动化管理系统（包括行政和病史管理等、地区医疗网络与远程医疗设备、面向家庭的医疗技术（工程、医学教学工程（如多媒体辅助教学、电视等设备、环境监控系统、人工智能与专家系统、以及近年来迅速发展的PACS系统（图像存储于传输系统等。

–其它辅助设备:

包括消毒灭菌设备、照明设备（如无影灯、图片灯、中心供氧和制氧设备、吸引设备、废物处理设备、手术台、电源系统和电安全监护器、制冷设备和空调设备、血库设备、制药机械设备等。

医疗仪器基本结构

医疗仪器使用环境

医疗仪器显示CPU报警预处理传感器能量操作人员供电系统

或其它支持系统周围环境:

温湿度

灰尘或气体

操作空间

干扰:

电气:

50Hz

高频:

电

刀,

电梯

学历、责任感、受训、

经验、手册、

纪录（档案、技术支

持

病人工程技术人员

生物医学信号测量的特殊性

•信号弱

•频率低

信号特点

•噪声强

•安全性要求

生物医学信号特点•信号弱

如:

被测信号幅度范围

心电（皮肤电极50μV-5mV

脑电（头皮电极10μV-300μV

肌电20μV-10mV

细胞电位−100μV-+200μV视网膜电位0-1mV

眼电0.05mV-5mV

胎电信号10-50uV

生物医学信号测量属于弱信号测量范畴,具有弱信号测量的共同特点,即要求测量系统的灵敏度高、分辨力强、抑制噪声和抗干扰能力好。

这一特点在生物电、生物磁信号的测量中尤为突出。

生物医学信号特点

•频率低

心音:

200Hz

肌电:

10kHz

心电:

0.01~35Hz

脑电:

1~30Hz

生物医学信号特点

由于生物体是一个复杂的非线性系统=>

•噪声强

有时噪声幅度强于实际信号幅度。

如何从生物体中有效地提取被测信号,是生物医学测量的重要问题。

在生物医学测量中,不仅要抑制仪器系统本身的噪声,更重要的是要充分认识噪声的性质和特点,采取有效办法（如滤波、相关或自适应处理,改进信号耦合方法等,从人体噪声中提取有用信号。

*随机性强

时变传函=>非平稳随机信号

注:

非平稳过程（non-stationaryprocess指统计特征随时间变化的随机过程,

μx（t,Rx（t,t+τ等与t有关

举例-心率计

提取含有心律周期的信号,如脉搏波,心电

举例-血压计

通过传感器获得含有血压的信号,处理

高压:

收缩压Systolicpressure

低压:

舒张压Diastolicpressure

举例-生物磁场计

举例-癫痫刀（伽玛刀

是脑电图机配了一个软件,学

术名称为:

全数字化偶极子定

位、三维图像融合长程视频脑

电监测系统。

是一套由普通脑

电图、24小时脑电Holter、128

导全数字化视频脑图、术中全

数字化脑电系统及偶极子定位

系统、三维图像融合系统等组

成的一套完整的癫痫术前、术

中定位和术后评估系统,是癫

痫的外科治疗的有刀设备,所

以俗称癫痫刀。

举例-监护仪

BP:

NIBP,IBP

ECG

SpO2

RESP

TEMP

PR

举例-超声

举例-磁共振（MRIScanner

图2-4核磁共振成像设备

SPECT成像系统

单光子发射断层成像（SinglePhotonEmissionComputerized

Tomography,SPECT