01医学仪器原理绪论

2. 生物医学工程的发展展望
1）. 基本科学问题和关键技术
生理特征参数的测量及它们之间的关系； 生理状态的分析和辨认； 长期、连续、动态检测（国外无创Memos微创 BioMemos）,周期性定时检测（如血糖），信 息在线处理、融合技术及其与专家系统的结合， 信息传递（有线/无线，存储及管理）；
生物医学工程学科领域的拓展
医学仪器原理
Instructor: Wang Yu School of Measuring and Optical Engineering
For undergraduate student in major of BME
2011-3
课程安排
课程性质、地位和任务
本课程是本科生物医学工程专业的一门专业必修课。 介绍了各类医疗仪器的基本原理和基本分析方法，主要 讨论了现代医学仪器所采用的先进技术和发展方向。 了解医学仪器系统的构成及分类、人体信息测量的特点 和医学仪器设计考虑。 掌握医用生物电测量仪器、生物物理参数测量仪器、治 疗和化学类仪器及监护类仪器等常见临床医疗仪器的原 理。 熟练掌握生理测量放大器的设计方法。 了解医学仪器的电气安全和医学仪器最新发展动态。
1960～1970年：生产效率 1970～1980年：产品质量控制 1980～1990年：生产的机动性和灵活性 1990～2000年：创新能力 21世纪：多领域技术融合
生物医学工程在医疗系统中的作用
医学的目的
医学进步 （需求）
生物医学工程 （需求→ 可 能 ）
BME产业 （可能→ 实现）
市场 （转化和 变性）
品种 血压测量 MRI X射线断层诊疗设备 射线断层诊疗设备 监护设备 出口总量 3953万 万 389台 台 1491台 台 9.35万 万 出口总额 3.64亿美元 亿美元 1.39亿美元 亿美元 2.05亿美元 亿美元 1.36亿美元 亿美元
我国医疗器械市场2009
2009年，我国医疗器械类产品进出口总额达 183.49亿美元，同比增长12.69%。 医疗器械进出口额占医药保健品类产品同期 进出口总额的33.66%。
疾病诊断&治疗 B ME 心－身状态辨识和调控
健康保障工程（HCE）
能力&素质提高
人体健康工程（HPE）
2）. 进展状况
微动敏感床垫式睡眠监测系统
►俞梦孙
睡眠Holter
数字化全病区医学 (信息监测)控制系统 DAMICS 可穿戴技术（wearable technology）
Lifeshirt Smartshirt
3.2 生物医学仪器测量的基本特点
弱信号 噪声影响大 容易引入干扰 信息多变 特殊的安全要求
3.3 生物医学测量方法的分类
按测量对象 按测量条件
无创测量 有创测量 微创测量 离体测量 在体测量
按结果表达方式
一维信息测量 二维信息测量 多维信息测量
3.4 生物医学测量仪器
1）生物医学测量系统的基本组成 2）生物医学测量仪器的种类 3）生物医学测量仪器的主要技术指标
c) 精密度(precision)
指仪器对测量结果区分程度的一种度量。
| ( Ai − A j )max | Ep ＝ × 100％ H
Ep精密度，Ai和Aj是任意两次测量的结果，H是 仪器的最大测量范围
d) 准确度（accuracy）又叫精度
衡量仪器测量系统误差的一个尺度。
理论值－测量值 准确度＝ × 100％ 理论值
Lifeshirt
►基于模块集成技术或者嵌入式技术 ►集成了心电、呼吸、体温及体动测量系统
Smartshirt
►完全基于纺织技术 ►“可穿戴模板”
Levi‘的音乐夹克的键区控制部分完全由纤维制成，甚至可以无限连接
MIT Media Lab的全纤维开关触点键盘甚至是可洗的
佐治亚理工研制的smartshirt的早期原型
课程内容
绪论（概况，发展） (虚拟仪器) 生理量电测量（心电，脑电，肌电，血压） 监护类仪器（QRS波心率检测，无创血氧，呼吸
机）
治疗类仪器（血透机） 医用化学类仪器（电解质分析，血球仪等）
绪论
生物医学测量及其仪器的发展简史 生物医学测量的范围 生物医学测量的基本特点 生物医学测量的方法分类 生物医学仪器
我国医疗器械市场2008
2008年1～11月，我国医院诊断与治疗设备出口总 额达到32亿美元，同比增长31.4% 2008年1~11月，我国医院诊断与治疗设备出口的国 家与地区达到203个 2008年1~11月份，我对美国出口额达9.04亿美元， 同比增长36.9%，高于同类产品出口增速5个百分点
1） 生物医学测量系统的基本组成
概念和思路
控制论创始人N.维纳：“人是一个维持稳态的机构”、 “人的生命在于稳态的维持之中”。 负反馈
干扰信息(Sd) 偏差信息(Se) 比较器 控制系统 偏差信息(Sc) 受控系统 输出变量(So)
反馈信息(Sf) 监测装置
生物医学测量系统基本构成
信息处理 传感器
无线人体体域网（BAN）
一个以人体为重心覆盖范围、按照一定组织形 式构成的微型传感器无线通讯网络 可以是外置的，也可以是长期植入的生物系统 用于慢性病患者或者是士兵等特殊人群
美军研究野战手术机器人系统：'Trauma Pod' Robot
3.1 生物医学测量的范围
离散参量的离散信息： 离散参数的连续信息： 连续参量的连续信息： 连续参量的离散信息： 白细胞数值 人体体温 心电波、脑电波 医学图像
我国现有医疗器械生产企业超过1.3万家， 经营对外贸易的医疗器械企业达到2.9万家。 现有生产企业主要分布在珠三角、长三角和 环渤海湾区域，经营企业则遍布全国，沿海 发达地区生产和经营企业更为集中。
中国医疗卫生工作的指导方针
“人人享有基本医疗卫生服务” “战略前移，重心下移”
（多元、综合、个体） 群体到个人；看病到防病（中医养生）；生 理到心理（社会、环境）
∆Ao S＝ ∆Ai
例：带有两个电感线圈的 可变阻抗差压传感器。一 个电感由于压力的作用稍 微增加△L，而另一个电感， 按同一数值减小△L。在交 流电桥中介入这些电感的 两种方法如图。构成电桥 的电阻之是R＝ωL。求两 种接法的灵敏度（ Vo/Vi ） (注意， △L很小)
Vi= Vmsint
L-∆L ∆ + R Vo
上课时间与地点
Section 3-4 on Tuesday (Week 1-12) at B202 Section 3-4 on Thursday (OddWeek 1-12) at A207
成绩评估方法
Final Exam : 50% Project: 30% Experiments: 10% Attendance: 10%
其中，进口总额为61.05亿美元，同比增长 17.03%； 出口总额为122.45亿美元，同比增长10.64%。 贸易顺差为61.40亿美元，与去年同期的40.9亿 美元相比，增长50.13%。
我国医疗器械市场2009
2009年，我国向214个国家或地区出口医疗器械产品，从99个 国家或地区进口医疗器械产品。在美国、日本、德国、中国香 港和英国前五位市场占比达55.44%，与去年同期相比提高了 1.89个百分点；在进口目标市场中，美国、德国、日本、瑞士 和荷兰前五位市场占比达71.47%，与去年同期相比提高了0.67 个百分点。 从进口产品来看，2009年我国进口的主要产品为X射线应用设 备、彩超诊断仪、弥补生理缺陷残疾穿戴或植入人体的器具、 导管、插管、X射线断层检查（CT）仪、核磁共振成像装置等， 均有不同程度的增长，增幅最大的产品为CT仪。 2009年，我国医疗器械出口产品主要是医用敷料、按摩器具、 医用高分子制品（导管等）、医用仪器、医用家具等产品。其 中，敷料类产品增幅较大，体现出我国现阶段出口产品以敷料、 低值耗材及中低端设备为主，部分高端产品为在华跨国企业出 口为主的特点，前20种产品份额占到79.12%。
系统组成 种类 技术指标
常用医学传感器和开关
生物医学知识简介
医学仪器的定义：以医学临床和医学研究 为目的的仪器。 目的:把人（使用对象和使用者）和医疗装 置看作是一个系统整体，强调其间的相互作 用，进而用系统工程的观念研究发展所需要 的医疗装置，实现预定的医疗目的。
1. 生物医学测量及其仪器的发展简史和趋势 J.E.Beneken(1994)曾经把医疗器械 行业的产业技术发展归纳为：
影响准确度的误差一般是元件误差，指示或记 录系统的机械误差等，减小系统总误差就可以 提高准确度。 准确度是衡量总误差的一个尺度，而不考虑误 差的类型和原因。
高精密度≠高精度
e) 非线性度
| ∆AL max | EL ＝ × 100％ H
L+∆L ∆ _ R
Vi= Vmsint
L-∆L ∆ + L+∆L ∆ Vo
R _ R
b) 频率响应（frequency response）
频率响应指仪器保持线性输出时允许其输入频 率变化的范围，它是衡量系统增益随频率变化 的尺度。 放大生物电信号时，总是希望能对信号中一切 频率成分快速均匀的放大，而实际做不到。一 般要求在通频带内由平坦的响应。
d) 放大—变换—处理 e) 主控CPU
程序、存储、指令、人机接口。
f) 输出后处理和伺服反馈 g) 输出执行电路和执行器 h) 电源 i) 安全保护电路
人体安全和仪器安全
携式心电监护系统总体框图
2)生物医学测量仪器的种类
电生理仪器 生化检查与分析仪器 医学图像仪器 临床监护装置 治疗类仪器
3)生物医学测量仪器的主要技术指标
生物医学测量系统基本构成
b) 前置放大电路（预处理）——信号的整理
信号抗干扰的方法