医用电子仪器
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心电 脑电 肌电 诱发 电位
监 护 仪 血压 测量 仪器
治疗类仪器
心 脏 起 搏 器 心 脏 除 颤 器
高 频 电 刀
微弱信号处理 电气安全
主要参考书
1、余学飞，现代医学电子仪器原理与设计, 华南理工大学出版社，2007 2、John G.Webster,Medical Instrumentation Application and Design,Third edition,John Wiley & Sons,INC.1998 3、吴建刚，现代医用电子仪器原理与维修， 电子工业出版社，2005 4、邓亲恺，现代医学仪器原理与设计，科学 出版社，2004
二、人体控制功能的特点
• • • • • 负反馈机制 双重支配性 多重层次性 适应性 非线形
三、生物信号的基本特征
• 不稳定性 • 非线性 • 概率性
四、生物信号的检测与处理
1. 生物信号的检测
针对生物信号的特点采用不同的电极 或传感器
2. 生物信号的处理
经过模数转换的信号在计算机中进行 滤波、识别、分析等
•5. 频率响应（frequency response）
频率响应是指仪器保持线性输出时允许输 入频率变化的范围，它是衡量系统增益随 频率变化的一个尺度。 一般的医学仪器要求在通频带内应有平坦 的响应。
一、医学仪器的主要技术特性
•6. 信噪比（signal to noise ratio）
信噪比定义：信号功率PS与噪声功率PN之比
一、医学仪器的主要技术特性
•4. 灵敏度（sensitivity）
当输入为单位输入量时，输出量的大小即为 灵敏度的值。 灵敏度表示法： 生物电位——μv/cm、mv/cm、v/cm 压力——mmHg/刻度
心率——每分钟心博数/刻度
Baidu Nhomakorabea心率间隔——μs/cm、ms/cm、s/cm
一、医学仪器的主要技术特性
一般生物电放大器的输入阻抗应比他本身的阻抗大 100倍以上才能满足要求。
• 输入阻抗反映一个系统对其前一级系统的功率要 求，输入阻抗越高，它从前一级所吸取的电流越 小，因而越容易与前一级系统相连接，不致引起 前级输入信号的改变。许多生物信号都很微弱， 不能像测量仪器提供较大的电流，否则将会引起 被测量的生物信号发生变化（如幅度衰减）。因 此要求用于生物医学测量的仪器具有很高的输入 阻抗，例如生物电放大器的输入阻抗一般为2~10 兆欧，用于测量细胞单位的微电极放大器的输入 阻抗高达数十至数百兆欧。
1.噪声特性 2.个体差异与系统性 3.生理机能的自然性 4.接触界面的多样性 5.操作与安全性
（一）噪声特性 从人体拾取的生物信号不仅 幅度微小，而且频率也低。必须 尽量采取各种抑制措施，使噪声 影响减至最小。一般来说，限制 噪声比放大信号更有意义。
（二）个体差异与系统性 人体个体差异相当大，用医学仪 器作检测时，应从适应人体的差异性 出发，要有相应的测量手段。 人体又是一个复杂的系统，测定 人体某部分的机能状态时，必须考虑 与之相关因素的影响。要选择适当的 检测方法，消除相互影响，保持人体 的系统性相对稳定。
（三）生理机能的自然性 在检测时，应防止仪器（探头） 因接触而造成被测对象生理机能的 变化。因为只有保证人体机能处于 自然状态下，所测得的信息才是可 靠的、准确的。
（四）接触界面的多样性 为了能测得人体的生物信息、 必须使传感器（或电极）与被测 对象间有一个合适的、接触良好 的接触界面。
（五）操作与安全性 在医学仪器的临床应用中，操作 者为医生或医辅人员，因此要求医 学仪器的操作必须简单、方便、适 用和可靠。 另外，医学仪器的检测对象是人 体，应确保电气安全、辐射安全、 热安全和机械安全，使得操作者和 受检者均处于绝对安全的条件下。
不存在准确度为零的仪器
一、医学仪器的主要技术特性
•2. 精密度（precision）
精密度是指仪器对测量结果区分程度的一种度量， 用它可以表示出在相同条件下，用同一种方法多次 测量所得的数值得接近程度。
它不同于准确度，精密度高的仪器其准确度未必 一定高。若两台仪器，在相同条件下使用，就容 易比较出准确度与精密度的不同。
精确度：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示 精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两 者的代数和。机器的常以测量误差的相对值表示。
（a）准确度高而精密度低 （b）准确度低而精密度高
（c）精确度高
在测量中我们希望得到精确度高的结果。
一、医学仪器的主要技术特性
•3. 输入阻抗（input impedance）
衡量放大差模信号和抑制共模信号的能力为共模抑制比， 用下式表示：
Ad CMRR Ac
差模增益
共模增益
共模抑制比（CMRR）是衡量诸如心电、脑电、肌电等 生物电放大器对共模干扰抑制能力的一个重要指标 共模抑制比主要由电路的对称性决定，也是克服温度 漂移的重要因素。
二、医学仪器的特殊性
被作用对象（人）的特殊性决定了医学 仪器的特殊性
现代医学电子仪器
Medical Instrumentation
常见的现代医学仪器
• • • • • • • •
医用X线诊断装置 计算机断层成像系统(CT) 磁共振成像系统 (MRI) 核医学诊断仪器及设备 （ECT、PET） 超声设备 放射治疗装置 （钴60、X-刀、γ-刀） 医用光学仪器 （医用内窥镜等） 生理量测量仪器 （ECG、EMG、EEG、IBP、NIBP、 SaO2）、监护仪 • 电治疗类设备（起搏器、除颤器、高频电刀） • 生化分析类仪器（质谱仪、色谱仪、血气分析、 尿液分析等）
其使用目的是: 1、疾病的预防、诊断、治疗、监 护或者缓解 2、损伤或残疾的诊断、治疗、监 护、缓解或补偿 3、解剖或生理过程的研究、替代 或者调节 4、妊娠控制
本门课程的内容
医学仪器
输入或输出的物理量 不是电压或电流 超声、放射等设备
输入或输出的物理量 是电压或电流
医学电子仪器
医学电子仪器
测量、诊断
生理系统建模的过程：
1、建立模型结构
两个前提：1细化模型研究的目的； 2了解有关特定的建模目标
与系统结构性质之间的关系。
模型结构的性质：1相似性 2简单性 3多面性
第二节：医学电子仪器的结构和 工作方式
刺激/激励 反馈/控制 信号处理 控制处理 （CPU）
数据存储
诱发 自发
信号采集
信号预处理
记录/显示
信号校准
数据传输
一、医学仪器的基本构成 1.生物信号的采集系统
根据生物信息的特点，针对不同 的生理参量，采用不同的方式 （传感器和处理电路）
2.生物信息的处理
一、医学仪器的主要技术特性
•1. 准确度（accuracy）
准确度是衡量仪器测量系统误差的一个尺度。 准确度定义为：
理论值 - 测量值 准确度 100% 理论值
影响仪器准确度的原因： 元件的误差 指示或记录系统的机械误差 系统频响欠佳引起的误差 因非线性转换引起的误差 来自被测对象和测试方法的误差
仪器的输入量在恒定不变（或无输入信号）时，输出 量偏离原来起始值而上、下飘动、缓慢变化的现象称 为零点漂移。
造成零点漂移的原因： 环境温度及湿度的变化 滞后现象 振动 冲击 不希望的对外力的敏感性，制造上的误差等
一、医学仪器的主要技术特性
•8. 共模抑制比（common mode rejection ratio）
第一章 医学仪器概述
本章内容：
1. 2. 3. 4. 生物信号特点 医学电子仪器的结构和工作方式 医学电子仪器的特性和分类 医学电子仪器的设计原则
第一节 生物信号知识简介
一、人体系统的特征
人体是一个复杂的自然系统，它是由神经 系统、运动系统、循环系统、呼吸系统等分 系统组成，分系统间相互独立， 又保持有机 联系，共同维持生命。 器官的自控制系统 神经控制系统 内分泌控制系统 免疫控制系统
生理系统建模的目的：为了更好地了解生物
系统的行为及规律，为生物控制奠定基础。
三 生理系统建模的意义：
1.为研制医学仪器提供理论基础。
2.用于人体疾病诊断、预报、相关参数的自适 应控制。
3.为生物学、生理学、仿生学等学科的研究提 供一种新的研究手段和方法。
生理系统建模的特点：
1、理想化
2、抽象化
3、简单化
参考网站
• http://www.basens.com/ • (南方医疗器械网) • http://www.yixie.net • （医械之家）
http://www.basens.com/ (南方医疗器械网)
http://www.yixie.net （医械之家）
成绩评定
平时成绩10％ 实验成绩10％ 期末考试80％
三、典型医学参数
表1-1 典型医学和生理学参数 典型参数 心电（ECG） 脑电（EEG） 肌电（EMG） 胃电（EGG） 心音（PCG） 血流（主动脉） 输出量 心阻抗 体温 1~300mL/s 4~25L/min 15~500Ω 32~40℃ 幅度范围 0.01~5mV 2~200μV 0.02~5mV 0.01~1mV 频率范围 0.05~100Hz 0.1~100Hz 5~2000Hz DC~1Hz 0.05~2000Hz DC~20Hz DC~20Hz DC~60Hz DC~0.1Hz 使用电极类型 表面电极 帽状、表面或针状电极 表面电极 表面电极 心音传感器 电磁超声血流计 染料稀释法 表面电极、针电极 温度传感器
精确度
与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度)
精密度：说明测量仪器输出值的分散性，即对某一稳 定的被测量，由同一个测量者，用同一个仪器，在相 当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散 程度。例如，某测温仪器的精密度为0.5℃。精密度 是随即误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差 小。注意：精密度高不一定准确度高。 准确度：说明仪器输出值与真值的偏离程度。如,某 流量仪器的准确度为0.3m3/s，表示该测量仪器的输出 值与真值偏离0.3m3/s。准确度是系统误差大小的标志， 准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定 精密度高。
S PS N PN
考察医学仪器信噪比的指标常用内部噪声电压Uni （设外部噪声为零）
UNo UNi AU
U 常用对数形式来表示： N i 20 lg
UNo AU
其中，Uni为输入端短路时的内部噪声电压；Uno为输 出端噪声电压；AU为电压增益。
一、医学仪器的主要技术特性
•7. 零点漂移（zero drift）
为了从检测到的信号中获得更多的有 用信息，同时使信息的特征更明确、 更准确、更直观
3.生物信息的记录与显示系统
直接描记式记录器 存储记录器 数字式显示器
4.辅助系统
二、医学仪器的工作方式
• • • • 直接和间接 实时和延时 间断和连续 模拟和数字
第三节 医学仪器的特性与分类
一、医学仪器的主要技术特性 （或称为静态参数static characteristics） 1.准确度（Accuracy） 2.精密度(Precision) 3.输入阻抗(Input impedance) 4.灵敏度(Sensitivity) 5.频率响应(Frequency response) 6.信噪比(Signal to Noise Ratio) 7.零点漂移(Zero drift) 8.共摸抑制比(CMRR common mode rejection ratio)
医学仪器的输入阻抗与被测对象的阻抗特性、所用电 极或传感器的类型及生物体接触界面有关，表达式为：
若仪器使用的传感器作非电参数测量，对于一个压力 传感器而言，其输入阻抗Z为被测量的输入变量X1和 另一个变量X2的比值，即：
X Z 1 X2
其功率P为： P X 1 X 2
X
Z
2 1 2 Z X2
第四节：生理系统的建模与仪器设计
一 模型：是对相应的真实对象和真实关
系中那些有用的和令人感兴趣的特性的抽 象，是对系统某些本质方面的描述，它以 各种可用的形式提供被研究系统的描述信 息。 1 代表性 2 简化性 3 有效性
二 建模：建立一个在某一特定方面与真实系统
具有相似性的系统，真实系统成为原型，而这种相 似性的系统就成为该原型系统的模型。 对于生理系统，原型一般为真实的活体系统，而模 型则为与这些活体系统在某些方面相似的系统。
监 护 仪 血压 测量 仪器
治疗类仪器
心 脏 起 搏 器 心 脏 除 颤 器
高 频 电 刀
微弱信号处理 电气安全
主要参考书
1、余学飞，现代医学电子仪器原理与设计, 华南理工大学出版社，2007 2、John G.Webster,Medical Instrumentation Application and Design,Third edition,John Wiley & Sons,INC.1998 3、吴建刚，现代医用电子仪器原理与维修， 电子工业出版社，2005 4、邓亲恺，现代医学仪器原理与设计，科学 出版社，2004
二、人体控制功能的特点
• • • • • 负反馈机制 双重支配性 多重层次性 适应性 非线形
三、生物信号的基本特征
• 不稳定性 • 非线性 • 概率性
四、生物信号的检测与处理
1. 生物信号的检测
针对生物信号的特点采用不同的电极 或传感器
2. 生物信号的处理
经过模数转换的信号在计算机中进行 滤波、识别、分析等
•5. 频率响应（frequency response）
频率响应是指仪器保持线性输出时允许输 入频率变化的范围，它是衡量系统增益随 频率变化的一个尺度。 一般的医学仪器要求在通频带内应有平坦 的响应。
一、医学仪器的主要技术特性
•6. 信噪比（signal to noise ratio）
信噪比定义：信号功率PS与噪声功率PN之比
一、医学仪器的主要技术特性
•4. 灵敏度（sensitivity）
当输入为单位输入量时，输出量的大小即为 灵敏度的值。 灵敏度表示法： 生物电位——μv/cm、mv/cm、v/cm 压力——mmHg/刻度
心率——每分钟心博数/刻度
Baidu Nhomakorabea心率间隔——μs/cm、ms/cm、s/cm
一、医学仪器的主要技术特性
一般生物电放大器的输入阻抗应比他本身的阻抗大 100倍以上才能满足要求。
• 输入阻抗反映一个系统对其前一级系统的功率要 求，输入阻抗越高，它从前一级所吸取的电流越 小，因而越容易与前一级系统相连接，不致引起 前级输入信号的改变。许多生物信号都很微弱， 不能像测量仪器提供较大的电流，否则将会引起 被测量的生物信号发生变化（如幅度衰减）。因 此要求用于生物医学测量的仪器具有很高的输入 阻抗，例如生物电放大器的输入阻抗一般为2~10 兆欧，用于测量细胞单位的微电极放大器的输入 阻抗高达数十至数百兆欧。
1.噪声特性 2.个体差异与系统性 3.生理机能的自然性 4.接触界面的多样性 5.操作与安全性
（一）噪声特性 从人体拾取的生物信号不仅 幅度微小，而且频率也低。必须 尽量采取各种抑制措施，使噪声 影响减至最小。一般来说，限制 噪声比放大信号更有意义。
（二）个体差异与系统性 人体个体差异相当大，用医学仪 器作检测时，应从适应人体的差异性 出发，要有相应的测量手段。 人体又是一个复杂的系统，测定 人体某部分的机能状态时，必须考虑 与之相关因素的影响。要选择适当的 检测方法，消除相互影响，保持人体 的系统性相对稳定。
（三）生理机能的自然性 在检测时，应防止仪器（探头） 因接触而造成被测对象生理机能的 变化。因为只有保证人体机能处于 自然状态下，所测得的信息才是可 靠的、准确的。
（四）接触界面的多样性 为了能测得人体的生物信息、 必须使传感器（或电极）与被测 对象间有一个合适的、接触良好 的接触界面。
（五）操作与安全性 在医学仪器的临床应用中，操作 者为医生或医辅人员，因此要求医 学仪器的操作必须简单、方便、适 用和可靠。 另外，医学仪器的检测对象是人 体，应确保电气安全、辐射安全、 热安全和机械安全，使得操作者和 受检者均处于绝对安全的条件下。
不存在准确度为零的仪器
一、医学仪器的主要技术特性
•2. 精密度（precision）
精密度是指仪器对测量结果区分程度的一种度量， 用它可以表示出在相同条件下，用同一种方法多次 测量所得的数值得接近程度。
它不同于准确度，精密度高的仪器其准确度未必 一定高。若两台仪器，在相同条件下使用，就容 易比较出准确度与精密度的不同。
精确度：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示 精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两 者的代数和。机器的常以测量误差的相对值表示。
（a）准确度高而精密度低 （b）准确度低而精密度高
（c）精确度高
在测量中我们希望得到精确度高的结果。
一、医学仪器的主要技术特性
•3. 输入阻抗（input impedance）
衡量放大差模信号和抑制共模信号的能力为共模抑制比， 用下式表示：
Ad CMRR Ac
差模增益
共模增益
共模抑制比（CMRR）是衡量诸如心电、脑电、肌电等 生物电放大器对共模干扰抑制能力的一个重要指标 共模抑制比主要由电路的对称性决定，也是克服温度 漂移的重要因素。
二、医学仪器的特殊性
被作用对象（人）的特殊性决定了医学 仪器的特殊性
现代医学电子仪器
Medical Instrumentation
常见的现代医学仪器
• • • • • • • •
医用X线诊断装置 计算机断层成像系统(CT) 磁共振成像系统 (MRI) 核医学诊断仪器及设备 （ECT、PET） 超声设备 放射治疗装置 （钴60、X-刀、γ-刀） 医用光学仪器 （医用内窥镜等） 生理量测量仪器 （ECG、EMG、EEG、IBP、NIBP、 SaO2）、监护仪 • 电治疗类设备（起搏器、除颤器、高频电刀） • 生化分析类仪器（质谱仪、色谱仪、血气分析、 尿液分析等）
其使用目的是: 1、疾病的预防、诊断、治疗、监 护或者缓解 2、损伤或残疾的诊断、治疗、监 护、缓解或补偿 3、解剖或生理过程的研究、替代 或者调节 4、妊娠控制
本门课程的内容
医学仪器
输入或输出的物理量 不是电压或电流 超声、放射等设备
输入或输出的物理量 是电压或电流
医学电子仪器
医学电子仪器
测量、诊断
生理系统建模的过程：
1、建立模型结构
两个前提：1细化模型研究的目的； 2了解有关特定的建模目标
与系统结构性质之间的关系。
模型结构的性质：1相似性 2简单性 3多面性
第二节：医学电子仪器的结构和 工作方式
刺激/激励 反馈/控制 信号处理 控制处理 （CPU）
数据存储
诱发 自发
信号采集
信号预处理
记录/显示
信号校准
数据传输
一、医学仪器的基本构成 1.生物信号的采集系统
根据生物信息的特点，针对不同 的生理参量，采用不同的方式 （传感器和处理电路）
2.生物信息的处理
一、医学仪器的主要技术特性
•1. 准确度（accuracy）
准确度是衡量仪器测量系统误差的一个尺度。 准确度定义为：
理论值 - 测量值 准确度 100% 理论值
影响仪器准确度的原因： 元件的误差 指示或记录系统的机械误差 系统频响欠佳引起的误差 因非线性转换引起的误差 来自被测对象和测试方法的误差
仪器的输入量在恒定不变（或无输入信号）时，输出 量偏离原来起始值而上、下飘动、缓慢变化的现象称 为零点漂移。
造成零点漂移的原因： 环境温度及湿度的变化 滞后现象 振动 冲击 不希望的对外力的敏感性，制造上的误差等
一、医学仪器的主要技术特性
•8. 共模抑制比（common mode rejection ratio）
第一章 医学仪器概述
本章内容：
1. 2. 3. 4. 生物信号特点 医学电子仪器的结构和工作方式 医学电子仪器的特性和分类 医学电子仪器的设计原则
第一节 生物信号知识简介
一、人体系统的特征
人体是一个复杂的自然系统，它是由神经 系统、运动系统、循环系统、呼吸系统等分 系统组成，分系统间相互独立， 又保持有机 联系，共同维持生命。 器官的自控制系统 神经控制系统 内分泌控制系统 免疫控制系统
生理系统建模的目的：为了更好地了解生物
系统的行为及规律，为生物控制奠定基础。
三 生理系统建模的意义：
1.为研制医学仪器提供理论基础。
2.用于人体疾病诊断、预报、相关参数的自适 应控制。
3.为生物学、生理学、仿生学等学科的研究提 供一种新的研究手段和方法。
生理系统建模的特点：
1、理想化
2、抽象化
3、简单化
参考网站
• http://www.basens.com/ • (南方医疗器械网) • http://www.yixie.net • （医械之家）
http://www.basens.com/ (南方医疗器械网)
http://www.yixie.net （医械之家）
成绩评定
平时成绩10％ 实验成绩10％ 期末考试80％
三、典型医学参数
表1-1 典型医学和生理学参数 典型参数 心电（ECG） 脑电（EEG） 肌电（EMG） 胃电（EGG） 心音（PCG） 血流（主动脉） 输出量 心阻抗 体温 1~300mL/s 4~25L/min 15~500Ω 32~40℃ 幅度范围 0.01~5mV 2~200μV 0.02~5mV 0.01~1mV 频率范围 0.05~100Hz 0.1~100Hz 5~2000Hz DC~1Hz 0.05~2000Hz DC~20Hz DC~20Hz DC~60Hz DC~0.1Hz 使用电极类型 表面电极 帽状、表面或针状电极 表面电极 表面电极 心音传感器 电磁超声血流计 染料稀释法 表面电极、针电极 温度传感器
精确度
与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度)
精密度：说明测量仪器输出值的分散性，即对某一稳 定的被测量，由同一个测量者，用同一个仪器，在相 当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散 程度。例如，某测温仪器的精密度为0.5℃。精密度 是随即误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差 小。注意：精密度高不一定准确度高。 准确度：说明仪器输出值与真值的偏离程度。如,某 流量仪器的准确度为0.3m3/s，表示该测量仪器的输出 值与真值偏离0.3m3/s。准确度是系统误差大小的标志， 准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定 精密度高。
S PS N PN
考察医学仪器信噪比的指标常用内部噪声电压Uni （设外部噪声为零）
UNo UNi AU
U 常用对数形式来表示： N i 20 lg
UNo AU
其中，Uni为输入端短路时的内部噪声电压；Uno为输 出端噪声电压；AU为电压增益。
一、医学仪器的主要技术特性
•7. 零点漂移（zero drift）
为了从检测到的信号中获得更多的有 用信息，同时使信息的特征更明确、 更准确、更直观
3.生物信息的记录与显示系统
直接描记式记录器 存储记录器 数字式显示器
4.辅助系统
二、医学仪器的工作方式
• • • • 直接和间接 实时和延时 间断和连续 模拟和数字
第三节 医学仪器的特性与分类
一、医学仪器的主要技术特性 （或称为静态参数static characteristics） 1.准确度（Accuracy） 2.精密度(Precision) 3.输入阻抗(Input impedance) 4.灵敏度(Sensitivity) 5.频率响应(Frequency response) 6.信噪比(Signal to Noise Ratio) 7.零点漂移(Zero drift) 8.共摸抑制比(CMRR common mode rejection ratio)
医学仪器的输入阻抗与被测对象的阻抗特性、所用电 极或传感器的类型及生物体接触界面有关，表达式为：
若仪器使用的传感器作非电参数测量，对于一个压力 传感器而言，其输入阻抗Z为被测量的输入变量X1和 另一个变量X2的比值，即：
X Z 1 X2
其功率P为： P X 1 X 2
X
Z
2 1 2 Z X2
第四节：生理系统的建模与仪器设计
一 模型：是对相应的真实对象和真实关
系中那些有用的和令人感兴趣的特性的抽 象，是对系统某些本质方面的描述，它以 各种可用的形式提供被研究系统的描述信 息。 1 代表性 2 简化性 3 有效性
二 建模：建立一个在某一特定方面与真实系统
具有相似性的系统，真实系统成为原型，而这种相 似性的系统就成为该原型系统的模型。 对于生理系统，原型一般为真实的活体系统，而模 型则为与这些活体系统在某些方面相似的系统。