1、精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院周鹏周鹏2009.2 问题问题1 1：生物医学工程的内涵与外延？生物医学工程的内涵与外延？生物医学工程（Biomedical Engineering,BME）是综合生物学、医学和工程学的理论和方法而发展起来的新兴边缘学科，其基本任务是运用工程技术手段，研究和解决生物学和医学中的有关问题，揭示人体奥秘，造福人类。多学科的交叉，使她不同于那些经典的学科，也有别于生物学和纯粹的工程学科。由于她在保障人类健康和为疾病的预防、诊断、治疗、康复等方面起着巨大作用，发达国家均将它列入高技术领域，投巨资予以发展。生物医学工程学的研究以应用基础性研究为主，其领域十
2、分广泛，并在不断扩展。现阶段它所涉及的研究领域主要有生物力学、生物材料、人工器官、生物系统的建模与控制、物理因子的生物效应、生物系统的质量与能量传递、生物医学信号的检测与传感器原理、生物医学信号处理方法、医学成像和图象处理方法、治疗与康复的工程方法等。与分子生物学相结合，加强细胞和分子水平的研究，是生物医学工程发展的一个重要趋势。利用多学科交叉的优势来揭示人类思维和认知的奥秘，是21世纪生物医学工程学的一个主攻方向。同时，微创伤手术、老年医学、家庭健康监护和远程医疗等正在成长为新的研究领域。问题问题2 2：医学仪器在生物医学工程中的地位医学仪器在生物医学工程中的地位?第一章 生物医学电子学生物
3、医学电子学概论一、电子学在生命科学和医学中的作用一、电子学在生命科学和医学中的作用1842 1842 年物理学家年物理学家NobeliNobeli首次用静电计方法首次用静电计方法记录出蛙肌电图；记录出蛙肌电图；19031903年，荷兰生理学家年，荷兰生理学家WWEinthovenEinthoven采用采用弦线型电流计，利用光学放大原理在感光板弦线型电流计，利用光学放大原理在感光板上记录了第一个实用的心电图，这是现代心上记录了第一个实用的心电图，这是现代心电图的雏形。电图的雏形。19291929年，德国医生年，德国医生Hans BergerHans Berger用检流计在用检流计在开颅的情况下记
4、录了人的脑电图，从此揭开开颅的情况下记录了人的脑电图，从此揭开了人类认识大脑的新纪元。了人类认识大脑的新纪元。简单的生物电的发现和测量历史表明，电子学与生命科学的结合已有150年的历史。现代科学研究表明：生命的最小单位是细胞，而存在电活动是细胞表现生命活性的基本特征。换言之，生命的本质在于“电”。因此通过检测细胞或生物组织的电活动，可以了解细胞或生物组织的生理状态或病理状态。正如测量仪器是人们感官的功能与能力的延伸一样，通过各种各样的传感器也可以将检测生物“电”延伸到测量温度、压力、流量、成份、成像、，通过这些测量，人们可以研究各种生命现象，诊断各种疾病。（1）、）、电子学在生命科学与医学中的
5、电子学在生命科学与医学中的一个作用是测量生理参数和成份分析以及一个作用是测量生理参数和成份分析以及成像。成像。神经肌肉电刺激是指利用低频脉冲电流，刺激神经或肌肉，引起肌肉收缩，提高肌肉功能，治疗神经肌肉疾患的一种方法。国外将电刺激用于瘫痪治疗已有40多年的历史。用于治疗心脏骤停的必需装置心脏起搏器。目前治疗帕金森病最有效的脑深部刺激器脑起搏器。以上例子，电子学的作用是直接控制并输出到生物组织以到达治疗或康复的效果。其他物理量用于治疗：如微波、激光、射线（刀），磁场，这些运用各种物理量的现代治疗仪器和康复仪器中必须采用电子学的方法来进行控制。（2）、电子学在生命科学与医学中的另）、电子学在生命科
6、学与医学中的另一个作用是用于控制。一个作用是用于控制。人们将电子学应用到生命科学与医学中的同时，也从生命科学与医学的研究中获取许多有益的启发。人工神经网络 （3）、生命科学与医学的进展也启）、生命科学与医学的进展也启迪和促进了电子学的发展。迪和促进了电子学的发展。生物医学电子学的概念用电子学的方法去解决生物医学中的问题、提供临床上的诊、疗手段和基础研究所需的手段，同时，通过生物学的研究中向大自然学习。二、本课程的教学安排与学习方法二、本课程的教学安排与学习方法1 1 考试考试教学安排A 下节课公布考题 ，第7周抽题，第13周答辩，第16周演示。B 评分标准：设计报告30 测试报告30 制作与演
7、示40C 累积3次缺课（含实验）、缺作业或其他严重 违纪，不准参加考试。制作的电路不能达到设 计要求，不能通过。D 申请样片和自费购买器件。教学安排2 2 作业作业每周三道自问自答题（27周，共6次作业）：A 内容：书本上的问题、实验中的问题、任何你认为是“问题”的问题；B 要求：不能“抄”，对自己有帮助。但自己回答不全、不准、甚至不能回答的问题均可以。C 作业网上提交，在求实BBS建立班级俱乐部。作业采用word编辑，文件名和作业首行的格式为：“学号姓名作业序号”，例如：“每周日晚12时前将本周作业上传。教学安排3 3 实验实验有4次“计划”的实验。希望不仅是要预习实验内容，还要在认真完成实
8、验基本内容的基础上，尽量多学习仪器的使用、测试的方法、提高或改变电路的参数、尝试。做得多，学得多；碰到的问题越多，学到的东西越多，本领越大。应该注意：（1）安全；（2）爱护公物；（3）实验后必须整理好仪器与器材、做好卫生。建议学习方法1.孔子论学习的三个层次：2.知之，好之，乐之2.适应本课程学习的一个重要转折与标志：分析综合（设计）3.需要学习的三个层面：4.器件，电路，系统 5.学习的三句话：学以致用，讲究实效，实事求是4.学习的三个方面：本课程的理论本课程的实践本课程与其他课程的结合学以致用：学以致用：通过实践通过实践培养学生的兴趣、产生感性认识，验证理论知识、检验应用能力，使学生彻底摆
9、使学生彻底摆脱应试的怪圈脱应试的怪圈。讲究实效：讲究实效：运用各种传统和现代的教学手段和方式。运用各种传统和现代的教学手段和方式。通过课堂提问和讨论、发挥多媒体的优势、让学生自拟习题和通过实验、阅览和BBS讨论等培养学生综合能力。实事求是：实事求是：以全面提高学生的能力与素质为目的，以全面提高学生的能力与素质为目的，将教学的视野从本课程的课堂扩展到对教学的各个环节以及与其他课程的衔接进行全方位、综合、系统地进行教学改革。最正确的学习方法：最正确的学习方法：实践！学习！实践！学习！再实践！再学习！再实践！再学习！学习资源三、三、医学仪器的概念，分类和特点医学仪器的概念，分类和特点（一）、医学仪器
10、的概念（一）、医学仪器的概念 指单独或者组合使用于人体的仪器、设备、器指单独或者组合使用于人体的仪器、设备、器具、材料或者其他物品，包括所需要的软件；其用具、材料或者其他物品，包括所需要的软件；其用于人体体表及体内的作用不是用药理学、免疫学或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预期目的：一定的辅助作用；其使用旨在达到下列预期目的：1 1、对疾病的预防、诊断、治疗、监护、缓解；、对疾病的预防、诊断、治疗、监护、缓解；2 2、对损伤或者残疾的诊断、治疗、监护、缓解、对损
11、伤或者残疾的诊断、治疗、监护、缓解、补偿；补偿；3 3、对解剖或者生理过程的研究、替代、调节；、对解剖或者生理过程的研究、替代、调节；4 4、妊娠控制。、妊娠控制。从输入和输出关系来分：测量仪器（或系统），如简单的心电图机 控制仪器（或系统），如简单的除颤机 测控仪器（或系统），如按需起搏器（二）、医学仪器的分类（二）、医学仪器的分类从临床应用功能来分（最常用的分类方式）：诊断仪器（或设备）治疗仪器（或设备）辅助仪器（或设备）生理信息监测仪器生理信息监测仪器 ：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、血氧饱和度监护仪 医用成像仪器医用成像仪器 ：X射线诊断仪器（普通、数字
12、化）、X线计算机断层扫描仪(CT)、核医学成像装置(PET)、超声诊断仪器(B超,彩超)、磁共振成像仪器、热成像仪器(红外)医用检验仪器医用检验仪器 ：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）诊断仪器l 人工器官：人工器官：人工心脏、瓣膜、人工关节、假肢人工心脏、瓣膜、人工关节、假肢 、人工肝、人工肾、人工肝、人工肾 、人工肺人工肺、人工听觉、人工角膜、人工晶体等、人工听觉、人工角膜、人工晶体等 l 物理治疗仪器物理治疗仪器 微波高温治
13、疗仪微波高温治疗仪 放射治疗装置放射治疗装置 ：钴：钴60 60、直线加速器、直线加速器 、X X刀刀 、刀刀 高频治疗设备高频治疗设备 ：电刀电刀 、射频消融、射频消融 超声治疗设备超声治疗设备 ：体外冲击波碎石机体外冲击波碎石机 、超声乳化、超声乳化白内障手白内障手术仪术仪 激光治疗设备激光治疗设备 ：激光刀：激光刀 、眼科激光准分子激光角膜屈光、眼科激光准分子激光角膜屈光矫正、矫正、皮肤美容激光器皮肤美容激光器 利用机械能的设备利用机械能的设备 ：呼吸机呼吸机 利用磁场治疗的设备：低频磁场治疗仪利用磁场治疗的设备：低频磁场治疗仪治疗仪器 一部分与医疗有关的仪器或软件一部分与医疗有关的仪器
14、或软件,既不直接用于作疾病既不直接用于作疾病诊断，也不直接用于疾病的治疗，但在现代医疗中占有极其诊断，也不直接用于疾病的治疗，但在现代医疗中占有极其重要的作用重要的作用,这些是医学辅助设备。这些是医学辅助设备。医学信息系统：医学信息系统：包括计算机网络系统及与此相应的医院包括计算机网络系统及与此相应的医院信息系统、地区医疗网络与远程医疗设备、面向家庭的信息系统、地区医疗网络与远程医疗设备、面向家庭的医疗技术、人工智能与专家系统、以及近年来迅速发展医疗技术、人工智能与专家系统、以及近年来迅速发展的的PACSPACS系统系统（图像存储于传输系统），电子病例等。（图像存储于传输系统），电子病例等。其
15、它辅助设备：其它辅助设备：包括包括消毒灭菌设备消毒灭菌设备、照明设备（如、照明设备（如无影无影灯、图片灯）、中心供氧和制氧设备、废物处理设备、灯、图片灯）、中心供氧和制氧设备、废物处理设备、手术台手术台、电源系统和电安全监护器、制冷设备和空调设、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。备、血库设备、制药机械设备等。辅助仪器（三）、医学仪器的特点（三）、医学仪器的特点1.生物信号弱小，而干扰强大。信号可能只有干扰生物信号弱小，而干扰强大。信号可能只有干扰的千分之一，给测量造成很大难度。的千分之一，给测量造成很大难度。2.要考虑电极或传感器对测量结果产生影响；要考虑电
16、极或传感器对测量结果产生影响；3.能量的限制，我们不可能为了提高信噪比或提高能量的限制，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，这会造成机治疗效果而无限制地提高外加能量，这会造成机体的损伤；体的损伤；4.对被测体必须是无害的，最理想的是无损伤的。对被测体必须是无害的，最理想的是无损伤的。安全考虑，由于病人本身已比较衰弱，安全问题安全考虑，由于病人本身已比较衰弱，安全问题就比较突出。就比较突出。三、医学仪器的一般结构三、医学仪器的一般结构四、医学仪器设计四、医学仪器设计要遵循自上而下的原则。先从整体考虑：1.被测量的量是什么？信号的大小与频率？2.要控制什么？3.仪器的测量
17、与控制的精度、性能。4.仪器的使用条件。5.仪器所具有的功能。6.如信号的显示、记录、存储及其它一些功能。6.仪器的成本、设计或研发的时间，工艺条件。五五.医学测量仪器中的噪声、干扰医学测量仪器中的噪声、干扰(1)电阻热噪声 噪声是被测对象和仪器内部固有的，而干扰则是被测对象和仪器以外的原因造成的。噪声和干扰是弱信号检测的一个主要限制因素。假定有一个1k的电阻，在常温20工作，带宽为1kHz，由上式可计算得到电阻的热噪声为0.127V，这样小的值只有经过高增益放大才有可能在普通的示波器上观察到。但在许多医学测量仪器中，前置放大器的输入阻抗常常在10M以上（由于信号源的输入阻抗也接近、甚至超过这
18、个数量级左右），这时计算得到的热噪声为12.7V。分配噪声：分配噪声：在晶体管中，由于发射极注入基区的载流子在与基区本身的载流子复合时，载流子的数量时多时少；因而引起基区载流子复合率有起伏，导致集电极电流与基极电流的分配有起伏，最后造成集电极电流的起伏，这种噪声称为分配噪声，分配噪声不是白噪声，它与频率有关；频率越高，噪声也越大。散粒噪声：散粒噪声：在晶体管中，载流子的迁移速度不会相同，致使在单位时间内通过PN结空间电荷区的载流子数目有起伏，因而引起通过PN结的电流在某一电平上有一个微小的起伏，这种起伏就是所谓散粒噪声。散粒噪声与流过PN结的直流电流成正比。散粒噪声也是白噪声，它的频谱范围很宽
19、，但在低频段占主要地位。1/f噪声：噪声：晶体管的1/f噪声主要是由半导体材料本身和表面处理等因素引起的。其噪声功率与工作频率f近似成反比关系，故称1/f噪声，频率越低，1/f噪声越大，故1/f噪声亦称为“低频噪声”。(2)晶体管噪声（3）磁场干扰及其抑制 磁场的干扰来源于变压器、电动机和荧光灯的镇流器等设备，这些设备中的线圈通以交流电时，就会产生一个交变的磁场，在交变磁场中的其他导线环路，或其他线圈都会感应出电动势。根据法拉第电磁感应定律，这种干扰的强度与电路或线圈的环路面积成正比。磁场干扰直接影响医学测量仪器，必须采取措施予以抑制。一般说来，磁场干扰的频率较低，作用距离较近，作用较强。磁场
20、干扰的检测：1.改变设备或电路的放置方向（但不改变空间位置），检测电路的输出，如果输出信号的幅值发生变化，即可初步判定存在磁场干扰。2.停止可能的干扰源的工作，如果电路的输出也显著降低甚至消逝，此时可以确定产生磁场干扰的来源。磁场干扰的抑制方法 1.屏蔽或去除干扰源。2.屏蔽电路或比较敏感的部分（一般是传感器、信号输入部分和前级放大器）3.减少电路或敏感部分的环路面积。4.改变电路或敏感部分的方位，使其环路的方向与干扰磁场的方向平行。（4）电场干扰及其抑制 电场的干扰主要来源于交流电源，其中50Hz的工频干扰最普遍，50Hz的交流电场主要通过位移电流引入仪器输入端及其引线，如传感器及其引线。交
21、流电电线与引线之间都具有电容性质，因此50Hz的电场将通过容性耦合形成电场干扰。电场干扰的检测1.由于电场干扰的主要来源是交流电线，因而其频率固定（为50Hz）。2.如果在可能的干扰源与设备、传感器、输入引线或电路之间放置一块大小合适并接到大地的金属板，电路的输出信号（50Hz）的幅值发生变化，即可判定存在电场干扰的来源。电场干扰的抑制方法 1.屏蔽或去除干扰源。2.输入引线可以采用屏蔽线。3.尽量采用差动方式输入。4.要求较高时，可采用悬浮电源（或电池）供电。5.采用光电隔离或磁隔离技术。（5）电磁场干扰及其抑制 电磁场干扰的主要来源是各类无线电发射装置、各种工业干扰、无电干扰和设备内部的高
22、频电磁场干扰。电磁场干扰的特点是频率高，频率可以是固定频率，也可以是不固定的，作用距离远，幅值不稳定。电磁场干扰的检测1.采用检测磁场干扰和电场干扰都不能确定干扰来源，改变设备或电路的位置与方向时，输出信号的有所变化时，可以确定是外部电磁场干扰。2.如果设备内部有高频工作的电路，采用金属盒盖住这部分时电路输出的幅值明显减小，可以确定电磁场干扰来源于内部。电磁场干扰的抑制方法1.在电路中或电源中，采用高频滤波器或滤波电容。2.采用电磁屏蔽；一些高频仪器（例如无线电遥测接收机）则应注意缩短内部布线，讲究良好的接地与制造工艺，振荡线圈应加屏蔽罩等。3.抑制磁场干扰和电场干扰的方法都是抑制电磁场干扰的有效方法。建议学习方法1.孔子论学习的三个层次：2.知之，好之，乐之2.适应本课程学习的一个重要转折与标志：分析综合（设计）3.需要学习的三个层面：4.器件，电路，系统 4.学习的三个方面：本课程的理论本课程的实践本课程与其他课程的结合
