1、生物医学工程基础（五） 生物医学仪器 邹远文 副教授 材料学院学院生物医学工程系 望江校区 逸夫科技楼5楼 Tel.Tel.85405140(O) 85405140(O) 13550365591 (M) 13550365591 (M) zouyuanwen 课程安排 生物医学工程概述 生物医学材料 生物力学 人工器官 生物医学仪器 生物医学图象 技术发展事例（1/6） 1903年荷兰生理学家艾萨文 (William Einthoven)研制成功了第 一台采用弦线式电流计记录的心 电图仪，创立的肢体标准导联的 概念，沿用至今，艾萨文开创性 的贡献使他获得了1924年医学诺 贝尔奖 小 型 化 的
2、 同 步 12 导 联 自 动 心 电 图 仪 心电图设备 技术发展事例（2/6） 用于医学的分析仪器，主要沿袭了现代 化学分析仪的方法和手段，如谱分析方 法，电化学方法、各种分离技术等，对 人体成份进行离体分析，直接针对活体 内成份的测量，是医学分析仪器的特殊 处和极重要的方面，20世纪末得益于生 物工程技术和电子技术的发展，使医用 分析仪器在大规模测量和小型化、快速 分析等方面均取得了重大进展。 法国 ABX PENTRA120 血球计数仪 五分类26项全自动血液分析仪 l高解析立方图加RBC、BASO和PLT的3个直方图 l样品可贮存48个小时,内存超过90000个结果 l 单针或多针消
3、融电极是在单针或多针消融电极是在B B超或超或CTCT引导下，直接刺入引导下，直接刺入 患者的肿瘤部位，患者的肿瘤部位，RFRF产生器通过消融电极、接地电产生器通过消融电极、接地电 极和机体组织构成了电流回路，机体组织中的导电离极和机体组织构成了电流回路，机体组织中的导电离 子和极化分子在射频交变电流的作用下快速改变其运子和极化分子在射频交变电流的作用下快速改变其运 动方向，但由于各种导电离子的体积不同、质量不同动方向，但由于各种导电离子的体积不同、质量不同 、以及所带有的电何量不同，它们的反转和运动速度、以及所带有的电何量不同，它们的反转和运动速度 也就不同，因此它们之间就会产生摩擦热，由于
4、消融也就不同，因此它们之间就会产生摩擦热，由于消融 电极周围的电流密度极高，因此电极周围就会形成一电极周围的电流密度极高，因此电极周围就会形成一 个局部高温区。当温度达到个局部高温区。当温度达到6060以上时，组织中的蛋以上时，组织中的蛋 白质会变性，肿瘤细胞成不可逆转性坏死。同时，在白质会变性，肿瘤细胞成不可逆转性坏死。同时，在 凝固坏死区外，还有凝固坏死区外，还有4343-60-60的热疗区，在此区域的热疗区，在此区域 内的肿瘤细胞被杀灭，而正常细胞可恢复。内的肿瘤细胞被杀灭，而正常细胞可恢复。 技术发展事例（3/6） 射频肿瘤消融设备 RFA-I型多极射频肿瘤消融系统 采用独有的分段式P
5、ID控 制加热，温度自动控制为 902 设有双路超温保护电极短 路保护，电极脱落（断路 ）报警，电极温度传感器 损坏报警功能 有独立的针道电凝止血功 能，可以有效的防止针道 出血及针道种植 技术发展事例（4/6） 智能胶囊内窥镜技术 RF System lab于1998年4月开始这一计划并取 得了巨大成功，推出了Norika v1和Norika v2 内窥镜胶囊，现已开始推出更先进Norikav3 ，带喷药仓和取活检仓。并正致力于更新款 式的开发：带PH值分析器和手术操作器。 接收从Norika胶囊发射的影像数据。 胶囊姿态控制，焦点调节和亮度控制等。 内置线圈的背心把电源发送至Norika胶
6、囊中 的数据接收天线。 由体外可无线遥控胶囊内LED的亮度。 不同的光影组合可产生三维图象的效果。 RF System lab Norika 技术发展事例（5/6） 伦琴因发现X射线获得1901年首届诺贝 尔物理学奖 1972年毫斯菲尔德(G.N.Hounfield)和科 马克(A.M.Cormack)，将计算机技术与 X线相结合，发明了X射线计算机断层 扫描CT(computer aided tomography scanner)重建技术，它能从许多不同的 投影图.计算出真正的二维切片人体组 织图像，此后人们还从新获得的连续切 层图通过组合计算出各种角度的切片图 ，直到三维图像，这一医学史上
7、划时代 的成果两人共享了1979年生理学与医学 诺贝尔奖 CT重建仿真 技术发展事例（6/6） 类似于X线层析成像技术先 后有SPECT(单光子发射计算 机断层成像)以及PET(正电子 发射层析成像)应用于临床， 它们提供了X成像技术不能 提供的人体生理代谢功能等 方面的重要信息 SPECT设备 四探头SPECT,专门用于 脑部SPECT检查，也可 进行小动物PET试验。 双探头SPECT,专门用于 心脏 SPECT检查 生物医学仪器及应用教材 王保华，生物医学测量与仪器， 复旦大学出版社，2003年6月，￥ 38 教材目录 Ch1 绪论 Ch2 生物电测量及仪器 Ch3 生理参数测量及仪器
8、Ch4 生化参数检测及仪器 Ch5 病房监护系统 Ch6 生理参数的远程传输及检测技术 Ch7 医学超声测量及仪器 Ch8 植入式测量及仪器 Ch9 生物医学光子测量技术 Ch10细胞和分子层次的检测技术 Ch1绪论 生物医学测量的范围 生物医学测量的基本特点 生物医学测量方法的分类 生物医学测量电极与传感器 生物医学测量仪器 生物医学测量及其仪器的发展简 史和趋势 Ch2生物电测量及仪器 生物电测量电极 心电测量及仪器 脑电测量及仪器 肌电测量及仪器 其它生物电测量及仪器 多道生物电记录仪 生物磁测量：心磁图和脑磁图 Ch3生理参数测量及仪器 生理参数的传感技术 血压及心输出量的测量技术 生
9、物声测量 血流测量及仪器 体温测量 呼吸功能测量及仪器 血液流变学测量及仪器 在体无创及微创测量技术 Ch4生化参数检测及仪器 生化参数测量的特点 血气分析仪 经皮血气监测仪 电解质分析仪 自动生化分析仪 生化参数测量技术的发展方向 Ch5病房监护系统 心电床边监护仪 中央集中监护 动态监护 胎儿监护 监护系统的发展方向 Ch6 生理参数的远程传输及检测技术 生物医学遥测的分类及系统组成 远程传输的几个核心技术 无线电遥测监护 生物参数的光遥测 电话线传输监护技术 基于LAN和WAN的远程诊断 利用卫星通信系统实现远程诊断 Ch7医学超声测量及仪器 医学超声的分类、特点及应用 医学超声诊断的声
10、学基础 A型和M型超声波 B型超声测量仪器 彩色超声血流成像 Ch8植入式测量及仪器 植入式电子系统概述 吞服式无线电遥测胶囊 植入式无线电遥测系统 植入式超声波遥测系统 植入式光遥测系统 植入式闭环测控系统 Ch9生物医学光子测量技术 生物医学光子学概述 生物系统的光子辐射 激光共焦扫描显微技术 组织光学参数的测量方法与技术 医学光谱技术 光子成像原理 Ch10 细胞和分子层次的检测技术 扫描隧道显微镜 细胞层次测电生理学方法 DNA测序仪 PCR技术 生物芯片及其应用 毛细管电泳仪 X射线衍射仪 正电子发射型计算机断层成像及其应用（ PECT） 细胞信号传导 示踪技术 纳米技术及应用 IN
11、TRODUCTION TO BIOMEDICAL ENGINEERING SecondEdition Copyright 2005,ElsevierInc. 主要内容（15） 1BIOMEDICAL ENGINEERING:A HISTORICAL PERSPECTIVE（生物 医学工程：历史全貌） 2MORAL AND ETHICAL ISSUES（ 道德与伦理的议题） 3ANATOMY AND PHYSIOLOGY（ 解剖与生理学） 4BIOMECHANICS（生物力学） 5REHABILITATION ENGINEERING AND ASSISTIVE TECHNOLOGY（ 康复工程与
12、辅助技术） 主要内容（611） 6BIOMATERIALS（生物材料） 7TISSUEENGINEERING（组织工程） 8BIOINSTRUMENTATION（生物仪 器） 9BIOMEDICAL SENSORS（生物医学 传感器） 10 BIOSIGNAL PROCESSING（生物信 号处理） 11 BIOELECTRIC PHENOMENA（生物 电现象） 主要内容（1217） 12 PHYSIOLOGICAL MODELING（生 理建模） 13 GENOMICS AND BIOINFORMATICS（基因和生物信 息） 14 COMPUTATIONAL CELL BIOLOGY A
13、ND COMPLEXITY（？） 15 RADIATION IMAGING（放射成像 ） 16 MEDICAL IMAGING（医学成像） 17 BIOMEDICAL OPTICS AND LASERS（生物医学光学学与激光） BIOINSTRUMENTATION Basic Bioinstrumentation System Charge, Current, Voltage, Power, and Energy Resistance Linear Network Analysis Linearity and Superposition Thevenins Theorem Inductors
14、Capacitors A General Approach to Solving Circuits Involving Resistors, Capacitors, and Inductors Operational Amplifiers Time-Varying Signals Active Analog Filters Bioinstrumentation Design BIOMEDICAL SENSORS Introduction Biopotential Measurements Physical Measurements Blood Gases and pH Sensors Bioa
15、nalytical Sensors Optical Biosensors BIOSIGNAL PROCESSING Physiological Origins of Biosignals Characteristics of Biosignals Signal Acquisition Frequency Domain Representation of Biological Signals Linear Systems Signal Averaging Wavelet Transform and Short-Time Fourier Transform Artificial Intellige
16、nce Techniques 中国生物医学工程学会 分会或专业委员会 医学物理分会 胡逸民 中医药工程分会 刘保延 人工器官分会 顾汉卿 心律分会 胡大一 生物材料分会 奚廷斐 生物医学与传感技术分会 王时明 医学超声工程分会 徐智章 临床医学工程分会 俞梦孙 生物力学分会 樊瑜波 生物电磁学专业委员会 许正平 中国生物医学工程学会 分会或专业委员会 生物医学测量分会 王保华 血疗工程分会 赵 钢 生物信息与控制分会 陈武凡 体外循环分会 龙 村 肿瘤靶向治疗技术分会 张积仁 组织工程分会 曹谊林 数字医疗及医疗信息化分会 陶笃纯 介入医学工程分会 奚廷斐 干细胞工程技术分会 韩中朝 军事医学
17、工程与卫生装备研究分会 董秀珍 生物医学仪器 与生物医学工程学的关系 生物医学仪器是生物医学工程研 究成果的载体。 生物医学工程研究的成果是生物 医学仪器设计和开发的核心和基 础。 生物医学仪器与其它分支 生物医学仪器包含的内容 l临床医学诊断、治疗仪器与设备：如各种医学 成像设备和技术、各种诊断、治疗、检测分析 仪、手术技术设备、监护技术及仪器等； l康复医学工程与技术：医学康复技术、设备和 方法、物理康复技术与器械等； l基因芯片、DNA检测分析技术与设备等； l远程医疗：远程诊断、监护、治疗、手术等； l生物医学传感器技术； l生物医学信息的提取、分析、识别技术； l其他：微型手术与监测
18、，植入式装置等。 医疗器械定义 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 使用旨在达到下列预期目的： 1、对疾病的预防、诊断、治疗、监护、缓解 2、对损伤或者残疾的诊断、治疗、监护、缓 解、补偿； 3、对解剖或者生理过程的研究、替代、调节 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。 对被测体必须是无害的，最理想的是 无损伤的 要考虑电极或传感
19、器对测量结果产生 影响； 生物信号弱小，而干扰强大。信号可 能只有干扰的千分之一； 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。 按使用风险大小分类 国家对医疗器械实行分类管理。国家有专门 机构对医疗器械的研发、生产、销售和使用 进行管理和监督。 第一类是指通过常规管理足以保证其安全性 、有效性的医疗器械（大部分是手术器械） 第二类是指对其安全性、有效性应当加以控 制的医疗器械。 第三类是指植入人体；用于支持、维持生命 ；对人体具有潜在危险，对其安全性、有效 性必须严格控制的医疗器械
20、。 从资产管理的角度分类 大型仪器：一百万以上的，如CT 、磁共振设备， 中小型仪器：如心电图机、床边 监护仪等。 低值产品：包括很多一次性配件 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
21、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 n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
22、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 、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
23、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
24、备和空调设备、血库设备、制药机械设备等。 总结 医疗器械 生物医 学仪器 其它生物 医学分支 实验设备 及装置 生物医学信息流向 测量处理结果 控制 如何对课程分类？ 仪器方向课程学习 基本要求（测量、处理、控制） 数学：工程数学（高等数学、线 性代数、复变函数、概率与统计 ） 电学基础：电路分析、模拟/数字 电路、信号与系统 计算机基础：计算机原理、数据 结构、计算机语言（C/C+) 测量模块 信号处理 模块 控制模块 测量模块 数字信号处理、随机信号处理、传感 器技术、电子测量（误差分析）、数 据采集技术、信号放大（集成运算放 大器）、计算机接口技术、自动测试 系统、单片机、嵌入式系统（O
25、S、 DSP、FPGA）、计算机网络、电磁 兼容及抗干扰、LabView 信号与系统 数字 信号 处理 随机 信号 处理 模电数电 电子 测量 传感 器技 术 微机原 理接口 技术 高频 线路 自动测 试系统 数据采 集技术 操作系 统原理 嵌入式 系统 电磁兼 容设计 LabView 网络 测量模块体系 单片机 应用 虚拟 仪器 综 合 应 用 医用电 子仪器 集成 运放 数据 结构 数据库 生物医学电子 产品设计 计算机&无线通信 通信原理 数据采集技术 了解模拟信息的获得和采集原理 与方法 掌握数字/模拟变换原理 掌握模拟/数字变换原理 了解数据采集系统的基本构成和 设计方法 掌握数据采
26、集系统设计与数字系 统设计的主要差别和注意事项 了解采集数据的预处理技术 LabVIEW LabVIEW虚拟仪器是一个业界领 先的工业标准软件工具，用于开 发测试、测量和控制系统 使用LabVIEW，工程师和科学家 们可以采集到实际信号，并对其 进行分析得出有用信息，然后将 测量结果和应用程序进行分享。 LabVIEW必须使用NI的采集卡（ 兼容）。 嵌入式系统（1/3） 嵌入式系统一般由嵌入式微处理 器、外围硬件设备、嵌入式操作 系统以及用户的应用程序等四个 部分组成，用于实现对其他设备 的控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统一般指非PC系统， 它包括硬件和软件两部分。硬件 包括处理器微处理
27、器、存储器 及外设器件和IO端口、图形 控制器等。软件部分包括操作系 统软件（OS）（要求实时和多 任务操作）和应用程序编程。 一个典型的ARM嵌入式模块 嵌入式系统（2/3） 嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU)主要有Intel、Am186/88、Power PC、 68000、MIPS、ARM 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)代表 性的通用系列包括8051、MCS-96/196/296、 MC68HC05/11/12/16、68300. 嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal
28、Processor, EDSP) TI、ADSP、Motorola 嵌入式片上系统(System On Chip) SOC包括 Infineon(Siemens)的TriCore，Motorola的M- Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola 联合研制的Neuron芯片等。 嵌入式系统（3/3） FPGA（Field Programmable Gate Array现场可 编程门阵列） 用途：用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模 块重新配置，以实现用户的逻辑（不同的电路 功能，内含DSP+MCU+ARM） 开发：VHDL、Verilog、C 产品：Xilinx、Alt
29、era、 信号处理模块 信号与系统、数字信号处理、随 机信号处理、模式识别、谱估计 、系统建模与仿真、信号重构、 小波分析、神经网络 数学基础 数学物理方法（常微分方 程、偏微分方程、变分法 ）、数值分析、泛函分析 、张量分析、有限元计算 信号重构技术 信号重构技术讲述如何从观测到 的部分数据重构完整的信号。在 图象复原、地震勘探、时延估计 、语言处理中有重要应用。 模式识别（1/2） 模式识别(Pattern Recognition)是人 类的一项基本智能，随着计算机的 出现以及50年代人工智能的兴起， 人们希望能用计算机来代替或扩展 人类的部分脑力劳动。模式识别在 20世纪60年代初迅速发
30、展并成为一 门新学科。 模式识别（2/2） 模式可分成的抽象和具体的两种形式 抽象如意识、思想、议论等,属于概念识 别研究的范畴,是人工智能的另一研究 分支。 具体：生物医学工程领域对模式识别的 应用：心电图、脑电图、生物 的传感器等对象进行测量的具体模式 进行分类和辨识。 控制模块 信号与系统、数字信号处 理、信息论基础、自动控 制原理、线性系统、系统 建模与仿真、智能控制、 模糊控制、神经网络控制 控制模块体系 信号与系统 数字 信号 处理 随机 信号 处理 系统 建模 仿真 智能 控制 模糊 控制 神经 网络 控制 信息论基 础 自动 控制 原理 遗传 算法 生物控制论（biocyber
31、netics） 是运用控制论的原理和方法研究 生物系统的调节和控制过程的科 学，是生物学与控制论、信息论 相互渗透而形成的学科。 生物控制论研究对象 生物控制论的研究内容非常广泛 研究各个水平（分子、细胞、组 织、器官、生理系统、生物个体 以至生态系统）的控制和信息过 程 研究遗传、分化和生长过程的调 节控制以及衰老、进化等动态过 程。 生物控制论研究内容 生物系统分析：用系统分析方法研究 生物系统各组成部分在整个系统中的 作用以及整个系统的特征，并建立其 数学模型。生物系统分析的重点是生 物反馈系统和生物信号分析等，前者 包括内稳态的研究和感觉-运动系统的 研究。 神经系统信息处理：主要研究神经元 和神经网络模型，感觉信息处理和视 网膜模型，脑理论和脑模型等。 智能控制 智能控制 (Intelligent Control) 课程内容：智能控制是一门新兴学科，主要 解决对象及其环境、目标、任务具有不确定 性和复杂性时的控制问题。本课程主要讲授 模糊控制、神经网络控制两部分，对其它内 容仅作简单介绍。要求学生掌握模糊集合论 及推理、神经网络及建模的基础知识，具有 设计简单模糊控制系统、神经网络控制系统 的能力。本课程使本科生有机会学习较为成 熟的控制理论，能涉及仍在蓬勃发展的控制 理论领域之一 智能控制，为今后实际 应用和进一步学习提供基础。
