1、生物医学工程基础（五）生物医学工程基础（五）生物医学仪器生物医学仪器 副教授副教授望江校区望江校区 逸夫科技楼逸夫科技楼5楼楼课程安排课程安排 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年医学诺贝尔奖小小型型化化的的同同步步12导导联联自自动动心心电电图图仪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
2、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 五分类五分类26项全自动血液分析仪项全自动血液分析仪 l高解析立方图加高解析立方图加RBC、BASO和和PLT的的3个直方图个直方图l样品可贮存样品可贮存48个小时个小时,内存超过内存超过90000个结果个结果l技术发展事例（3/6）射频肿瘤消融设备射频肿瘤消融设备RFA-I型多极射频肿瘤消融系统型多极射频肿瘤消融
3、系统 采用独有的分段式采用独有的分段式PID控控制加热，温度自动控制为制加热，温度自动控制为902 设有双路超温保护电极短设有双路超温保护电极短路保护，电极脱落（断路路保护，电极脱落（断路）报警，电极温度传感器）报警，电极温度传感器损坏报警功能损坏报警功能 有独立的针道电凝止血功有独立的针道电凝止血功能，可以有效的防止针道能，可以有效的防止针道出血及针道种植出血及针道种植 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
4、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（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
5、 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，
6、生物医学测量与仪器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
7、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L
8、AN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
9、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INTRODUCTION TO BIOMEDICALENGINEERING SecondEditionCopyright 2005,ElsevierInc.主要内容（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）5REHABIL
10、ITATION ENGINEERING AND ASSISTIVE TECHNOLOGY（康复工程与辅助技术）主要内容（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（主要内容（1217）12 PHYSIOLOGICAL MODELING（生理建模）13 GENOMICS AND BIOINFORMAT
11、ICS（基因和生物信息）14 COMPUTATIONAL CELL BIOLOGY AND 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）BIOINSTRUMENTATIONBasic Bioinstrumentation SystemCharge,Current,Voltage,Power,and Energy ResistanceLinear Network Analysis Linearity and Superpositi
12、on Thevenins TheoremInductorsCapacitorsA General Approach to Solving Circuits InvolvingResistors,Capacitors,and Inductors Operational AmplifiersTime-Varying SignalsActive Analog FiltersBioinstrumentation DesignBIOMEDICAL SENSORS Introduction Biopotential Measurements Physical Measurements Blood Gase
13、s and pH Sensors Bioanalytical 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
14、 Artificial Intelligence Techniques中国生物医学工程学会中国生物医学工程学会 分会或专业委员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中国生物医学工程学会 分会或专业委员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
15、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 军事医学工程与卫生装备研究分会 董秀珍 生物医学仪器生物医学仪器与生物医学工程学的关系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与其它分支生物医学仪器包含的内容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；仪、手术技术设备、监护技术
16、及仪器等；l康复医学工程与技术：医学康复技术、设备和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；方法、物理康复技术与器械等；l基因芯片、基因芯片、DNA检测分析技术与设备等；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；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；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，植入式装置等。其他：微型手术与监测，植入式装置等。医疗器械定义医疗器械定义 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
17、、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
18、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。从资产管理的角度分类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植入的和非植
19、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n不同的分类方法应用于不同的场合不同的
20、分类方法应用于不同的场合诊断仪器 医用电子设备医用电子设备：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）治疗仪器治疗仪器 人工器官：人工器官：人工心脏、瓣膜、心脏辅助装置人工心脏、瓣膜、心脏辅助装置、
21、人工关节、假肢、人工关节、假肢、人工肝、人工肾人工肝、人工肾、人工肺（氧合器）、人工肺（氧合器）、人工听觉、人工角膜、人工、人工听觉、人工角膜、人工晶体等晶体等 物理治疗仪器物理治疗仪器 前列腺治疗仪前列腺治疗仪 微波高温治疗仪微波高温治疗仪 放射治疗装置放射治疗装置：钴：钴60、直线加速器、直线加速器、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、超声乳化白内障手术仪、超声乳化白内障手术仪、超声雾化器超声雾化器 激光治疗设备激光治疗设备：激光刀：激光刀、眼科激光、眼科激光,准分子激光角膜屈光矫正、准分子激
22、光角膜屈光矫正、准分子激光冠状动脉成形术准分子激光冠状动脉成形术、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、输液泵、输液泵、体外反搏和主动脉内气、体外反搏和主动脉内气囊反搏囊反搏 其他治疗设备其他治疗设备：高压氧舱：高压氧舱、低温麻醉设备、冷冻刀等、低温麻醉设备、冷冻刀等、远红外、远红外理疗设备及电化学治疗设备理疗设备及电化学治疗设备、麻醉机、麻醉机 辅助仪器设备辅助仪器设备 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：医学信息系统：包括计算机网络系统及与此相应的计算包括计算机网络系统及与此相应
23、的计算机医院自动化管理系统（包括行政和病史管理等）、地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迅速发展的PACS系统（图像存储于传输系统）等。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
24、氧设备、吸引设备、废物灯、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。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仪器方向相关专业基础与专业课程仪器方向相关专业基础与专业课程 单片机原理及应用 生物医学传感器及检测技术 嵌入式系统 生物医学电子产品设计 生物医学仪器及应用生物医学信息流向测量测量处理处理结果结果控制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
25、、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+)测量模块测量模块信号处理信号处理模块模块控制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（OS、DSP、FPGA）、计算机网络、电磁兼容及抗干扰、LabView信号与系统信号与系统数字数字信号信号处理处理随机随机信号信号处理处理模电数电模电数电电子电子测量测量传感传感器技器技术术微机原微机原理接口理接口技术技术高频高频线路线路自动测自动测试
26、系统试系统数据采数据采集技术集技术操作系操作系统原理统原理嵌入式嵌入式系统系统电磁兼电磁兼容设计容设计 LabView网络网络测量模块体系单片机单片机应用应用虚拟虚拟仪器仪器综综合合应应用用医用电医用电子仪器子仪器集成集成运放运放数据数据结构结构数据库数据库 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
27、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（1/2）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（2/2）嵌入式微处理器嵌入式微处理器(Embedded Microproc
28、essor Unit,EMPU)主要有Intel、Am186/88、Power PC、68000、MIPS、ARM嵌入式微控制器嵌入式微控制器(Microcontroller Unit,MCU)代表性的通用系列包括8051、MCS-96/196/296、MC68HC05/11/12/16、68300.嵌入式嵌入式DSP处理器处理器(Embedded Digital Signal Processor,EDSP)TI、ADSP、Motorola嵌入式片上系统嵌入式片上系统(System On Chip)SOC包括Infineon(Siemens)的TriCore，Motorola的M-Core，某
29、些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。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、滤波算法、信号重构、小波分析、神经网络信号重构技术 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
30、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信号与系统数字数字信号信号处理处理随机随机信号信号处理处理系统系统建模建模仿真仿真智能智能控制控制模糊模糊控制控制神经神经网络网络控制控制信息论基信息论基础础自动自动控制控制原理原理遗传遗传算法算法生物控制论（biocybernetics）是运用控制论的原理和方法研究生物系
31、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。p 经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量p Study Constantly,And You Will Know Everything.The More You Know,The More Powerful You Will Be学习总结结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best,Failure Is Great,So DonT Give Up,Stick To The End演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
