1--医学电子学概论1

医学电子Email:[e-mail]:13681595645Office:#9教,北212教材•现代医学电子仪器原理与设计(第二版)华南理工大学出版社，余学飞•辅助教材•生物医学传感器原理及应用(彭承琳)•现代医学仪器设计原理（邓亲恺）•生物医学测量与仪器（王保华）课程简介•专业主干课程•64学时（课程），另外32学时实验•课程特点:综合性课程生理学、物理数学、电子、信号处理综合已学过的课程•模电、数电•计算机原理、单片机•数字信号处理•计算机语言•生理学医学电子仪器八章•医学仪器概述•医学信号测量中的噪声和干扰•生理信号处理：放大、滤波、变换•生理电测量，心电，脑电，肌电•血压测量、物理量传感器•医用监护仪器，多参数测量•医用治疗仪器，心脏治疗与高频电刀•医用电器安全性基本部分增加扩展部分（简介）•单片机或嵌入式系统的医疗智能仪器•移动医疗、可穿戴技术（无线传输和通讯）信息技术+通讯+医疗或健康是IT技术的新热点生物医学工程发展的巨大动力课程学习目的掌握医学信号检测原理、电路、应用(心电、脑电、血压、脉搏、血氧饱和度)(放大、滤波、控制、整形等模拟电路）掌握医学仪器的基本概念、原理、结构、特性、性能初步了解医学仪器设计、分析、调试、开发教学方式•每章提出一些问题•课堂或课后学习、分析•课堂讨论，交报告作业（15）课后学习实践（15）•形式：自由组合（2-3人一组）•任务（3选1）设计并实现一种生理信号检测电路(心电除外)单片机或嵌入式系统实现信号采集与分析实现单片机等蓝牙、Wifi等与手机通讯•医学信号简介•医学电子仪器结构和工作方式•医学仪器的特殊性与分类•生理系统的建模与设计•医学仪器的设计原则与步骤第一章医学仪器概述一、生物医学信号简介•人体内具有丰富的信息(海量)•提取人体信号是诊断治疗的前提•医学仪器能定量提取生理信号，进行诊断和治疗的仪器•100年前，医院没有仪器，凭经验、定性分析外观诊断疾病，中医望闻问切几千年一种医学仪器只是对某一方面信号测量能体现客观因素人是复杂的系统,具有仪器的功能能够感知、综合、加工和推理（主观因素）辩证地认识人的主观诊断+仪器客观诊断再先进的仪器也不能取代人的智能分析1、医学信号特点1.1人体系统特点人体是复杂的系统组成系统独立、相互控制、受控性复杂物理、化学、生物局部决定整体，整体大于局部精神与肉体的统一，物质与意识系统信号控制性•自控系统，心脏活动•神经电控制系统(运动系统，呼吸，循环)1-100m/s•化学控制系统(内分泌系统)激素调控通过循环系统送至细胞，调节器官•生物分子系统(免疫系统)识别异物,非自体识别及其处理控制的复杂性•负反馈，对外界干扰稳定,平衡是反馈结果•双重支配，促进和抑制，交感和副交感神经•多重，多层次，多系统控制，心脏（ECG,心房心室）•非线性2、生理信号种类按性质分•物理信号•化学信号•生物信号按形式分•结构和功能信号•确定、概率信号•连续、离散信号生理信息基本特性•不稳定•概率性，不可预测•非线性•信号微弱•频率低•干扰大被测信号幅度范围心电（ECG）10V-5mV脑电（EEG）2V-200V肌电EMG20V-5mV眼电EOG0.05mV-5mV胃电（EGG)10V-1mVEXG频率：几Hz—kHz,低频EXG信号了解信号特征是设计仪器的第一步例如•呼吸机，了解呼吸系统特点•血压测量，了解血压产生的机理•心电测量，了解心电产生机理•超声、CT，了解物质波与人体作用规律3、生物信号的检测与处理•信息检测：传感器•模拟信息处理：放大、滤波•数字信号处理，A/D，各种数字信号处理医疗仪器定义：国际标准化组织ISO的定义（一）为下列目的用于人体的，不论是单独使用还是组合使用的，包括使用所需软件在内的任何仪器、设备、器具、材料、或者其他物品，这些目的是：（1）疾病的诊断、预防、监护、治疗或缓解；（2）损伤或残疾的诊断、监护、治疗、缓解或者补偿；（3）解剖或生理学过程的研究替代或者调节；（4）妊娠控制（二）其对于人体体表及体内的主要作用不是用药理学、免疫学或代谢的手段获得，但可能有这些手段参与并起一定辅助作用。医疗仪器不是通过化学和免疫系统对人体作用，通过物理手段起作用。二、医学仪器的结构与工作方式•信息采集传感器•信息处理放大、滤波、数字信号处理•显示和记录直接描记器、显示器、磁记录•辅助系统电源、控制、反馈、校准、通讯医疗仪器结构医疗仪器系统结构医学仪器涉及的内容医学仪器的特殊性•安全：电气、热、机械、辐射、化学•精确性和可靠性：低噪声,抗干扰,对人体影响小•舒适性：合适稳定的接触面，适应人体的差异有创、微创、无创、舒适三、医学仪器的特点与分类准确度精密度输入阻抗，一般要M灵敏度频率响应信噪比共模抑制比零点漂移常见仪器的技术指标医疗仪器的分类•诊断生理电、非电生理、生化，影像•治疗各种理疗设备，放疗设备，手术设备心电图机、脑电图机、肌电图；血压计，骨密度仪，流量计自动生化仪；血、尿、气检测X光，超声，CT，MRI,PET,内窥镜及各种光学仪器……电刺激器、热疗设备、呼吸机、起搏器、除颤仪、透析机手术设备：高频电刀、麻醉机、激光、监护仪、导航设备…….•家用便携式医疗仪器电子血压计、小型呼吸机、血糖仪、心电图机、血氧饱和度仪等我国已步入老龄化社会，超过65岁以上2亿医疗仪器分类•I类,血压计,生化仪等•II类,心电图机器,监护仪等.•III类,手术或植入设备,急救设备四、血氧饱和度测量血氧饱和度测量问题•血氧饱和度的生理意义及临床价值•测量物理、数学原理（模型）•测量方案测量方式（相关条件、环境）、测量的计算、性能提高•仪器设计：电路、软件、外观结构等•研制：调试、动物及临床实验HbRHbOHbOSpO222血氧饱和度定义血红蛋白是红细胞主要成分,运送氧气一般大于95%，降低的原因呼吸系统指标缺氧、打呼噜、高原、手术麻醉测量数学物理模型)exp()()(0CdIICdIID0lnD:吸光度光电测量法光与组织的相互作用规律：吸收性光与组织的相互作用规律：散射性光与组织的相互作用规律：复杂的微分积分方程，很复杂只考虑吸收有一定误差如何测量:测量方案测量部位及环境，光的选择（强度和波长）两种波长的光，对应2个未知数测量计算，如何有利于测量准确度•测量部位，手指，耳垂•双波长对应两种物质•波长确定原则:红650nm,红外805nm有吸收和透过提高灵敏度易于计算,提高线性度•测量计算如何测量红光和红外805nminfra-redtransmitterreceiverNon-pulsatilearterialbloodVenousandcapillarybloodVariable(AC)Fixed(DC)PulsatilearterialbloodTissue光吸收脉搏为血管振动及其传播Non-pulsatilearterialbloodVenousandcapillarybloodVariable(AC)Fixed(DC)PulsatilearterialbloodTissue容积脉搏波形（光吸收图）基线：红色虚线代表血管最大收缩状态峰值：代表血管最大舒张状态中间波动：上升沿代表血管舒张的过程，对应心脏收缩下降沿代表血管收缩的过程，对应心脏舒张下降沿小波峰代表心脏瓣膜关闭及血液会流冲击以及反射回波测量与计算的具体问题dCdCIID21211111011)()(ln:dCdCIID22212122022)()(ln:2112CCCSpO上述未知数多，C1，C2，d未知iji:波长j:物质的吸收系数12112121221221112)(DDDDSpO理解各参数的意义D1，D2如何测量需测I0d是个变量)1ln(lnlnln001IIIIIIIIIIDDDddd)()(222221212DCACdCdCD选择血管收缩(d,I)和舒张(d+d,I-I)的两个极限状态测量测量光的输出在两个状态的变化量，d可认为常数dCdCIID21211111011)()(ln:d:未知\变化)()()1ln(DCACIIIID)(II)()(112121111DCACdCdCD新吸收方程为:如何处理？12112121221221112)(DDDDSpO12112121221221112)(DDDDSpO121112211211222)(DDSpO)(2122求解得到：新吸收方程为？)(1211？12112121221221112)(DDDDSpO121112211211222)(DDSpO)(2122)(1211考虑的问题提高精度、灵敏度、速度等波长选择考虑•第一种波长，两种物质的吸收差别大•第二种波长，两种物质吸收差别小•提高灵敏度•提高线性度及准确性)(1211)(2122BAROSp2A,B计算?定标法：克服元件的参数离散性（波长的不同）通过大量经验数据确定A,B)(/)()(/)(2211DCACDCACR测量电路(硬件\软件)上述过程还可以测量哪些参数？网上提交（4.5日前）课外设计设计脉搏检测电路、仿真、制作（提供血氧探头即传感器）设计模拟放大和滤波电路利用单片机计算SPO2提供MSP430等单片机动态血压测量（课堂讨论）•测量参数生理学意义•测量系统建模(测量原理)•总体设计、测试方案•电路结构、软件•制作与测试血压测量•血压:血液对管的压强,实现动态测量•血管弹性与传播速度关系•血压高、血管硬（弹性差）、传播速度快Pulsewavevelocity(PWV)P=f(v)或P=f(T)如何建立血压与脉搏传输时间的关系:P(V)PWV测量Pulsewavetransittime(∆t)anddistance(D)PWV(cm/secorm/sec)=D/∆t2个脉搏传感器\放大\滤波\计算测量方案•如何测量P(V)？•通过一系列的P,V构造关系曲线•如何构造不同的P?•通过不同姿态构造不同的P，用标准法测血压•由V测量P,通过反射法测量肢体两点的V设计总体方案测量动态血压•测量原理•测量方案•误差分析•测量电路结构、软件五、医学仪器的设计原则与展望•信号因素•环境因素•医学因素•经济因素•时代因素卫生部2010年的统计•心脑血管疾病超过2.7亿人，每年死亡300万•糖尿病9200万•每分钟就有6人确诊为癌症，一年死亡300万•1亿多的心理疾患和精神病者•60岁以上2.2亿•8千万残疾人医疗仪器未来发展趋势•从医疗向健康转型，健康检测及治疗•生理型到心理型过度,精神卫生,特殊人群•便携式，网络化、智能化，适合家庭使用(穿戴式:帽子，背心)•高精尖大型设备，放射设备，MRI,CT,….•发展治疗、康复仪器•创新、改进、集成(利用当代科技)家用医疗仪器•成本低、智能化、便携式、网络化•电子血压计、血糖计、心电图机•计步器，老人摔到检测，治疗小仪器，如针灸仪，刺激仪、按摩仪等•手机智能终端•前景广阔，市场巨大远程医疗移动医疗互联网医疗康复产品医疗仪器服务产业新技术未来我国重点•数字化诊疗设备(分子诊断与试剂,健康检测)•高端影像设备•医用材料•智能医疗(小型化\智能化\网络化)具有医疗信息检测\评估\调控•养老与健康•2014年全球医疗仪器4000亿美元•国际医疗产业现状(2011年)•1:强生,258亿美元•2:西门子,185亿•3:GE,181•4.美敦力,155•5:Baxterinternational,139•我国医疗器械2013年,2000亿人民币•深圳\苏州\北京\上海•1:强生,258亿美元•2:西门