医用电子仪器分析与维护-第一章

医用电子仪器分析与维护贾楠2014年1月第一章听说由你•学本事得之为子孙•花金钱施之于父母第一章医学仪器概述本章内容：医学仪器定义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医学仪器的开发与维修医学仪器的发展趋势现在药耗材设备仪器器械家具将来药耗材设备仪器器械家具未来”四化”仪器耗材化药物靶向化医疗服务化数字信息化未来必要的能力你会使用网络获取信息吗？你会提出问题吗？你会遵循说明书、手册吗？第一节医学仪器定义医学仪器主要用于检测人体各种生理参数，并对其进行处理，供医生对患者的疾病进行诊断、治疗的仪器。---P1定义的解读获取病人各类信息去伪存真转换放大还原显示特征提取辅助判断“看”清病灶排除可能实时监测调整输出目的（P2）: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、妊娠控制问题•为什么现在去医院看个感冒会被要求照X光？第二节医学仪器的结构和工作方式共性在哪里逻辑性以信号检测提取、处理、应用为主线检测提取：被测对象、传感器或电极处理：放大器、滤波器、单片机/计算机、驱动应用：记录显示、驱动辅助系统电源系统第二节医学仪器的结构和工作方式医学仪器的系统框图见P2图1-1由于人体各种生理参数具有幅度低、频率低、存在较强的噪声背景特点，所以，生理信号从人体检测出来到最终以一种可视化的方式表示出来，需要经过信号检测、预处理、信号处理、现实记录几个环节心电图机、脑电图机、肌电图机、监护仪器背景知识：生物信号的基本特征控制论创始人N.维纳：“人是一个维持稳态的机构”、“人的生命在于稳态的维持之中”背景知识：生物信号的基本特征•不稳定性•非线性•概率性•直接/间接•实时/延时•连续/间断•病情•病种•环境•工程技术条件背景知识：生物信号的检测与处理1.生物信号的检测2.生物信号的处理针对生物信号的特点采用不同的电极或传感器经过模数转换的信号在计算机中进行滤波、识别、分析等系统框图的延伸信号采集信号预处理信号处理控制处理（CPU）记录/显示反馈/控制刺激/激励诱发自发信号校准数据存储数据传输检测系统处理系统记录显示系统辅助系统1.生物信息检测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（传感器和电极）（处理电路）传感器和电极的性能好坏直接影响到医学仪器的整机性能，应该十分重视！医学仪器的基本构成背景知识：传感器把各种生理信息转换成可供测量的电信号或其他可用信号医学仪器的基本构成2.生物信息的处理系统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1.准确度（Accuracy）2.精密度(Precision)3.输入阻抗(Inputimpedance)4.灵敏度(Sensitivity)5.频率响应(Frequencyresponse)6.信噪比(SignaltoNoiseRatio)7.零点漂移(Zerodrift)8.共摸抑制比(CMRRcommonmoderejectionratio)一、医学仪器的主要技术特性（或称为静态参数staticcharacteristics）第三节医学仪器的特性与分类背景知识:静态特性与动态特性静态特性:描述仪器对于直流或甚低频信号的性能。对于输入是恒值的信号,由输出信号特此说明测量的质量。动态特性：他需要用微分和（或）积分方程来描述仪器的质量。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：100%-理论值测量值理论值准确度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不存在准确度为零的仪器•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。一、医学仪器的主要技术特性与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度)精确度(精密准确度)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。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。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）准确度低精密度低（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。•3.输入阻抗（inputimpedance）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：21XXZ其功率P为：222121XZZXXPX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。一、医学仪器的主要技术特性•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(X2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。背景知识:输出阻抗•输出阻抗：反映系统输出端向后级系统提供电流的能力，输出阻抗越低，向后级系统提供电流的能力愈强。•Z0表示输入端接的负载阻抗；V0和Vh分别表示系统输出端开路和接电阻Zh时的输出电压•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。一、医学仪器的主要技术特性输出变化量与引起它变化的输入变化量之比对于线性系统，灵敏度是常数；对于非现行系统则不然；当输出变化一定时,灵敏度越高的仪器对微弱输入信号反应的能力越强!•4.灵敏度（sensitivity）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/刻度心率间隔——μs/cm、ms/cm、s/cm一、医学仪器的主要技术特性•4.灵敏度（sensitivity）输出响应的波形与输入信号相同，而幅度随输入量同样倍数变化时称为线性。在现性系统中，灵敏度对所有输入的绝对电平是相同的，并可以应用叠加原理。实际上医学仪器不可能是一个理想的线性系统，有时为了满足一定的需要常引入非线性环节。一、医学仪器的主要技术特性背景知识：电平与绝对电平在电子电路中，所谓“电平”，指的是电路中的两点或几点在相同阻抗下电量的相对比值。在这里的电量指的是“电压”、“电流”和“电功率”。通常总是用某点为“高电平”，某点为“低电平”来叙述虽然未指出高、低电平的数值，但通常高电平总是指接近于工作电源电压的数值，而低电平则是指接近0v的电压数值。背景知识：电平与绝对电平在参考电平的设定中，有相对电平和绝对电平两种选择。两种方式完全是根据测量的需要来选择的例如我们在测量放大器的增益时，若选取输入电压作为参考电平，则按照公式所求得的输出电平为相对电平。如果所选参考电平选取国家规定的标准值，则所求出的电平值为绝对电平。背景知识：叠加原理定义：由全部独立电源在线性电阻电路中产生的任一电压或电流，等于每一个独立电源单独作用所产生的相应电压或电流的代数和。比如，物理中几个外力作用于一个物体上所产生的加速度，等于各个外力单独作用在该物体上所产生的加速度的总和，这个原理称为叠加原理。背景知识：叠加原理定义：由全部独立电源在线性电阻电路中产生的任一电压或电流，等于每一个独立电源单独作用所产生的相应电压或电流的代数和。比如，物理中几个外力作用于一个物体上所产生的加速度，等于各个外力单独作用在该物体上所产生的加速度的总和，这个原理称为叠加原理。背景知识：叠加原理叠加原理是指:如果系统相应于任意两种输入和初始状态(u1(t),x01)和(u2(t),x02)时的状态和输出分别为(x1(t),y1(t))和(x2(t),y2(t)),则当输入和初始状态为(C1u1(t)+C2u2(t),C1x01+C2x02)时，系统的状态和输出必为(C1x1(t)+C2x2(t),C1y1(t)+C2y2(t))其中x表示状态,y表示输出，u表示输入，C1和C2为任意实数。背景知识：叠加原理线性系统的状态变量(或输入变量)与输出变量间的因果关系可用一组线性微分方程或差分方程来描述，这种方程称为系统的数学模型。作为叠加性质的直接结果，线性系统的响应可以分解为两个部分：零输入响应和零状态响应。前者指由非零初始状态所引起的响应；后者则指由输入引起的响应。两者可分别计算。这一性质为线性系统的分析和研究带来很大方便。背景知识：非线性度•5.频率响应（frequencyresponse）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频率响应•频率响应简称频响，(FrequencyResponse)，在电子学上用来描述一台仪器对于不同频率的信号的处理能力的差异。•频响也称响曲线，是指增益随频率的变化曲线。理想的频响曲线应当是平直的，声音信号通过后不产生失真。背景知识:增益•表示放大器功率放大倍数,以输出功率同输入功率比值的常用对数表示，单位为分贝,用以表示功率放大的程度。亦指电压或电流的放大倍数。•如果a的n次方等于x（a0，且a不等于1），那么数n叫做以a为底x的对数（logarithm），记作n=㏒ax其中，a叫做对数的底数，x叫做真数,n叫做“以a为底x的对数”。频率响应有没有看懂了一些?•6.信噪比（signaltonoiseratio）一、医学仪器的主要技术特性噪声:除被测信号之外的任何干扰都可称为噪声.外部噪声磁场干扰内部噪声电子器件的热噪声散粒噪声1/f噪声背景知识：热噪声thermalnoise又称白噪声。是由导体中电子的热震动引起的，它存在于所有电子器件和传输介质中。它是温度变化的结果，但不受频率变化的影响。热噪声是在所有频谱中以相同的形态分布，它是不能够消除的，由此对通信系统性能构成了上限。背景知识：电阻的热噪声引起电路中电流或电路两点间电位差不停起伏的电阻热噪声它是电阻的固有性质，任何电阻器都不例外。Vn=4kTRB^0.5其中k为波尔兹曼常数（1.38x10^23J/K），T为电阻的温度，B是带宽，R是电阻阻值。由于噪声与绝对温度的平方根成正比，所以用降低温度的方法降低噪声通常没有明显效果背景知识：散粒噪声散粒噪声是半导体的载体密度变化引起的噪声散粒效应噪声是Schottky于1918年研究此类噪声时,用子弹射入靶子时所产生的噪声命名的。因此,它又称为散弹噪声或颗粒噪声。背景知识：散粒噪声在低频和中频下，散粒噪声与频率无关（白噪声），高频时，散粒噪声谱变得与频率有关。散粒噪声有白噪声的特