现代医学电子仪器原理与设计(3、7、8小结)

2019年8月5日星期一1总复习第三章信号处理第七章心脏治疗仪器与高频电刀第八章医用电子仪器的电气安全2第三章信号处理基本要求差动放大电路分析方法差动放大应用电路前置级共模抑制能力的提高第一节生物电放大器前置原理3第三章信号处理1.基本要求(1)高输入阻抗理论上，源阻抗和电极阻抗都是频率的函数，并且随频率的增加成下降趋势。(2)高共模抑制比放大器的共模抑制比的定义：共模抑制比(CMRR)是指差分放大器对同时加到两个输入端上的共模信号的抑制能力。cCMRR=20lg()dAdBA4第三章信号处理(3)低噪声、低漂移措施：（a）差动输入形式（b）电路对称结构，严格挑选器件，抑制零点漂移（c）采用调制式直流放大器（d）设置“复零”电路，将基线在特殊情况下复零(4)设置保护电路包括人体安全保护电路和放大器输入保护电路。5第三章信号处理123FRRRR，2.差动放大电路分析方法外回路电阻的匹配条件为：RFR1R2R3+--+-+uid/2uid/2uouic+-ui1ui26第三章信号处理121ooFdidiiuuRAuuuR理想闭环差模增益：此时，共模增益Ac1=0，所以放大器的共模增益dcACMRRA上述理想状态能达到，影响因素有两个。7第三章信号处理1.由电阻失配所造成的CMRRR由外电路电阻失配限定的放大器的共模抑制比为：114ddRcAACMRRA结论：电阻失配造成的CMRRR与电阻匹配误差δ和放大器的闭环差模增益Ad有关。并且电阻匹配误差越小，闭环差模增益越大，放大器的共模抑制能力越大。8第三章信号处理'icu''dDcACMRRA2.器件本身的共模抑制比CMRRD定义：CMRRD为放大器开环差动增益A'd与共模增益A'c之比，即共模输出电压uoc折合到放大器输入端的共模误差电压，即'icicDuuCMRR9第三章信号处理11occcdicDuAAAuCMRR结论：共模输入电压因为转化成差模电压而形成共模干扰电压。原因：放大器的运算放大器件本身的共模抑制比不为无穷大。放大电路的总的共模增益为整个放大电路的总共模抑制比为dDRcDRACMRRCMRRCMRRACMRRCMRR10第三章信号处理3.差动放大应用电路（一）同相并联结构的前置放大电路11第三章信号处理21212''1FoooiiWRuuuuuR12'1FdWRAR第一级电压增益结论：（1）第一级的输出回路里不产生共模电流，电路的共模抑制能力与外回路电阻是否匹配完全无关。（2）并联结构的电路能方便地实现增益的调节。（3）电路具有完全对称形式，有利于克服失调、漂移的影响。12第三章信号处理121icicocduuuACMRRCMRR第一级输出端存在共模误差的输出电压：第一级电路的共模抑制比为CMRR121121211221111dcACMRRCMRRCMRRACMRRCMRRCMRRCMRR13第三章信号处理1212'1FFdddWRRAAARR两级放大电路的差动增益为11231312ddcdAACMRRCMRRCMRRAACMRRCMRR则两级放大电路的总共模抑制比为14第三章信号处理1212FFFRRRRRR(二)同相串联结构的前置放大电路外电阻匹配为放大电路的差动闭环增益为1FdRAR15第三章信号处理11211FdRcRARCMRRA2dRACMRR111.分析电阻失配的影响由于，并且12，得到16第三章信号处理1111icFuRCMRRR2.器件本身共模抑制比的影响A1的输出端形成的共模电压为A2的输出（即放大电路的共模输出）为22221icFicduRuACMRRRCMRR17第三章信号处理放大器的总共模抑制比为121212dRcRACMRRCMRRCMRRCMRRACMRRCMRRCMRRCMRRCMRR结论：同相串联结构的放大电路共模抑制能力的提高，取决于所用的器A1、A2本身的共模抑制比是否相等，并且受外回路电阻的匹配精度影响。18第三章信号处理集成仪器放大器的技术参数主要包括以下几种：1.输入阻抗2.共模抑制比（CMRR）3.偏置电流4.输入失调电压5.输入噪声19第三章信号处理4.前置级共模抑制能力的提高（一）屏蔽驱动（二）右腿驱动技术20第三章信号处理第二节隔离级设计隔离：信号从浮地部分传递到接地部分，两部分之间没有电路上的直接联系。实现电气隔离有两种方案：电磁耦合；光电耦合。第三节生理放大器滤波电路设计滤波电路最常采用由集成运算放大器和RC网络组成的有源滤波器。它的功能是允许指定频段的信号通过，而将其余频段的信号加以抑制或使其急剧衰减。21第三章信号处理常用的设计方法有公式法、图表法和计算机辅助设计法。计算机辅助设计法：滤波软件设计法和网络在线设计工具。MicrochipTechnologyInc：FilterLabNationalSemiconductorCorporation：WEBENCHActiveFilterDesigner22第七章心脏治疗仪器与高频电刀第一节电刺激治疗类仪器设计原理频率小于1kHz时的电流对人体细胞组织的作用主要是以刺激效应为主。决定组织兴奋后能否接受下一个刺激而产生兴奋的关键是组织绝对不应期的长短。大多数哺乳动物动物神经肌肉组织产生刺激兴奋的最佳频率都是在100Hz左右。当刺激频率大于1MHz后，几乎没有任何刺激作用了。这时人体承受电流的能力随频率逐步增大，其产生的效应主要是热效应。23第七章心脏治疗仪器与高频电刀电刺激系统脉冲发生器——产生使神经去极化的脉冲序列；导联线——把脉冲传输到刺激部位；电极——把脉冲安全、有效地传输到可兴奋组织。一、刺激方式与效应(一)电刺激的类型24第七章心脏治疗仪器与高频电刀按电刺激部位分为三类：⑴表面刺激；⑵经皮刺激；⑶植入式刺激。表面刺激特点：电刺激系统三部分都在体外，电极放在皮肤上或要刺激的肌肉的运动点附近，也可放在特定的穴位上。应用：神经与肌肉的医疗康复。局限性：不能可靠的刺激皮肤下面的组织，也不能刺激深层肌肉。25第七章心脏治疗仪器与高频电刀经皮刺激特点：电极置于体内，并靠近要刺激的部位。导联线穿过皮肤连接外部脉冲发生器。应用：短期或长期的刺激需要，但不是永久性的。植入式刺激特点：刺激器的三部分通过外科手术永久植入人体，植入完成后皮肤完全缝合。植入部分和体外部分的联系是通过非接触进行的。26(二)电刺激与电兴奋的基本因素刺激波形——方波序列刺激序列参数——频率、幅度和脉宽刺激频率尽可能小以防止肌肉疲劳并节约刺激能量。决定刺激频率的主要因素是肌肉的融合频率，即可以获得平滑肌响应的频率。(12Hz~50Hz)对于表面电极，调节肌肉力量的常规方法是保持刺激脉冲的频率和脉宽不变，改变刺激脉冲的幅度。第七章心脏治疗仪器与高频电刀27第七章心脏治疗仪器与高频电刀1.强度阈若电刺激的作用时间一定，则刺激强度必须达到某一最低值，才能引起组织兴奋，此值称为刺激强度的阈值（简称强度阈）。2.时间阈若刺激强度一定，能引起组织兴奋的最短刺激时间（脉冲宽度），即称为组织兴奋的时间阈值。283.强度-时间曲线强度阈与时间阈之间存在一定的关系，这种关系用强度-时间曲线来表示，如图7-4所示。(1)典线上的每一点代表一个阈刺激。(2)基强度：刺激时间无论多长，必须有一个最低的强度阈值，即基强度。利用时：以基强度作为刺激强度引起组织兴奋所需要的最短刺激时间。第七章心脏治疗仪器与高频电刀29第七章心脏治疗仪器与高频电刀(3)时值：用基强度的2倍作为刺激强度，所引起组织兴奋所需要的最短刺激时间。结论：（1）为得到有效刺激，通常采用电流I=2IR，脉宽略大于时值的信号，此时产生兴奋所需能量最小。（2）不同组织的强度-时间曲线形状相同，但各自的基强度和时值不相同。30第七章心脏治疗仪器与高频电刀(三)电刺激引起组织兴奋的原理静息状态兴奋状态31第七章心脏治疗仪器与高频电刀32第七章心脏治疗仪器与高频电刀33第七章心脏治疗仪器与高频电刀(四)电刺激的其他效应1.刺激的电化学效应2.电极腐蚀3.组织损伤34第七章心脏治疗仪器与高频电刀第二节心脏起搏器简介人工心脏起搏过程：脉冲电流→心脏（起搏功能障碍、房室传导障碍）→按一定频率应激收缩。心脏起搏器功能：产生电脉冲（一定强度、宽度）→导线、电极→心脏（心肌）。心脏起搏系统结构：心脏起博器(低频脉冲发生器及其控制电路)、导线、刺激电极、电源。35一、人工心脏起搏器的作用1．用于治疗：病症：心律失常（高度或完全性房室传导阻滞、重度病态窦房结综合症等）2．用于诊断：①心房调搏辅助诊断→冠心病。②心房超速起搏法诊断→窦房结功能不全。③预测完全性房室传导阻滞→是否将发生心脑综合症。第七章心脏治疗仪器与高频电刀36第七章心脏治疗仪器与高频电刀3．用于研究：心血管生理和病理以及药理和临床应用的实验研究。37第七章心脏治疗仪器与高频电刀(一)心脏起搏器的分类1．按照起搏器与病人的关系分类(1)感应式：原理：体外起搏脉冲载波发射→体内接受器(感应线圈)→解调(检波）→起搏脉冲→电极→心脏。优点：体内无电源，无电池使用寿命之忧。缺点：接受效果不佳，易受高频磁场干扰。仅构成固定型起搏。应用：已趋于淘汰。38第七章心脏治疗仪器与高频电刀(2)经皮式(体外携带式)：原理：体外（按需或固定）起搏器→电极经皮肤、静脉→心脏。优点：起搏频率、输出幅度、脉冲宽度、感知灵敏度等均可调。缺点：导线经过皮肤，易感染，携带不便，应用：仅用于临时抢救，不宜永久佩带。39第七章心脏治疗仪器与高频电刀原理：埋植于皮下(胸部或腹部)，电极→静脉→心内膜或心肌表面。适合：永久起搏。目前使用大多属此类。缺点：电源使用寿命短等。（3）埋藏式：2．按照与心脏活动的P波和R波的关系分类兴奋性即心肌受到刺激后引起反应的性能，又称应激性。40第七章心脏治疗仪器与高频电刀(1)非同步型(固定型)——起搏脉冲与P波、R波无关。(2)同步型起搏器——分为P波同步、R波同步。按照起搏器与患者心脏活动发出的P波与R波的关系分类有两种：3.按起搏电极分类(1)单极型：阴极→起搏导管(或导线)→静脉或开胸→右心室(或右心房)，阳极(无关电极)→腹部皮下(体外起搏器)或置于胸部(埋藏式起搏器，外壳即阳极)。41第七章心脏治疗仪器与高频电刀(2)双极型：阴极、阳极均与心脏接触(固定在心肌上)；或阴极→心内膜，阳极→心腔内。（二）各类起搏器简介1.固定型起搏器2．R波同步型起搏器（1）R波抑制型(又称为按需型)（2）R波触发型(又称为备用型)………………….42第七章心脏治疗仪器与高频电刀四、心脏起搏器的几个参数1．起搏频率即起搏器发放脉冲的频率。一般认为，能维持心输出量最大时的心率为最适宜的心率，大部分患者60～90次／min较为合适2．起搏脉冲幅度和宽度幅度——电压幅度；宽度——脉冲持续时间。幅度×宽度∝能量——心搏所需能量（微焦级）—5V×(0.5～1)ms43第七章心脏治疗仪器与高频电刀3．感知灵敏度感知灵敏度是指起搏器被抑制或被触发所需最小的R波或P波的幅值。R波同步型=1.5～2.5mV。（R波=5～15mV，路径损失剩下2～3mV）P波同步型=0.8～1mV。（P波=3～5mV，路径损失后更小）合理选取：过低—不感知、感知不全；过高—误感知、干扰敏感。44第七章心脏治疗仪器与高频电刀4．反拗期反拗期（niù）：同步型起搏器对外信号不敏感时间（=不应期）。R波型：反拗期=300±50ms。防止T波或起搏脉冲后电位的误触发。P波型：反拗期=300～500ms。防止窦性过速、外界干扰的误触发。45第七章心脏治疗仪器与高频电刀第三节固定型和R波抑制型心脏起搏器多谐振荡器单稳态射频输出46第七章心脏治疗仪器与高频电刀图7-10R波抑制型心脏起搏器的结构方框图R波抑制型心脏起搏器的一般结构框图如图7-10所示。主体部