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1、現(xiàn)代醫(yī)學電子儀器原理與設計第二版主 編 余學飛主 講 葉哲江,課 程 要 求,課 程 要 求： 課程要求：不得缺席、遲到、早退。 作業(yè)，輔導（周四下午系辦）。 考試成績：平時成績20%，實驗10%，考試70%。,本課程意義：,專業(yè)定位為：醫(yī)用儀器設計、使用及維護。 學習醫(yī)用儀器的結(jié)構(gòu)、原理； 撐握醫(yī)用儀器設計、使用、維護方法； 為就業(yè)及工作打下一定的基礎。,第一章 醫(yī)學儀器概述,醫(yī)學儀器：主要用于對人體的疾病進行診斷和治療，其作用對象是復雜的人體，所以醫(yī)學儀器與其它儀器相比有其特殊性。 在醫(yī)學儀器沒有大量出現(xiàn)前，醫(yī)生主要憑經(jīng)驗通過手和五官來獲取診斷信息。現(xiàn)在，醫(yī)學儀器可以將人體的各種信息提供給

2、醫(yī)生觀察和診斷。,第一節(jié) 生物信號知識簡介,人體系統(tǒng)的特征 人體是一個復雜的自然系統(tǒng)，它由八大系統(tǒng)組成：運動、循環(huán)、呼吸、消化、排泄、神經(jīng)、內(nèi)分泌和生殖系統(tǒng)組成。 人體控制功能的特點 負反饋機制：人體系統(tǒng)對外界干擾是穩(wěn)定的。 反饋：將輸出信息傳遞到輸入端稱為反饋。 負反饋：輸出反饋量與輸入量的極性相反。 負反饋的作用： 雙重支配性：生物體很少以一個變量的正負值來單獨控制。 多重層次性：上一級環(huán)路對下一級環(huán)路進行控制。 適應性：根據(jù)外界的刺激改變控制系統(tǒng)本身。 非線性：,,,生物信息的基本特性 不穩(wěn)定性：如心電、血壓等由于精神緊張，心電畸變，血壓升高。 非線性： 概率性： 生物信息的檢測與處

3、理 生物信號檢測：微弱、低頻信號檢測。 生物信號處理：時域、頻域信號處理。,,,第二節(jié) 醫(yī)學儀器的結(jié)構(gòu)和工作方式,醫(yī)學儀器的基本構(gòu)成,信號 采集,信號 預處理,信號 處理,記錄 顯示,數(shù)據(jù) 存儲,信號校準,數(shù)據(jù) 傳輸,刺激 激勵,反饋 控制,,,,,,,,,圖1-1 醫(yī)學電子儀器結(jié)構(gòu)框圖,生物信號采集系統(tǒng)：被測對象，傳感器； 生物信號處理系統(tǒng)：信號預處理、信號處理； 生物信號的記錄顯示系統(tǒng)：直接記錄，存儲記錄，數(shù)字式顯示； 輔助系統(tǒng)：控制和反饋、數(shù)據(jù)存儲和傳輸、標準信號產(chǎn)生和外加能量等。,醫(yī)學儀器的工作方式 直接和間接方式： 直接工作方式： 間接工作方式： 實時和延時方式： 實時工作方式： 延

4、時工作方式： 間斷和連續(xù): 模擬和數(shù)字:,第三節(jié) 醫(yī)學儀器的特性與分類,醫(yī)學儀器的主要技術特性 準確度： 精密度：在相同條件下用同一種方法多次測量所得數(shù)值的接近程度。 輸入阻抗： 靈敏度：輸出變化量與引起它變化的輸入變化量之比。,,頻率響應：儀器保持線性輸出時，允許輸入頻率變化的范圍。 信噪比：信號功率與噪聲功率之比。 噪聲：除被測信號之外的任何干擾。 儀器內(nèi)部噪聲：輸入端短路時的噪聲電壓。,,零點漂移：輸入量恒定不變（或無輸入信號）時，輸出量偏離原起始值而上下漂動，緩慢變化的現(xiàn)象。 共模抑制比： ：差模增益； ：共模增益。,醫(yī)用儀器的特殊性 生物信號檢測（醫(yī)用診斷儀器）： 生物系統(tǒng)不同于

5、物理系統(tǒng)，在檢測過程中，它不能休止運轉(zhuǎn)，也不能拆卸。因此，人體及生物信息的特殊性構(gòu)成了醫(yī)用儀器的特殊性。 噪聲特性： 生物信號一般為微弱、低頻信號，常見的交流感應噪聲和電磁感應噪聲危害較大。一般來說，限制噪聲比放大信號更有意義。 個體差異與系統(tǒng)性： 個體差異相當大，醫(yī)用儀器必須適應人體的差異。人體又是一個復雜的系統(tǒng)測定某部分機能狀態(tài)時必須考慮相關因素的影響。,生理機能的自然性： 在檢測時，應防止儀器（探頭、傳感器）因接觸而造成對被測對象生理機能的變化。 接觸界面的多樣性： 傳感器（電極）與被測對象間有一個合適接觸良好的界面。 操作與安全性： 醫(yī)用儀器的檢測對象是人體。應確保電氣安全、輻射安全、

6、熱安全和機械安全，有時因操作失誤產(chǎn)生的危害也是不允許的。 操作者是醫(yī)生或醫(yī)輔人員，儀器操作必須簡單、安全、適用、可靠。,典型醫(yī)學參數(shù)（了解） P9 表11 醫(yī)用儀器分類,第四節(jié) 生理系統(tǒng)的建模與儀器設計 構(gòu)造一個真實系統(tǒng)的模型，在模型上進行實驗，成為系統(tǒng)分析、研究的十分有效的手段。為了達到系統(tǒng)研究的目的，系統(tǒng)模型用來收集系統(tǒng)有關信息和描述系統(tǒng)有關實體。也就是說，模型是為了產(chǎn)生行為數(shù)據(jù)的一組指令，它可以用數(shù)學公式、圖、表等形式表示。模型是對相應的真實對象和真實關系中那些有用的和令人感興趣的特性的抽象，是對系統(tǒng)某些本質(zhì)方面的描述，它以各種可用的形式提供被研究系統(tǒng)的描述信息。,生理系統(tǒng)建模：是

7、對系統(tǒng)整體各個層次的行為、參數(shù)及其關系建立數(shù)學模型的工作，最終希望用數(shù)學的形式表達出來。 建模的目的：是為了更好地了解生物系統(tǒng)的行為及規(guī)律，為生物控制奠定基礎。 意義：生物系統(tǒng)建模與仿真可以將生物系統(tǒng)簡化為數(shù)學模型并對此模型進行計算分析，從而代替實際的復雜、長期、昂貴及至無法實現(xiàn)的實驗，大大提高研究效率和定量性，并可研究人為施加控制條件以影響生物系統(tǒng)運行過程。,系統(tǒng)模型與建模關系 在選擇模型結(jié)構(gòu)時，要滿足兩個前提條件： 一是要細化模型研究的目的； 二是要了解有關特定的建模目標與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性質(zhì)之間的關系。,系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)具有以下性質(zhì)： 相似性：模型與所研究系統(tǒng)在屬性上具有相似的特性和變化規(guī)律；

8、簡單性：實用的前提下，模型越簡單越好； 多面性：對同一系統(tǒng)可以產(chǎn)生相應于不同層次的多種模型； 模型的有效性用符合程度來度量，它可分為以下三個不同級別的模型有效： 復制有效：模型產(chǎn)生的輸入輸出與實際系統(tǒng)所得到的輸入輸出數(shù)據(jù)是匹配的。 預測有效：可預測實際系統(tǒng)的將來的狀態(tài)和行為變化，實際系統(tǒng)數(shù)據(jù)取得之前，能夠由模型看出相應的數(shù)據(jù)。,結(jié)構(gòu)有效：建模者不但搞清了實際系統(tǒng)內(nèi)部之間的工作關系，且了解了實際系統(tǒng)的內(nèi)部分解結(jié)構(gòu)，可把實際系統(tǒng)描述為由許多子系統(tǒng)相互連接起來而構(gòu)成的一個整體。 建立生理系統(tǒng)模型的基本方法 建模：即要建立一個在某一特定方面與真實系統(tǒng)具有相似性的系統(tǒng)，真實系統(tǒng)稱為原型，而這種相似的系

9、統(tǒng)稱為該原型系統(tǒng)的模型。 模型一般分為三類：物理模型、數(shù)學模型和描述模型。,真實系統(tǒng),模型,真實空間解,模型空間解,圖1-3 生理系統(tǒng)建模的基本方法,（三）、描述模型 描述模型：是一種抽象的（沒有物理實體）、不能（至少目前很難）用數(shù)學方程表達，只能用語言（自然語言、程序語言）描述的系統(tǒng)模型。 可以認為，描述模型是系統(tǒng)模型向定量化、數(shù)學化目標發(fā)展的一個中間過程，而建立系統(tǒng)的數(shù)學模型是我們力求達到的目的。 構(gòu)建生理模型的常用方法與實例 （一）、理論分析法建模：是指應用自然科學中已被證明的正確的理論、原理和定理，對被研究系統(tǒng)的有關要素進行分析、演繹、歸納，從而建立系統(tǒng)的數(shù)學模型。 （二）、類比分析法建模：若兩個不同的系統(tǒng)可以用同一形式的數(shù)學模型來描述，則兩個系統(tǒng)就可以互相類比。即是說，類比分析法是根據(jù)兩個（或兩類）系統(tǒng)某些屬性或關系的相似，去推論兩者的其他屬性或者關系也可相似的一種方法。,第五節(jié) 生物醫(yī)學儀器的設計原則與步驟 設計原則： P12 圖13 信號因素： 環(huán)境因素： 醫(yī)學因素： 經(jīng)濟因素 時代因素,設計步驟 生理模型的構(gòu)建： 系統(tǒng)設計： 實驗樣機設計： 動物實驗研究： 臨床實驗： 儀器認證與注冊：,