主题
医学仪器基础知识
学习目标
- 列举电子电路的基本构成
- 解释各模块功能
- 说出传感器的基本分类和原理
- 指出常见麻醉设备使用的传感器
- 会根据医用电子仪器的主要技术指标评价设备
生物电信号特征
| 参数 | 典型值 |
|---|---|
| 心电信号幅值 | 0.5~4mV |
| 脑电信号幅值 | 3~100μV |
| 肌电信号幅值 | 0.1~5mV |
| 生物电信号频率 | 0.05~10000Hz |
传感器
生物医学传感器：将生物体的物理（化学）量转换为电（磁）信号的能量转换部件。
电极：直接提取生物体电信号的部件。
分类
按工作原理分类
- 物理传感器：利用敏感材料的物理性质和物理效应（压电式、热电偶式、光电式）
- 化学传感器：利用电化学装置
- 生物传感器：利用生物体活性物质具有的选择性识别化学物质的能力（如酶传感器）
按是否需要外部能源分类
- 有源传感器：压电式、热电偶式、光电式
- 无源传感器：电阻式（热敏电阻、应变片）、电感式、电容式
生理参数与传感器对照
| 生理参数 | 传感器或电极举例 |
|---|---|
| 脑电（EEG） | 帽状、表面或针状电极 |
| 心电（ECG） | 表面电极 |
| 肌电（EMG） | 表面或针状电极 |
| 血氧饱和度 | 光电传感器 |
| 体温 | 热敏电阻温度传感器 |
| 血压 | 压电传感器 |
| 血流量 | 超声换能器等 |
| 动脉氧分压 | Ag-AgCl电极 |
| 组织密度 | 超声换能器 |
| 麻醉药物浓度 | 红外光电传感器 |
| 葡萄糖浓度 | 酶传感器 |
常见医用传感器
| 传感器类型 | 测量参数 | 工作原理 |
|---|---|---|
| 热敏电阻 | 体温 | 半导体电阻率随温度变化（NTC/PTC） |
| 应变片 | 压力 | 电阻应变效应 |
| 压电晶体 | 超声/加速度 | 压电效应 |
| 光电传感器 | 血氧 | 光电效应 |
| 电极 | 生物电 | 电化学 |
电子电路基础
模拟电路（Analog Circuit）
模拟电路：用来处理模拟电信号（幅度随时间连续变化的信号）的电路。
主要组成
- 放大电路 — 放大采集到的微弱信号；抑制输入的干扰和噪声。具有反相输入端（−）和同相输入端（+）。
- 滤波电路 — 四种基本类型：
- 低通滤波器：允许低于截止频率的信号通过
- 高通滤波器：允许高于截止频率的信号通过
- 带通滤波器：允许某一频率范围内的信号通过
- 带阻滤波器：阻止某一频率范围内的信号通过
- 功放电路 — 能够向负载提供足够信号功率的放大电路。
- 振荡电路 — 在没有外部信号输入的情况下，依靠电路的自激振荡产生大小和方向周期变化的振荡电流的电路。
- A/D转换电路 — 将时间和幅值都连续的模拟信号转换为时间和幅值都离散的数字信号。过程：取样→保持→量化→编码。
- 电源电路 — 产生稳定的电压，为电子电路提供能源（直流电源/交流电源）。
数字电路（Digital Circuit）
数字电路：处理数字信号（幅度随时间离散变化的二值电信号）的电路。
逻辑门电路
| 门类型 | 逻辑关系 | 符号特征 |
|---|---|---|
| 与门 | A=1且B=1，F=1 | & |
| 或门 | A=1或B=1，F=1 | ≥1 |
| 非门 | A=1，F=0 | 1 |
组合逻辑电路
任意时刻的输出信号状态取决于该时刻输入信号的状态，而与信号作用之前电路的状态无关的数字电路。
时序逻辑电路
电路的输出状态不仅取决于该时刻的输入信号，还与电路原来的状态有关，当输入信号消失后，电路状态仍维持不变，具有存贮记忆功能。
信号处理基本环节
- 前置放大 — 微弱信号放大，共模抑制
- 滤波 — 低通/高通/带通/带阻滤除噪声
- 模数转换（ADC） — 模拟信号→数字信号
- 显示/记录 — 波形、数值呈现
医用电子检测仪器概述
医用电子仪器分类
- 生理信号检测类：多参数监护仪、血气分析仪、超声诊断仪等
- 治疗类：呼吸机、麻醉机、输注泵、人工心肺机等
医用电子监测仪器的基本构成
被测对象 → 信号采集 → 信号预处理 → 信号处理 → 记录/显示/数据存储
↑ ↓
刺激/激励 数据传输（一）生理信号采集系统
组成：被测对象、传感器或电极。
- 传感器：将生物体的物理量转换为电信号的能量转换部件
- 电极：直接提取生物体电信号的部件
（二）信号预处理
生理信息换能器的输出特点：幅度小、频率低，易受外界干扰及人体自身因素干扰。
目的：保证测量结果的准确性。
包括：过载保护、放大、滤波。
常见干扰源：
- 50Hz工频干扰
- 仪器内部各电器单元之间相互干扰
- 仪器和仪器之间相互干扰
（三）信号处理
将预处理完成的模拟信号（analog signals）转换为数字信号（digital signals）并送入计算机处理，通过软件完成运算分析，处理完的数据分别供显示、记录、存储、传输和反馈控制。
医用电子仪器的主要技术指标
1. 准确度（Accuracy）
表示测量值与理论值的偏离程度。
误差越小，准确度越高。
2. 精密度（Precision / 重复性）
仪器对测量结果区分程度的度量，即相同条件下N次重复测定结果相符合的程度。
3. 输入阻抗（Input Impedance）
输入变量与相应的应变量之比。
4. 灵敏度（Sensitivity）
输出变化量和引起它变化的输入量之比。
5. 频率响应（Frequency Response）
仪器保持线性输出时允许其输入频率变化的范围。表示仪器对于不同频率的信号的处理能力的差异。
6. 信噪比（Signal to Noise Ratio, SNR）
信号功率与噪声功率之比。
7. 零点漂移（Zero Drift）
仪器的输入量为0时，输出量偏移原始值的现象。
8. 共模抑制比（CMRR）
差模信号增益与共模信号增益之比。共模抑制比越大，放大器检出差模信号和抑制共模信号的能力越强。
医学仪器的安全要求
电气安全
- 漏电流限制（正常<10μA，单一故障<50μA）
- 接地保护
- 隔离（光电隔离、变压器隔离）
机械安全
- 防夹、防倾倒
- 材料生物相容性
其他
- 抗电磁干扰（EMI）
- 防水防尘（IP等级）