080章.医学仪器的基本原理
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参见附件(118kb)。
第80章 医学仪器的基本原理
第1节 医学仪器的基本结构
一、医用传感器件
二、信号处理系统
三、显示系统
第2节 医用传感器件
一、医用电极
二、医用传感器
第3节 信号处理系统
一、信号放大原理
二、脉冲信号的放大
三、放大器的幅频特性
四、干扰及其抑制
第4节 输出显示系统
一、数字式显示
二、荧屏显示
三、记录仪器
第80章 医学仪器的基本原理
一切疾病的诊断均以正确获得人体信息为基础，实现这种生物信息检测的手段之一就是各种各样的临床医学仪器。现代的医学仪器大都可以把病人各种生理信息变成能观察到的形式，已成为临床诊断、监护的重要工具。在本章中将介绍它们的基本结构和原理。
第1节 医学仪器的基本结构
一般医学仪器主要由传感器件、信号处理系统与显示系统组成。图80-1就是这类测量系统的示意图。
传感器件从生物体上获得电信号传给信号处理系统。信号处理系统把信号进行放大、处理和分析。经过处理后的信号由显示系统显示为图象、数字或记录。
一、医用传感器件
医用传感器件是提取和捕捉生物体内各种信息并将其转换为电信号的装置，它是医学测量系统的重要组成部分。临床医学常需要测量的一些量列于表80-1。
表80-1 医学上需要测量的一些量
类别医学上需要测量的一些量时间
位移
力
压力
振动(加速度)
速度
流量
温度
放射线
化学成分
生物电呼吸时间、眼球运动间隔时间、眨眼时间、脉搏时间、反应时间、知觉时间......
血管直径的变化、皮肤的厚度、皮下脂肪厚度、肿瘤的位置、结石的位置、心脏的位移......
心肌力、肌肉力、骨骼负载力......
血压、心内压、脑腔内压、胸腔压力、脊髓压、骨内压、血管内压、眼球内压、肌肉内压、直肠压力......
声音、呼吸音、心音、血管音、柯氏音、振颤......
血流速度、出血速度、排尿速度、发汗速度......
呼吸气体流量、血流量、出血量、尿流量......
口腔温度、皮肤温度、血液温度、脏器温度、呼吸温度、直肠温度、心内温度、胃内温度......
同位素剂量、X射线剂量......
O2、CO2、N2、CO、H2O、NH3、He、O3、Na、K、......生化检查......
心电、脑电、骨电、肌电...... 从上表可以看出这些被测量可归纳为两类：一类是生物电，另一类是非电物理量和化学量。测量生物电及化学量的传感器件是电极，它的作用是把生物体内介质中的离子电流转换成电子电路中的电子流。用于非电物理量测量的传感器件称为传感器，作用是把被测量转换为相应的电量，又称为换能器。
传感器件的作用类似于人获得信息的五官，其性能好坏直接影响仪器的整体性能。
二、信号处理系统
一个传感器件输出的电信号一般比较微弱，不足以推动显示装置，它须有一个放大处理过程。信号处理系统的作用就是对传感器件输送来的信号进行放大、识别(滤波)、变换、运算等各种处理和分析。仪器性能的优劣，功能的多少主要决定于如稳定性、可靠性、重复性；精度的高低等。信号处理系统是一台医学仪器的核心，现代计算机技术在信号处理中的应用，更推动医学仪器向着自动化、智能化方向发展。
三、显示系统
被测量的生物信息经过放大处理，最后还要用显示系统定量地表示出来，成为人们能观察和测量的形式。信号显示有数字式显示和荧屏式显示。数字式显示器件是数码管，它可以将信号以数字形式显示出来。荧屏式显示目前普遍使用的是以示波管、显像管为代表的荧光屏显示器。
为了得到信号随时间变化的永久性记录，则利用描记仪器。常用的描记仪器有描笔偏转式记录器，自动平衡记录器和磁记录装置。
第2节 医用传感器件
传感器件包括电极和传感器。电极的用途是从生物体中直接取出电信号；传感器的作用则是把非电生理量，如温度、压力、血流量等转换为相应的电信号。下面分别介绍这两类传感器件。
一、医用电极
应用电极在生物体上获取电信号时，被测对象的特点不同，采用的电极结构也不一样。在探测单个细胞或组织深部的电位时，采用微电极；测量组织局部区域的电活动时，采用针电极；测量生物体表的电位时，可采用体表电极。
(一)微电极
1、金属微电极 金属微电极可用不锈铜丝，铂铱合金丝或碳化钨丝等制成。把金属丝剪成适用的长度，用电解方法把一端腐蚀成极细的尖端，其余部分用绝缘漆涂上一层薄膜，另一端接上导线，然后固定在塑料手柄上[如图80-2]。这种电极阻抗较低，但由于电极的极化作用，电极特性不够稳定。为此应设法在金属表面镀上一层铂黑，使具有较大的有效表面，减小电流密度，降低噪声电平。
图80-3所示的电极是为了防止电极插入组织时碰到障碍物发生损坏的装置。这种电极把电极丝固定在支承杆的弹簧上,当电极向组织深部推进时，如遇到不正常的阻力会把弹簧压弯,所以,只要注意弹簧状况就不会损坏电极。
2、玻璃微电极 玻璃微电极是用玻璃毛细管拉制成颈缩形后，折断成为吸管状，在管腔内填充金属或电解液的电极(如图80-4)。
最常用的玻璃微电极是在玻璃微吸管内填充电解液，其尖端与生物体组织液之间形成液体接界。在接界两面由于离子迁移率和浓度的不同会产生电位差。所以，选择适当填充微电极的电解液是极其重要的。例如，在NaCl溶液中Cl-比Na+扩散快，因而产生电位差，当两种NaCl溶液的浓度比为1:10时，可产生3mV以上的电位差。对KCl溶液来说，因为K+与Cl-的迁移率相近，故在浓度比为1:10的情况下，只产生0.4mV的电位差。因此通常要用浓度较大的3mmol/L KCl溶液作为玻璃电极的填充物。
3、半导体微电极 由于集成电路技术可以精密地控制尺寸，制造的重复性也好。因此，已采用集成电路的生产技术制作微电极。其基本结构如图4-80-5所示。它是先在硅基片上生长一层SiO2，然后用照相浸蚀法沉积上窄的金带，再在上面蒸镀SiO2绝缘膜，最后把SiO2从金带的最顶端蚀刻掉，露出电极的接触表面。
(二)针电极
图80-6所示为几种常用针电极。(1)图所示为基本针电极，其结构是，电极端有一个尖锐的针尖，针身涂一层绝缘漆，针尖裸露，另一端焊接一根导线。这种电极通常用来测量肌电图。(2)图所示为同铀针电极。在针管中心穿一根绝缘金属细丝，针管内充填满绝缘材料(如环氧树脂)，再用锉刀锉针的顶部，以使中心金属丝露出作为触点，细丝另端接同轴电缆的芯线，针身接到同轴电缆的屏蔽线上。这种电极具有屏蔽作用，亦称之为屏蔽针电极。当对正在进行外科手术的病人作心电图监视时，常常用它插入病人四肢皮下。(3)图为双针电极 ......
第80章 医学仪器的基本原理
第1节 医学仪器的基本结构
一、医用传感器件
二、信号处理系统
三、显示系统
第2节 医用传感器件
一、医用电极
二、医用传感器
第3节 信号处理系统
一、信号放大原理
二、脉冲信号的放大
三、放大器的幅频特性
四、干扰及其抑制
第4节 输出显示系统
一、数字式显示
二、荧屏显示
三、记录仪器
第80章 医学仪器的基本原理
一切疾病的诊断均以正确获得人体信息为基础，实现这种生物信息检测的手段之一就是各种各样的临床医学仪器。现代的医学仪器大都可以把病人各种生理信息变成能观察到的形式，已成为临床诊断、监护的重要工具。在本章中将介绍它们的基本结构和原理。
第1节 医学仪器的基本结构
一般医学仪器主要由传感器件、信号处理系统与显示系统组成。图80-1就是这类测量系统的示意图。
传感器件从生物体上获得电信号传给信号处理系统。信号处理系统把信号进行放大、处理和分析。经过处理后的信号由显示系统显示为图象、数字或记录。
一、医用传感器件
医用传感器件是提取和捕捉生物体内各种信息并将其转换为电信号的装置，它是医学测量系统的重要组成部分。临床医学常需要测量的一些量列于表80-1。
表80-1 医学上需要测量的一些量
类别医学上需要测量的一些量时间
位移
力
压力
振动(加速度)
速度
流量
温度
放射线
化学成分
生物电呼吸时间、眼球运动间隔时间、眨眼时间、脉搏时间、反应时间、知觉时间......
血管直径的变化、皮肤的厚度、皮下脂肪厚度、肿瘤的位置、结石的位置、心脏的位移......
心肌力、肌肉力、骨骼负载力......
血压、心内压、脑腔内压、胸腔压力、脊髓压、骨内压、血管内压、眼球内压、肌肉内压、直肠压力......
声音、呼吸音、心音、血管音、柯氏音、振颤......
血流速度、出血速度、排尿速度、发汗速度......
呼吸气体流量、血流量、出血量、尿流量......
口腔温度、皮肤温度、血液温度、脏器温度、呼吸温度、直肠温度、心内温度、胃内温度......
同位素剂量、X射线剂量......
O2、CO2、N2、CO、H2O、NH3、He、O3、Na、K、......生化检查......
心电、脑电、骨电、肌电...... 从上表可以看出这些被测量可归纳为两类：一类是生物电，另一类是非电物理量和化学量。测量生物电及化学量的传感器件是电极，它的作用是把生物体内介质中的离子电流转换成电子电路中的电子流。用于非电物理量测量的传感器件称为传感器，作用是把被测量转换为相应的电量，又称为换能器。
传感器件的作用类似于人获得信息的五官，其性能好坏直接影响仪器的整体性能。
二、信号处理系统
一个传感器件输出的电信号一般比较微弱，不足以推动显示装置，它须有一个放大处理过程。信号处理系统的作用就是对传感器件输送来的信号进行放大、识别(滤波)、变换、运算等各种处理和分析。仪器性能的优劣，功能的多少主要决定于如稳定性、可靠性、重复性；精度的高低等。信号处理系统是一台医学仪器的核心，现代计算机技术在信号处理中的应用，更推动医学仪器向着自动化、智能化方向发展。
三、显示系统
被测量的生物信息经过放大处理，最后还要用显示系统定量地表示出来，成为人们能观察和测量的形式。信号显示有数字式显示和荧屏式显示。数字式显示器件是数码管，它可以将信号以数字形式显示出来。荧屏式显示目前普遍使用的是以示波管、显像管为代表的荧光屏显示器。
为了得到信号随时间变化的永久性记录，则利用描记仪器。常用的描记仪器有描笔偏转式记录器，自动平衡记录器和磁记录装置。
第2节 医用传感器件
传感器件包括电极和传感器。电极的用途是从生物体中直接取出电信号；传感器的作用则是把非电生理量，如温度、压力、血流量等转换为相应的电信号。下面分别介绍这两类传感器件。
一、医用电极
应用电极在生物体上获取电信号时，被测对象的特点不同，采用的电极结构也不一样。在探测单个细胞或组织深部的电位时，采用微电极；测量组织局部区域的电活动时，采用针电极；测量生物体表的电位时，可采用体表电极。
(一)微电极
1、金属微电极 金属微电极可用不锈铜丝，铂铱合金丝或碳化钨丝等制成。把金属丝剪成适用的长度，用电解方法把一端腐蚀成极细的尖端，其余部分用绝缘漆涂上一层薄膜，另一端接上导线，然后固定在塑料手柄上[如图80-2]。这种电极阻抗较低，但由于电极的极化作用，电极特性不够稳定。为此应设法在金属表面镀上一层铂黑，使具有较大的有效表面，减小电流密度，降低噪声电平。
图80-3所示的电极是为了防止电极插入组织时碰到障碍物发生损坏的装置。这种电极把电极丝固定在支承杆的弹簧上,当电极向组织深部推进时，如遇到不正常的阻力会把弹簧压弯,所以,只要注意弹簧状况就不会损坏电极。
2、玻璃微电极 玻璃微电极是用玻璃毛细管拉制成颈缩形后，折断成为吸管状，在管腔内填充金属或电解液的电极(如图80-4)。
最常用的玻璃微电极是在玻璃微吸管内填充电解液，其尖端与生物体组织液之间形成液体接界。在接界两面由于离子迁移率和浓度的不同会产生电位差。所以，选择适当填充微电极的电解液是极其重要的。例如，在NaCl溶液中Cl-比Na+扩散快，因而产生电位差，当两种NaCl溶液的浓度比为1:10时，可产生3mV以上的电位差。对KCl溶液来说，因为K+与Cl-的迁移率相近，故在浓度比为1:10的情况下，只产生0.4mV的电位差。因此通常要用浓度较大的3mmol/L KCl溶液作为玻璃电极的填充物。
3、半导体微电极 由于集成电路技术可以精密地控制尺寸，制造的重复性也好。因此，已采用集成电路的生产技术制作微电极。其基本结构如图4-80-5所示。它是先在硅基片上生长一层SiO2，然后用照相浸蚀法沉积上窄的金带，再在上面蒸镀SiO2绝缘膜，最后把SiO2从金带的最顶端蚀刻掉，露出电极的接触表面。
(二)针电极
图80-6所示为几种常用针电极。(1)图所示为基本针电极，其结构是，电极端有一个尖锐的针尖，针身涂一层绝缘漆，针尖裸露，另一端焊接一根导线。这种电极通常用来测量肌电图。(2)图所示为同铀针电极。在针管中心穿一根绝缘金属细丝，针管内充填满绝缘材料(如环氧树脂)，再用锉刀锉针的顶部，以使中心金属丝露出作为触点，细丝另端接同轴电缆的芯线，针身接到同轴电缆的屏蔽线上。这种电极具有屏蔽作用，亦称之为屏蔽针电极。当对正在进行外科手术的病人作心电图监视时，常常用它插入病人四肢皮下。(3)图为双针电极 ......
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