现代医学电子仪器原理与设计复习指导(含答案)

现代医学电子仪器原理与设计复习指导

目录

绪论阅读材料复习与练习

第一章医学仪器概述

第二章生物信息测量中的噪声和干扰

第三章信号处理

第四章生物电测量仪器

第五章血压测量

第六章医用监护仪器

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

0阅读材料复习与练习

1.（医疗仪器）主要指那些单纯或组合应用于人体，用于生命科学研究和临床诊断治疗的仪器，包括所需的软件。

2.随着当今人类社会的发展和对医学模式认识上的转变，特别是以Internet为代表的信息技术的普及，以医院为中心的模式必然会再次回归到以（社区、家庭医疗为中心，“以人为本”、以预防为主）的医学模式上来。医学仪器的设计应充分认识这一医学发展的必然趋势。 3.以（社区医疗）为中心的医学模式正在崛起，我们从事医学仪器设计应充分认识到这一发展趋势。

4.（生物医学信号检测）技术是对生物体中包含的生命现象、状态、性质及变量和成分等信息的信号进行检测和量化的技术。

5. （生物信息处理）技术即是研究从被检测的湮没在干扰和噪声中的生物医学信号中提取有用的生物医学信息的方法。

6.（专家系统）实质上是某一专门知识，例如某种疾病的诊断、处方，某些矿物的资源勘探数据分析等的计算机咨询系统(软件)。专家系统的基础是（专家知识），一类是已经总结在书本上的定律、定理和公式等，另一类是专家们在实际工作中长期积累的经验、教训。 7.请给出虚拟医学仪器的系统构成，并叙述各模块的功能。

答案要点：虚拟医学仪器通常由通用计算机系统、扩充的硬件模块和软件模块

三大部分构成。计算机系统指通用计算机，如PC机或工作站.功能：完成仪器的全套应用软件设计；硬件模块包括接口驱动部件、医学功能部件和传感器或作用部件。功能：接口驱动部件的功能是实现硬件模块与计算机的接口，是使硬件模块与计算机系统能进行有效的通信和数据传输的关键；医学功能部件是硬件模块的核心，该部件进行有关生理信号的放大、滤波、处理，然后经模数转换变为数字信号，由接口驱动部件送计算机系统；传感器或作用部件是硬件模块和虚拟医学仪器最前端的部件，传感器是将所获微弱生命信号转换为电信号，作用部件是用于治疗的各种物理因子发生器；软件模块由计算机的部分系统软件、工具软件和专为虚拟医学仪器设计的医学应用软件组成。功能：一是实现对整个仪器的有效管理，如医学信号的处理分析、存储等；二是提供友好的人机交互界面。 8.请简述应用CMOS电路的注意事项。

1）未用引脚的处理：由于CMOS电路是电压处理器件，输入电阻极大，因而输入引脚不能悬空，否则引起电荷的积累，产生较大的感应电动势，使管子导通，电路功耗大大增加。所以对与非门和与门的多余输入端应接高电平，而或门和或非门则应接至低电平。

2）输入信号幅度：CMOS电路输入信号的幅度应当保持在供电电压范围之内，若超过供电电压容易在输入端形成较大的电流，损坏输入端保护二极管，过大幅度还容易寄生可控硅现象造成电路的损坏。

3）输出能力：CMOS电路的输出电流不太大，因而对TTL电路的扇出系数不大，但CMOS电路的输入电阻极大，对CMOS电路的扇出系数极大。

9.施乐PARC研究中心首席科学家马克.威瑟提出宁静技术（Calm Technology）： “技术应无缝地融入我们的生活，而不是让我们时时感到技术的战栗与恐惧；我们不会消失在电脑空间中，而是电脑将消失在我们的生活中。”结合课程学习体会谈谈宁静技术对医学仪器设计的启示。 答案要点：由于现在计算机技术和电子技术的发展，为便携式医学仪器的微型化和低功耗设计提供了有力的技术支持，设计中的要点如下： ①系统设计高度集约化

a、仪器的中央处理功能和测控、管理功能由单片机承担。b、存储器方面选用固态、微型器件，内存选用低功耗的静态存储器，外存选用大容量、可掉电保存数据的闪存。C、仪器对外通信采用线数较少的串行方式。d、外设不配备打印机，数据输出与备份输出由通信口实现。

②选用合适的供电电压和运行速度

由电子仪器系统动态功耗∝可知，为实现低功耗设计，一要采用低电压供电，由于便携式医学仪器是采用电池供电，这样既能减少系统功耗，又有利于电池选配；二是选取满足工作要求的工作频率，而不追求高速度和大的驱动能力。 ③电路设计全面采用CMOS集成电路 除个别功率驱动电路外，设计中应尽可能采用CMOS集成电路。由于CMOS集成电路具有微功耗；输出逻辑电平摆幅大，工作电压范围宽，因而抗干扰能力强；和工作温度范围宽等优点。

④中央处理机参与低功耗管理

由于仪器的动态功耗远远大于静态功耗，所以中央处理机应实时调度，将系统置于工作状态、待机状态和掉电运行状态等。也可对系统电路实行分区供电方式。 ⑤全面采用表面安装器件

由于表面安装器件可以大幅度提高单位面积上器件的密度，可确保整机微型化，故除个别大功率器件外，可采用表面安装器件。

第一章医学仪器概述

1.依据检测和处理信号的方法不同，医学仪器的工作方式分为：（直接）和间接、（实时）和延时、间断和连续、模拟和（数字）。

2.依据医学仪器的用途不同，医学仪器通常分为：（诊断）用仪器，如生物电诊断与监护、生理功能诊断与监护、人体组织成分的电子分析、人体组织结构形态影像诊断；（理疗）用仪器，如电疗、光疗、磁疗与超声波治疗。

3.（生理系统的建模与仿真）方法，即是为了研究、分析生理系统而建立的一个与真实系统具有某种相似性的模型，然后利用这一模型对生理系统进行一系列实验，这种在模型上进行实验的过程就称为系统仿真。

4.（建模）是医学仪器设计的第一步和关键，是对生命对象进行科学定量描述的产物。

5.建模关系即模型的（有效性）度量主要包括：复制有效，在系统输入与输出上认识系统；预测有效，对系统内部状态及总体结构认识清楚；结构有效，内部状态、总体结构及分解结构均有了解等三个层次。

6.广义而言，生理系统的模型不仅包括人造的物理或（数学）的模型，也应包括动物模型。 7.（建模）即建立一个在某一特定方面与真实系统具有相似性的系统，真实系统称为原型，而这种相似性的系统就称为该原型系统的模型。 8.模型的建立蕴含的三层意思即（理想化）、（抽象化）和（简单化） 9.模型可分为（数学模型）（物理模型）和（描述模型）三种. 10.按照真实系统的性质而构造的实体模型即（物理模型）。对生理系统而言，其物理模型通常是由非生物物质构成的，根据其与原型相似的形式可分为如下四种类型：（几何相似模型）、（力学相似模型）（生理特性相似模型）（等效电路模型）。

11.所谓（数学）模型，就是用数学表达式来描述事物的数学特性，它不像物理模型那样追求与客观事物的几何结构或物理结构的相似性，但可较好地刻划系统内在的数量联系，从而可定量地探求系统的运转规律。

12.构造一个数学模型主要包括（系统中各个作用环节的描述）即寻求一个适当的数学运算关系来描述系统的结构、功能和内在联系和（表征系统的固有特征量的提取）即主要来源于实验数据的参量提取两个方面的内容。

13.建立生理系统数学模型的方法主要有（黑箱方法）、（推导方法）两种。

14. 数学模型的（黑箱）研究方法是指对所研究的系统的内部构造和机理一无所知，仅仅能从外部的客观测量，如系统的输入与输出来考察系统。对于黑箱，其数学模型即为（满足某一特定输入输出关系的传递函数）。 15. 数学模型的（推导）研究方法适用于那些内部结构和机理已部分地被人们所认识的系统。根据该系统的物理化学过程以及解剖学与生物学知识，用分析的方法推导出描述系统功能和特性的模型。

16.（理论分析法）建模应用自然科学中已经被证明的正确的理论、原理和定律，对被研究系统的有关要素进行分析、演绎、归纳，从而建立系统的数学模型。

17.（类比分析法）建模根据两个或者两类系统某些属性或关系的相似，去推论两者的其他属性或者关系也可能相似的方法。 18.（数据分析法）建模对无法运用理论分析或结构难于类比，但能获得一定表征系统规律、描述系统状态的实验数据，可用回归分析等方法建立系统的数学模型或对模型进行验证。 19. 影响仪器设计的基本因素有（信号因素）、（环境因素）、（医学因素）、（经济因素）和（时代因素）五种，这些因素都是进行设计时考虑的基本原则。

20.医学处理信号的特点由（信号源-人体）和（测量方法）共同决定。信号检测与处理中，对信号有效提取和和处理的前提是获取干净的信号-这是仪器设计中面临的主要问题和挑战之一。

21.在现代的医学仪器设计中，构建生理模型的方法很多，最常用的方法有理论分析法建模、类比分析法建模和数据分析法建模三种方法。

22.物理模型是简化的、类似于实际系统的某些突出特征而设想的一种物理系 统，它较之于真实系统更易于进行分析研究。

23.频率响应反映的是仪器对不同频率的信号的不同的灵敏度，要求心电图机对0.1到25Hz的频率范围内的信号，频率响应曲线必须是平坦的（<±0.5dB）。 24.截止频率是指灵敏度下降到70.7% （-3dB）时的频率。

25.共模抑制比可表示为 CMRR=Ad/Acm，其中Ad为系统总的差模增益，Acm为系统总的共模增益。共模抑制比常用分贝（dB）表示，即 CMRR=20lg(Ad/Acm)，该值体现了仪器的抗共模干扰的能力。

26.医学仪器的主要技术特性有哪些? 答：1）准确度（Accuracy）：准确度是衡量仪器测量系统误差的一个尺度。准确度可理解为测量值与理论值之间的接近程度。

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。表示从所选定的已知数据中可能分辨的数值。

3）输入阻抗(Input impedence)：通常称外加输入变量（如电压、力、压强等）与相应应变量（如电流、速度、流量等）之比为仪器的输入阻抗。输入阻抗Z为被测量的输入变量X1和另一固有变量X2的比值。

4）灵敏度(Sensitivity)：仪器的灵敏度是指输出变化量与引起它变化的输入变化量之比。 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，它是衡量系统增益随频率变化的一个尺度。

6）信噪比(Signal to Noise Ratio)：信噪比定义为信号功率PS与噪声功率PN之比，为了便于对信噪比作定量比较，常以输入端短路时的内部噪声电压作为衡量信噪比的指标。

7）零点漂移(Zero drift)：仪器的输入量在恒定不变（或无输入信号）时，输出量偏离原来起始值而上、下漂动、缓慢变化的现象称为零点漂移。 8）共摸抑制比(CMRR common mode rejection ratio)：定义为放大差模信号和抑制共模信号的能力

27.医学仪器有哪些特殊性?

答：被作用对象（人）的特殊性决定了医学仪器的特殊性

1）噪声特性-交流与电磁感应噪声，从人体拾取的生物信号不仅幅度微小，而且频率也低。必须尽量采取各种抑制措施，使噪声影响减至最小。一般来说，限制噪声比放大信号更有意义；

2）个体差异与系统性，人体个体差异相当大，用医学仪器作检测时，应从适应人体的差异性出发，要有相应的测量手段。人体又是一个复杂的系统，测定人体某部分的机能状态时，必须考虑与之相关因素的影响。要选择适当的检测方法，消除相互影响，保持人体的系统性相对稳定；

3）生理机能的自然性-无损测量的趋势，在检测时，应防止仪器（探头）因接触而造成被测对象生理机能的变化。因为只有保证人体机能处于自然状态下，所测得的信息才是可靠的、准确的；

4）接触界面的多样性-接触不良或面积不好；

5）操作与安全性-操作者与受检差者

28. 医学仪器基本分类方法依据有？ 答：主要包括

1）检测的生理参数

2）检测转换原理-传感器及电极 3）在生理系统中的应用 4）临床运用

29.简述医学仪器设计的基本步骤。

①生理模型的构建。这是现代医学仪器设计中十分关键的一步，在对生理、病理、生化或解剖等相关知识分析的基础上，根据物理、化学、数学和生物医学的基本理论，或对实验所获数据的统计分析，构建设计目标的数学模型（或物理模型、或描述模型），并提出仪器设计应实现的技术指标。

②系统设计根据构建的生理模型和设计指标，提出系统总体设计方案和工程实现的方法、途径。并根据产品成本要求和性价比优选的原则，进行软硬件设计，并绘制出系统总框图 ③实验样机研制包括仪器的软硬件设计、工艺设计和安全可靠性设计，并制作出实验样机，在实验室条件下进行仪器样机的性能测量和模拟实验，各项指标应达到设计要求。

④动物实验研究在进行临床试验前，先进行动物试验。选好适当的动物，对样机的性能进行全面的考察验证。并将结果反馈到1-3步

⑤临床试验在产品标准经有关部门审定，备案，并经检测中心对样机进行测试后，达到标准进入临床实验。对所获数据进行分析并反馈到1-3步。

⑥仪器的认证与注册提交仪器认证与注册的申请获准后，可进行仪器的生产。

30. 用框图说明医学电子仪器的基本结构并简要说明各部分的功能。 答：（1）生物信息的检测（采集系统）：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（传感器和处理电路）

（2）生物信息的处理：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,磁记录器,数字式显示器 (4)辅助系统

第二章生物信息测量中的噪声和干扰

1.实现生物信号测量的基本条件是（抗干扰）和（低噪声）

2.（噪声）是电路系统中除了有用信号以外的其他信号，包括人体和测试系统；（干扰）是由测试系统外部所引起的电路系统中的不期望动作

3.能产生一定的电磁能量而影响周围电路正常工作的物体或设备称为（干扰源）

4.（EMC）即电磁兼容设计原则是在电子系统之间实现不互相干扰，协调混同工作的原则，即抑制来自外部的干扰和抑制系统本身对外界其它设备产生干扰。

5.经（导线）传播将干扰引入测试系统的耦合方式称为（传导耦合干扰）。

6.干扰经（公共阻抗）耦合是在测试系统内部各单元电路之间、或者两种测试系统之间存在公共阻抗，由电流流经公共阻抗形成压降造成干扰。

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