BME3311 医学仪器原理.min

25 年 5 月 9 日 星期五
4255 字
22 分钟

理解, 掌握: 心电图机, 心脏起搏器

了解, 熟悉: X线诊断治疗, 核医学仪器, 腔镜诊断治疗, 手术导航辅助治疗, 医院信息使用管理

略过: 超声诊断治疗, MRI

ch.1

  • 能理解医学仪器的概念: 对象是人体, 方式是物理, 形式是仪器等

  • 医学仪器的结构框图与各部分作用

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    广义医学仪器框图:

    • 被测量: 可接近性, 测量可为直接/间接, 采样/连续
    • 传感器: 微创,低能量产生, 主动发出能量的叫调制传感器, 利用被测量能量的叫发生传感器
    • 信号调理: 采集到显示之间的部分, 例如放大滤波ADC等
    • 输出显示
    • 辅助部分: 标定校准数据存储与传输

  • 医学测量限制条件: 没有合适的传感器, 其他生理系统的干扰, 传感器的物理尺寸, 变量不确定性

  • 医学仪器一般开发流程:

    • 开发流程: 仪器初始设计, 样机实验, 仪器最终实验, FDA/BMD/DP等机构审批, 生产
    • 新想法->可行性分析及产品说明->详细的产品规格来描述所有产品功能->可生产的原型机 (有两个我不确定是哪一个)

ch.2

生物电

  • 生物电与心电:

    • 人体组织或活动细胞无论在静止状态还是活动状态, 都会产生与生命状态密切相关的电现象称为生物电, 临床上常见: 心, 脑, 胃, 肌, 视网膜
    • 心电: 来源于心肌细胞, 传导系统, PQRST波, 心电信号: 0.05~100hz, 10uV(胎儿)~5mV(成人), 信号弱, 频率低, 噪声强, 随机性高, 信号源阻抗高

  • 导联基本概念:

    • 导联: 电极放在体表两点分别连接正负输入端构成测量回路
    • Einthoven三角形: 三个单极导联, 三个双极导联(左右手, 左腿)
    • 加压导联: 比未加压版大50%
    • Wilson中心电端: 使用高阻值电阻使肢体端与心脏之间的阻值接近

  • 标准十二导联: 双极导联I, II, III, 加压导联aVR, aVL, aVF, 胸导联V1~V6

  • 心电图机组成结构

    • 前置放大器要求: 高输入阻抗, 高增益, 高共模抑制比
    • 50hz陷波器作用: 消除工频干扰

  • 心电图机设计方法

    • 要求: 信号放大, 噪声控制, 安全性
    • 要点: 导联, 生物放大器, 滤波器, 接地, 隔离屏蔽

  • 前置放大

    左边两个共模增益为1, 差模为(R1+R2+R3)/R1, 右边理想共模增益为0, 差模增益为R5/R4

  • 右腿驱动电路 接在右腿上, 减小共模噪声, 提高电气安全 alt text alt text

    2vcmRa+v0Rf=0,vcm=RRLid+v0 =>vcm= vcm=RRLid1+2RfRa2 \frac{v_{cm}}{R_a} + \frac{v_0}{R_f}=0, v_{cm} = R_{RL}i_d+v_0 \space => v_{cm} = \space v_{cm}=\frac{R_{RL}i_d}{1+2 \frac{R_f}{R_a}}

  • 脑电与肌电

    • 脑电:
    波名频率/Hz大小/uV对应活动
    γ\gamma35-4525-50积极大脑活动
    β\beta18-3020-50清醒且大脑活动
    α\alpha8-1350-100清醒但大脑待机
    θ\theta4-720-40浅睡
    δ\delta<3.510-20深睡

    实际测量: 0.560hz, 5100uV

    • 肌电: 100uV100mV, 102000hz, 脉冲持续时间0.6~20ms

  • 脑电图机的基本结构

生理参数检测

  • 血压检测
    • 血压直接检测: 准确全面连续, 但有创, 主要用于危重监护, 包括血管外血压传感器, 压力导管, 光纤压力传感器等技术
    • 血压间接检测:
      • 柯式音法/听诊法(延伸有可用于婴儿低血压的超声血压检测): 简单但易受环境干扰
      • 示波法/震荡法
  • 血压监测仪器结构
  • 体温检测原理
    • 传感器: 热电偶(温度梯度->电动势), 热敏电阻, 红外传感器, 光纤温度传感器
  • 血气概念: 包含O2等溶于血液中的气体成分的测定
  • 血气直接检测: 通过动脉穿刺或插管等方式取动脉血进行检测(血气分析仪), 直接使用光纤传感器进行血氧检测, 间接测量: 脉搏血氧仪等
  • 血氧饱和度: 血氧饱和度（ SaO2 ）指氧合血红蛋白含量（ HbO2 ）占血红蛋白总量（∑ Hb ）的百分比, 检测其的基本原理: Lambert-Beer定律, 入射光透射某种均匀无散射溶液时光吸收特性与浓度有关
  • 血氧仪使用波长: 660nm的红光和940nm的红外光, 氧合细胞吸收较多红外光较少吸收红光, 非氧合血红蛋白主要吸收红光不吸收红外光, 更精确的血氧仪还会测量6-8个波长
  • 血氧检测仪结构:
  • 呼吸相关参数: 呼吸速率, 脉搏血氧饱和度等
  • 呼吸检测的常用方法: 热敏电阻, 呼吸感应体积描述, 呼吸压力测量, 生物阻抗(最常用)
  • 呼吸检测原理:
  • 多参数监护仪: 参数多且同步检测, 可靠性高且操作便捷, 模块化和板卡化结构, 难点是抗干扰要求高

ch.3

  • X线的物理效应: 穿透力强(波长短能量高), 有电离作用, 荧光作用, 可以干涉衍射反射折射
  • 数字X线的概念与原理: 相较于CR, 把影像版换成探测器, 将X线直接转换为电信号, 通过数模转换后再输出
  • DSA的概念与原理: 将同一部位拍注入对比剂的造影像(充盈像)和不含对比剂的掩模像, 二者相减对比
    • 对X机要求: 大功率, 千伏波形平稳
  • CT成像: X线经过准直器形成很薄的扇形X线束, 探测器将X线转换为电信号, 放大并A/D转换成数字信号, 计算机重建显示
  • CT成像参数: 高/低对比度分辨力, 空间(物与物)/密度(物与背景)分辨力等
  • X线治疗机的组成:
    • 医用直线电子加速器
      • 电子产生与加速系统: 电子枪, 加速器
      • 真空系统
      • 应用系统: 治疗头, 机架及治疗床, 监测控制系统, 恒温系统
    • 模拟定位机:
      • 机架界定器治疗床X线发生装置医用X线电视系统

ch.4

  • 核医学: 放射性核素(同位素)在医学中的应用(包括核射线的引用), 放射性同位素的衰变: α,β,γ\alpha, \beta, \gamma三种

  • 核医学诊断的基本原理: 选择合适的放射性同位素为示踪剂,并将其引入人体内,在体外利用射线探测装置,标记示踪剂在特定脏器一定时间内放射性强度的变化过程,获得特定脏器的放射性核素分布数据或图像来达到诊断

  • 放射性核素:

    • 同位素原子核自发放出粒子射线能量, 中子/质子数发生变化, 转变为另一种原子核

  • γ\gamma射线:

    • 概念: 电离能力弱于X, 穿透能力强于X, 正负电子对效应

  • γ\gamma相机:

    • 原理: 放射性显像剂发出γ\gamma射线, 经过准直器, 被NaI(TI)晶体转换为闪烁光, 通过光电倍增管和位置/能量电路转换为电信号
    • 功能: 获取分子级信息
    • 结构: 治疗床->准直器->闪烁晶体(NaI等)->光电倍增管->位置电路与能量电路->显示屏/计算机

  • SPECT:

    • 原理: γ\gamma相机的探头围绕受检对象呈360/180度旋转, 采集一系列平面投影像, 重建得各类影像
    • 结构: 探头, 机架, 主机, 计算机
    • 功能: 体外探测放射性核素发射的γ射线获得组织、器官整体或局部摄取显像剂的增加或减少以及随时间变化的规律，反映人体病理生理状态，分子信息

  • PET:

    • 原理: 正电子核素标记的显像剂经静脉注射进入人体，该核素因衰变产生的正电子在很短的距离内与组织中的负电子相互作用，生成两个方向相反、能量均为 511keV 的 γ 光子
    • 结构: 机架, 环形探测器, 检查床, 计算机工作站, 相比SPECT模拟准直换成了符合电路+电子准直, 闪烁体换为了锗酸铋(BGO)晶体等
    • 功能: 类似SPECT, 显示体内的生物代谢信息
    • TOF: 从只能定位到直线上变成了定位到点

  • SPECT与PET比较:

    • (怎么感觉SPECT没有什么明显的优势, 可能成熟成本低?)
    • PET: 成像更清晰准确, 用时(辐射暴露)更少(这里指功能成像), 但空间成像仍然不如CT, MRI等, 因此通常都强都用

  • 液闪仪:

    • 功能: 计算样品中 β 射线的放射性活度

    • 结构:

      (注: PMT即Photomultiplier Tube, 光电倍增管)

  • 粒子植入治疗:

    • 原理: 将低能辐射粒子植 入人体病变部位，实现杀死或抑制病变组织的目的，目前主要用于治疗肿瘤。
    • 流程: 获取患者影像资料/制定治疗方针->设定治疗计划->术前计算验证->手术->术后检查->计算实际分布->术后恢复或补救

  • 重粒子放疗:

    • 原理: 利用有一定质量的带电粒子射线来治疗恶性肿瘤. 布拉格峰
    • 类型: 重离子放疗, 质子放疗
    • 优势: 控制布拉格峰位置可以尽可能减少对正常组织的损伤
    • 结构:
      • 质子: 离子源->加速腔体->束流引出系统->真空系统->冷却系统->检测与控制系统
      • 重离子: 离子源发射器->直线加速器->同步回旋加速器->治疗室

  • 放射性探测器:

    • 原理: 利用放射线在介质中传播时引起的电离、激发效应或其他的物理、化学变化进行放射性探测的器件

ch.5

  • 腔镜基本概念: 腔镜的基本构造原理就是将可见光源借助人体自然生理通道进入体内，窥视器官结构内部的方法。
  • 腔镜的结构(胃镜为例): 操作部, 镜身, 弯角部, 端部, 导光缆及其他光源插头, 附件
  • 发展趋势: 无盲区, 更精细, 小型无创, 智能化

ch.7

(ch.6哪去了?)

循环系统辅助

  • 心传导系统: alt text
  • 心脏起搏器的原理: 电流脉冲刺激心肌细胞，使心脏收缩，维持全身血液循环
  • 心脏起搏器的基本组成: 脉冲发生器(电源->定时电路->脉冲发生电路), 导线, 电极
  • 同步型与非同步型: 前者可以由心脏实际搏动频率动态调整脉冲频率, 后者不行
  • R型与P型起搏器

    • R波抑制型心脏起搏器

    • P波同步心脏起搏器: 心房信号不能正确传导指心室时使用

  • 人工心脏: 一种人工机电装置，以暂时或永久地、部分或完全地替代心脏功能，维持血液循环
    • 结构: 血泵, 驱动装置, 监控系统, 电源供给
  • 呼吸机: 一种机电一体化的人工通气装置，主要功能是控制或辅助患者的自主呼吸(主要是外呼吸中的肺通气)，帮助实现肺内气体交换的过程。
    • 结构: 气源, 供气及驱动装置, 空氧混合气, 主机, 湿化加热装置, 呼吸气路
    • 麻醉机: 麻醉机是吸入全身麻醉以及呼吸管理的专用设备，其将麻醉气体与氧气混合后，输送给患者以完成麻醉过程。(其实是呼吸机的改版)
  • 人工心肺机: 又称为体外循环装置，主要用于心内直视手术时，暂时替代人体心脏和肺脏的功能，以维持患者的血液循环和供氧。
    • 结构: 主系统：静脉管路→静脉储血罐→血泵→变温器→氧合器→动脉滤器→动脉管路, 心肌保护系统：氧合器（氧合血）→停搏液泵（心脏停搏液）→停搏液变温器→心脏停搏液输送管路, 血液回收系统：血液回收管路→血液回收吸引泵→回收储血罐→静脉储血罐
  • 肾脏:
    • 结构: 太复杂了背不下
    • 功能: 代谢, 分泌, 调节
  • 人工肾: 又称血液透析疗法，是一种替代肾脏功能的装置，通过模拟肾小球的滤过功能，清除体内废物同时调节人体内水和电解质的平衡，从而达到血液净化的目的。
    • 原理: 血液通过半透膜与透析液进行溶质交换(弥散与超滤)(还有溶剂交换(超滤和渗透排出多余水分))的过程。
    • 血液透析系统的组成: 体外血液循环系统, 透析液供给系统, 透析器

听视觉辅助

  • 听觉系统:

    • 声波→外耳道→鼓膜振动→听小骨→卵圆膜→耳蜗内淋巴液→毛细胞静纤毛→听觉神经通路→听觉皮层

  • 助听器:

    • 结构: 麦克风、放大器、受话器、硅胶耳模或定制外壳、电池及音量调节旋钮等。
    • 工作原理: 就是一个音量放大器(声信号转电信号转声信号)

  • 人工耳蜗: alt text

    适用于听觉传导的声信号传导部分已经完全无法使用但神经传导尚可用的患者

  • 视觉系统: 传导通路:

    • 光学部分: 角膜 -> 瞳孔 -> 晶状体 -> 玻璃体 -> 视网膜
    • 神经部分: 视网膜 -> 视神经 -> 视交叉 -> 外膝体 -> 视皮层

  • 助视器: 和助听器一样, 本质就是放大镜(光学/电子/非光学)

  • 视网膜假体: 绕过光学传导部分直接对神经元施加电刺激, 其大体结构和人工耳蜗比较类似

生物电辅助

  • DBS(脑深部电刺激器, aka脑起搏器):

    • 在大脑中控制运动相关的神经核团附近植入电极，发放电刺激脉冲，调控异常的神经电活动，以达到减轻或控制症状的目的。
    • 基本结构: 刺激电极, 延伸导线, 脉冲发生器, 刺激控制器

  • 脊髓刺激器/膀胱刺激器: 植入于对应部位附近并通过电刺激调节异常神经反射的器械

  • 人工智能假肢: alt text

    敏感元件, 信息处理单元, 连杆结构, 直流马达, 步进电机

ch.8

  • 高频电治疗, 微波治疗:

    • 基本原理: 产生高频交流电对人体不同深度部位的组织定向加热
    • 产生方式: 高频电治疗机为高频电子管与LC电路构成高频震荡器, 短波电治疗机为线圈电磁场构成传导电流, 超短波为电容电极, 微波治疗机磁控管产生, 辐射器输出

  • 除颤仪:

    • 除颤仪的治疗原理是利用除颤器电路输出足够大的电流去电击及刺激心肌，使得瞬时所有的心肌细胞同时去极化，并且同时进入不应期，以此方法来改变颤动的心肌，从而达到恢复心脏同步收缩状态，即恢复心脏除颤的目的(强行复位), 室颤适用于非同步, 房颤使用同步

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      结构框图

  • 高频电刀:

    • 基本原理: 0.3~2.5Mhz, 高频电流通过人体产生热效应

    alt text 结构框图

    大功率高频震荡器, 微处理器, 调制器, 传感器, 电源电路

  • 体外反搏装置: 一种无创治疗设备，通过心电或脉搏波与主机的计算机控制单元去控制气阀的开闭，控制气囊压力的进气排气时间，促使改变体内血液循环。(主要加压人体下半身)

  • 激光:

    • 原理: 光的放大

    • 性质: 几乎不发散, 单一频率, 高相干性, 高功率

    • 作用: 压力效应, 光效应, 热效应

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  • 医用激光器的作用:

    • 眼科疾病治疗: 193nm的超紫外冷激光
    • 激光祛斑: 红宝石激光

  • 又新又好:

    • 影像引导治疗
      • 医疗影像可视化
    • 诊疗一体化

ch.9

  • 医院信息管理系统: 利用计算机软硬件技术与通信技术对你能想到的在医院里出现的各种要素进行综合管理, 对产生的数据进行各种操作(存储处理传输等)继而让医院更全面自动化管理服务的系统
  • 医学图像存储与传输系统: （ Picture Archiving and Communication System，PACS）是基于计算网络技术对医学影像采取数字化处理、存档与传输的系统
    • 组成: 影像采集系统, 影像存储系统, 影像工作站, 影像拷贝输出系统, 网络与通信系统