第一章医学信号检测基础

概述了医学信号与噪声的相关基础内容，包括定义、噪声的类型等；给出了医学信号检测系统的要求和特点；介绍了医学仪器的结构与分类。

●1.1课程概述

介绍本课程的教学内容；简述生物医学信号检测技术的概念，现代医学仪器对临床医学诊疗的重要作用。

●1.2生物医学信号与噪声

测量和检测，信号和噪声的一般含义，振幅和功率、信噪比的定义和计算，不同类型的噪声简介。

●1.3生物医学信息相关的基础知识

医学仪器用于检测和处理生物医学信号，分析、研究人体或生物体的结构与机能，可以将人体的各种信息提供给医生，为诊断和治疗提供依据。以人体为应用对象的各种医学仪器与人体系统特征密切相关。

●1.4医学仪器的一般结构和工作方式

医学仪器从功能上来说主要有信号检测和控制两大类。其结构一般由信号采集、信号处理、记录与显示、数据存储、数据传输、反馈和控制、刺激和激励等部分构成，检测系统一般还包括信号校准部分。

●1.5医学电子仪器的特性与分类

医学仪器的技术指标主要有准确度、精密度、输入阻抗、灵敏度、频率响应、信噪比、零点漂移、共模抑制比等。医学仪器可以从不同的角度进行分类，按用途可将医学仪器分为7大类。

●1.6生理系统的建模与仿真基础

生理系统建模是用数学形式表达系统各个层次的行为、参数及其关系的数学模型。建模是医学仪器设计的第一步，也是最为关键的一步。

●1.7医学仪器的设计原则与步骤

医学仪器设计通常按照确定的原理进行，也可以在生理系统的建模的基础上再进行后续设计。医学仪器设计受到许多因素影响，在设计时要遵循一些设计原则和设计步骤。

第二章常用的检测电路和技术

介绍医学信号检测中常用的检测技术和电路，包括信号转换电路、电压比较器、抗干扰技术、信号调制与解调技术、信号隔离技术等。

●2.1测量信号转换电路

生物医学传感器的输出是各种形式的电信号，如反映不同频率、相位、波形的电压/电流信号，或对应于被测量的电路参数（R、L或C等）的电信号。这些信号需要用到适当电路进行转换，以便进一步处理、输出或存储。本节介绍几种常用的测量信号转换电路。

●2.2电压比较器

在信号检测中，经常需要用电压比较器判断两电位信号的相对大小，用于后续的控制或显示。比较器输出只有两个电位，以门限电位作为基准，超过或低于门限电位时，比较器的输出电位即发生转换。单门限电压比较器抗干扰能力差，采用迟滞比较器则可以提高抗干扰能力。

●2.3抗干扰技术

大多生物医学信号是微弱信号，要求检测系统具有较高的灵敏度，这样又容易把生物体本身产生的噪声和测试电路引入的外部干扰带入到检测系统。消除和降低这些干扰信号对检测系统性能的影响，需要考虑多个方面。

●2.4信号调制与解调技术

在医学信号检测中，将检测的信号搭载于一个特定的高频信号上的信号变换过程，就是信号调制。特定的高频交变信号称为载波；需要利用载波传输的测量信号，称为调制信号；经过调制后生成的信号称为调制波（已调波）。在信号接收端，从高频信号中将被测量的信号恢复出来的过程就是解调。信号调制包括调幅、调频、简称调相等。

●2.5信号隔离级技术

信号隔离主要是指电气隔离。一个是信号通道隔离，通常通过集成隔离放大器来实现；另一个是电源隔离，通常通过DC-DC变换器。浮地，就是指信号在传递的过程中，利用光电耦合等或电磁耦合来实现信号的传递。

第三章医学信号处理技术

医学信号处理技术主要包括信号放大和滤波技术。医学信号都属于低频微弱信号，必须放大到所要求的强度，才能进行各种后续处理。还需要从带有多种信息的信号中选择和提取有用信号，这就需要用到信号滤波技术。

●3.1信号放大电路

运算放大器（简称运放）的特性可用输入特性、传输特性、输出特性来描述。除了常规的信号放大电路之外，医学信号检测中涉及到的放大器还包括T型放大器、电桥放大器、可编程增益放大器等，一般还会用到隔离放大器。

●3.2生物电放大器前置放大器

生物电放大器通过电极获取人体微弱的生物电信号，并对其进行幅度放大，同时消除环境和自身的其他干扰和噪声。生物电前置级放大器作为生物电放大器最重要的部分，对生物医学信号检测仪器的性能有重要影响。

●3.3信号滤波技术

医学信号中存在着各类干扰和噪声，信号滤波是消除干扰和噪声的最主要方法。要从由多种频率成分组成的医学信号中选择满足后续处理需要的频率成分，也需要用到多种多样的信号滤波技术。

第四章生物电测量仪器

人体存在着自然的生物电信号，这些电信号可以通过装置于体表的电极来提取。有多种监测设备，可以很容易地记录各种形式的生物电现象，包括心电图(ECG)、脑电图(EEG)、神经电图（ENG）、肌电图（EMG）和视网膜电图（ERG）。本章主要介绍现代临床实践中两种常用的记录生物电信号的设备。首先在细胞水平上介绍生物电现象；然后讨论简单的生物电信号源，以及在容积导体中及复杂解剖结构中的电位分布；在此基础上重点介绍了心电图的原理、导联，心电图机的结构、性能指标；详细分析一种数字心电图机的电路结构和控制系统；最后介绍脑电图的原理、导联，脑电图机与心电图机相区别的电路结构。

●4.1生物电位基础知识

本节学习生物电位的基础知识。兴奋通常是活组织在刺激作用下发生的一种可以传播的、伴有特殊电现象并能引起某种效应的反应过程。人体各种生物电信号的生理基础就是所谓的生物电位，生物电位分为静息电位和动作电位两种。研究各种组织器官活动过程中产生的电现象就能了解该组织器官活动的情况。人们根据这个思路研究了心电、脑电、肌电、眼电、胃电等各种生物电信号，并应用于疾病的诊断治疗。

●4.2生物医学电极

本节课学习生物医学电极。在进行生物电位测量或者给生物体施加电刺激时，电极是必不可少的器件。在实际测量生物电位或附加电刺激过程中，总要有一定的电流通过电极进入生物体和仪器回路。电流在生物体中是通过离子传导的，在医用电子仪器中是依靠电子传导的，而在电极和皮肤接触界面上，是将离子电流转换成为电子电流或将电子电流转换成为离子电流，从而使生物体和仪器构成回路。因此电极在整个系统中起着能量转换的作用。

●4.3心电图基础知识

本节学习心电图的基础知识。在正常人体内，由窦房结发出的一次兴奋，按一定的途径和时程，依次传向心房和心室，引起整个心脏的兴奋。因此，每一个心动周期中，心脏各部分兴奋过程中出现的生物电变化的方向、途径、次序和时间都有一定的规律。这种生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液反映到身体表面，使身体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的生物电变化，即为心电位。若把测量电极放置在人体表面的一定部位，记录出来的心脏电位变化曲线即为临床心电图。因此，心电图可反映出心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化。

●4.4心电图导联

本节学习心电图的导联。在人体体表记录心电图时，必须解决两个问题：一是电极的放置位置，二是电极与前置放大器的连接形式。临床上为了统一和便于比较所获得的心电图波形，对记录心电图时的电极位置，和电极与放大器的连接方式进行了严格的规定。记录心电图时，电极在人体体表的放置位置，以及电极与放大器的连接方式称为心电图的导联。

●4.5心电图机的结构

本节学习心电图机的模块结构。心电图机主要有模拟式心电图机和数字式心电图机，它们的基本结构基本相同，模拟信号通道完全相同。心电图机虽然种类和型号繁多，但其基本结构都由如下六大部分组成：输入部分、放大部分、记录部分、走纸部分、控制部分、电源部分。

●4.6心电图机的主要性能参数

本节学习心电图机的主要性能参数。心电图机的种类和型号虽然有很多，但是其技术指标基本相同，主要包括：输入阻抗、灵敏度、噪声和漂移、时间常数、线性、极化电压、阻尼、频率响应特性、共模抑制比、走纸速度、绝缘性能等。熟悉和学习这些指标，并理解其内涵，是设计、调试、使用、维修心电图机的基础。

●4.7心电图机中的前置心电放大器

本节学习心电图机的前置心电放大器。目前临床上已普遍使用数字式心电图机，本节及后面几节将以ECG-6951D型数字式心电图机为例介绍相关技术。该机主要由心电信号放大器、控制器、电源三大部分组成。心电信号放大器又由前置放大器和主放大器两大部分组成。由于采用热线阵打印和液晶显示、微处理器控制，因此没有模拟心电图机所需要的信号功率放大器部分。

●4.8心电图机的浮置放大器及控制电路

本节学习心电图机的浮置放大器及控制电路。心电图机电源采用交直流两用，并采用直流变换器，提供电路所需多种电压。前置放大器采用浮置电源供电，主放大器由直接接地电源供电。前置放大器浮置，可以提高抗干扰能力，还能起到安全保护作用。采用光电耦合方式，将心电信号转换成光强度变化，来传输心电信号，经隔离后的心电信号进入到接地的后级放大电路。

●4.9脑电图基础

本节学习脑电图基础。人的一切活动都是受中枢神经系统控制和支配的。在中枢神经系统中，有上行（感觉）神经通路和下行（运动）神经通路。依靠这两条传导通路，大脑不仅能接收周围事件的信息，而且能修改由环境刺激所引起的脊髓反射的反应。通过测定脑容积导体电场电位的变化，可以了解脑电的活动情况，进而了解脑的机能状态。临床上用双电极或单电极记录的方法在头皮上观察大脑皮层的电位变化，记录到的脑电波称为脑电图。目前脑电图不仅用于神经学学科，还应用于内科学、药理学、电生理学及运动医学等领域。

●4.10脑电图机的工作原理

本节主要学习脑电图机与心电图机的不同之处。脑电图机与心电图机的工作原理基本相同，都是将微弱的生物电信号通过电极拾取、放大器进行放大，然后通过记录器绘出图形。脑电图机的基本结构也由以下几部分组成：输入部分、脑电放大器、调节网络、控制部分、记录部分、传动走纸部分以及电源部分。但是，由于脑电信号与心电信号在波形、频率、幅度等性质上有较大的差异，检测部位及临床应用也不同，脑电图机在电路设计和性能参数上也有许多不同之处。

第五章血压测量

血液在血管内流动时，对单位面积血管壁的侧压力称为血压。血压通常指动脉血压或体循环血压，是重要的生命体征。血压测量是评估血压水平、诊断高血压及观察降压疗效的主要手段，准确地测量血压是基层开展高血压管理的基础。不同血压测量方法的有机结合是提高高血压诊断和管理效果的重要因素。本章将在介绍血压参数及测量的参考点的基础上，详细介绍血压测量的四种方法，包括：血压直接测量法、间接测量法、自动测量法和连续无创测量法。

●5.1血压测量概述

血压是反映血流动力学状态的最主要的指标之一。本节学习常用的血压参数：收缩压和舒张压、平均压、左心室压、右心室压、中心静脉压。通过测量心脏的不同房室和外围血管系统的血压值，有助于医生判断心血管系统的整体功能。

●5.2血压直接测量法：导管术

本节学习血压的直接测量法--导管术、血压测量误差的分析以及血压传感器的标定。血压直接测量的目的是高精度测定人体各部位的血压波和血压值，因此必须设法分析测压误差的来源，并采取相应的措施尽量排除或减少各类测压误差。

●5.3血压的间接测量

间接血压测量方法简单易行，使用方便；其缺点是精度较差，只限于对动脉压力的测量，一般只能测量收缩压、舒张压两个数据，而不能连续记录血压波形。本节主要学习三种间接式血压测量的方法：柯氏音法、超声法和测振法。

●5.4血压的自动测量

本节以一个无创血压测量模块为例，来学习血压自动测量的基本原理。无创血压测量模块可以用于成人、儿童以及新生儿的无创血压测量。在测量时，微处理器自动给袖带加压，利用测振法得到收缩压、舒张压、平均压和脉率。另外，本节还就血压自动测量的未来发展方向提出了一些建议。

●5.5血压的连续测量

连续无创血压测量，是在每一个心动周期内完成血压的测量，故又称逐拍无创血压测量。许多方法一直在探索中，尚待临床认可。本节简略介绍三种方法：动脉张力测量法、动脉容积钳制法、脉搏传递时间测量法。

第六章监护仪和中央监护系统

医用监护仪是一种对人体生命信息或某些生理参数进行实时和（或）反复连续监测，并具备报警、数据存储等功能的医疗设备。它可以实时监测患者的生命状态，并能做到在几小时甚至几百小时的时间段内连续监护患者的生理状况，了解患者生理参数的变化趋势。医用监护仪器在重症监护病房（ICU）中发挥了很大的作用。本章介绍现代医学监护仪及监护系统的结构及功能、关键组件与实现等内容，最后介绍血氧饱和度监测和呼吸监护等。

●6.1监护仪的结构及功能

本节学习监护仪的组成及功能。临床上使用的医用监护仪器多种多样，功能也各不相同，但是其组成结构大致相同，主要由4个部分组成：传感器、电缆与生命体征测量组件的连接接口，生命体征测量组件，测量组件与主机的连接接口，主机及系统。监护仪和普通的医学仪器系统的主要区别是被测参数较多，因而使用多个传感器，信号调理通道等。

●6.2监护仪的关键组件与实现

本节学习监护仪的关键组件与实现。生命体征测量组件是组成监护仪的核心部件，主要是由心电、呼吸、体温、无创血压、脉搏血氧、有创血压、心排量、呼吸末二氧化碳等测量部件组成。本节主要介绍其他章节未学习到的体温和心率测量。

●6.3中央监护系统

本节学习中央监护系统的基本组成和新技术的发展及应用。中央监护系统利用安置于床边的监护仪，借助有线网络或无线网络技术、中央处理器的丰富资源、可扩展的外部设备，以及监护系统应用软件共同构成中央监护系统，可以实现对多台床边监护仪全部信息的中央监护，海量监护数据的存储、传输、回放和再分析，同时还能对每台床边监护仪实现独立的控制。

●6.4无创血氧饱和度测量

本节学习无创血氧饱和度检测。人体血液中的氧含量是是反映呼吸循环功能的一个重要生理参数，是生命体征的重要参数之一。本节主要介绍了无创血氧饱和度测量的工作原理——分光光度测定原理，并详细讨论了无创脉博血氧饱和度的测量方法和数值计算方法。

●6.5呼吸监护

本节学习呼吸监护。主要介绍了常规的呼吸监护采用的基本原理——阻抗法原理，及其实现方案，主要包含硬件部分、软件部分和传感器部分。硬件部分完成载波信号发生、加载、检测、检波和低频放大以及数字化等；软件部分完成对硬件的控制、呼吸波形特征识别与参数计算，以及波形、计算参数数据的传输等；传感器部分共用了心电电极及连接电缆。

第七章心脏治疗仪器与高频电刀

电刺激器是一类重要的医学治疗类设备。心脏起搏器为心脏提供合适间隔的电刺激以替代心脏传导障碍造成兴奋的中断。除颤器在治疗心律失常、挽救心脏骤停病人生命方面发挥越来越重要的作用。高频电刀不仅可取代传统手术刀进行各种外科手术，而且明显地减少了出血，甚至不出血。本章详细介绍心脏起搏器与除颤器的作用、工作原理，典型电路分析；最后介绍除颤监护仪、高频电刀的基本原理和设计要求等。

●7.1电刺激治疗类仪器设计原理

电刺激器是一类重要的治疗类医学电子仪器。本节学习电刺激的方式与效应、电刺激的类型、电刺激与电兴奋的基本因素、电刺激产生的其它效应等内容。

●7.2心脏起搏器的简介和分类

心脏起搏器的脉冲发生器定时发放一定频率的脉冲电流，通过导线和电极传输到电极所接触的部位，使局部心肌细胞受到外来电刺激而产生兴奋，并通过细胞间的连接向周围心肌传导，导致整个心房或心室兴奋，进而产生收缩活动。本节学习心脏起搏器的几种常见的分类方法、并学习几种起搏器的工作原理。

●7.3心脏起搏器的工作原理

心脏起搏器的成功应用是医学治疗类设备最突出的成就。心脏起搏器的基本功能包括起搏、感知、输出抑制和触发起搏。本节学习固定式心脏起搏器工作原理和一种电子电路，并熟悉R 波抑制型心脏起搏器和DDD 型心脏起搏器的一般原理。

●7.4心脏起搏器的电极

人工心脏起搏系统主要包括两部分：脉冲发生器和电极导线。起搏器由电极输出电脉冲。电极导线是外有绝缘层包裹的导电金属线，其功能是将起搏器的电脉冲传递到心脏，并将心脏的腔内心电图传输到起搏器的感知线路。本节学习心脏起搏器的电极分类和基本结构。

●7.5心脏除颤器

心脏除颤器又称电复律机，它利用脉冲电流作用于心脏，实施电击治疗，消除心率失常，使心脏恢复窦性心律，具有疗效高、作用快、操作简便以及与药物相比较为安全等优点。除颤器主要由除颤充放电电路、心电信号放大、控制电路、心电图记录器、电源以及除颤电极板等组成。本节学习心脏除颤器的电极分类、主要性能指标、充放电基本原理和除颤波形设计等。

●7.6除颤监护仪

心脏除颤监护仪是集监护与治疗于一体的智能化设备，能持续监测心电信号，对威胁生命的心脏突发状况可立即给予治疗性电击。该过程可有效赢得抢救时机，显著提高存活率。心脏除颤监护仪主要由主机、除颤电极、心电导联线、起博电极等组成。本节学习全自动和半自动除颤监护仪的基本结构和工作原理。

●7.7高频电刀

临床所用的高频电刀是一种取代机械手术刀进行组织切割的电外科器械。它通过电极尖端产生的高频高压电流与机体接触时对组织进行加热，实现对机体组织的分离和凝固，从而达到切割和止血的目的。本节学习高频电刀的工作原理、工作模式，以及应用安全等。

第八章血流量与血容量测量

细胞中的氧和其他营养物质的浓度是内科医生想要获得的患者的基本数据之一。这些量通常是难以测量的，医生只能通过间接测量血流量和血容量的变化来推算，这些量与营养物质的浓度相关。如果血流量还是难以测量，医生还可以间接地测量血压，血压通常与血流量密切相关。如果血压也无法测量，医生只能测量心电图，心电图通常与血压密切相关。本章详细介绍血流量测量基础、有创测量方法、电磁流量计、超声流量计和体积描记器的工作原理、优缺点、设计原理等内容。

●8.1血流量与血容量测量简介

血流量又称血流的容积速度，是单位时间内流经血管某一截面的血量。血流量的大小与血管两端的压力差成正比，与血管对血流的阻力成反比。本节我们熟悉血流量与血容量的测量的概念、原理、要求等基本知识。

●8.2血流量有创测量方法

血流量有创测量也称为侵入式测量，通常通过将测量探头侵入机体直接与被测对象接触的方式，引导或传感有关生命体的生理和生化参数。有创测量方法主要用于手术过程中的测量或术后危重病人的监测，以及实验动物的科学研究。本节学习血流量有创测量方法中的Fick技术、染料--稀释法、热稀释法等测量方法。

●8.3电磁流量计测量法

电磁流量计不受温度、压力、粘度等外界因素的影响，可测量血液的瞬时脉动流量。与仅能测量平均流量的指示剂-稀释法相比，电磁流量计应用范围更广，适用于任何导电液体，如生理盐水或血液。本节通过学习电磁流量计的原理和功能，熟练掌握电磁流量计的测量方法、磁场类型、探头设计等内容。

●8.4多普勒超声流量计

多普勒超声流量计是利用多普勒频移物理原理，来实现血液的瞬时流量测量的。超声声束可穿过皮肤，从而实现经皮式测量。先进的超声流量计还可以测量流态，这些优点使超声流量计成为重点发展对象。本节学习多普勒超声流量计的测量方法、通过鉴相器实现方向检测等内容。

●8.5套筒式体积描记法

体积描记法是一种用来测定体内器官或肢体容积的方法。体积描记器用于测量容积变化。通过测定容积变化时间，可计算出流量。为了防止静脉血离开肢体，要使用套筒。本节介绍体积描记法的结构、功能，以及容积测量方法。

●8.6电阻抗体积描记法

当组织的体积随着脉搏而变化，或电阻率随着组织中空气增多而变化时，组织的阻抗就发生变化。本节介绍基于圆柱形肢体模型的测量原理、电阻抗体积描记法的电极、测量电路，以及电阻抗体积描记法的应用。

●8.7光学体积描记法

当动脉搏动充盈毛细血管床时，血管容积的变化会改变透过的光线的吸收、反射和散射。光学体积描记法使用简单，并能指示如心率等事件发生的时间。本节介绍光学体积描记法的光源、光传感器、测量电路，以及光学体积描记法的应用。

第九章呼吸系统测量

本章主要学习呼吸系统测量的相关内容。呼吸是指肺部血液和大气之间的气体交换过程。正常的呼吸功能是维持生命及机体的内外环境稳定的重要生理活动之一。呼吸功能障碍，将不同程度地影响病人的生命状况，增加死亡率。通过测量气体交换过程中相关的变量，医生能够评估呼吸系统，包括肺、气道和胸壁的功能状态，还能对呼吸系统功能进行干预。为重危病人行呼吸监测是判断其功能状况，防治并发症和推测预后的必要手段，对检查临床医疗及护理具有重要指导意义。

●9.1呼吸系统建模

在进行呼吸系统测量之前，应该了解呼吸系统的基本特征和建模方法。呼吸系统建模，不但要指定被测变量，而且要定义呼吸功能的特征参数，并设计试验来评估这些参数。呼吸功能分为两大类：肺部的气体运输，包括肺外气道和肺毛细血管；肺和胸壁的力学特性。

●9.2呼吸系统气体流量测量

在呼吸系统研究中，测量与气团运动的相关变量具有重要的意义。体积流量及其时间积分分别用于估算肺容量的变化率和肺容量的变化量。针对特定的应用，有多种测量仪器可供选用。常用的呼吸流量计可分为四类：旋转叶片式、超声式、热对流式和差压式等。

●9.3肺容量测量

肺容量是指肺容纳的气体量。在呼吸周期中，肺容量随着进出肺的气体量而变化，吸气时肺容量增大；呼气时减小。其变化幅度主要与呼吸深度有关，可用肺量计测定和描记。肺容量是基本肺容积中两项或两项以上的联合气量。本节介绍肺容量的常用指标和意义、肺容量变化检测方法，以及绝对肺容量检测。

●9.4呼气末二氧化碳测量

本节介绍二氧化碳监测的临床意义和二氧化碳监测仪的工作原理与测定方法。监测呼出气二氧化碳曲线，为麻醉、ICU、呼吸科患者，进行呼吸支持和管理提供了明确指标。二氧化碳分压监测可用来评价肺泡通气、整个气道及呼吸回路的通畅情况、通气功能、循环功能、肺血流及细微的重复吸入情况。

第十章医学仪器电气安全

随着医学电子仪器的数量和复杂性的不断增加，医院中电击事故也频频发生。20世纪70 年代就已经开始研究医用电子仪器电气安全问题，目前已经形成了一套完整的理论及实施方法。我国采用IEC的标准作为我国的医用电气设备安全标准。本章系统地介绍医用电子仪器安全的概念、电流生理作用、产生电击的原因及电击预防措施、医用电子仪器的接地和电气安全指标的检测，最后介绍医用电子仪器的电磁兼容性相关知识以及相关参数测试、安全标准，以便在医学仪器设计时提高它的安全性能。

●10.1医用电子仪器电气安全概述

本节介绍医疗仪器电气安全基础知识。对于医用电子仪器在临床上的应用而言，安全指的是应用过程中确保对患者和医护人员不造成危害，即保证人员的安全。广义的电气安全还应包括仪器本身的安全。

●10.2电击

本节介绍电击的基本概念、影响电击的因素和产生电击的因素。电击是指超过一定数值的电流流过人体而引起的各种电损伤，如心室纤颤、心肌收缩及皮肤烧伤等。电击可以分为两大类，一类称为宏电击，一类称为微电击。

●10.3预防电击的措施

防止电击的基本方法主要有两种，一是使病人与所有接地物体和所有电源绝缘；二是将病人所能接触到的导电部分表面都保持在同一电位。两种基本方法在大多数实际环境中都能实现，把两种方法结合起来，则实际情况更好。

●10.4医用电子仪器的接地

本节介绍医院接地系统的设计和实施。由于电源的负载接地方式不同，医院配电方式通常采用三种供电方式：分别保护接地方式、兼用方式、保护接地方式。医用电子仪器系统中的接地线分为两类：安全接地、工作接地。