现代医学电子仪器原理与设计课件.ppt

1、现代医学电子仪器原理现代医学电子仪器原理与设计与设计2022-10-4现代医学电子仪器原理与设计第三章第三章 信号处理信号处理基本要求基本要求差动放大电路分析方法差动放大电路分析方法差动放大应用电路差动放大应用电路前置级共模抑制能力的提高前置级共模抑制能力的提高第一节第一节 生物电放大器前置原理生物电放大器前置原理现代医学电子仪器原理与设计第三章第三章 信号处理信号处理1.基本要求基本要求(1)高输入阻抗高输入阻抗 理论上，源阻抗和电极阻抗都是频率的函理论上，源阻抗和电极阻抗都是频率的函数，并且随频率的增加成下降趋势。数，并且随频率的增加成下降趋势。(2)高共模抑制比高共模抑制比放大器的共模抑

2、制比的定义：放大器的共模抑制比的定义：共模抑制比共模抑制比(CMRR)是指差分放大器对同是指差分放大器对同时加到两个输入端上的共模信号的抑制能力。时加到两个输入端上的共模信号的抑制能力。现代医学电子仪器原理与设计第三章第三章 信号处理信号处理(3)低噪声、低漂移低噪声、低漂移措施：措施：（a）差动输入形式）差动输入形式（b）电路对称结构，严格挑选器件，抑制零）电路对称结构，严格挑选器件，抑制零 点漂移点漂移（c）采用调制式直流放大器）采用调制式直流放大器（d）设置）设置“复零复零”电路，将基线在特殊情况下电路，将基线在特殊情况下 复零复零(4)设置保护电路设置保护电路 包括包括人体安全保护电路

3、人体安全保护电路和和放大器输入保护放大器输入保护电路电路。现代医学电子仪器原理与设计第三章第三章 信号处理信号处理2.差动放大电路分析方法差动放大电路分析方法外回路电阻的匹配条件为：外回路电阻的匹配条件为：现代医学电子仪器原理与设计第三章第三章 信号处理信号处理理想闭环差模增益：此时，共模增益Ac1=0，所以放大器的共模增益上述理想状态能达到，影响因素有两个。上述理想状态能达到，影响因素有两个。现代医学电子仪器原理与设计第三章第三章 信号处理信号处理1.由电阻失配所造成的由电阻失配所造成的CMRRR 由外电路电阻失配限定的放大器的共模抑由外电路电阻失配限定的放大器的共模抑制比为：制比为：结论：

4、电阻失配造成的结论：电阻失配造成的CMRRR与电阻匹配误与电阻匹配误差差和放大器的闭环差模增益和放大器的闭环差模增益Ad有关。并且电有关。并且电阻匹配误差越小，闭环差模增益越大，放大阻匹配误差越小，闭环差模增益越大，放大器的共模抑制能力越大。器的共模抑制能力越大。现代医学电子仪器原理与设计第三章第三章 信号处理信号处理2.器件本身的共模抑制比器件本身的共模抑制比CMRRD定义：定义：CMRRD为放大器开环差动增益为放大器开环差动增益Ad与共与共模增益模增益Ac之比，即之比，即 共模输出电压共模输出电压uoc折合到放大器输入端的共折合到放大器输入端的共模误差电压，即模误差电压，即现代医学电子仪器

5、原理与设计第三章第三章 信号处理信号处理结论：共模输入电压因为转化成差模电压而形结论：共模输入电压因为转化成差模电压而形 成共模干扰电压。成共模干扰电压。原因：放大器的运算放大器件本身的共模抑制原因：放大器的运算放大器件本身的共模抑制 比不为无穷大。比不为无穷大。放大电路的总的共模增益为放大电路的总的共模增益为整个放大电路的总共模抑制比为现代医学电子仪器原理与设计第三章第三章 信号处理信号处理3.差动放大应用电路差动放大应用电路（一）同相并联结构的前置放大电路（一）同相并联结构的前置放大电路现代医学电子仪器原理与设计第三章第三章 信号处理信号处理第一级电压增益第一级电压增益结论：（结论：（1）

6、第一级的输出回路里不产生共模）第一级的输出回路里不产生共模电流，电路的共模抑制能力与外回路电阻是电流，电路的共模抑制能力与外回路电阻是否匹配完全无关。（否匹配完全无关。（2）并联结构的电路能方）并联结构的电路能方便地实现增益的调节。（便地实现增益的调节。（3）电路具有完全对）电路具有完全对称形式，有利于克服失调、漂移的影响。称形式，有利于克服失调、漂移的影响。现代医学电子仪器原理与设计第三章第三章 信号处理信号处理第一级输出端存在共模误差的输出电压：第一级输出端存在共模误差的输出电压：第一级电路的共模抑制比为第一级电路的共模抑制比为CMRR12现代医学电子仪器原理与设计第三章第三章 信号处理信

7、号处理两级放大电路的差动增益为则两级放大电路的总共模抑制比为则两级放大电路的总共模抑制比为现代医学电子仪器原理与设计第三章第三章 信号处理信号处理(二二)同相串联结构的前置放大电路同相串联结构的前置放大电路外电阻匹配为放大电路的差动闭环增益为现代医学电子仪器原理与设计第三章第三章 信号处理信号处理1.分析电阻失配的影响分析电阻失配的影响由于由于，并且，并且，得到，得到现代医学电子仪器原理与设计第三章第三章 信号处理信号处理2.器件本身共模抑制比的影响器件本身共模抑制比的影响A1的输出端形成的共模电压为的输出端形成的共模电压为A2的输出（即放大电路的共模输出）为的输出（即放大电路的共模输出）为现

8、代医学电子仪器原理与设计第三章第三章 信号处理信号处理放大器的总共模抑制比为放大器的总共模抑制比为 结论：同相串联结构的放大电路共模抑制结论：同相串联结构的放大电路共模抑制能力的提高，取决于所用的器能力的提高，取决于所用的器A1、A2本身的本身的共模抑制比是否相等，并且受外回路电阻的共模抑制比是否相等，并且受外回路电阻的匹配精度影响。匹配精度影响。现代医学电子仪器原理与设计第三章第三章 信号处理信号处理集成仪器放大器的技术参数主要包括以下几种：集成仪器放大器的技术参数主要包括以下几种：1.输入阻抗输入阻抗2.共模抑制比（共模抑制比（CMRR）3.偏置电流偏置电流4.输入失调电压输入失调电压5.

9、输入噪声输入噪声现代医学电子仪器原理与设计第三章第三章 信号处理信号处理4.前置级共模抑制能力的提高前置级共模抑制能力的提高（一）屏蔽驱动（一）屏蔽驱动（二）右腿驱动技术（二）右腿驱动技术现代医学电子仪器原理与设计第三章第三章 信号处理信号处理第二节第二节 隔离级设计隔离级设计隔离：隔离：第三节第三节 生理放大器滤波电路设计生理放大器滤波电路设计现代医学电子仪器原理与设计第三章第三章 信号处理信号处理常用的设计方法有常用的设计方法有公式法公式法、图表法图表法和和计算机计算机辅助设计法辅助设计法。计算机辅助设计法：计算机辅助设计法：滤波软件设计法和网络在线设计工具。滤波软件设计法和网络在线设计工

10、具。Microchip Technology Inc：FilterLabNational Semiconductor Corporation：WEBENCH Active Filter Designer现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀第一节第一节 电刺激治疗类仪器设计原理电刺激治疗类仪器设计原理 决定组织兴奋后能否接受下一个刺激而产决定组织兴奋后能否接受下一个刺激而产生兴奋的生兴奋的关键关键是是组织绝对不应期的长短组织绝对不应期的长短。现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀电刺激系统电刺激系统一、

11、刺激方式与效应一、刺激方式与效应(一一)电刺激的类型电刺激的类型现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀特点：特点：电刺激系统三部分都在体外，电极电刺激系统三部分都在体外，电极放在放在或要刺激的肌肉的或要刺激的肌肉的，也可放在也可放在。应用：应用：神经与肌肉的医疗康复。神经与肌肉的医疗康复。局限性：局限性：不能可靠的刺激皮肤下面的组织，不能可靠的刺激皮肤下面的组织，也不能刺激深层肌肉。也不能刺激深层肌肉。现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀特点：特点：电极置于体内，并靠近要刺激的部位。电极置于体内，并靠

12、近要刺激的部位。导联线穿过皮肤连接外部脉冲发生器。导联线穿过皮肤连接外部脉冲发生器。应用：应用：短期或长期的刺激需要，但不是短期或长期的刺激需要，但不是永久性的。永久性的。特点：特点：刺激器的三部分通过外科手术永久植刺激器的三部分通过外科手术永久植入人体，植入完成后皮肤完全缝合。植入部入人体，植入完成后皮肤完全缝合。植入部分和体外部分的联系是通过非接触进行的。分和体外部分的联系是通过非接触进行的。现代医学电子仪器原理与设计(二二)电刺激与电兴奋的基本因素电刺激与电兴奋的基本因素刺激波形刺激波形方波序列方波序列刺激序列参数刺激序列参数频率、幅度和脉宽频率、幅度和脉宽刺激频率尽可能小以防止肌肉疲劳

13、并节约刺刺激频率尽可能小以防止肌肉疲劳并节约刺激能量。激能量。决定刺激频率的主要因素是决定刺激频率的主要因素是肌肉的融合频率肌肉的融合频率，即可以即可以获得平滑肌响应的频率获得平滑肌响应的频率。(12Hz50Hz)保保持刺激脉冲的频率和脉宽不变，改变刺激脉冲持刺激脉冲的频率和脉宽不变，改变刺激脉冲的幅度的幅度第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀 1.1.强度阈强度阈若电刺激的作用时间一定，则刺激强度必须达若电刺激的作用时间一定，则刺激强度必须达到某一最低值，才能引起组织兴奋，此值称为到某一

14、最低值，才能引起组织兴奋，此值称为刺激强度的阈值刺激强度的阈值（简称强度阈）。（简称强度阈）。2.2.时间阈时间阈若刺激强度一定，能引起组织兴奋的最短刺激若刺激强度一定，能引起组织兴奋的最短刺激时间（脉冲宽度），即称为组织兴奋的时间（脉冲宽度），即称为组织兴奋的时间阈时间阈值值。现代医学电子仪器原理与设计3.3.强度强度-时间曲线时间曲线强度阈与时间阈之间存在强度阈与时间阈之间存在一定的关系，这种关系用一定的关系，这种关系用强度强度-时间曲线来表示，时间曲线来表示，如图如图7-47-4所示。所示。(1)(1)典线上的每一点代表一个阈刺激。典线上的每一点代表一个阈刺激。第七章第七章 心脏治疗仪器

15、与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀(三三)电刺激引起组织兴奋的原理电刺激引起组织兴奋的原理静息状态静息状态兴奋状态兴奋状态现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀(四四)电刺激的其他效应电刺激的其他效应现代医学电子仪器原理

16、与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀第二节第二节 心脏起搏器简介心脏起搏器简介人工心脏起搏过程：人工心脏起搏过程：脉冲电流脉冲电流心脏（起搏功能障碍、房室心脏（起搏功能障碍、房室传导障碍）传导障碍）按一定频率应激收缩。按一定频率应激收缩。心脏起搏器功能：心脏起搏器功能：产生电脉冲（一定强度、宽度）产生电脉冲（一定强度、宽度）导线、导线、电极电极心脏（心肌）。心脏（心肌）。心脏起搏系统结构：心脏起搏系统结构：心脏起博器心脏起博器(低频脉冲发生器及其控制电低频脉冲发生器及其控制电路路)、导线、刺激电极、电源。、导线、刺激电极、电源。现代医学电子仪器原理与设计 一、人工心

17、脏起搏器的作用一、人工心脏起搏器的作用1用于治疗：用于治疗：病症：病症：心律失常（高度或完全性房室传心律失常（高度或完全性房室传导阻滞、重度病态窦房结综合症等）导阻滞、重度病态窦房结综合症等）2用于诊断：用于诊断：心房调搏辅助诊断心房调搏辅助诊断冠心病。冠心病。心房超速起搏法诊断心房超速起搏法诊断窦房结功能不全。窦房结功能不全。预测完全性房室传导阻滞预测完全性房室传导阻滞是否将发生心是否将发生心脑综合症。脑综合症。第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀3用于研究：用于研究：心血管生理和病理以

18、及药理和临床应用心血管生理和病理以及药理和临床应用的实验研究。的实验研究。现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀(一一)心脏起搏器的分类心脏起搏器的分类 1按照起搏器与病人的关系分类按照起搏器与病人的关系分类 (1)感应式：感应式：原理：原理：体外起搏脉冲载波发射体外起搏脉冲载波发射体内接受器体内接受器(感应线圈感应线圈)解调解调(检波）检波）起搏脉冲起搏脉冲电极电极心脏。心脏。优点：优点：体内无电源，无电池使用寿命之忧。体内无电源，无电池使用寿命之忧。缺点：缺点：接受效果不佳，易受高频磁场干扰。接受效果不佳，易受高频磁场干扰。仅构成固定型起搏。仅

19、构成固定型起搏。应用：应用：已趋于淘汰。已趋于淘汰。现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀(2)经皮式经皮式(体外携带式体外携带式)：原理：原理：体外（按需或固定）起搏器体外（按需或固定）起搏器电极经电极经皮肤、静脉皮肤、静脉心脏。心脏。优点：优点：起搏频率、输出幅度、脉冲宽度、感起搏频率、输出幅度、脉冲宽度、感知灵敏度等均可调。知灵敏度等均可调。缺点：缺点：导线经过皮肤，易感染，携带不便，导线经过皮肤，易感染，携带不便，应用：应用：仅用于临时抢救，不宜永久佩带。仅用于临时抢救，不宜永久佩带。现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高

20、频电刀心脏治疗仪器与高频电刀原理：原理：埋植于皮下埋植于皮下(胸部或腹部胸部或腹部)，电极，电极静脉静脉心内膜或心肌表面。心内膜或心肌表面。适合：适合：永久起搏。目前使用大多属此类。永久起搏。目前使用大多属此类。缺点：缺点：电源使用寿命短等。电源使用寿命短等。（3）埋藏式：）埋藏式：2按照与心脏活动的按照与心脏活动的P波和波和R波的关系分类波的关系分类现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀(1)非同步型非同步型(固定型固定型)起搏脉冲与起搏脉冲与P波、波、R 波无关。波无关。(2)同步型起搏器同步型起搏器分为分为P波同步、波同步、R波同步。波同步。

21、3.按起搏电极分类按起搏电极分类(1)单极型：单极型：阴极阴极起搏导管起搏导管(或导线或导线)静脉或开胸静脉或开胸右心室右心室(或右心房或右心房)，阳极，阳极(无关电极无关电极)腹部腹部皮下皮下(体外起搏器体外起搏器)或置于胸部或置于胸部(埋藏式起搏器，埋藏式起搏器，外壳即阳极外壳即阳极)。现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀(2)双极型：双极型：阴极、阳极均与心脏接触阴极、阳极均与心脏接触(固定在心肌固定在心肌上上)；或阴极；或阴极心内膜，阳极心内膜，阳极心腔内。心腔内。（二）各类起搏器简介（二）各类起搏器简介 1.固定型起搏器固定型起搏器2R

22、波同步型起搏器波同步型起搏器（1）R波抑制型波抑制型(又称为按需型又称为按需型)（2）R波触发型波触发型(又称为备用型又称为备用型).现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀四、心脏起搏器的几个参数四、心脏起搏器的几个参数1起搏频率起搏频率2起搏脉冲幅度和宽度起搏脉冲幅度和宽度幅度幅度电压幅度；宽度电压幅度；宽度脉冲持续时间。脉冲持续时间。幅度宽度幅度宽度能量能量心搏所需能量（微焦心搏所需能量（微焦级）级）5V(0.51)ms现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀3感知灵敏度感知灵敏度R波同步型波同步型=

23、1.52.5mV。（。（R波波=515mV，路径损失剩下路径损失剩下23mV）P波同步型波同步型=0.81mV。（P波波=35mV，路，路径损失后更小）径损失后更小）合理选取：过低合理选取：过低不感知、感知不全；不感知、感知不全；过高过高误感知、干扰敏感。误感知、干扰敏感。现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀4反拗期反拗期 反拗期（反拗期（ni）：同步型起搏器对外信号不敏）：同步型起搏器对外信号不敏 感时间（感时间（=不应期）。不应期）。R波型：反拗期波型：反拗期=30050ms。防止。防止T波或起波或起搏脉冲后电位的误触发。搏脉冲后电位的误触发

24、。P波型：反拗期波型：反拗期=300500ms。防止窦性过。防止窦性过速、外界干扰的误触发。速、外界干扰的误触发。现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀第三节第三节 固定型和固定型和R波抑制型心脏起搏器波抑制型心脏起搏器多谐振荡器多谐振荡器单稳态单稳态射频输出射频输出现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀图图7-10 R波抑制型心脏起搏器的结构方框图波抑制型心脏起搏器的结构方框图现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀第四节第四节 心脏起搏器的能源和电极心脏起

25、搏器的能源和电极一、心脏起搏器的能源一、心脏起搏器的能源二、心脏起搏器的电极二、心脏起搏器的电极（一）导线（又称为起搏导管）和电极的作用（一）导线（又称为起搏导管）和电极的作用（二）电极类型（二）电极类型1依其安置及用途的不同分类依其安置及用途的不同分类 心内膜电极心内膜电极 心外膜电极心外膜电极 心肌电极心肌电极2按心内膜使用的电极分类按心内膜使用的电极分类 单极心内膜电极单极心内膜电极 双极心内膜电极双极心内膜电极 特殊电极特殊电极现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀第五节第五节 心脏除颤器心脏除颤器一、心脏除颤器的作用一、心脏除颤器的作用

26、临床上通常用临床上通常用药物药物和和电击除颤电击除颤两种方法来两种方法来治疗心律失常。治疗心律失常。(一一)颤动机制颤动机制现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀(二二)除颤机制除颤机制措施措施:是用强电击来使绝大多数心肌细胞同时去是用强电击来使绝大多数心肌细胞同时去极化，极化，压制快速兴奋波的产生压制快速兴奋波的产生。这样细胞可以。这样细胞可以重新极化，回到各自的相位。重新极化，回到各自的相位。注意：注意：(1)持续时间短的大电流会损伤心肌。持续时间短的大电流会损伤心肌。(2)过强和过长的电击可能导致迅速重新颤动，过强和过长的电击可能导致迅速重新

27、颤动，使得恢复心脏功能失败。使得恢复心脏功能失败。电击强度的依赖因素：电击强度的依赖因素：(1)病人的自身特点；病人的自身特点；(2)电极采用的技术；电极采用的技术；(3)是否正在进行特别的节律是否正在进行特别的节律失调治疗。失调治疗。现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀电流电流(A)负荷负荷(C)能量能量(J)电击强度电击强度电击时间电击时间 图图7.12(b)典型的电流、能量、电荷典型的电流、能量、电荷对时间的关系对时间的关系电流电流(A)时间时间图图7.12(a)电流强度电流强度时间曲线。时间曲线。现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心

28、脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀二、心脏除颤器的一般设计原理二、心脏除颤器的一般设计原理分类分类现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀三、心脏除颤器的类型三、心脏除颤器的类型四、心脏除颤器的主要性能指标四、心脏除颤器的主要性能指标现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀第六节第六节 典型心脏除颤器典型心脏除颤器现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀第七节第七节 高频电

29、刀高频电刀一、高频电刀的功能一、高频电刀的功能现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀二、高频电刀的设计原理二、高频电刀的设计原理图图7-24 高频电刀系统设计框图高频电刀系统设计框图射频射频振荡器振荡器调制器调制器功率功率放大放大输出输出电路电路电极电极函数函数发生器发生器模式模式选择选择控制控制电路电路手开关手开关脚开关脚开关电源电源现代医学电子仪器原理与设计第七章第七章 心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀电极电极双极双极单极单极三、高频电刀主要的工作模式三、高频电刀主要的工作模式四、高频电刀的波形设计四、高频电刀的波形设计现代医学电子仪器原理与设计2022-10-4现代医学电子仪器原理与设计