医学电子仪器设计

前言

第1章医学电子仪器的特点1

1.1生物信号的基本特征1

1.2生物系统建模与仪器设计3

1.2.1系统建模与模型特点3

1.2.2建立生物系统模型的基本方法4

1.3医学电子仪器的基本构成7

1.3.1生物信号采集系统8

1.3.2生物信号处理和控制系统9

1.3.3生物医学信号的记录与显示系统9

1.3.4电源管理系统10

1.3.5辅助系统10

1.3.6医学仪器的工作方式11

1.4医学仪器的特性与分类11

1.4.1医学仪器的主要技术指标11

1.4.2医学仪器的特殊性15

1.4.3典型医学参数15

1.4.4医学仪器的分类16

1.5生物医学仪器的设计原则与步骤17

1.5.1医学电子仪器的设计原则17

1.5.2仪器的设计步骤18

第2章常用电子元器件21

2.1电阻器21

2.1.1电阻器的参数21

2.1.2阻抗元件标称值和允许偏差的标志法22

2.1.3电阻器的杂散参数和选用方法23

2.2电感器的结构与特点24

2.2.1电感器的作用24

2.2.2小型固定电感器24

2.2.3电感器的杂散参数24

2.3电容器25

2.3.1电容器的分类和作用25

2.3.2常用电容器的特点25

2.3.3电容器的杂散参数27

2.4显示、键盘及打印技术29

2.4.1发光二极管显示器29

2.4.2液晶显示器31

2.4.3有机发光显示器36

2.4.4显示器的控制38

2.4.5常用键盘类型39

2.4.6常用打印形式42

2.5微处理器44

2.5.1单片机的特点与功用44

2.5.2常用单片机类型及特点45

2.6常用器件的主要供应商47

2.7常用芯片资料的阅读方法48

第3章医学仪器常用电路49

3.1运算放大器的类型和技术参数49

3.1.1运算放大器的类型49

3.1.2运算放大器的参数50

3.1.3集成电路的元器件特性53

3.2信号放大电路54

3.2.1反相放大电路54

3.2.2同相放大器55

3.2.3基本差动放大电路56

3.2.4高共模抑制比放大电路60

3.2.5电桥电路64

3.2.6隔离放大器65

3.3滤波电路66

3.3.1滤波器的分类66

3.3.2滤波器的主要特性指标67

3.3.3RC有源滤波电路68

3.3.4几款常用的滤波器设计软件69

3.3.5有源滤波器集成电路69

3.4典型电源电路69

3.5生物电放大器前置级原理72

3.5.1高输入阻抗72

3.5.2高共模抑制比73

3.5.3低噪声、低漂移74

3.5.4设置保护电路74

3.6噪声特性分析75

3.6.1噪声与干扰的基本特性75

3.6.2运算放大电路中的噪声分析77

3.7抗干扰措施78

3.7.1串模干扰及其抑制78

3.7.2共模干扰及其抑制80

3.7.3模拟电路和数字电路的隔离81

3.7.4接地方法82

3.7.5软件的抗干扰技术83

3.7.6自激振荡现象与排除方法83

3.8便携式仪器的设计特点84

3.8.1选择CMOS工艺的元器件84

3.8.2单片机的低功耗设计85

3.8.3存储器的低功耗设计86

3.8.4电源的低功耗设计86

3.8.5使用液晶显示技术88

3.8.6表面安装技术89

3.8.7电路集成设计89

3.8.8减小体积尺寸90

第4章心电图机的设计91

4.1心电信号的产生和特点91

4.1.1心电信号的产生91

4.1.2心电信号的电信号特点93

4.1.3心电信号的常见噪声94

4.2心电图机的信号采集设计95

4.2.1心电图机需要实现的功能95

4.2.2心电图机的主要性能参数97

4.2.3电极与导联99

4.2.4信号放大电路104

4.3单片机控制系统109

4.3.1单片机型号的选择109

4.3.2按键控制与编程113

4.3.3液晶显示电路116

4.3.4打印机控制电路118

4.3.5电动机驱动控制119

4.4电源电路的设计120

4.4.1电源管理总体结构图120

4.4.2交流供电及电池充电电路120

4.4.3实地稳压供电电路与浮地隔离电路123

4.5单片机软件的结构123

4.5.1前后台程序结构123

4.5.2前后台程序的编写原则124

4.5.3任务实时性分析125

4.5.4心电图机中的程序结构126

4.5.5前后台程序结构的特点127

第5章脉搏血氧仪设计130

5.1脉搏血氧测量的意义130

5.2脉搏血氧法基本测量原理131

5.3脉搏血氧仪的硬件结构134

5.3.1总体设计方案与系统构成134

5.3.2光源及其驱动电路的设计136

5.3.3数据采集电路138

5.3.4显示器模块及其驱动电路设计140

5.3.5外接存储设备设计143

5.4基于MSP430的主控系统设计143

5.4.1MSP430的特点143

5.4.2单片机需要完成的任务和设计过程144

5.4.3系统软件设计146

5.5低功耗电源设计148

5.5.1电源芯片技术现状148

5.5.2锂电池充电管理设计149

5.6脉搏血氧仪的校正方法150

5.6.1脉搏血氧仪的标定方法150

5.6.2脉搏血氧仪的噪声分析151

第6章血压测量仪器设计153

6.1血压的监测意义153

6.2血压的直接测量方法153

6.3血压的间接测量方法155

6.3.1柯氏音法156

6.3.2测振法156

6.4电子血压计的电路设计157

6.4.1血压信号提取过程157

6.4.2传感器及模拟信号电路158

6.5单片机控制系统设计160

6.5.1单片机资源分析160

6.5.2单片机软件的工作流程163

6.5.3调整方法166

6.6动态血压监测167

6.6.1动态血压的测量意义和内容167

6.6.2仪器结构168

6.6.3单片机控制系统168

6.6.4单片机软件的工作流程169

6.6.5PCB设计171

6.6.6液晶显示控制171

6.6.7电源模块及其相关电路设计171

6.7影响动态血压监测的因素172

第7章半自动生化分析仪设计173

7.1生化分析仪概述173

7.1.1生化分析过程173

7.1.2生化分析仪的分类174

7.2生化分析测量原理174

7.2.1基本原理174

7.2.2信号采集方法175

7.2.3葡萄糖氧化酶法测量原理176

7.2.4生化分析仪总体结构177

7.3测量光路设计178

7.3.1光源选择178

7.3.2光电探测器179

7.3.3分光方法选择180

7.3.4光学系统设计181

7.4生化分析仪电路的设计182

7.4.1信号采集和处理模块182

7.4.2中央控制系统设计184

第8章多参数监护仪设计190

8.1监护仪概述190

8.1.1监护仪的意义和作用191

8.1.2监护仪的分类191

8.1.3监护仪的测量内容191

8.2信号采集硬件193

8.2.1监护仪的基本结构193

8.2.2多参数监护仪的参数测量方法193

8.3核心控制系统设计200

8.3.1芯片选择200

8.3.2系统硬件电路设计201

8.3.3系统软件设计204

8.4心率检测算法设计206

8.4.1R波检测技术206

8.4.2心律失常的判别209

8.5多参数监护仪的设计特点210

8.6动态心电监护仪设计211

8.6.1动态心电图设计需求211

8.6.2动态心电图设计原理211

8.6.3动态心电监护仪的特色设计212

第9章常规治疗仪器设计214

9.1除颤器214

9.1.1除颤器电路原理215

9.1.2除颤电极216

9.1.3同步除颤217

9.1.4自动除颤218

9.1.5除颤器的测试218

9.2电外科器械219

9.2.1电刀切割止血的机制220

9.2.2电极与工作方式221

9.2.3输出波形和发生器223

9.2.4电外科的拓展技术224

参考文献227

《医学电子仪器设计》首先介绍了医学电子仪器常用的元器件和电路，然后以设计任务为核心，逐级分解设计任务，选择解决方案，说明各部分模块的实现方法，结合不同类型的医学电子仪器说明了设计方法和流程。
　　本书既概括了医学电子仪器的通用设计方法（包括通用的流程、通用的元器件、通用的电路），又说明了不同类型仪器的设计特点，无论从设计思路还是实际内容上都有很强的指导和参考作用。本书还有重点地对现阶段技术条件下的模拟电路的核心（运算放大器）和数字电路的核心（单片机）进行非常详细的说明，对于如何设计高性能运算放大电路和以单片机为核心的控制电路重点加以阐述。本书介绍的内容都是公司研发中实际应用的，这就保证了本书技术的先进性。
　　本书可作为高等院校生物医学工程专业本科的专业课教材，也可供从事医学电子仪器设计、使用和维修的工程技术人员参考。