01 / 导读
导读
引用
Webster, J. G., & Nimunkar, A. J. (Eds.). (2020). Medical Instrumentation: Application and Design (5th ed.). John Wiley & Sons.
章节概要
第五版是一部多位作者合写的参考性教科书，共十四章和一个简短的附录，全书约850页。出版社介绍说，它阐述医院最常用的医疗仪器的原理、应用和设计，并十分强调设计，使电子学背景有限的科学工作者也能学会设计市面上可能没有的仪器。各章由专业领域的撰稿人写成，每章都以习题和参考文献结尾。出版社列出的新内容有：带代码的基于微控制器的仪器、带电路仿真的器件设计、心电图用干电极、睡眠呼吸暂停监测仪、输液泵系统、医学成像技术以及电气安全。
第1章：Basic Concepts of Medical Instrumentation（医疗仪器的基本概念）
由 Walter H. Olson 和 John G. Webster 撰写，是约90页的长章，搭建共同的框架。内容包括医学术语、广义的仪器系统（被测量、传感器、信号调理、显示）、工作模式、测量约束、干扰输入与补偿、生物统计学、静态与动态特性，然后是运算放大器与有源滤波器，最后讲商业开发流程和医疗器械监管。出版社公开的样章显示，本章中有15个例题，后面是习题和参考文献。
第2至3章：Basic Sensors and Principles（基本传感器与原理）；Microcontrollers in Medical Instrumentation（医疗仪器中的微控制器）
第2章（Robert A. Peura 和 Webster）概述位移、电阻式、电感式、电容式和压电式传感器，电桥电路，以及温度和光学测量。第3章由共同主编 Amit J. Nimunkar 撰写，介绍微控制器、以心电图为例的嵌入式医疗系统、微控制器的选型，以及基于物联网的医疗设备。
第4至6章：The Origin of Biopotentials（生物电位的起源）；Biopotential Electrodes（生物电位电极）；Biopotential Amplifiers（生物电位放大器）
这三章构成生物电位部分。第4章（John W. Clark, Jr.）讲可兴奋细胞的电活动，以及来自神经、肌肉、心脏、眼和脑的信号。第5章（Michael R. Neuman）讲电极与电解质界面、极化、体表电极、体内电极和微电极。第6章（Neuman）讲心电图机、干扰抑制、其他生物电位的放大器、心脏监护仪和生物遥测。
第7至9章：Blood Pressure and Sound（血压与声音）；Measurement of Flow and Volume of Blood（血流量与血容量的测量）；Measurements of the Respiratory System（呼吸系统的测量）
第7章（Peura）讲直接与间接血压测量、压力系统的动态特性、心音和心导管术。第8章（Webster）讲指示剂稀释法、电磁流量计、超声流量计和体积描记法。第9章（Frank P. Primiano, Jr.）讲呼吸系统建模，以及压力、气体流量、肺容积和气体浓度的测量。
第10至11章：Chemical Biosensors（化学生物传感器）；Clinical Laboratory Instrumentation（临床实验室仪器）
第10章（Peura）讲血气生理学、电化学传感器、光纤化学传感器、ISFET、无创血气监测、血糖传感器、电子鼻和芯片实验室。第11章（Lawrence A. Wheeler）讲分光光度法、自动化学分析仪、色谱学（目录中的用语）、电泳和血液学。
第12至13章：Medical Imaging Systems（医学成像系统）；Therapeutic and Prosthetic Devices（治疗与假体装置）
第12章（Melvin P. Siedband）从图像的信息量、调制传递函数和噪声讲起，然后是放射摄影、计算机放射摄影、CT、MRI、核医学、SPECT、PET 和超声检查。第13章（Neuman）讲起搏器、除颤器、机械性心血管装置、血液透析、碎石术、呼吸机、婴儿保育箱、药物输送、手术器械和激光。
第14章：Electrical Safety（电气安全）
Olson 撰写的结尾一章，讲电的生理效应、宏电击与微电击危险、规范与标准、保护性设计，以及电气系统和电器的测试。
核心概念
第1至3章：框架、传感器与控制器
- 广义仪器系统：从被测量经传感器、信号调理到显示的链条，以及可选的辅助单元。
- 静态与动态特性：灵敏度、漂移、线性和传递函数行为，决定了仪器能否跟上信号。
- 运算放大器电路：全书都要用到的放大器、滤波器及其局限。
- 嵌入式医疗系统：基于微控制器的设备及其选型。
第4至9章：生理测量
- 生物电位与电极：体内电信号的来源，以及记录它的界面。
- 压力系统的动态特性：导管—传感器系统如何塑造压力波形。
- 流量与容积方法：指示剂稀释、电磁、超声和体积描记技术。
- 呼吸测量：肺内的压力、流量和气体浓度。
第10至14章：化学、成像、治疗与安全
- 化学生物传感器：用于血气和血糖的电化学与光学传感器。
- 图像信息与成像方式：适用于放射摄影、CT、MRI、核医学和超声成像的图像质量指标。
- 治疗装置：起搏器、除颤器等作用于患者的装置。
- 宏电击与微电击：决定安全规范与保护性设计的两种电气危险。
评析
优点
- 设计贯穿全书。 出版社强调设计，目录也印证了这一点：第1章以开发流程和监管收尾，增加了微控制器一章，第14章从配电和设备设计两方面讨论保护。
- 专家撰稿。 生物电位、电极、流量、呼吸、化学和成像各章，均由在这些方面工作的作者执笔，包括 Clark、Neuman、Peura 和 Siedband 等。
- 练习材料丰富。 样章中有15个例题，每章以习题和参考文献收尾。出版社还提供含全部习题完整解答的习题解答手册和配套网页。
- 一卷涵盖广泛。 传感器、信号处理、心血管与呼吸测量、化学传感、成像、治疗和安全按连贯的顺序排列，适合用于概览各类主要医疗仪器的课程。
局限
- 起步较重。 第1章约90页，其中近40页（第40至77页）用于放大器和滤波器。出版社把本书定位为面向电子学背景有限的读者，但没有电路基础的学生可能会感到吃力。
- 篇幅与详略不一。 全书约850页，超出一学期的容量，而且作者众多，各章分量差别很大。例如医学成像用大约73页讲放射摄影、CT、MRI、核医学、超声检查等。
- 新话题篇幅简短。 基于物联网的医疗设备一节只有大约3页（第188至191页），想深入了解联网设备的读者需要其他资料。
- 未找到独立书评。 第五版已发表的书评不易找到，这里的评价依据的是出版社的介绍和目录。
在课程中的定位
在本课程书单中，Webster 和 Nimunkar 是综合性的工程教材。Barbara Christe 的 Introduction to Biomedical Instrumentation 是以设备维护与管理者的视角写成的、面向医院的较易入门的读物，可作为第一本书。Andrew Webb 的 Principles of Biomedical Instrumentation 从传感器到安全测试，逐步讲解仪器的设计，可作为本书前三章更为线性的替代读物。
Robert Northrop 的 Analysis and Application of Analog Electronic Circuits to Biomedical Instrumentation 更深入地讲模拟电子电路，尤其强调噪声，是第1章和第6章自然的后续读物。Togawa、Tamura 和 Öberg 的 Biomedical Sensors and Instruments 按被测量的量来组织，是上完第一门课之后阅读的参考书。Richard Cobbold 的 Transducers for Biomedical Measurements（1974年）是一部较早的、以传感器为重点的教材。
如何使用本书
本书适合生物医学工程的高年级本科生、研究生，以及转入医疗器械领域的工程师。它假定读者掌握电路分析和基础电子学，包括运算放大器；学过生理学入门和一些信号方面的知识，会使应用章节更容易读。
实用的阅读计划如下：
- 核心： 第1章（选读部分小节）、第2、4、5、6、7、14章，涵盖共同框架、传感器、生物电位链、压力测量和安全。
- 按侧重选读： 嵌入式设计读第3章；心血管与呼吸测量读第8、9章；化学传感与实验室仪器读第10、11章；成像读第12章；治疗装置读第13章。
- 略读或推后： 如果已经熟悉，可略过第1章的运算放大器部分；如果课程不涉及实验室仪器，可略过第11章。
要做例题和各章习题，有条件时使用习题解答手册或配套网站。结合实验同时阅读第14章，使安全从一开始就成为设计的一部分；规划设计项目时，可以把第1章关于开发流程和监管的部分当作检查清单。