Principles of Biomedical Instrumentation（生物医学仪器原理）

引用

Webb, A. G. (2018). Principles of Biomedical Instrumentation. Cambridge University Press.

章节概要

本书属于 Cambridge Texts in Biomedical Engineering 丛书，共九章，约320页；书末附有术语表，无线植入器械一章和安全一章各带一个附录，列出参考标准或政策文件。作者在莱顿大学医学中心主持一个高场磁共振成像中心。序言说明了本书的思路：市面上有数千种器械，能详细讨论的只是极少数，因此对每一种都用同一组问题去分析。需要什么样的临床测量，其背后是什么病理生理机制？信号的幅度、频率和带宽如何，必须抑制哪些干扰信号？器械应达到什么指标，又该如何设计来满足这些指标？其生物相容性和电气安全如何测试？另一条主线是移动医疗：器械在患者家中工作，并把数据无线传给医生；与之相伴的是信号处理能力、小型化和电池寿命之间的权衡。

第1章：生物医学仪器与器械

简要概述器械如何分类、设计如何从概念走向临床器械、器械如何受监管、适用哪些 ISO 和 IEC 安全标准及生物学测试，以及如何评估一种新器械。保罗·金在 IEEE Pulse 上的书评指出，本章给出了器械召回的统计数据，并介绍了失效模式与影响分析（FMEA）。

第2章：传感器与换能器

在介绍微机电系统（MEMS）及其噪声之后，本章讨论五类传感器，每类配一个器械实例：生物电位电极（电压）、脉搏血氧仪（光学）、位移与压力传感器（包括电阻式、压电式、电容式和电感式换能器，以一次性血压监测器为例）、血糖监测仪（化学）以及助听器麦克风（声学）。每个例子都先讲临床需求，再讲设计。

第3章：信号滤波与放大

内容包括伯德图、一阶和高阶无源滤波器、谐振电路、运算放大器和仪表放大器、有源滤波器（巴特沃斯、切比雪夫和萨伦–基）以及电路噪声。本章最后为第2章引入的脉搏血氧仪和血糖传感器设计信号调理电路。

第4章：数据采集与信号处理

讨论采样与混叠、动态范围与量化噪声、模数转换器的电路构件，以及主要的转换器架构（闪速型、逐次逼近型、流水线型和过采样型，含 Δ-Σ 转换）。为脉搏血氧仪和血糖仪选定了商用转换器的指标。最后一节对生物医学信号进行分类，介绍傅里叶变换、互相关和处理低信噪比数据的方法，并以心输出量测量和脑电为例。

第5章：心电图

先讲心脏的电活动、电极放置和十二导联配置，再讲心电图系统设计：共模信号及其抑制、导联脱落检测、滤波与采样。随后讨论自动诊断（格拉斯哥算法）、异常记录及其临床解读、用于检测心肌缺血的运动心电图，以及高频心电图分析。

第6章：脑电图

讨论大脑的突触后电位如何产生头皮信号、脑电电极和放大器，以及正常节律。临床应用包括癫痫和用双频指数监测麻醉深度。本章最后讨论用于交流和神经假体的脑机接口，以及源定位。

第7章：数字助听器

这是讲得最详细的器械章节：听觉系统和听力损失的原因、助听器的类型和部件、麦克风与指向性处理，以及一大节数字信号处理（反馈和噪声抑制、压缩、频率下移）。还涉及受话器、电池、无线和双耳连接，以及用 KEMAR 人体模型进行测试。

第8章：移动医疗、可穿戴健康技术与无线植入器械

先讲智能手机应用和可穿戴监测设备，然后讲无线植入器械的设计，包括数据如何穿过人体传输。实例有心血管植入式电子器械、连续血糖监测仪和用于青光眼的植入式压力传感器，最后讨论封装。附录列出了无线植入技术的相关标准。

第9章：生物医学仪器与器械的安全

讨论电流的生理效应、医院供电系统、宏电击、微电击和漏电流及其防护、设备的类别与类型，以及安全测试。随后讨论植入器械（细胞毒性和血液相容性等生物相容性测试、电磁安全、临床研究），最后讨论可在磁共振扫描仪中使用的器械设计。

核心概念

第1–4章：基本构件

• 器械分类与监管：监管机构和制造商使用的分类体系，以及从概念到临床器械的各个步骤。
• 换能器：把生理量转换为电信号的传感器，从电极到 MEMS 压力传感器。
• 仪表放大器与有源滤波器：放大微弱生物信号并抑制干扰的电路。
• ADC 架构：不同转换器设计在分辨率和采样率上的权衡。

第5–7章：器械章节

• 共模抑制：去除两个心电电极共有的干扰，是心电图系统设计的核心。
• 双频指数：由脑电导出、用于监测麻醉深度的指标。
• 助听器信号处理：在低功耗芯片上实现反馈消除、指向性、降噪和压缩。

第8–9章：无线器械与安全

• 无线植入器械：穿过人体向外部接收器发送数据的植入物。
• 宏电击与微电击：流经身体或直接流到心脏的危险电流，以及防止它们的设计措施。
• 生物相容性测试：植入材料必须通过的生物学测试。

评析

优点

• 对每种器械使用同一方法。 序言中那一串从临床需求到信号特征、指标、设计和安全的问题，是一种可以迁移到任何仪器上的学习方法。
• 贯穿各章的实例。 脉搏血氧仪从传感器（2.3节）、信号调理（3.6.1节）到模数转换（4.5.1节）被一路追踪，血糖传感器也是如此。金特别指出这一点非常有用，因为第2章出现的传感器会在后面的章节中再次出现。
• 现代器械。 关于数字助听器、移动医疗和无线植入器械的章节，以及最后讨论磁共振兼容设计的一节，体现了序言所说的向家庭监测和植入器械的转变。金认为本书简明、插图丰富，每章末尾都有参考文献和习题，并为教师提供题解手册。
• 超出正文的习题。 序言说明，第2–4章的习题检验电路分析能力，部分需要编写简短的程序；第5–9章的习题则要求学生调研书中没有讨论的器械，并研究器械失效的案例。

局限

• 覆盖面有选择性。 只有心电、脑电、助听器和少数植入器械得到深入讨论。金指出，放射学、临床化学分析仪等其他仪器都没有涉及；血压、血流和呼吸测量只作为传感器的例子出现。
• 没有实验部分。 金建议加入数据采集方面的动手实验练习会很有价值。
• 默认读者懂电路。 本书以大学二年级水平的电路和信号处理为前提，金建议在学第3章之前先修相关课程。没有这一基础的学生会觉得第3–4章进度很快。
• 篇幅精简。 金认为本书适合约两个学分的课程；更长的课程需要另一本教材。

在课程中的定位

克里斯蒂的 Introduction to Biomedical Instrumentation 从维护医院设备的人的角度，在方框图层面通俗地概述医院设备，适合没有电路基础的学生，或作为本书在临床方面的补充读物。Webb 则是电路层面和设计层面的入门书。韦伯斯特与尼蒙卡的 Medical Instrumentation: Application and Design 被 Webb 的序言称为该领域的经典教材，它涵盖同样的基本构件以及多得多的测量类型（血压与血流、呼吸、血液化学、治疗器械），是自然的下一本书；在较长的课程中也可以把它作为主教材，把 Webb 当作简明的入门读物。

若要深入某个环节：诺斯罗普的 Analysis and Application of Analog Electronic Circuits to Biomedical Instrumentation 在研究生层次上讨论第3章涉及的模拟电子电路，并着重于噪声；户川（Togawa）、田村和厄贝里的 Biomedical Sensors and Instruments 是按被测量组织的参考书，可以扩展第2章；科博尔德的 Transducers for Biomedical Measurements 则是一部早得多（1974年）的换能器原理论著。

如何使用本书

本书面向生物医学工程或电气工程专业二、三年级的本科生。序言假定读者具备二年级水平的电路和信号处理知识，不要求临床知识，但认为学过基础解剖学会有帮助。在读第3章之前修过电路基础课是必不可少的。

实用安排：

• 核心： 按顺序阅读第1–4章，并做电路习题。跨章节追踪脉搏血氧仪和血糖仪两个例子，为每个例子画出完整的信号链。
• 器械章节： 第5章（心电图）用到全部基本构件，是自然的第一个应用。然后根据课程从第6–8章中选择；想研究真实产品中的数字信号处理，就读第7章。
• 安全： 第9章不应跳过，可与第1章中的监管和安全内容一起阅读。

把第5–9章的开放式习题当作小型调研作业，并用韦伯斯特与尼蒙卡的书补充本书没有讨论的仪器。如果课程有实验，可以把第3章的放大和滤波电路与真实传感器结合起来搭建和测试。