01 / 導讀
導讀
引用
Webster, J. G., & Nimunkar, A. J. (Eds.). (2020). Medical Instrumentation: Application and Design (5th ed.). John Wiley & Sons.
章節概要
第五版是一部多位作者合寫的參考性教科書，共十四章和一個簡短的附錄，全書約850頁。出版社介紹說，它闡述醫院最常用的醫療儀器的原理、應用和設計，並十分強調設計，使電子學背景有限的科學工作者也能學會設計市面上可能沒有的儀器。各章由專業領域的撰稿人寫成，每章都以習題和參考文獻結尾。出版社列出的新內容有：帶程式碼的基於微控制器的儀器、帶電路模擬的器件設計、心電圖用乾電極、睡眠呼吸暫停監測儀、輸液泵系統、醫學成像技術以及電氣安全。
第1章：Basic Concepts of Medical Instrumentation（醫療儀器的基本概念）
由 Walter H. Olson 和 John G. Webster 撰寫，是約90頁的長章，搭建共同的框架。內容包括醫學術語、廣義的儀器系統（被測量、感測器、訊號調理、顯示）、工作模式、測量約束、干擾輸入與補償、生物統計學、靜態與動態特性，然後是運算放大器與有源濾波器，最後講商業開發流程和醫療器械監管。出版社公開的樣章顯示，本章中有15個例題，後面是習題和參考文獻。
第2至3章：Basic Sensors and Principles（基本感測器與原理）；Microcontrollers in Medical Instrumentation（醫療儀器中的微控制器）
第2章（Robert A. Peura 和 Webster）概述位移、電阻式、電感式、電容式和壓電式感測器，電橋電路，以及溫度和光學測量。第3章由共同主編 Amit J. Nimunkar 撰寫，介紹微控制器、以心電圖為例的嵌入式醫療系統、微控制器的選型，以及基於物聯網的醫療裝置。
第4至6章：The Origin of Biopotentials（生物電位的起源）；Biopotential Electrodes（生物電位電極）；Biopotential Amplifiers（生物電位放大器）
這三章構成生物電位部分。第4章（John W. Clark, Jr.）講可興奮細胞的電活動，以及來自神經、肌肉、心臟、眼和腦的訊號。第5章（Michael R. Neuman）講電極與電解質介面、極化、體表電極、體內電極和微電極。第6章（Neuman）講心電圖機、干擾抑制、其他生物電位的放大器、心臟監護儀和生物遙測。
第7至9章：Blood Pressure and Sound（血壓與聲音）；Measurement of Flow and Volume of Blood（血流量與血容量的測量）；Measurements of the Respiratory System（呼吸系統的測量）
第7章（Peura）講直接與間接血壓測量、壓力系統的動態特性、心音和心導管術。第8章（Webster）講指示劑稀釋法、電磁流量計、超聲流量計和體積描記法。第9章（Frank P. Primiano, Jr.）講呼吸系統建模，以及壓力、氣體流量、肺容積和氣體濃度的測量。
第10至11章：Chemical Biosensors（化學生物感測器）；Clinical Laboratory Instrumentation（臨床實驗室儀器）
第10章（Peura）講血氣生理學、電化學感測器、光纖化學感測器、ISFET、無創血氣監測、血糖感測器、電子鼻和晶片實驗室。第11章（Lawrence A. Wheeler）講分光光度法、自動化學分析儀、色譜學（目錄中的用語）、電泳和血液學。
第12至13章：Medical Imaging Systems（醫學成像系統）；Therapeutic and Prosthetic Devices（治療與假體裝置）
第12章（Melvin P. Siedband）從影像的資訊量、調變傳遞函式和噪聲講起，然後是放射攝影、計算機放射攝影、CT、MRI、核醫學、SPECT、PET 和超聲檢查。第13章（Neuman）講起搏器、除顫器、機械性心血管裝置、血液透析、碎石術、呼吸機、嬰兒保育箱、藥物輸送、手術器械和雷射。
第14章：Electrical Safety（電氣安全）
Olson 撰寫的結尾一章，講電的生理效應、宏電擊與微電擊危險、規範與標準、保護性設計，以及電氣系統和電器的測試。
核心概念
第1至3章：框架、感測器與控制器
- 廣義儀器系統：從被測量經感測器、訊號調理到顯示的鏈條，以及可選的輔助單元。
- 靜態與動態特性：靈敏度、漂移、線性和傳遞函式行為，決定了儀器能否跟上訊號。
- 運算放大器電路：全書都要用到的放大器、濾波器及其侷限。
- 嵌入式醫療系統：基於微控制器的裝置及其選型。
第4至9章：生理測量
- 生物電位與電極：體內電訊號的來源，以及記錄它的介面。
- 壓力系統的動態特性：導管—感測器系統如何塑造壓力波形。
- 流量與容積方法：指示劑稀釋、電磁、超聲和體積描記技術。
- 呼吸測量：肺內的壓力、流量和氣體濃度。
第10至14章：化學、成像、治療與安全
- 化學生物感測器：用於血氣和血糖的電化學與光學感測器。
- 影像資訊與成像方式：適用於放射攝影、CT、MRI、核醫學和超聲成像的影像質量指標。
- 治療裝置：起搏器、除顫器等作用於患者的裝置。
- 宏電擊與微電擊：決定安全規範與保護性設計的兩種電氣危險。
評析
優點
- 設計貫穿全書。 出版社強調設計，目錄也印證了這一點：第1章以開發流程和監管收尾，增加了微控制器一章，第14章從配電和裝置設計兩方面討論保護。
- 專家撰稿。 生物電位、電極、流量、呼吸、化學和成像各章，均由在這些方面工作的作者執筆，包括 Clark、Neuman、Peura 和 Siedband 等。
- 練習材料豐富。 樣章中有15個例題，每章以習題和參考文獻收尾。出版社還提供含全部習題完整解答的習題解答手冊和配套網頁。
- 一卷涵蓋廣泛。 感測器、訊號處理、心血管與呼吸測量、化學感測、成像、治療和安全按連貫的順序排列，適合用於概覽各類主要醫療儀器的課程。
侷限
- 起步較重。 第1章約90頁，其中近40頁（第40至77頁）用於放大器和濾波器。出版社把本書定位為面向電子學背景有限的讀者，但沒有電路基礎的學生可能會感到吃力。
- 篇幅與詳略不一。 全書約850頁，超出一學期的容量，而且作者眾多，各章分量差別很大。例如醫學成像用大約73頁講放射攝影、CT、MRI、核醫學、超聲檢查等。
- 新話題篇幅簡短。 基於物聯網的醫療裝置一節只有大約3頁（第188至191頁），想深入瞭解聯網裝置的讀者需要其他資料。
- 未找到獨立書評。 第五版已發表的書評不易找到，這裡的評價依據的是出版社的介紹和目錄。
在課程中的定位
在本課程書單中，Webster 和 Nimunkar 是綜合性的工程教材。Barbara Christe 的 Introduction to Biomedical Instrumentation 是以裝置維護與管理者的視角寫成的、面向醫院的較易入門的讀物，可作為第一本書。Andrew Webb 的 Principles of Biomedical Instrumentation 從感測器到安全測試，逐步講解儀器的設計，可作為本書前三章更為線性的替代讀物。
Robert Northrop 的 Analysis and Application of Analog Electronic Circuits to Biomedical Instrumentation 更深入地講類比電子電路，尤其強調噪聲，是第1章和第6章自然的後續讀物。Togawa、Tamura 和 Öberg 的 Biomedical Sensors and Instruments 按被測量的量來組織，是上完第一門課之後閱讀的參考書。Richard Cobbold 的 Transducers for Biomedical Measurements（1974年）是一部較早的、以感測器為重點的教材。
如何使用本書
本書適合生物醫學工程的高年級本科生、研究生，以及轉入醫療器械領域的工程師。它假定讀者掌握電路分析和基礎電子學，包括運算放大器；學過生理學入門和一些訊號方面的知識，會使應用章節更容易讀。
實用的閱讀計劃如下：
- 核心： 第1章（選讀部分小節）、第2、4、5、6、7、14章，涵蓋共同框架、感測器、生物電位鏈、壓力測量和安全。
- 按側重選讀： 嵌入式設計讀第3章；心血管與呼吸測量讀第8、9章；化學感測與實驗室儀器讀第10、11章；成像讀第12章；治療裝置讀第13章。
- 略讀或推後： 如果已經熟悉，可略過第1章的運算放大器部分；如果課程不涉及實驗室儀器，可略過第11章。
要做例題和各章習題，有條件時使用習題解答手冊或配套網站。結合實驗同時閱讀第14章，使安全從一開始就成為設計的一部分；規劃設計專案時，可以把第1章關於開發流程和監管的部分當作檢查清單。