01 / 導讀
導讀
引用
Webb, A. G. (2018). Principles of Biomedical Instrumentation. Cambridge University Press.
章節概要
本書屬於 Cambridge Texts in Biomedical Engineering 叢書，共九章，約320頁；書末附有術語表，無線植入器材一章和安全一章各帶一個附錄，列出參考標準或政策文件。作者在萊頓大學醫學中心主持一個高場磁共振成像中心。序言說明了本書的思路：市面上有數千種器材，能詳細討論的只是極少數，因此對每一種都用同一組問題去分析。需要什麼樣的臨床測量，其背後是什麼病理生理機制？訊號的幅度、頻率和帶寬如何，必須抑制哪些干擾訊號？器材應達到什麼指標，又該如何設計來滿足這些指標？其生物相容性和電氣安全如何測試？另一條主線是移動醫療：器材在患者家中工作，並把資料無線傳給醫生；與之相伴的是訊號處理能力、小型化和電池壽命之間的權衡。
第1章：生物醫學儀器與器材
簡要概述器材如何分類、設計如何從概念走向臨床器材、器材如何受監管、適用哪些 ISO 和 IEC 安全標準及生物學測試，以及如何評估一種新器材。保羅·金在 IEEE Pulse 上的書評指出，本章給出了器材召回的統計資料，並介紹了失效模式與影響分析（FMEA）。
第2章：感測器與換能器
在介紹微機電系統（MEMS）及其噪聲之後，本章討論五類感測器，每類配一個器材實例：生物電位電極（電壓）、脈搏血氧儀（光學）、位移與壓力感測器（包括電阻式、壓電式、電容式和電感式換能器，以一次性血壓監測器為例）、血糖監測儀（化學）以及助聽器麥克風（聲學）。每個例子都先講臨床需求，再講設計。
第3章：訊號濾波與放大
內容包括伯德圖、一階和高階無源濾波器、諧振電路、運算放大器和儀表放大器、主動式濾波器（巴特沃斯、切比雪夫和薩倫–基）以及電路噪聲。本章最後為第2章引入的脈搏血氧儀和血糖感測器設計訊號調理電路。
第4章：資料採集與訊號處理
討論採樣與混疊、動態範圍與量化噪聲、類比數位轉換器的電路構件，以及主要的轉換器架構（閃速型、逐次逼近型、流水線型和過採樣型，含 Δ-Σ 轉換）。為脈搏血氧儀和血糖儀選定了商用轉換器的指標。最後一節對生物醫學訊號進行分類，介紹傅里葉變換、互相關和處理低信噪比資料的方法，並以心輸出量測量和腦電為例。
第5章：心電圖
先講心臟的電活動、電極放置和十二導聯配置，再講心電圖系統設計：共模訊號及其抑制、導聯脫落檢測、濾波與採樣。隨後討論自動診斷（格拉斯哥算法）、異常記錄及其臨床解讀、用於檢測心肌缺血的運動心電圖，以及高頻心電圖分析。
第6章：腦電圖
討論大腦的突觸後電位如何產生頭皮訊號、腦電電極和放大器，以及正常節律。臨床應用包括癲癇和用雙頻指數監測麻醉深度。本章最後討論用於交流和神經假體的腦機接口，以及源定位。
第7章：數位助聽器
這是講得最詳細的器材章節：聽覺系統和聽力損失的原因、助聽器的類型和部件、麥克風與指向性處理，以及一大節數位訊號處理（反饋和噪聲抑制、壓縮、頻率下移）。還涉及受話器、電池、無線和雙耳連接，以及用 KEMAR 人體模型進行測試。
第8章：移動醫療、可穿戴健康技術與無線植入器材
先講智慧型手機應用和可穿戴監測設備，然後講無線植入器材的設計，包括資料如何穿過人體傳輸。實例有心血管植入式電子器材、連續血糖監測儀和用於青光眼的植入式壓力感測器，最後討論封裝。附錄列出了無線植入技術的相關標準。
第9章：生物醫學儀器與器材的安全
討論電流的生理效應、醫院供電系統、宏電擊、微電擊和漏電流及其防護、設備的類別與類型，以及安全測試。隨後討論植入器材（細胞毒性和血液相容性等生物相容性測試、電磁安全、臨床研究），最後討論可在磁共振掃描儀中使用的器材設計。
核心概念
第1–4章：基本構件
- 器材分類與監管：監管機構和製造商使用的分類體系，以及從概念到臨床器材的各個步驟。
- 換能器：把生理量轉換為電訊號的感測器，從電極到 MEMS 壓力感測器。
- 儀表放大器與主動式濾波器：放大微弱生物訊號並抑制干擾的電路。
- ADC 架構：不同轉換器設計在分辨率和採樣率上的權衡。
第5–7章：器材章節
- 共模抑制：去除兩個心電電極共有的干擾，是心電圖系統設計的核心。
- 雙頻指數：由腦電導出、用於監測麻醉深度的指標。
- 助聽器訊號處理：在低功耗晶片上實現反饋消除、指向性、降噪和壓縮。
第8–9章：無線器材與安全
- 無線植入器材：穿過人體向外部接收器發送資料的植入物。
- 宏電擊與微電擊：流經身體或直接流到心臟的危險電流，以及防止它們的設計措施。
- 生物相容性測試：植入材料必須通過的生物學測試。
評析
優點
- 對每種器材使用同一方法。 序言中那一串從臨床需求到訊號特徵、指標、設計和安全的問題，是一種可以遷移到任何儀器上的學習方法。
- 貫穿各章的實例。 脈搏血氧儀從感測器（2.3節）、訊號調理（3.6.1節）到類比數位轉換（4.5.1節）被一路追蹤，血糖感測器也是如此。金特別指出這一點非常有用，因為第2章出現的感測器會在後面的章節中再次出現。
- 現代器材。 關於數位助聽器、移動醫療和無線植入器材的章節，以及最後討論磁共振兼容設計的一節，體現了序言所說的向家庭監測和植入器材的轉變。金認為本書簡明、插圖豐富，每章末尾都有參考文獻和習題，併為教師提供題解手冊。
- 超出正文的習題。 序言說明，第2–4章的習題檢驗電路分析能力，部分需要編寫簡短的程式；第5–9章的習題則要求學生調研書中沒有討論的器材，並研究器材失效的案例。
局限
- 覆蓋面有選擇性。 只有心電、腦電、助聽器和少數植入器材得到深入討論。金指出，放射學、臨床化學分析儀等其他儀器都沒有涉及；血壓、血流和呼吸測量只作為感測器的例子出現。
- 沒有實驗部分。 金建議加入資料採集方面的動手實驗練習會很有價值。
- 預設讀者懂電路。 本書以大學二年級水平的電路和訊號處理為前提，金建議在學第3章之前先修相關課程。沒有這一基礎的學生會覺得第3–4章進度很快。
- 篇幅精簡。 金認為本書適合約兩個學分的課程；更長的課程需要另一本教材。
在課程中的定位
克里斯蒂的 Introduction to Biomedical Instrumentation 從維護醫院設備的人的角度，在方框圖層面通俗地概述醫院設備，適合沒有電路基礎的學生，或作為本書在臨床方面的補充讀物。Webb 則是電路層面和設計層面的入門書。韋伯斯特與尼蒙卡的 Medical Instrumentation: Application and Design 被 Webb 的序言稱為該領域的經典教材，它涵蓋同樣的基本構件以及多得多的測量類型（血壓與血流、呼吸、血液化學、治療器材），是自然的下一本書；在較長的課程中也可以把它作為主教材，把 Webb 當作簡明的入門讀物。
若要深入某個環節：諾斯羅普的 Analysis and Application of Analog Electronic Circuits to Biomedical Instrumentation 在研究生層次上討論第3章涉及的模擬電子電路，並著重於噪聲；戶川（Togawa）、田村和厄貝里的 Biomedical Sensors and Instruments 是按被測量組織的參考書，可以擴展第2章；科博爾德的 Transducers for Biomedical Measurements 則是一部早得多（1974年）的換能器原理論著。
如何使用本書
本書面向生物醫學工程或電氣工程專業二、三年級的大學部學生。序言假定讀者具備二年級水平的電路和訊號處理知識，不要求臨床知識，但認為學過基礎解剖學會有幫助。在讀第3章之前修過電路基礎課是必不可少的。
實用安排：
- 核心： 按順序閱讀第1–4章，並做電路習題。跨章節追蹤脈搏血氧儀和血糖儀兩個例子，為每個例子畫出完整的訊號鏈。
- 器材章節： 第5章（心電圖）用到全部基本構件，是自然的第一個應用。然後根據課程從第6–8章中選擇；想研究真實產品中的數位訊號處理，就讀第7章。
- 安全： 第9章不應跳過，可與第1章中的監管和安全內容一起閱讀。
把第5–9章的開放式習題當作小型調研作業，並用韋伯斯特與尼蒙卡的書補充本書沒有討論的儀器。如果課程有實驗，可以把第3章的放大和濾波電路與真實感測器結合起來搭建和測試。