生物医学电子学

第1章 概述1 1.1电子学在生命科学与医学中的作用1 1.2医学电子仪器的一般结构3 1.3医学电子仪器的设计5 1.4医学测量仪器中的噪声、干扰与误差7 1.4.1干扰及其抑制7 1.4.2电路噪声9 1.4.3人体内部的噪声与人机界面的噪声13 1.5医学测量电子仪器的整体设计15 1.6本课程的学习方法和要求16 思考题与习题16 第2章 传感器与接口电路18 2.1概述18 2.2热电阻的接口电路22 2.3电容传感器的接口电路24 2.3.1电容传感器桥式接口电路25 2.3.2电容传感器谐振式接口电路25 2.3.3电容传感器调频式接口电路26 2.3.4电容传感器运算式接口电路27 2.3.5电容传感器二极管双T型交流电桥接口电路28 2.3.6电容传感器脉冲宽度调制电路28 2.4电涡流式传感器的接口电路29 2.5电位器式传感器的接口电路32 2.6差动变压器式传感器的接口电路32 2.7压阻式压力传感器接口电路35 2.8压电晶体传感器的接口电路36 2.9光电二极管（光电池）的接口电路37 2.9.1工作原理38 2.9.2光电二极管的接口电路39 2.10电化学生物传感器40 2.10.1电位法电化学生物传感器（离子电极）接口电路41 2.10.2电流法电化学生物传感器接口电路43 2.11现代智能型传感器举例44 2.11.1摄氏温度集成传感器LM4545 2.11.2加速度传感器ADXL50和ADXL0548 2.11.3霍尔效应集成电路55 2.11.4集成化的光电传感器OTP10156 思考题与习题57 第3章 信号放大59 3.1概述59 3.1.1集成运算放大器的主要直流参数60 3.1.2集成运算放大器的主要交流参数65 3.2同相放大器68 3.3反相放大器70 3.4基本差动放大器71 3.5仪用放大器73 3.6可变增益放大器76 3.7隔离放大器77 思考题与习题80 第4章 信号滤波81 4.1引言81 4.2滤波器的主要特性指标83 4.3滤波器的传递函数与频率特性85 4.4有源滤波器的设计87 4.4.1滤波器的公式法设计88 4.4.2滤波器的归一化设计99 4.4.3滤波器的计算机辅助设计117 4.4.4滤波器的类比设计122 思考题与习题123 第5章 信号运算125 5.1引言125 5.2加减运算电路125 5.2.1加法运算电路126 5.2.2减法运算电路126 5.3对数与指数运算电路127 5.3.1对数运算电路127 5.3.2指数运算电路129 5.4乘除与乘方、开方运算电路130 5.4.1乘除运算电路131 5.4.2乘方和开方运算电路133 5.5微分与积分运算电路133 5.5.1积分运算电路133 5.5.2微分运算电路137 5.5.3 PID电路138 5.6特征值运算电路144 5.6.1采样/保持电路145 5.6.2绝对值运算电路148 5.6.3均值运算电路149 5.6.4峰值运算电路149 5.6.5有效值运算电路150 思考题与习题151 第6章 信号线性变换153 6.1概述153 6.2电压/电流变换器（VCC）和电流/电压变换器（CVC）154 6.2.1电压/电流变换器（VCC）154 6.2.2电流/电压变换器（CVC）157 6.3波形变换159 6.3.1三角波/正弦波的变换方法160 6.3.2三角波或正弦波/方波的变换方法160 6.3.3方波/三角波或正弦波的变换方法160 6.4电压/频率变换与频率/电压变换161 6.4.1电压/频率变换电路161 6.4.2频率/电压变换电路164 思考题与习题165 第7章号非线性处理168 7.1引言168 7.2电压比较器168 7.2.1比较器的输入电路169 7.2.2比较器的反馈电路170 7.2.3比较器的输出箝位172 7.3限幅放大器174 7.4死区电路176 思考题与习题177 第8章 模/数转换与数/模转换179 8.1引言179 8.2模/数转换器179 8.2.1并行比较型模/数转换器180 8.2.2逐次逼近比较型模/数转换器181 8.2.3积分型模/数转换器182 8.2.4压频变换型模/数转换器185 8.2.5流水线型模/数转换器185 8.2.6∑-Δ型模/数转换器186 8.2.7模/数转换器的选用190 8.3数/模转换（DAC）器192 8.3.1 DAC的原理192 8.3.2 DAC的主要性能197 8.3.3专用集成DAC器件简介199 思考题与习题199 第9章 信号显示202 9.1引言202 9.2 LED显示器202 9.2.1 LED显示器的工作原理与特点202 9.2.2 LED显示器的工作模式与接口电路203 9.3 LCD显示器207 9.3.1 LCD显示器的工作原理与特点207 9.3.2 LCD显示器的工作条件209 9.3.3 LCD显示器的静态显示模式210 9.3.4 LCD显示器的动态显示模式210 9.4 CRT显示技术211 9.4.1 CRT显示器的工作原理211 9.4.2 CRT字符显示器215 9.4.3数字存储示波器216 思考题与习题220 第10章 功率驱动221 10.1引言221 10.2普通晶闸管（单向可控硅）222 10.2.1工作原理222 10.2.2伏安特性223 10.3双向晶闸管（双向可控硅）224 10.3.1基本结构224 10.3.2伏安特性曲线224 10.3.3触发方式226 10.4晶闸管触发电路227 10.5全控型器件227 10.5.1电力晶体管GTR227 10.5.2电力场效应晶体管MOSFET228 10.5.3可关断晶闸管GTO230 10.6固态继电器231 10.6.1固态继电器分类231 10.6.2交流固态继电器的原理232 10.6.3直流固态继电器233 10.6.4参数固态继电器234 10.7功率控制电路236 10.7.1导电角控制236 10.7.2脉宽调制（PWM）控制电路247 10.7.3变频控制电路254 思考题与习题263 第11章 控制器件与控制电机264 11.1控制器件与控制电机的基础知识264 11.2接触器268 11.2.1接触器结构和工作原理268 11.2.2接触器的分类与型号270 11.2.3交流接触器的基本参数271 11.2.4交流接触器的应用举例272 11.3继电器273 11.3.1继电器的作用273 11.3.2继电器的结构与符号274 11.3.3继电器的分类276 11.3.4电磁继电器的主要特性参数278 11.3.5继电器的选用 278 11.3.6电磁继电器的驱动 279 11.4步进电机281 11.4.1步进电机基本结构和工作原理281 11.4.2步进电机的种类和基本参数283 11.4.3步进电机的特性284 11.4.4步进电机的驱动电路288 11.4.5步进电机的细分驱动技术294 思考题与习题298 第12章 信号遥传300 12.1概述300 12.2遥传中的基本调制原理301 12.2.1正弦波幅度调制及解调301 12.2.2正弦波角度调制及解调305 12.2.3脉冲调制及解调312 12.2.4脉冲编码调制（PCM）314 12.3多路复用技术318 12.3.1频分法多路复用技术319 12.3.2时分法多路复用技术320 12.4无线网络技术322 12.4.1无线网络技术的优越性322 12.4.2常用的几种无线网络技术322 12.4.3与有线网络技术的差异323 思考题与习题324 第13章 生物医学信号检测327 13.1引言327 13.2生物电测量电极331 13.2.1引导电极的种类331 13.2.2生物电极基本知识331 13.2.3电极的电性能与等效电路333 11.2.4微电极及其等效电路336 13.3心电信号检测与心电图机337 13.3.1心脏电传导系统和心电图337 13.3.2心电图机的结构和功能339 13.3.3标准导联系统341 13.3.4心电检测中的干扰及其对策343 13.4神经系统电信号检测与脑电图机350 13.4.1神经系统概述350 13.4.2神经系统的电活动350 13.4.3脑电图术 351 13.4.4脑电图机系统356 13.5生物电检测前置放大器的设计359 13.5.1生物电检测前置放大器的要求359 13.5.2生物电检测前置放大器的设计举例359 13.6集成生物电检测芯片——AFE362 13.6.1 ADAS1000系列心电AFE363 13.6.2用于脉搏血氧仪的集成模拟前端AFE4490383 思考题与习题390 第14章 电疗与电刺激仪器393 14.1基础知识393 14.2直流电疗与离子导入仪器394 14.2.1直流电疗的原理394 14.2.2直流电疗设备与治疗方法398 14.2.3直流电药物导入的原理399 14.2.4直流电药物导入设备401 14.3低频电疗仪器401 14.3.1治疗原理402 14.3.2低频电疗仪器举例411 14.4中频电疗仪器414 14.5高频与微波电疗仪器418 14.5.1高频与微波电疗原理418 14.5.2高频与微波电疗仪器举例422 14.6植入式电疗仪器425 14.6.1心脏起搏器425 14.6.2脑深部刺激器432 思考题与习题440 第15章 生物电检测仪器442 15.1引言442 15.212导高速心电图机446 15.2.1系统结构与硬件电路447 15.2.2数字心电信号处理454 15.2.3基于TMS320F2812的嵌入式软件458 15.3动态脑电地形图仪458 15.3.1动态脑电图记录盒460 15.3.2脑电前置放大器461 15.3.3接触阻抗检测电路462 15.3.4大容量存储CF卡的接口463 15.4肌电诱发电位测量仪463 15.4.1硬件设计464 15.4.2软件设计467 思考题与习题468 第16章医学图像仪器470 16.1 引言470 16.2 B型超声成像仪器470 16.2.1扫描原理471 16.2.2超声回波信号的处理方法474 16.2.3系统构成475 16.2.4 B型超声成像的分辨率477 16.2.5 B型超声成像仪器中的关键电路479 16.2.6超声成像仪器的发展487 16.3 X射线数字化成像与X-CT系统491 16.3.1 X射线数字化成像与X-CT的基本原理492 16.3.2数字X射线成像与X-CT系统及其关键电路499 16.3.3数字X射线成像与X-CT系统的发展504 16.4核磁共振成像系统505 16.4.1核磁共振成像的基本原理505 16.4.2核磁共振成像系统的构成与关键电路507 16.4.3核磁共振成像系统的发展512 思考题与习题513 第17章 医用电子仪器的电气安全与认证515 17.1概述515 17.2医疗仪器与设备的电气安全516 17.2.1电能的危害与电流的生理效应516 17.2.2国家标准9706简介521 17.2.3电击及其防止551 17.3安全新问题554 17.3.1婴儿培养箱554 17.3.2核磁共振成像系统中的椅子555 17.3.3 THERAC-25型治疗仪555 17.3.4谁谋杀了患者557 17.3.5维护与使用不当558 17.3.6手术台上的火光559 17.4医学仪器的监管与认证560 17.4.1医疗器械的分类与管理560 17.4.2医疗器械的注册561 17.4.3医疗器械的监管562 17.4.4医疗器械生产、经营和使用的审批562 思考题与习题564