医用工学概論
Medical Engineering （ME）

講義HP
chtgkato.com
令和６年度は、スライドを見て、自習して下さい。

３年前期の医用工学概論実習と合わせ、医療の現場で使用されている医用機器を正しく安全に使用するために必要な医用工学（ME）の基礎知識を習得する。

授業日後１週間以内に出席票をメ ルで送っ出席票をメールで送って下さい。

臨床検査技師国家試験 医用工学分野対策
第２種ＭＥ実力検定試験対策
臨床工学技士対策（６年前まで検査専攻の講義にあった医療情報科学のスライドも国試対策に有効です。
国試やME２種試験勉強に利用して下さい。）

第２種ＭＥ技術実力検定試験

就職（特に企業）に有利な資格
社団法人日本生体医工学会 （旧 日本エム・イー学会）

http://megijutu.jp/
この試験は「ＭＥ機器・システムの安全管理を中心とした医用生体工学に関する知識をもち、適切な指導のもとで、それを実際に医療に応用しうる資質」を検定するものです。

医療現場では、臨床検査技師の資格を持った臨床工学技士を求めている。目指せdouble licence
臨床検査技師として数年働いた後に、１年間、東京で学生気分に戻るのも良いでしょう。臨床工学技士
は就職先に困らない。（北大、東大、東北大など）

本試験は以下の方々にお勧めいたします。
１）医師・看護師・臨床工学技士・臨床検査技師等の医療従事者
２）企業における開発・製造・販売・修理等の担当者
３）各種ＭＥ関連学校の学生（特に臨床工学技士を目指す学生諸君の実力を検定する上で役立つものです。）
合格者は日本生体医工学会より合格証明書が交付され、「第２種ＭＥ技術者」の呼称が使用できます。
また、第１種ＭＥ技術実力検定試験の受験資格が得られます。

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医療現場では、臨床工学技士が不足している。

http://www.jaefcet.org/school.html

臨床工学専攻科一年制は、看護師、臨床検査技師、診療放射線技師などの医療資格を持つ人を対象にした学科。
北里大、日本工学院、天理大、その他数校。（道工大は２年制）
授業料は７０万～１３０万円
程度

心電計 の実験 ECG （ Electro Cardiogram ）医用工学の講義で、医用電子回路の働きを学習し理解する

３年前期の実習で心電計を用いた心電図測定を行う。
差動増幅回路、雑音を抑制する回路の動作原理、デジタル オシロスコープ の特徴を理解する。

心電計の回路図

電子回路、電子部品（電子素子）の記号。
各素子の動作を特徴化したデザインをしているので、素子の働きを理解しながら覚えると暗記しやすい。

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受動素子 補助的な電子素子• 抵抗電流の制御• コンデンサ 直流電流の制御• コイル
交流電流の制御
能動素子• ダイオード
ダイオ ド• トランジスタ• FET（電界効果トランジスタ）• 真空管（電子管）

ヒューズ Fuse

回路を過大電流から保護する部品。
過剰な電流が流れたときに電流の整流、検流電流の整流検流電流の増幅電圧の増幅電圧の増幅加熱して切れる。

スイッチ

その他 （スイッチ、ヒューズ、センサ等）

抵抗 R

Resistance

抵抗器 （レジスタ） Resistor電子の流れに抵抗して電流を制限する素子。

可変抵抗器 （ボリューム） VR Variable Resistor
抵抗値をつまみで変化できる抵抗器。
音量調整などに使われている部品。

抵抗の単位 ： オーム （Ω）
オームの法則１Ωとは、１ (A：アンペア)の電流が流れている所に１ (V：ボルト)の電圧を生じさせる抵抗値。

抵抗 R

Resistance

電流（電子の流れ）を抑制する炭素、酸化金属などが、２本の端子の間に挟まれている。
２本の端子を逆につないでも動作は同じ（極性がない）。

電流

electric current

自由電子の流れ。
銅などの電気を良く通す物質（導体 conductor ）は、原子核から最も遠い軌道電子（価電子）が電界の力で簡単に軌道から離れ、自由電子になる。

R(Ω)の抵抗に I (A)の電流が流れると抵抗に IR (V)の電圧が生じる。
E＝IR（ R＝Ｅ／Ｉ、 Ｉ ＝Ｅ／Ｒ ）電流の流れにくい所は電圧（電流の圧力）が生じる。

3コンデンサ C

Condenser、 Capacitor

電子（電荷）を蓄える素子。 蓄電器、静電容量、キャパシタ。

コンデンサ C
可変コンデンサ （バリコン） Variable Condenser
静電容量を変化できるコンデンサ
ラジオの周波数調節などに使われている。

Condenser、 Capacitor

絶縁体、誘電体（磁器、ポリエステル、空気など）を挟んだ一対の広い面積の金属（アルミ箔など）に、端子が接続している。
絶縁体に電解液を混ぜた電解コンデンサは小型で大容量のコンデンサを作れる。
（プラス端子とマイナス端子の区別がある。極性あり。）

コンデンサの単位 ： ファラッド ( F )電荷 ： 電子が運ぶ電気の量
単位：クーロン （Ｃ）

コンデンサが蓄えられる静電容量（静電気の量）の限度。
電極の面積に比例する。大容量のコンデンサは大きい。

１（Ａ）の電流が１秒間流れたときに動いた電子による電気の量を、１（Ｃ ： クーロン）の電荷という。
ｔ 秒間、Ｉ （Ａ）の電流が通るときＱ（Ｃ）の電荷が運ばれたとすると、
Ｑ ＝ Ｉ ｔ（ Ｉ ＝ Ｑ／ｔ）

（ 電流とは、１秒間に通る電荷の量 ）

電界 （電場） Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ
コンデンサ内部のように、電荷量（電子の量）が異なる場所間の空間には電界が生じる。
電界の中での電気的な位置（ポテンシャル）を電位という。
電位の異なる場所の間には電位差があり、それを電圧という。
それを電圧という電池をつないだ電線の中や周囲にも電界があり、電界の力で自由電子が移動し、電流が生じる。

１対の金属板に、それぞれプラスマイナス１（Ｃ）の電荷量が蓄えられた状態で１（Ｖ）の電圧を示すコンデンサの静電容量を１（Ｆ）とする。
静電容量Ｃ（Ｆ）のコンデンサの静電容量（ ）デ サ
端子間電圧がＥ（Ｖ）のとき、蓄えられた電荷量Ｑ（Ｃ）はＱ＝ＣＥ

Ｃ＝Ｑ／Ｅ（電圧が１Ｖのときは、Ｑ＝Ｃ ）コンデンサの電荷量が静電容量に達すると、直流電流を通さない。

コイル Ｌ（ソレノイド）

絶縁被膜をした銅線を筒状に巻いたもの
絶縁被膜をした銅線を筒状に巻いたもの。
コイルに電流を通すと磁力が発生する。
内部に鉄心（コア）を入れたものは磁力が増す。
電磁誘導を利用して交流電流を制御したり、電磁石として作用する。
スピーカー、ヘッドフォン、マイクも コイルの一種。

4右ねじの法則

コイルを理解するための基本法則

磁界 （磁場） Magnetic field

電線に電流が流れると電線周囲の空間に、右ねじの法則によって、コイルに電流が流れると電線を取り巻くように電流の進行方向に対してコイル内部に磁力線の束（磁束）が通り、右回りの磁力線が発生する。

磁界が発生する （電磁石）。

右ねじ（右回しで入るねじ）

磁界 強さ（電磁磁界の強さ（電磁石の強さ）は強さ）はの進行方向が電流の向き、電流の大きさに比例する。

回す方向が磁力線の向き。

コイルの巻き数に比例する。

（向き自体に本質的な意味はない。
向きは、人間が勝手に決めたもの。）

フレミングの法則
電線に電流が通ると、右ねじの法則により電流周囲に同心円状の磁界が発生する。
電線が別の磁界の中にあると、磁束が重ねられ磁束の不均一を修正する方向に電線を動かす。
（磁束はゴムひものような性質をもつ）
モーター、スピーカーの原理。

電磁誘導 electromagnetic induction

電磁誘導 electromagnetic induction
１８３１年 ファラデーが発見。

電線を通る電流に変化がない場合は電界と磁界は無関係。 （定常状態）
電線を通る電流に変化がある場合は電界と磁界は相互作用する。 （非定常状態）

コイルの中で磁石を動かすと電圧が生じる。
コイルの電流が変化すると電圧が生じる。
発電機、マイクロフォンなどの原理。

電界が変化すると磁界を発生し、磁界が変化すると電界を発生する。
（電磁誘導）

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コイルの単位 ： ヘンリー ( Ｈ )半導体素子 semiconductor

コイルに流れる電流が１秒間に１(Ａ)変化したときにコイルに発生した電圧が１(Ｖ)のとき、コイルの（１巻き分の）インダクタンス L を１(Ｈ)とする。
インダクタンス L （誘導係数 Inductance）
コイルに流れる電流の変化で、コイル内部の磁界が変化し、コイルに電圧（起電力）が発生する性質
起電力（V) ＝ ｎ L d I／ｄｔ

（n は巻き数）（＝ インダクタンス ｘ 電流の１秒間の変化）

半導体 semiconductor
ゲルマニウムGe、シリコン（ケイ素）Siなどは１ｃｍあたり1Ω程度の抵抗値。

ダイオード Diode
半導体の性質を利用して、電流を一方通行させ（整流、検流、検波）。
トランジスタ Transistor
半導体の性質を利用して、電流を増幅させる。
ＦＥＴ（電界効果トランジスタ Field Effect Transistor）
半導体の性質を利用して、電圧を増幅させる。

Ⅳ族の半導体元素は、４個の価電子が共有結合、電子対結合している。
価電子と原子核との距離が遠いので、結合は強くない。
電界の力で外れやすい （電流が流れる）。

導体ほどではないが、電流を通す。 Ⅳ族の元素で、４個の価電子が導体に比べ軌道から離れにくい。

P形半導体 Positive-type semiconductor

N形半導体 Negative-type semiconductor

Ge、Siなどに、微量のホウ素B、ガリウムGaなどのGe、Siなどに、微量のヒ素Aｓ、アンチモンSbなどのⅢ族元素（価電子３個）を混ぜた半導体。

Ⅴ族元素（価電子５個）を混ぜた半導体。

価電子が不足した部位が、プラスに帯電した電子の価電子が過剰な部位は電子が外れやすく、ように移動する。正孔（ｈｏｌｅ）という。

自由電子になりやすい。

6Periodic table

ダイオード Diodeof the Elements

P形半導体とN形半導体をつないだもの。
電流を一方方向にしか通さない（整流、検波、検流）。
プラス端子（アノード）とマイナス端子（カソード）がある （極性がある）。

アノードにプラスの電圧をかけるとN形半導体の電子はP形のほうへ流れ、P形半導体の正孔はN形のほうへ流れる。
PN接合部に電子の移動があるので電流が流れる。

発光ダイオード LED Light Emitting Diode
順方向に電圧をかけたときにPN接合部で電子と正孔が再結合する。
結合すると、電子と正孔の状態で離れていたときよりもエネルギー状態が低くなるので、再結合時に余ったエネルギーを電磁波として放出する。赤外線（熱）は出さないので省電力。

電流は流れない。

半導体に別の元素を混ぜることで放出電磁波の周波数を、赤、黄、青、白色などの可視光線になるように調整している。
青色LEDは、開発困難だったが日本人が発明。
青色LEDの発明によって白色LEDも実現し、電球より省電力で照明光を得ることが実現した。
スマホやテレビのフルカラー液晶画面も実現した。

トンネルダイオード （日本人が発明したので、国家試験によく出る）

ツェナーダイオード （定電圧ダイオード）

1957年に江崎玲於奈氏が発明した、量子トンネル効果を利用した素子。
エサキダイオードとも呼ばれる。半導体に不純物を多く混ぜたダイオード。

ダイオードの両端の電圧がほとんど逆向きに電圧をかけると電子、正孔ともにPN接合部の反対側に移動するのでPN接合部には電流のキャリア（運び屋）がいなくなり、空乏層になるため順方向に電流を流すと、トンネル効果により、ある電圧領域では電圧をかけるほどに流れる電流量が少なくなるという「負性抵抗」が現れる。
これを用いた増幅回路はトランジスタをしのぐ優れた性能を発揮する。

変化しないダイオード。
定電圧電源回路に利用される。

フォトダイオード （国家試験によく出る）
発光ダイオードと逆の働きをするダイオード。
光が当たると、そのエネルギーでPN接合部に電子が流れ、電流が通る。
光センサとして利用される。

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