Biomedical Device Technology Principles And Design 3rd Edition 3rd Anthony Y K Chan

Biomedical Device Technology Principles And
Design 3rd Edition 3rd Anthony Y K Chan download
https://ebookbell.com/product/biomedical-device-technology-
principles-and-design-3rd-edition-3rd-anthony-y-k-chan-52790106
Explore and download more ebooks at ebookbell.com

Here are some recommended products that we believe you will be
interested in. You can click the link to download.
Biomedical Device Technology Principles And Design 1st Edition Anthony
Y K Chan
https://ebookbell.com/product/biomedical-device-technology-principles-
and-design-1st-edition-anthony-y-k-chan-5299582
Biomedical Technology And Devices 2nd James E Moore Jr Duncan J
Maitland
https://ebookbell.com/product/biomedical-technology-and-devices-2nd-
james-e-moore-jr-duncan-j-maitland-4340508
Biomedical Technology And Devices Handbook 1st Edition James E Moore
https://ebookbell.com/product/biomedical-technology-and-devices-
handbook-1st-edition-james-e-moore-1219640
Bioresorbable Polymers And Their Biomedical Applications Declan M
Devine
https://ebookbell.com/product/bioresorbable-polymers-and-their-
biomedical-applications-declan-m-devine-6837482

Emerging Cmos Capacitive Sensors For Biomedical Applications A
Multidisciplinary Approach Materials Circuits And Devices Ghafarzadeh
https://ebookbell.com/product/emerging-cmos-capacitive-sensors-for-
biomedical-applications-a-multidisciplinary-approach-materials-
circuits-and-devices-ghafarzadeh-35685694
Medical Device Data And Modeling For Clinical Decision Making Artech
House Series Bioinformatics Biomedical Imaging 1st Edition John R
Zaleski
https://ebookbell.com/product/medical-device-data-and-modeling-for-
clinical-decision-making-artech-house-series-bioinformatics-
biomedical-imaging-1st-edition-john-r-zaleski-2357318
Semiconductor Devicebased Sensors For Gas Chemical And Biomedical
Applications 1st Edition Fan Ren
https://ebookbell.com/product/semiconductor-devicebased-sensors-for-
gas-chemical-and-biomedical-applications-1st-edition-fan-ren-2444652
Biomedical Devices And Their Applications 1st Edition Anthony M Lowman
Auth
https://ebookbell.com/product/biomedical-devices-and-their-
applications-1st-edition-anthony-m-lowman-auth-4610144
Biomedical Devices Design Prototyping And Manufacturing Turul Zel
https://ebookbell.com/product/biomedical-devices-design-prototyping-
and-manufacturing-turul-zel-5700732

BIOMEDICAL DEVICE TECHNOLOGY

ABOUT THE AUTHOR

Anthony Y. K. Chan graduated in Electrical Engineering (B.Sc.
Hon.) from the University of Hong Kong and completed his M.Sc. in
Engineering from the same university. He also completed a master’s
degree (M.Eng.) in Clinical Engineering and a Ph.D. in Biomedical
Engineering from the University of British Columbia, Canada. Dr.
Chan also holds a Certificate in Health Services Management from
the Canadian Healthcare Association. Dr. Chan worked for a number
of years as a project engineer in the field of electrical instrumenta-
tions, control, and systems, and was the director and manager of bio-
medical engineering in a number of Canadian acute care hospitals.
He is currently the Program Head of the Biomedical Engineering
Technology Program at the British Columbia Institute of Technology
and is an Adjunct Professor of the School of Biomedical Engineering
at the University of British Columbia. Dr. Chan is a Professional
Engineer, a Chartered Engineer, and a Certified Clinical Engineer. He
is a fellow member of CMBES, life senior member of IEEE, member
of IET and HKIE.

CHNOLOG
EDIC
Third Edition
CAAL DEVICE
GYY
inciples and Design
By
., P. K. CHANYY. N,, PH.DP..ENG., CCE
HOMAS • PUBLISHER • LTD.

BIOMEDIC
TECHNOLOG
Principles and Design
ANTHONY Y
S
CHARLES C THOMAS PUBLISHER LTD.
S

Published and Distributed Throughout the World by
CHARLES C THOMAS • PUBLISHER, LTD.
2600 South First Street
Springfield, Illinois 62704
This book is protected by copyright. No part of
it may be reproduced in any manner without written
permission from the publisher. All rights reserved.
© 2023 by CHARLES C THOMAS • PUBLISHER, LTD.
ISBN 978-0-398-09392-1 (hard)
ISBN 978-0-398-09393-8 (ebook)
First Edition, 2008
Second Edition, 2016
Third Edition, 2023
Library of Congress Catalog Card Number: 2022036373 (print)
2022036374 (ebook)
With
THOMAS BOOKS careful attention is given to all details of manufacturing
and
design. It is the Publisher’s desire to present books that are satisfactory as to their
physical qualities
and artistic possibilities and appropriate for their particular use.
THOMAS BOOKS will be true to those laws of quality that assure a good name
and good will.
Printed in
the United States of America
CM-S-1
Library of Congress Cataloging-in-Publication Data
Names: Chan,
Anthony Y . K., author.
Title:
Biomedical device technology: principles and design / by Anthony
Y
.K. Chan.
Description: Third
edition. | Springfield, Illinois: Charles C Thomas,
Publisher,
Ltd., 2023. | Includes bibliographical references and index.
Identifiers: LCCN
2022036373 (print) | LCCN 2022036374 (ebook) | ISBN
9780398093921 (hardback)
| ISBN 9780398093938 (ebook)
Subjects: MESH: Biomedical Technology--instrumentation | Equipment and
Supplies
| Equipment Design | Equipment Safety
Classification: LCC
R855.3 (print) | LCC R855.3 (ebook) | NLM W 26 | DDC
610.285--dc23/eng/20221103
LC record
available at https://lccn.loc.gov/2022036373
LC ebook record available
at https://lccn.loc.gov/2022036374

This book is dedicated with love to
my wife Elaine,
my daughters Victoria and Tiffany,
and
in memory of
my brother David

PREFACE

F
or many years, the tools available to physicians were limited to a few
simple handpieces such as stethoscopes, thermometers and syringes;
medical professionals primarily relied on their senses and skills to perform
diagnosis and disease mitigation. Today, diagnosis of medical problems is
heavily dependent on the analysis of information made available by sophis-
ticated medical machineries such as electrocardiographs, video endoscopic
equipment and pulmonary analyzers. Patient treatments often involve spe-
cialized tools and systems such as cardiac pacemakers, electrosurgical units,
and minimally invasive surgical instruments. Such biomedical devices play
a critical and indispensable role in modern-day medicine.
In order to design, build, maintain, and effectively deploy medical
devices, one needs to understand not only their use, design and construction
but also how they interact with the human body. This book provides a com-
prehensive approach to studying biomedical devices and their applications.
It is written for engineers and technologists who are interested in under-
standing the principles, design, and use of medical device technology. The
book is also intended to be a textbook or reference for biomedical device
technology courses in universities and colleges.
The most common reason for medical device obsolescence is changes in
technology. For example, vacuum tubes in the 1960s, discrete semiconduc-
tors in the 1970s, integrated circuits in the 1980s, microprocessors in the
1990s and networked multiprocessor software-driven systems in today’s
devices. The average life span of medical devices has been diminishing; cur-
rent medical devices have a life span of about 5 to 7 years. Some are even
shorter. Therefore, it is unrealistic to write a book on medical devices and
expect that the technology described will remain current and valid for years.
On the other hand, the principles of medical device and their applications,
the origins of physiological signals and their methods of acquisitions, and the
concepts of signal analysis and processing will remain largely unchanged.
This book focuses on the applications, functions and principles of medical
devices (which are the invariant components) and uses specific designs and
constructions to illustrate the concepts where appropriate.
vii

viii Biomedical Device Technology
The first part of this book discusses the fundamental building blocks of
biomedical instrumentations. Starting from an introduction of the origins of
biological signals, the essential functional building blocks of a typical med-
ical device are studied. These functional blocks include electrodes and trans-
ducers, biopotential amplifiers, signal conditioners and processors, electrical
safety and isolation, and output devices. The next section of the book covers
a selection of biomedical devices. Their principles of operations, functional
building blocks, special features, performance specifications are discussed.
Architectural and schematic diagrams are used where appropriate to illus-
trate how specific device functions are being implemented. In addition, indi-
cations of use and clinical applications of each device are included.
Common problems and hazards, and risk mitigation of each device are dis-
cussed. For those who would like to know more, a collection of relevant pub-
lished papers and book references has been added to the end of each chap-
ter.
Due to the vast variety of biomedical devices available in healthcare, it
is impractical to include all of them in a single book. This book selectively
covers diagnostic and therapeutic devices that are either commonly used or
whose principles and design represent typical applications of the technology.
To limit the scope, medical imaging equipment and laboratory instrumenta-
tions are excluded from this book.
Four appendices are included at the end of the book. These are append-
ed for those who are not familiar with these concepts, yet an understanding
in these areas will enhance the comprehension of the subject matters in the
book. They are A1-A Primer on Fourier Analysis, A2-Overview of Medical
Telemetry Development, A3-Medical Gas Supply Systems, and the newest
addition A4-Concepts of Infection Control in Biomedical Device
Technology.
In this third edition, many chapters have gone through revisions, some
with significant updates and additions to keep up with new applications and
advancements in medical technology. Based on requests, review questions
are added for each chapter to help readers to assess their comprehension of
the content material.
I am thankful to the readers, educators, and professionals who provided
me with invaluable suggestions for this revision. I also would like to take the
opportunity to thank Professor Euclid Seeram for inspiring me into book
publishing, and Michael Thomas for his continuing support in publishing
this new edition.

Anthony Y. K. Chan

CONTENTS

Page
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .vii

Chapter
PART I—INTRODUCTION

1. Overview of Biomedical Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2. Concepts in Signal Measurement, Processing, and Analysis . . . . . 33

PART II—BIOMEDICAL TRANSDUCERS

3. Fundamentals of Biomedical Transducers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4. Pressure and Force Transducers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5. Temperature Transducers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6. Position and Motion Transducers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
7. Flow Transducers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
8. Optical Transducers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
9. Electrochemical Transducers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
10. Biopotential Electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

PART III—FUNDAMENTAL BUILDING BLOCKS
OF MEDICAL INSTRUMENTATION

11. Biopotential Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
12. Electrical Safety and Signal Isolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
13. Medical Waveform Display Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

ix

PART IV—MEDICAL DEVICES

14. Physiological Monitoring Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
15. Electrocardiographs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
16. Electroencephalographs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
17. Electromyography and Evoked Potential Study Equipment . . . . 334
18. Invasive Blood Pressure Monitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
19. Noninvasive Blood Pressure Monitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
20. Cardiac Output Monitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
21. Cardiac Pacemakers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
22. Cardiac Defibrillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
23. Infusion Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
24. Electrosurgical Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
25. Pulmonary Function Analyzers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
26. Mechanical Ventilators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
27. Ultrasound Blood Flow Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535
28. Fetal Monitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
29. Infant Incubators, Phototherapy Lights, Warmers and
Resuscitators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552
30. Body Temperature Monitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566
31. Pulse Oximeters, Oxygen Analyzers & Transcutaneous
Oxygen Monitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582
32. End-Tidal Carbon Dioxide Monitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600
33. Anesthesia Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607
34. Dialysis Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627
35. Surgical Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654
36. Endoscopic Video Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 679
37. Cardiopulmonary Bypass Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 701
38. Audiology Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 718

Appendices
A-1. A Primer on Fourier Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 753
A-2. Overview of Medical Telemetry Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 758
A-3. Medical Gas Supply Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 762
A-4. Concepts in Infection Control of Biomedical Device Technology . . . . . . . 765

Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 773
Answers to Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 848
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 873
x Biomedical Device Technology

BIOMEDICAL DEVICE TECHNOLOGY

Part I

INTRODUCTION

Chapter 1

OVERVIEW OF BIOMEDICAL
INSTRUMENTATION

OBJECTIVES

• Define medical device.
• Analyze biomedical instrumentation using a systems approach.
• Explain the origin and characteristics of biopotentials and common phys-
iological signals.
• Introduce human factors engineering in medical device design.
• List common input, output, and control signals of medical devices.
• Discuss special constraints encountered in the design of biomedical
devices.
• Define biocompatibility and list common implant materials.
• Explain tissue responses to foreign materials and state approaches to
avoid adverse tissue reaction.
• Describe the basic functional building blocks of medical instrumentation.

CHAPTER CONTENTS

1. Introduction
2. Classification of Medical Devices
3. Systems Approach
4. Origins of Biopotentials
5. Physiological Signals
6. Human–Machine Interface
7. Input, Output, and Control Signals
8. Constraints in Biomedical Signal Measurements
9. Concepts on Biocompatibility
10. Functional Building Blocks of Medical Instrumentation

5

6 Biomedical Device Technology
INTRODUCTION

Medical devices come with different designs and complexity. They can
be as simple as a tongue depressor, as compact as an implantable pacemak-
er, or as sophisticated as a heart lung machine. Although most medical
devices use similar technology as other consumer or industrial devices, there
are many fundamental differences between devices used in medicine and
devices used in other applications. This chapter will look at the definition of
medical devices and the characteristics that differentiate a medical device
from other household or consumer products.
According to the International Electrotechnical Commission (IEC), a
medical device means:

Any instrument, apparatus, implement, appliance, implant, in vitro reagent or
calibrator, software, material or other similar or related article:
a) intended by the manufacturer to be used, alone or in combination, for
human beings for one or more of the specific purpose(s) of:
• diagnosis, prevention, monitoring, treatment, or alleviation of disease,
• diagnosis, monitoring, treatment, alleviation of, or compensation for an
injury,
• investigation, replacement, modification, or support of the anatomy or of
a physiological process,
• supporting or sustaining life,
• control of conception,
• disinfection of medical devices,
• providing information for medical purposes by means of in vitro exami-
nation of specimens derived from the human body, and
b) which does not achieve its primary intended action in or on the human body
by pharmacological, immunological or metabolic means, but which can be
assisted in its function by such means.

The United States Food and Drug Administration (FDA) defines a med-
ical device as:

An instrument, apparatus, implement, machine, contrivance, implant, in vitro
reagent, or other similar or related article, including a component part, or acces-
sory which is:
• recognized in the official National Formulary, or the United States
Pharmacopoeia, or any supplement to them,
• intended for use in the diagnosis of disease or other conditions, or in the
cure, mitigation, treatment, or prevention of disease, in man or other ani-
mals, or
• intended to affect the structure or any function of the body of man or other
animals, and which does not achieve any of its primary intended purposes

Overview of Biomedical Instrumentation 7
through chemical action within or on the body of man or other animals and
which is not dependent upon being metabolized for the achievement of any
of its primary intended purposes.

In the Canadian Food and Drugs Act, a medical device is similarly
defined as:

Any article, instrument, apparatus or contrivance, including any component,
part or accessory thereof, manufactured, sold or represented for use in:
(a) the diagnosis, treatment, mitigation or prevention of a disease, disorder or
abnormal physical state, or the symptoms thereof, in humans or animals;
(b) restoring, correcting or modifying a body function, or the body structure of
humans or animals;
(c) the diagnosis of pregnancy in humans or animals; or
(d) the care of humans or animals during pregnancy, and at, and after, birth of
the offspring, including care of the offspring, and includes a contraceptive
device but does not include a drug.

Apart from the obvious, it is clear from the above definitions that in vitro
diagnostic products such as medical laboratory instruments are medical
devices. Furthermore, accessories, reagents, or spare parts associated with a
medical device are also considered to be medical devices. An obvious exam-
ple of this is the electrodes of a heart monitor. Another example, which may
not be as obvious, is the power adapter to a laryngoscope. Both of these
accessories are considered as medical devices and are therefore regulated by
the premarket and postmarket regulatory controls.

CLASSIFICATION OF MEDICAL DEVICES

There are many different ways to classify or group together medical
devices. Devices can be grouped by their functions, their technologies, or their
applications. A description of some common classification methods follows.

Classified by Functions

Grouping medical devices by their functions is by far the most common
way to classify medical devices. Devices can be separated into two main cat-
egories: diagnostic and therapeutic.
Diagnostic devices are used for the analysis or detection of diseases,
injuries, or other medical conditions. Ideally, a diagnostic device should not
cause any change to the structure or function of the biological system.
However, some diagnostic devices may disrupt the biological system due to

8 Biomedical Device Technology
their applications. For example, a real-time blood gas analyzer may require
an invasive catheter (which puncture the skin into a blood vessel) to take dis-
solved carbon dioxide level (PCO
2
) measurement. A computed tomography
(CT) scanner will impose ionization radiation (transfer energy) on the
human body in order to obtain diagnostic medical images.
Diagnostic devices whose functions are to detect changes of certain
physiological parameters over a period of time are often referred to as mon-
itoring devices. As the main purpose of this class of devices is trending,
absolute accuracy may not be as important as their repeatability. Examples
of monitoring devices are heart rate monitors used to track variation of heart
rates during a course of drug therapy, and noninvasive blood pressure mon-
itors to assess arterial blood pressure immediately after surgery.
Therapeutic devices are designed to create structural or functional
changes that lead to improved function of the patient. Examples of such
devices are electrosurgical units in surgery, radiotherapy linear accelerators
in cancer treatment, and infusion devices in fluid management therapy.
Assistive devices are a group of devices used to restore an existing function
of the human body. They may be considered a subset of therapeutic devices.
Examples of assistive devices are demand pacemakers to restore normal
heart rhythm, hearing aids to improve hearing, and wheelchairs to enhance
mobility of people with walking disability.
Based on the methods of application, these device classes can be further
divided into invasive or noninvasive, automatic or manual sub-categories.

Classified by Physical Parameters

Medical devices can also be grouped by the physical parameters that they
are measuring. For example, a blood pressure monitor is a pressure monitor-
ing device, a respiration spirometer is a flow measurement device, and a tym-
panic thermometer is a temperature-sensing device.

Classified by Principles of Transduction

Some medical devices are grouped according to the types of transducers
used at the patient-machine interface. Resistive, inductive, and ultrasonic
devices are examples in this category.

Classified by Physiological Systems

Medical devices may also be grouped by their related human physiolog-
ical systems. Examples of such grouping are cardiovascular devices (blood
pressure monitors, electrocardiographs, etc.), and pulmonary devices (respi-
rators, ventilators, etc.).

Overview of Biomedical Instrumentation 9
Classified by Clinical Medical Specialties

In another model, devices are grouped according to the medical special-
ties in which they are being used. For example, a fetal monitor is considered
as an obstetric device, an x-ray machine as a radiological device.

Classified by Risk Classes

For biomedical engineers and regulatory personnel, medical devices are
often referred to by their risk classes. Risk classes are created to differentiate
devices by rating their level of risk on patients. A device risk classification
determines the degree of scrutiny and regulatory control imposed by regu-
latory bodies on the manufacturers, suppliers and healthcare providers to
ensure their safety and efficacy in clinical use. Table 1–1 shows examples of
medical devices in each risk class under the Canadian Medical Device
Regulations (MDR). Manufacturers of Classes II, III and IV medical devices
require a Health Canada license before selling or advertising these devices.
Similar risk classifications are used in the United States (Class I, II, III), and
in Europe (Class I, IIa, IIb, III). Note that there are only 3 levels in the US
risk classification with Class 3 devices having the highest risk as compared
to 4 levels in the Canadian and European systems. Table 1-2 is the Canadian
MDR and US FDA risk classifications of some devices covered in this book.

SYSTEMS APPROACH

In simple terms, a system is defined as a group of items, or parts, or
processes working together under certain relationships. Collectively, the
processes in the system transform a set of input entities to a set of output
entities. Within a system there are aspects, variables, or parameters that
mutually act on each other. A closed system is self-contained on a specific
level and is separated from and not influenced by the environment, whereas
an open system is influenced by the environmental conditions by which it is
surrounded. Figure 1–1 shows an example of a system. The elements within
Table 1-1. Canada MDR Risk Classification

Four risk classes—from Class I (lowest risk) to Class IV (highest risk)
Class I conductive electrode gel, band-aids
Class II latex gloves, contact lenses
Class III IV bags, indwelling catheters
Class IV heart valve implants, defibrillators

10 Biomedical Device Technology
a system and their relationships as well as the environment can affect the
performance of the system. A more complicated system may contain multi-
ple numbers of subsystems (or simple systems).
In analyzing a large complex system, one can divide the system into sev-
eral smaller subsystems with the output from one subsystem connected to
the input of another. The simplest subsystem consists of an input, an output,
and a process as shown in Figure 1–2. The process that takes the output and
feeds it back to the input in order to modify the output is called a feedback
process. A system with feedback is called a closed-loop system, whereas a
system without any feedback is called an open-loop system. Most systems
that we encounter contain feedback paths and hence are closed-loop sys-
tems.
Listening to a radio is an example of a simple closed-loop system. The
Table 1-2. US FDA & Health Canada Device Risk Classification Examples

Device FDA Health
Risk Class Canada
Risk Class
Electrocardiographs 2 2
Electroencephalographs 2 2
Electromyographs 2 2
Invasive Blood Pressure Monitors 2 3
Non-Invasive Blood Pressure Monitors 2 2
Cardiac Output Units, thermal dilution 2 3
Implantable Pacemakers 3 4
Cardiac Defibrillators 3 3
Infusion Pumps 2 3
Electrosurgical Units 2 3
Respiration Monitors 2 3
Mechanical Ventilators 2 3
Ultrasound Blood Flow Detectors 2 3
Fetal Scalp ECG Monitors 3 3
Infant Incubators 2 3
Body Temperature Monitors 2 2
Pulse Oximeters 2 3
Anesthesia Machines 2 3
Hemodialysis Machines 2 3
Neurosurgical Lasers 3 3
Flexible Endoscopes 2 2
Cardiac Pulmonary Bypass Machines 2 3
Audiometers 2 2
Hearing Aids 2 2
Acoustic Chamber (for hearing test) 1 1
Cochlear Implants 3 3

Overview of Biomedical Instrumentation 11
input to the system is the radio broadcast in the form of an electromagnetic
wave that is received by the radio. The radio processes the received signal
and produces the audible sound such as music. If the music (output) is not
loud enough, the listener turns up the volume to increase the sound level. In
doing this, the listener becomes the feedback process that analyzes the loud-
ness of the music and invokes the action to turn up the volume.
The systems approach is basically a generalized technique to understand
organized complexity. It provides a unified framework or a way of thinking
about the systems and can be developed to handle specific problems. In
order to solve a problem, one must look at all components within the system
and analyze the input and output of each subsystem in view to isolate the
problem and establish the relationships of the problem with respect to each
component in the system.
Using block diagrams to analyze complex devices is an application of
the systems approach. Figure 1–3 shows a music player system. The input to
the player is the musical file either from a flash memory, radio broadcast, or
via the internet, the output is sound (or music), and the feedback is the lis-
Figure 1-1. Typical System.
Figure 1-2. Basic Subsystem.

12 Biomedical Device Technology
tener who will switch to another file when it has finished playing or turn
down the volume if it is too loud. If the player is not working properly, one
may buy a new one and discard the malfunctioning unit.
The music player can be divided into its functional blocks as shown in
Figure 1–4. One may be able to troubleshoot and isolate the problem to one
of the functional blocks (or component). In this case, it will be cheaper just
to replace the malfunctioning block. For example, if the speakers are not
working, it may be more economical to get a pair of replacement speakers
than to replace the entire music player.
Similarly, a complex biomedical device can be broken down into its
functional building blocks. Figure 1-5 shows a block diagram of an electro-
cardiograph (ECG). The input to the device is the biopotential from the
heart activities of the patient. The electrodes pick up the tiny electrical sig-
nals from the patient and send it to the amplifier block to increase the signal
amplitude. The amplified ECG signal is then sent to the signal analysis block
to extract information such as the heart rate. Finally, the ECG signal is sent
to the output block such as a paper chart recorded to produce a hard copy
of the ECG tracing. These functional blocks can be further subdivided, even-
tually down to the individual component level. Note that the cardiology
technologist is also considered to be a part of the system. He or she serves
Figure 1-3. Music Player System.
Figure 1-4. Music Player Functional Block.

Overview of Biomedical Instrumentation 13
as the feedback loop by monitoring the output and modifying the input.
When analyzing or troubleshooting a medical device, it is important to
understand the functions of each building block, and what to expect from
the output when a known input is applied to the block. Furthermore, med-
ical devices are, in most cases, conceptualized, designed, and built from a
combination of functional building blocks.

ORIGINS OF BIOPOTENTIALS

The source of electrical events in biological tissue is the ions in the elec-
trolyte solution, as opposed to the electrons in electrical circuits.
Biopotential is an electrical voltage caused by a flow of ions through biolog-
ical tissues. It was first studied by Luigi Galvani, an Italian physiologist and
physicist, in 1786. In living cells, there is an ongoing flow of ions (predomi-
nantly sodium [Na
+
], potassium [K
+
D] and chloride [Cl
–
]) across the cell
membrane. The cell membrane allows some ions to go through readily but
resists others. Hence it is called a semipermeable membrane.
There are two fundamental causes of ion flow in the body: diffusion and
drift. Fick’s law states that if there is a high concentration of particles in one
region and they are free to move, the particles will flow in a direction that
equalizes the concentration; the force that results in the movement of
charges is called diffusion force. The movement of charged particles (such as
ions) that is due to the force of an electric field (static forces of attraction and
repulsion) constitutes particle drift. Each cell in the body has a potential dif-
ference across the cell membrane known as the single-cell membrane potential.
Under equilibrium, the net flow of charges across the cell membrane is
zero. However, due to an imbalance of positive and negative ions internal
and external to the cell, the potential inside a living cell is about –50 mV to
–100 mV with respect to the potential outside it (Figure 1–6). This mem-
brane potential is the result of the diffusion and drift of ions across the high
resistance but semipermeable cell membrane, predominantly sodium [Na
+
]
Figure 1-5. ECG Block Diagram.

14 Biomedical Device Technology
and potassium [K
+
] ions moving in and out of the cell. Because of the semi-
permeable nature of the membrane, Na
+
is partially restricted from passing
into the cell. In addition, a process called the sodium-potassium pump
moves sodium ions at two to five times the rate out of the cell than potassium
ions into the cell. However, in the presence of diffusion and drift, an equilib-
rium point is established when the net flow of ions across the cell’s mem-
brane becomes zero. As there are more positive ions (Na
+
) moved outside
the cells than positive ions (K
+
) moved into the cell, under equilibrium, the
inside of the cell has less positive ions than the outside. Therefore, the inside
of the cell is negative with respect to the outside. This is called the cell’s rest-
ing potential, which is typically about –70 mV.
If the potential across the cell membrane is raised, for example by an
external stimulation, to a level that exceeds the threshold; the permeability
of the cell membrane will change, causing a flow of Na
+
ions into the cell.
This inrush of positive ions will create a positive change in the cell’s mem-
brane potential to about 20 mV to 40 mV more positive than the potential
outside the cell. This action potential lasts for about 1 to 2 milliseconds. As
long as the action potential exists, the cell is said to be depolarized. The
membrane potential will drop eventually as the sodium-potassium pump
repolarizes the cell to its resting state (–70 mV). This process is called repo-
larization and the time period is called the refractory period. During the
refractory period, the cell is not responsive to any stimulation. The events of
depolarization and repolarization are shown in Figure 1–7. The rise in the
membrane potential from its resting stage (when stimulated) and return to
the resting state is called the action potential. Cell potentials form the basis
of all electrical activities in the body, including such activities as the electro-
cardiogram (ECG), electroencephalogram (EEG), electrooculogram (EOG),
electroretinogram (ERG), and electromyogram (EMG).
When a cell is depolarized (during which the membrane potential
Figure 1-6. Cell Membrane Potential.

Overview of Biomedical Instrumentation 15
changes from negative to positive), the cells next to it may be triggered into
depolarization. This disturbance is propagated either to adjacent cells, result-
ing in the entire tissue becoming depolarized (in an entire motor group), or
along the length of the cell from one cell to the next (in a single motor unit
or a nerve fiber).
In most biopotential signal measurements, unless one is using a needle
electrode to measure the action potential of a single cell, the measured signal
is the result of multiple action potentials from a group of cells or tissue. The
amplitude and shape of the biopotential are largely dependent on the loca-
tion of the measurement site and the signal sources. Furthermore, the biopo-
tential signal will be altered as it propagates along the body tissue to the sen-
sors. A typical example of biopotential measurement is measuring electrical
heart activities using skin electrodes (electrocardiogram or ECG). Figure 1–
8 shows a typical ECG waveform showing the electrical heart potential when
a pair of electrodes is placed on the chest of the patient. This biopotential,
which is the resultant of all action potentials from the heart tissue transmitted
to the skin surface, is very different in amplitude and shape from the action
potential from a single cell shown in Figure 1–7. In addition, placing the skin
electrodes at different locations on the patient will produce very different
looking ECG waveforms.

PHYSIOLOGICAL SIGNALS

Biopotential signals represent a substantial proportion of human physio-
Figure 1-7. Single Cell Action Potential.

16 Biomedical Device Technology
logical signals. In addition, there are other forms of physiological signals,
such as pressure and temperature, all of which contain information that
reflects the well-being of an individual. Monitoring and analyzing such para-
meters is of interest to the medical professionals. Different physiological sig-
nals have different characteristics. Some physiological signals are very small
compared with other background signals and noise; some change rapidly
during the course of their measurement. Therefore, different transducers
with matching characteristics are necessary in medical devices to accurately
measure these signals. Table 1–3 shows some examples of physiological sig-
nals; their characteristics and examples of common transduction techniques
used to capture these signals are also listed. The range and bandwidth quot-
ed in the list are nominal values, which may not include some extreme
cases. An example is severe hypothermia, in which the body temperature
can become many degrees below 32ºC.
An example of a physiological signal measurement is the electrocardio-
gram. When skin electrodes are placed on the surface of a patient’s chest,
they pick up a small electrical potential at the skin surface from the activities
of the heart. If one plots this potential against time, this is called an electro-
cardiogram. An example of an electrocardiogram is shown in Figure 1–8.
The spike is called the R- wave, which coincides with the contraction phase
of the ventricles. The time interval between two adjacent R-waves represents
one heart cycle. The amplitude and the shape of the ECG signal depend on
the physiological state of the patient as well as the locations and the types of
electrodes used. From Table 1–3, the amplitude of the R-wave may vary
from 0.5 to 4 mV, and the ECG waveform has a frequency range or band-
width from 0.01 to 150Hz.
There are many more physiological signals than those listed in Table 1-
3. While some are common parameters in clinical settings (e.g., body tem-
perature), others may only be measured sparingly (e.g., electroretinogram).
Figure 1-8. Typical ECG obtained from Skin Electrodes.

Overview of Biomedical Instrumentation 17

HUMAN-MACHINE INTERFACE

A medical device is designed to assist clinicians to perform certain diag-
nostic or therapeutic functions. In fulfilling these functions, a device inter-
faces with the patients as well as the clinical users. Figure 1–9 shows the
interfaces between a medical device, the patient, and the clinical staff. For a
diagnostic device, the physiological signal from the patient is picked up and
processed by the device; the processed information such as the heart rhythm
from an ECG monitor or blood pressure waveform from an arterial blood
line is displayed by the device and reviewed by the clinical staff. For a ther-
Table 1-3. Characteristics of Common Physiological Parameters
Physiological
Parameters
Physical Units
and Range of
Measurement
Signal Frequency
Range
(Bandwidth)
Measurement Method
or Transducer Used
Blood Flow 1 to 300 ml/s 0 to 20 Hz Ultrasound
Doppler flowmeter
Blood Pressure—Arterial 20 to 400 mmHg 0 to 50 Hz Sphygmomanometer
Blood Pressure—Venous 0 to 50 mmHg 0 to 50 Hz Semiconductor
strain gauge
Blood pH 6.8 to 7.8 0 to 2 Hz pH electrode
Cardiac Output 3 to 25 L/min 0 to 20 Hz Thermistor
(thermodilution)
Electrocardiography
(ECG)
0.5 to 4 mV 0.01 to 150 Hz Skin electrodes
Electroencephalography
(EEG)—scalp
5 to 300 μV 0 to 150 Hz Scalp electrodes
EEG—Brain surface
or depth
10 to 5,000 μV 0 to 150 Hz Cortical or
depth electrodes
Electromyography (EMG) 0.1 to 5 mV 0 to 10,000 Hz Needle electrodes
Nerve Potentials 0.01 to 3 mV 0 to 10,000 Hz Needle electrodes
Oxygen Saturation—
Arterial (noninvasive)
85 to 100% 0 to 50 Hz Differential light
absorption
Respiratory Rate 5 to 25
breath/min
0.1 to 10 Hz Skin electrodes
(impedance
pneumography)
Tidal Volume 50 to 1,000 ml 0.1 to 10 Hz Spirometer
Temperature—Body 32 to 40°C 0 to 0.1 Hz Thermistor

18 Biomedical Device Technology
apeutic device, the clinical staff will, using the device, apply certain actions
on the patient. For example, a surgeon may activate the electrosurgical hand
piece during a procedure to coagulate a blood vessel. In another case, a
nurse may set up an intravenous infusion line to deliver fluid and medication
to a patient.
These interfaces are important and often critical in the design of biomed-
ical devices. An effective patient-machine interface is achieved through care-
fully choosing a transducer suitable for the application. For example, an
implanted pH sensor must pick up the small changes in the hydrogen ion
concentration in the blood; at the same time it also must withstand the cor-
rosive body environment, maintain its sensitivity, and be nontoxic to the
patient.
Other than safety and efficacy, human factor is another important con-
sideration in designing medical devices. Despite the fact that human error is
a major contributing factor toward clinical incidents involving medical
devices, human factors are often overlooked in medical device design and in
device acquisitions. The goal to achieve in user-interface design is to improve
efficiency, reduce error, and prevent injury. Usability engineering, as defined
in the international standard IEC 62366-1:2015 Medical devices – applica-
tion of usability engineering to medical devices, is the application of knowl-
edge about human behavior, abilities, limitations, and other characteristics
related to the design of tools, devices, systems, tasks, jobs, and environments
to achieve adequate usability. Usability or human factors engineering is a
systematic, interactive design process that is critical to achieve an effective
user-interface. It involves the use of various methods and tools throughout
the design life cycle. Classical human factors engineering involves analysis
of sensory limitations, perceptual and cognitive limitations, and effector lim-
itations of the device users as well as the patients. Sensory limitation analysis
evaluates the responses of the human visual, auditory, tactile, and olfactory
systems. Perceptual and cognitive limitation analysis studies the nervous sys-
Figure 1-9. Human-Machine Interface.

Overview of Biomedical Instrumentation 19
tem’s response to the sensory information. Perception refers to how people
identify and organize sensory input; cognition refers to higher-level mental
phenomena such as abstract reasoning, formulating strategies, formation of
hypothesis, et cetera. Effector limitation analysis evaluates the outputs or
responses of the operators (e.g., the reaction time, force-exerting capability, etc.).
There are three subjects to be focused on in human factors design in
medical devices: the user, the patient, and the support staff. The three areas
of limitations described above must be considered in each case (Figure 1–10).

User Focus

For diagnostic devices, users rely on the information from the medical
device to perform diagnosis. The display of information should be clear and
unambiguous. It is especially important in clinical settings, where errors are
often intolerable. In a situation in which visual alarms might be overlooked,
loud audible alarms to alert one to critical events should be available. For
therapeutic devices, ergonomic studies should be carried out in the design
stage to ensure that the procedures could be performed in an effective and
efficient manner. Critical devices should be intuitive and easy to set up. For
example, a paramedic should be able to correctly perform a cardiac defib-
rillation without going through complicated initialization procedures since
every second counts when a patient is in cardiac arrest.
A systems approach to analyze human interface related to users should
Figure 1-10. Medical Device Human Factor Considerations.

20 Biomedical Device Technology
consider the following:

• User characteristics
• Operating environment
• Human mental status
• Task priority
• Workflow

Human interface outputs may involve hand, finger, foot, head, eye,
voice, et cetera. Each should be studied to identify the most appropriate
choice for the application. A device should be ergonomically designed to
minimize the strain and potential risk to the users, including long-term
health hazards. For example, a heavy X-ray tube can create shoulder prob-
lems for radiology technologists who spend most of their working days
maneuvering X-ray tubes over patients. Studies show that user fatigue is a
major contributor to user errors. User fatigues include motor, visual, cogni-
tive, and memory.
Human factors engineering is task-oriented. It examines and optimizes
tasks to improve output quality, reduce time spent, and minimize the rate of
error. Proactive human interface designers tend to be user-centered, who
integrate the physical and mental states of the user into the design, including
the level of fatigue and stress, as well as recruit emotional feedback. Ideally,
a good human interface design will produce a device that is both user-intu-
itive and efficient. However, in most cases, there is a balance and trade-off
between the two. An intuitive design is easy to use, that is, a user can learn
to operate the device in a short time. However, the operation of such a
device may not be efficient. An example of such a device is a PACS (picture
archiving and communication system) using a standard computer mouse as
the human-machine interface between the user and the PACS. The mouse is
intuitive to most users. However, a radiologist may require going through a
large number of moves and clicks to complete a single task. On the other
hand, a specially designed, multi-button, task-oriented controller may be dif-
ficult to learn initially but will become more efficient once the radiologist has
gotten used to it. Figure 1-11 shows the efficiency-time learn-ing curve of a
device by a new user. The learning time for the intuitive device is shorter
than the specially designed device, but the efficiency is much lower once the
user becomes proficient with the specially designed device.

Patient Focus

Traditionally, in designing a medical device, much attention is given to
the safety and efficacy of the system. However, it is also important to look at

Overview of Biomedical Instrumentation 21
the design from the patient’s perspectives. A good medical device design
should be aesthetically pleasing to the eye and will not interfere with the nor-
mal routines of the patient. Some examples to illustrate the importance of
human factors design related to patients are:

• A model of an infrared ear thermometer looks like a pistol with a trigger.
The patient may feel threatened when the clinician points it into his or
her ear and pulls the trigger.
• A motorized fan in an infant incubator is too noisy. It disturbs the sleep
of the baby and may even inflict hearing damage.
• For a person who requires 24×7 mechanical ventilation, a tracheostomy
tube that cannot be concealed properly may affect his (or her) social life.

Support Staff Focus

In designing a medical device, the ergonomics of maintenance tasks
such as cleaning and servicing are often overlooked. Apart from its desired
application, a medical device will be handled by many parties during its life
span. A device that has difficult-to-assess hollow cavities will have problems
in cleaning and sterilization and hence is not suitable for some medical pro-
cedures. Some devices are not service-friendly; many poorly designed
devices require extensive dismantling in order to get access to replacement
parts such as light bulbs and batteries. Other devices may not have taken
into consideration the operating environment, which in most cases will
result in expensive and labor-intensive maintenance. An example is a fan-
cooled device used in a dusty environment. In addition, poor design of
accessories may increase the chance of incorrect assembly, which can
impose unnecessary risk on the patients.

Figure 1-11. Learning Curve.

22 Biomedical Device Technology
Human Errors

Understanding human errors is essential in designing and analyzing
medical devices. Human errors can be differentiated into three categories:

• Slips – slips are attention failures; the user has the right intention, but the
action was incorrectly carried out. An example is putting salt instead of
sugar into a cup of tea.
• Lapses – lapses are failure of memory; the operator has forgotten to carry
out the intended action. An individual who forgot to turn off the stove
before leaving home is an example.
• Mistakes – mistakes are choices of incorrect intention. A driver who took
a wrong turn made a mistake in his driving route is an example. Mistakes
can be further differentiated into rule-based and knowledge-based. Rule-
Figure 1-12. Medical Device System.
Table 1-4. Medical Device Risk Mitigation

Overview of Biomedical Instrumentation 23
based mistakes may occur when a pre-programmed solution is used on a
situation that is not anticipated, whereas knowledge-based mistakes will
occur under a new situation that requires novel solution beyond the
knowledge of the operator.

Human errors which occur in using a medical device may introduce risk
and lead to serious injury to the patient or user. Manufacturers should aim
to identify and remove risk during the design phase of medical device devel-
opment, rather than fixing the problem through post-market recalls. In fact,
most regulatory bodies require manufacturers to perform risk analysis as
well as benefit-risk analysis as part of the design assurance process on high-
risk devices. On the other side, users of medical devices should follow sim-
ilar approaches in risk mitigation. The risk index of a hazardous situation is
a measure of its risk severity based on its frequency of occurrence and the
degree of harm it may cause. Once an unacceptable risk factor is identified,
risk mitigation must be implemented such that the subsequent risk factor has
become acceptable. While some methods of mitigation are simple, others
can be complicated and costly. Nonetheless, it is important to understand the
effectiveness of these migration methods. Column 2 of Table 1-4 lists some
common methods of risk mitigation deployed in healthcare facilities. The
order of effectiveness of these methods are listed in column 1 which is based
on human factors consideration. Column 3 of the table provides examples
of risk mitigation methods in minimizing dose error (wrong infusion admin-
istered to patient) in intravenous infusion (IV) devices.

Table 1-5. Examples of Medical Device Input/Output

Signal Input
Electrical potential in ECG
Pressure signal in blood pressure monitoring
Heat in body temperature measurement
Carbon dioxide partial pressure in end-tidal CO2 monitoring
Device Output
Printout in paper chart recorder
Signal waveform in CRT display
Alarm signal in audible tone
Heat energy from a thermal blanket
Grayscale image on an X-ray film
Fluid flow from an infusion pump
Control Input
Exposure technique settings on an X-ray machine
Sensitivity setting on a medical display
Total infusion volume setting on an infusion pump
Alarm settings on an ECG monitor

24 Biomedical Device Technology
INPUT, OUTPUT, AND CONTROL SIGNALS

A simple system has a single input and a single output. When we study
a medical device using the systems approach, the first step is to analyze the
input to the device. In most cases, input signal to biomedical devices are
physiological signals. In order to study the characteristics of the output, one
must understand the nature of the processes that the device applies to the
input. In addition to the main input and output signals, most medical devices
have one or more control inputs (Figure 1–12). These control inputs are used
by the operator to select the functions and control the device. Table 1–5 lists
some examples of input, output, and control signals in biomedical devices.

CONSTRAINTS IN BIOMEDICAL SIGNAL MEASUREMENTS

Medical devices in many respects are similar to devices we use in every-
day life. In fact, most technologies used in health care are adapted from the
same technologies used in military, industrial, and commercial applications.
Since medical devices are used on humans, their reliability and safety
requirements are usually more stringent than other devices. In addition,
medical devices are often used in situations in which patients are vulnerable
to even minor errors; therefore, special consideration in minimizing risk is
necessary in designing medical devices. Listed next are some of the factors
and constraints in designing medical devices.

Low Signal Level

The level of biological signal can be very small, for example, on the
order of microvolts (μV) in EEG measurements. Therefore, very sensitive
transducers as well as good noise rejection methods are required.

Inaccessible Measurement Site

Many signal sources are inside the human body and hidden by other
anatomy. Biomedical measurements and procedures often require invasive
means to access specific anatomy. For example, to access a nerve fiber for
electrical activity measurement, the electrode must go through the skin, mus-
cle, and other tissues.

Small Physical Size

Some measurement sites are very small. In order to measure the signal
coming from these tiny sites while at the same time to avoid picking up the

Overview of Biomedical Instrumentation 25
surrounding activities, special sensors that allow isolated measurement at the
source are required. For example, in EMG measurement, needle electrodes
with insulated stems are used to measure the electrical signal produced at a
specific group of muscle fibers.

Difficult to Isolate Signal From Interfering Sources

As we cannot voluntarily turn ON or OFF, or remove tissue or organ to
take a measurement, the measurand is subjected to much interference. As an
example, in fetal monitoring, fetal heart activities are often masked by the
stronger maternal heartbeats. It requires special techniques to extract infor-
mation from these interfering signals.

Signal Varies With Time

Human physiological signals are seldom deterministic; they always
change with time and with the activities of the body. It is therefore not an easy
task to establish the norm of such signals. An example of such is in arterial
blood pressure measurement; the blood pressure of a person is usually higher
in the morning than at other times of day.

Signal Varies Among Healthy Individuals

Since every human being is different, the same physiological signal from
one person is different from that of another. It is not a straightforward task
to establish what is normal or abnormal and what is healthy or unhealthy
when looking at some of these physiological parameters. For example, there
is a huge difference in normal resting heart rate between an athlete and a
person who seldom exercises. Nevertheless, there are generally recognized
normal ranges. For example, systolic arterial pressure between 90 and 120
mmHg is considered acceptable.

Origin and Propagation of Signal Is Not Fully Understood

The human body is very complicated and nonhomogeneous. There are
many signal paths within the body, and interrelationships between physio-
logical events are often not fully understood. For example, the ECG
obtained by surface electrodes looks very different from that obtained by
invasive electrodes placed inside the heart chamber.

Difficult to Establish Safe Level of Applied Energy to the Tissue

Very often, electrical current from a medical device, whether by inten-

26 Biomedical Device Technology
tion or by accident, will flow through the patient’s body. Although such ener-
gy will impose risk on the patient, it is often difficult to establish the mini-
mum safety limits of such signals.

Able to Withstand Harsh Clinical Environment

Medical devices and their accessories can be soiled, contaminated by
chemicals and body fluid. They may be exposed to low or high temperature.
They need to be cleaned by water, cleaning agents, and surface disinfectants.
As well, some are required to be sterilized by heat or chemicals treatments.

Biocompatibility

The parts of a medical device that are in contact with patients must be
nontoxic and must not trigger adverse reaction. In addition, they must be
able to withstand the chemical corrosive environment of the human body.

CONCEPTS ON BIOCOMPATIBILITY

Definitions

Biocompatibility refers to the compatibility of nonliving materials with
living tissues and organisms, whereas histocompatibility refers to the com-
patibility of different tissues in connection with immunological response.
Histocompatibility is associated primarily with the human lymphocyte anti-
gen system. Rejection of transplants may be prevented by matching tissues
according to histocompatibility and by the use of immunosuppressive drugs.
Biocompatibility entails mechanical, chemical, pharmacological, and surface
compatibility. It is about the interactions that take place between the mate-
rials and the body fluid, tissues, and the physiological responses to these
reactions.
Biocompatibility of metallic materials is controlled by the electrochemi-
cal interaction that results in the release of metal ions or insoluble particles
into the tissues and the toxicity of these released substances. Biocompatibility
of polymers is, to a large extent, dependent on how the surrounding fluids
extract residual monomers, additives, and degradation products. Other than
the chemistry, biocompatibility is also influenced by other factors such as
mechanical stress imposed on the material.

Mechanism of Reaction

The adverse results of incompatibility include the production of toxic

Overview of Biomedical Instrumentation 27
chemicals, as well as the corrosion and degradation of the biomaterials,
which may affect the function or create failure of the device or implant.
Protein absorption of the implant and tissue infection may lead to premature
failure, resulting in removal and other complications. Compatibility between
medical devices and the human body falls under the heading of biocompat-
ibility.
Biocompatibility is especially important for implants or devices that for
a considerable length of time are in contact with or inside the human body.
Common implant materials include metal, polymers, ceramics, and prod-
ucts from other tissues or organisms.

Tissue Response to Implants

During an implant procedure, the process often requires injuring the tis-
sue. Such injury will invoke reaction such as vasodilation, leakage of fluid
into the extravascular space, and plugging of lymphatics. These reactions
produce classic inflammatory signs such as redness, swelling, and heat,
which often lead to local pain. Soon after injury of the soft tissues, the mes-
enchymal cells evolve into migratory fibroblasts that move into the injured
site; together with the scaffolding formed from fibrinogen in the inflamma-
tory exudates, collagen is deposited onto the wound. The collagen will dis-
solve and redeposit during the next 2 to 4 weeks for its molecules to poly-
merize in order to align and create cross-links to return the wound closer to
that of normal tissue. This restructuring process can take more than 6 months.
The body always tries to remove foreign materials. Foreign material may
be extruded from the body (as in the case of a wood splinter), walled off if
it cannot be moved, or ingested by macrophages if it is in particulate or fluid
form. These tissue responses are additional reactions to the healing process-
es described above.
A typical tissue response involves polymorphonuclear leukocytes
appearing near the implant site followed by macrophages (foreign body
giant cells). However, if the implant is chemically and physically inert to the
tissue, only a thin layer of collagenous tissue is developed to encapsulate the
implant. If the implant is either a chemical or a physical irritant to the sur-
rounding tissue, then inflammation occurs at the implant site. The inflamma-
tion will delay normal healing and may cause necrosis of tissues by chemi-
cal, mechanical, and thermal trauma.
The degree of the tissue response varies according to both the physical
and chemical nature of the implants. Pure metals (except the noble metals)
tend to evoke a severe tissue reaction. Titanium has minimum tissue reaction
of all the common metals used in implants as long as its oxide layer remains

28 Biomedical Device Technology
intact to prevent diffusion of metal ions and oxygen. Corrosion-resistant
alloys such as cobalt-chromium and stainless steel have a similar effect on
tissue once they are passivated. Most ceramic materials are oxides such as
TiO
2 and Al2O3. These materials show minimal tissue reactions with only a
thin layer of encapsulation. Polymers are quite inert toward tissue if there are
no additives such as antioxidants, plasticizers, anti-discoloring agents, et
cetera. On the other hand, monomers can evoke an adverse reaction since
they are very reactive. Therefore, the degree of polymerization is related to
the extent of tissue reaction. As 100% polymerization is not achievable, dif-
ferent sizes of polymer can leach out and cause severe tissue reaction.
A very important requirement for implant or materials in contact with
blood is blood compatibility. Blood compatibility includes creating blood
clot and damaging protein, enzymes, and blood elements. Damage to blood
elements includes hemolysis (rupture of red blood cells) and triggering of
platelet release. Factors affecting blood compatibility include surface rough-
ness and surface wettability. A non-thrombogenic surface can be created by
coating the surface with heparin, negatively charging the surface, or coating
the surface with non-thrombogenic materials.
Systemic effect can be linked to some biodegradable sutures and surgical
adhesives, as well as particles released from wear and corrosion of metals
and other implants. In addition, there are some concerns about the possible
carcinogenicity of some materials used in implantation.

Characteristics of Materials Affecting Biocompatibility

In addition to the above consideration, the following material character-
istics should be analyzed to determine biocompatibility:

• Stress—the force exerted per unit area on the material; stress can be ten-
sile, compressive, or shear.
• Strain—the percentage dimensional deformation of the material.
• Viscoelasticity—the time-dependent response between stress and strain.
• Thermal properties—include melting point, boiling point, specific heat
capacity, heat capacity, thermal conductivity, and thermal expansion coef-
ficient.
• Surface property—measure of surface tension and contact angle between
liquid and solid surface.
• Heat treatment—for example, quenching of metal or surface compression
of glass and ceramics to improve material strength.
• Electrical properties—determination of resistivity and piezoelectric prop-
erties.
• Optical properties—measurement of refractive index and spectral absorp-
tivity.

Overview of Biomedical Instrumentation 29
• Density and porosity—include measurement of solid volume fraction.
• Acoustic properties—include acoustic impedance and attenuation coeffi-
cient.
• Diffusion properties—determination of permeability coefficients.

Each of these characteristics should be analyzed for its intended applica-
tions. It should be noted that the same material may have different degrees
of biocompatibility under different environments and different applications.

In Vitro and In Vivo Tests for Biocompatibility

Tests for biocompatibility should include both material and host respons-
es. The usual approach in testing a new product is to perform an in vitro
screening test for quick rejection of incompatible materials. In vitro tests can
be divided into two general classes: (1) tissue culture methods, and (2) blood
contact methods.
Tissue culture refers collectively to the practice of maintaining portions
of living tissues in a viable state, including cell culture, tissue culture, and
organ culture. Blood contact methods are performed only for blood contact
applications such as cardiovascular devices. Both static and dynamic (flow)
tests should be performed.
After screening by in vitro techniques, the product is moved to in vivo
testing. It is the practice to test new implant materials or existing materials
in significantly different applications. In vivo tests are often done in extend-
ed-time whole animal tests before human clinical trials. In vivo tests in gen-
eral are divided into two types: (1) nonfunctional, and (2) functional.
In nonfunctional tests, the product material can be of any shape and is
embedded passively in the tissue site for a period of time (e.g., a few weeks
to 24 months). Nonfunctional tests focus on the direct interactions between
the material of the product and the chemical and biological species of the
implant environment. In addition to being implanted, functional tests
require that the product be placed in the functional mode as close as possi-
ble to the conditions of its intended applications. The purpose of functional
tests is to study both the host and material responses such as tissue in growth
into porous materials, material fatigue, and production of wear particles in
load-bearing devices. Functional tests are obviously more involved and cost-
ly than nonfunctional tests.

FUNCTIONAL BUILDING BLOCKS OF
MEDICAL INSTRUMENTATION

A typical diagnostic medical device acquires information from the
patient, analyzes and processes the data, and presents the information to the

30 Biomedical Device Technology
clinician. In a therapeutic device, it processes the input from the clinician
and applies the therapeutic energy to the patient. Figure 1–13 shows the
functional building blocks of a typical medical device. It includes the follow-
ing functional building blocks:

• Patient interface
• Analog processing
• Analog to digital conversion and digital to analog conversion
• Signal isolation
• Digital processing
• Memory
• User interface

Interface

In diagnostic devices, the patient interface includes transducers or sen-
sors to pick up and convert the physiological signal (e.g., blood pressure) to
an electrical signal. In therapeutic devices, the patient interface contains
transducers that generate and apply energy to the patient (e.g., ultrasound
physiotherapy unit).

Analog Processing

The analog processing contains electrical circuits such as amplifiers (to
increase signal level) and filters (to remove any unwanted frequency compo-
nents such as high-frequency noise from the signal). The signal until this
point is still in its analog format.

Figure 1-13. Functional Block Diagram of a Medical Instrument.

Overview of Biomedical Instrumentation 31
Analog to Digital Conversion

The function of the analog to digital converter (ADC) is to convert the
analog signal to its digital format. The signal coming from the ADC is a
string of binary numbers (1’s and 0’s).

Digital to Analog Conversion

If an analog output is necessary, a digital to analog converter (DAC) will
be required to convert the digital signal from its “1” and “0” states back to
its analog format. A DAC reverses the process of an ADC.

Signal Isolation

The primary function of signal isolation is for microshock prevention in
patient electrical safety. The isolation barrier, usually an opto-coupler, pro-
vides a very high electrical impedance between the patient’s applied parts
and the power supply circuit to limit the amount of risk current flowing to
or from the patient.

Digital Processing

After being digitized by the ADC, the signal is sent to the digital process-
ing circuit. In a modern medical instrument, digital processing is done by
one or more computers built into the system. The center of a digital com-
puter is the central processing unit (CPU). Depending on the needs, the
CPU may perform functions such as calculations, signal conditioning, pat-
tern recognition, information extraction, et cetera.

Memory

Information such as waveforms or computed data is stored in its binary
format in the memory module of the device. Signal stored in the memory
can later be retrieved for display, analysis, or used to control other outputs.

Network & Communication Interface

Most medical devices today are able to communicate with their system com-
ponents (such a patient monitor connected to its a central station), with other
devices (e.g., a mechanical ventilator with a patient monitor), or with other sys-
tems (such as the electronic medical records). Device manufacturers often
adhere to network and communication standards to facilitate compatibility.

32 Biomedical Device Technology
User Interface

User interfaces can be output or input devices. Examples of output user
interfaces are display monitor for physiological waveform and audio alarm
annunciator. Examples of input devices are touch screen and voice com-
mand input.

BIBLIOGRAPHY

Andrade J. D., & Hlady, V. (1986). Protein absorption and materials biocompatibili-
ty: A tutorial review and suggested hypotheses. In Advances in Polymer Science,
Biopolymers/Non-Exclusion HPLC (Vol. 79, pp 1-63). Berlin: Springer-Verlag.
Black J. (1992). Biological Performance of Materials (2nd ed.). New York: M. Dekker,
Inc., 1992.
Byrne, J. H., & Schultz, S. G. (1988). An Introduction to Membrane Transport and
Bioelectricity. New York: Raven Press.
Chen, Y. J., et al. (2018). A Comparative Study of Medical Device Regulations: US,
Europe, Canada, and Taiwan. Therapeutic Innovation & Regulatory Science. 52(1),
62-69.
Clark, J. W., Jr. (2010). The origin of biopotentials. In J. G. Webster (Ed.), Medical
Instrumentation: Application and Design. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons.
Hall, J. E. (2010). Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology (12th ed.).
Philadelphia, PA: Saunders Elsevier.
International Association for Standardization. (2016). ISO 13485: 2016: Quality
Management System for Medical Devices. Geneva, Switzerland. 2016.
International Association for Standardization. (2007). ISO 14971: 2007 (2019 update
underway): Medical Devices – Application of Risk Management to Medical Devices.
Geneva, Switzerland.
International Association for Standardization. (2007). ISO 62366: 2007: Medical
Devices – Application of Usability Engineering to Medical Devices. Geneva, Switzerland.
Skyttner L. (2006). General Systems Theory: Problems, Perspective, Practice.
Hackensack, NJ: World Scientific Publishing Company.
von Bertalanffy L. General System theory: Foundations, Development, Applications (Rev.
ed.). New York, NY: George Braziller.
Vicente, K. J. (2003). The Human Factor. Toronto, Ontario: Knopf Canada.
Wickens, C. D., & Hollands, J. G. (2000). Engineering psychology and human performance
(3rd ed.). New Jersey: Prentice Hall.
Williams, D. F. (2008). On the mechanisms of biocompatibility. Biomaterials 29(20),
2941-2953.

Chapter 2

CONCEPTS IN SIGNAL MEASUREMENT,
PROCESSING, AND ANALYSIS

OBJECTIVES

• Explain device specifications and their significance in medical instrumen-
tations.
• Define signal measurement parameters, including accuracy, error, preci-
sion, resolution, reproducibility, sensitivity, linearity, hysteresis, zero offset,
and calibration.
• Describe steady state, transient, linear and nonlinear responses in transfer
characteristics.
• Discuss and analyze time and frequency domain transformation and the
effect of filters on biological signals.

CHAPTER CONTENTS

1. Introduction
2. Error of Measurements and Calibration
3. Device Specifications
4. Steady State Versus Transient Characteristics
5. Linear Versus Nonlinear Steady State Characteristics
6. Time and Frequency Domains
7. Signal Processing and Analysis

3333

34 Biomedical Device Technology
INTRODUCTION

Most medical devices involve measurement or sensing one or more
physiological signals, enhancing the signals of interest, and extracting useful
information from the signals. The concepts of signal measurement, process-
ing, and analysis are fundamental in understanding scientific instrumenta-
tions, including medical devices. This chapter provides an introductory
overview of these concepts.

ERROR OF MEASUREMENT AND CALIBRATION

Measurements are fundamental to science including measurement per-
formed by instruments used in medicine. All measurements have a degree
of uncertainty caused by two error factors, the limitation of the measuring
instrument and the skill of the experimenter making the measurements. It is
important that the results will not vary with a change of instrument, operator
or measuring action. As users, we all expect a screw will fit into nuts of the
same size even though they are from different manufacturers. In medical
temperature measurement, a biomedical engineer trusts two J-type thermo-
couples will give the same output when they are exposed to the identical
temperature. This confidence is based on international standard compliance
and quality assurance in the measurement process. It is common practice to
express the quality of a measurement by the measurement uncertainty asso-
ciated with the result. The confidence in the value and the stated uncertainty
relies on the traceability of measurement involving an unbroken and docu-
mented chain linking instrument used in the measurement to an internation-
ally agreed measurement standard.
The error (ε) of a single measured quantity is the measured value (Q
m)
minus the true value (Q
t), or

ε = Q
m – Qt

There are three types of errors: gross error, systematic error, and random
error. The total error is the sum of all three error quantities.

• Gross error is human error and arises from incorrect use of the instrument
or misinterpretation of the measurement by the person taking the mea-
surements (e.g., misread the scale of measurement, use a wrong constant
in unit conversion).
• Systematic error results from bias in the instrument (e.g., improper cali-
bration, defective or worn parts, adverse effect of the environment on the

Concepts in Signal Measurement, Processing, and Analysis 35
equipment).
• Random error is fluctuations that cannot be directly established or cor-
rected in each measurement (e.g., electronic noise, noise in photographic
process). Random error can be reduced by taking the mean of repeated
measurements.

Error may be expressed as absolute error or relative error.

• Absolute error ΔZ of a measured quantity Z is expressed in the specific
unit of measurement and is always ≥ 0, for example, Z = 15 W ± 1 W
(where ΔZ = 1 W is the absolute error). The graphical representation is
shown in Figure 2-1a. For a given input, the output will be equal to the
corresponding output value within plus or minus the given error value;
that is, within the dotted line in the graph.
• Relative error is expressed as a ratio of the measured quantity, such as, “±
5% of the output (or measured value)” (Figure 2-1b).
• An alternative way to express absolute error is percentage of full scale, for
example, “± 5% of full-scale output” (Figure 2-1c).
• Error can also be a combination of the above, such as, “± 1 W or ± 5%
of output, whichever is greater” (Figure 2-1d).

In scientific measurements, the error of measurement (e.g., due to errors
of the instruments) is often displayed as an error bar at the measurement
point in the graph. The dimension of the error bar accounts for the sum of
all errors in acquiring the measured value. An example is shown in Figure
2-1e where a straight line is best fitted to the 4 measured data points.
Quite often, the eventual output of an experiment (or a measurement
process) is the combination of a number of intermediate measured quanti-
ties. Errors arising from each will propagate and contribute to the overall
error of the final outcome. Below are the rules of error propagation:

1. A multiplication constant factor k does not affect the relative error

Z = kA→ΔZ = kΔA, therefore

ΔZ ΔA
—— = ——
Z A

2. Addition and subtraction with constants c, m

Z = cA ± mB ±⋯

36 Biomedical Device Technology
Figure 2-1. Error Representation.

(note that the error terms always add)

3. Multiplication and division with a constant factor k

Concepts in Signal Measurement, Processing, and Analysis 37
kA × B ×…
z = ——————
C × D ×…

4. For functions of one variable, Z = F(A), if the quantity A is measured
with error ΔA,
Example

Determine the error when Z is given by: Z = xy
-
1
w
2
(1 - sinθ)
1/2

Solution

Let us rewrite the above equation to:

Z = A * B * C * D, where A = x, B = y
-
1
, C = w
2
, D = (1 - sinθ)
1/2

The relative error according to Rule#3 above becomes

Applying Rule#4

Calibration is the process of determining and recording the relation-
ships between the values indicated by a measuring instrument and the true
value of the measured quantity. Since the true value is usually difficult to
obtain, the instrument is often calibrated against a device that is traceable to
a national standard. The definition of “metrological traceability” or simply
“traceability,” according to the International Vocabulary of Metrology (VIM)

38 Biomedical Device Technology
is: “Property of a measurement result whereby the result can be related to a
reference through a documented unbroken chain of calibrations, each con-
tributing to the measurement uncertainty”.
In calibration, metrological traceability is a fundamental consideration.
If the calibration is not traceable, one cannot be sure if the measured value
is correct or not. Table 2-1 shows a practical chain to achieve traceability.
In a hospital, there are many instruments (e.g., body temperature mon-
itors) that are calibrated regularly by using some calibrators (e.g., an accurate
thermometer). The calibrators is typically sent out to an external calibration
laboratory or they are calibrated in-house by some reference standards (e.g.,
a precision temperature meter). The reference standards are sent out to an
accredited external calibration laboratory to be calibrated. The external cal-
ibration laboratory will calibrate their references to assure traceability to the
National Calibration laboratory (e.g. the NRC in Canada, or NIST in the
US). The National Calibration laboratories work with International Level
laboratories to assure that their calibrations are on the same level. The
International Level laboratories based their measurements on international
definitions and international comparisons. In addition to traceability, calibra-
tion needs to be properly scheduled, performed by trained professionals,
and fully documented according to the user’s quality system.

Table 2-1. Calibration Traceability Chain in Practice

Concepts in Signal Measurement, Processing, and Analysis 39
DEVICE SPECIFICATIONS

To understand the functions and performance of a medical device, one
should start from reading the specifications of the device. Specifications of
an instrument are the claims from the manufacturer on the characteristics
and performance of the instrument. The specification document of a med-
ical device should contain at the minimum the following information:

• List of device functions and intended use
• Input and output characteristics
• Performance statements
• Physical characteristics
• Environmental requirements
• Regulatory classifications
• User safety precautions where applicable

Above is an example of a specification document of an electrocardio-
graph. Some common parameters found in medical device specifications are
explained next.

Instrument type: 12-channel, microcomputer-augmented, automatic electro-
cardiograph
Input channels: simultaneous acquisition of up to 12 channels
Frequency response: –3 dB @ 0.01 to 105 Hz
Sensitivities: 2.5, 5, 10, and 20 mm/mV, ±2%
Input impedance: >50 MΩ
Common mode rejection ratio: >106 dB
Recorder type: thermal digital dot array, 200 dots/in. vertical resolution
Recorder speed: 1, 5, 25, and 50 mm/s, ±3%
Digital sampling rate: 2000 samples/s/channel
ECG analysis frequency: 250 samples/s
Display formats: user-selectable 3, 4, 5, 6, and 12 channels with lead con-
figurations
Dimensions: H × W × D = 90 cm × 42 cm × 75 cm
Weight: 30 kg
Power requirements: 90 VAC to 260 VAC, 50 or 60 Hz
Certification: UL 544 listed, meets ANSI/AAMI standards, complies with IEC
601 standards

Random documents with unrelated
content Scribd suggests to you:

The Project Gutenberg eBook of Kaunis ja sen
lait

This ebook is for the use of anyone anywhere in the United States
and most other parts of the world at no cost and with almost no
restrictions whatsoever. You may copy it, give it away or re-use it
under the terms of the Project Gutenberg License included with this
ebook or online at www.gutenberg.org. If you are not located in the
United States, you will have to check the laws of the country where
you are located before using this eBook.
Title: Kaunis ja sen lait
Author: Viktor Rydberg
Translator: Eino Palola
Release date: October 13, 2018 [eBook #58087]
Language: Finnish
Credits: Produced by Juhani Kärkkäinen and Tapio Riikonen
*** START OF THE PROJECT GUTENBERG EBOOK KAUNIS JA SEN
LAIT ***

Produced by Juhani Kärkkäinen and Tapio Riikonen
KAUNIS JA SEN LAIT
Kirj.
Viktor Rydberg
Suomentanut
Eino Palola

Hämeenlinnassa, Arvi A. Karisto Osakeyhtiö, 1920.

SISÄLLYS:
       Suomentajan alkusanat.
    I. Taiteen synty ja kehitysoppi.
   II. Yleispätevät esteettiset arvostelmat.
  III. Ei-esteettisiä tekijöitä.
   IV. Ulkonaisen luonnon vaikutelmat.
    V. Uskonnollinen tunne ja luonnonkäsitys.
   VI. Muotojen kauneuslait.
  VII. Symmetria.
VIII. Värisymboliikka.
   IX. Vastavärit.
    X. Kaunis ja tarkoituksenmukaisuus.
   XI. Kaunis luonnossa ja taiteessa.
  XII. Luonnontutkimuksen merkitys.
XIII. Idealismi, skematismi, realismi, naturalismi.
  XIV. Kuvaavien taiteiden elinehdot.
Suomentajan alkusanat.

Ruotsalainen kirjailija ja ajattelija Viktor Rydberg syntyi v. 1828
Jönköpingin linnan vahtimestarin poikana. Hän kävi koulua
kotikaupungissaan ja Vexiössä, mutta erosi ja suoritti sittemmin omin
päin ylioppilastutkinnon. Yliopistossa hän ei kuitenkaan suuren
varattomuutensa vuoksi opintojaan jatkanut, vaan hankki vapaalla
opiskelulla itselleen hyvin huomattavat tiedot ja kunnioitetun nimen
tiedemiehenä. Tästä tunnustukseksi hänet v. 1877 vihittiin
kunniatohtoriksi ja otettiin kirjallisten ansioittensa takia Ruotsin
akatemian jäseneksi. V. 1884 hänet kutsuttiin Tukholman
korkeakoulun professoriksikin. Kun hän v. 1895 kuoli, oli Ruotsissa
melkein maansuru, sillä Rydberg ei ollut ainoastaan aikansa
edustavin vaan myöskin ehein persoonallisuus.
Rydbergin kirjallinen toiminta on kahdenlaista: — kaunokirjallista
ja tieteellistä. Edellisellä alalla hän on ollut maassamme tunnettu ja
ihailtu jo kauan. Hänen "Viimeinen atenalaisensa", "Itämeren
risteilijä", "Aseseppä", "Singoalla" sekä kaunismuotoiset
ylevähenkiset runonsa ovat maassamme saavuttaneet suuren
ystäväpiirin.
Hänen taiteellinen tutkimustyönsä on taas pääasiallisesti liikkunut
sivistyshistorian ja filosofian aloilla. Näistä ovat tärkeimpiä teokset
Undersökningar i germanisk mytologi, Medeltidens kultur ja Bibelns
lära om Kristus, joka ilmestyessään synnytti ankaran myrskyn
kirkollisissa piireissä.
Kaikessa, mitä Rydberg on julkaissut, ilmenee hänen suuri
sivistyksensä, johon kreikkalais-roomalaisten opintojen vaikutuksesta
on liittynyt korkea ihanteellinen ja syvästi aatteellinen piirre.
Kaunokirjallisistakaan teoksistaan Rydberg ei ole kirjoittanut
ainoatakaan vain huviksi, vain taiteellisen luomistyön halusta. Niissä

ilmenee kaikissa voimakas aatteellinen virtaus, kaikissa hän antaa
lukijoille käsityksen omasta ihanteellisesta
maailmankatsomuksestaan, kaikista oppii jotakin, alkaa käsittää
elämän suuremmalta, korkeammalta kannalta kuin ennen.
Rydbergin kirjailijatoimi sattui aikana, jolloin Ruotsin romanttinen
koulu enää eli vain heikkoa valhe-elämää ja realistinen ei vielä ollut
tuonut julki mitään mainittavampaa. Tuon aukon täyttääkin hänen
suurenmoinen persoonallisuutensa aivan yksin. Ajalle saattoivat
hänen ihanteensa olla vieraita, mutta ikuisuuden kannalta ne ovat
aina yhtä tosia ja kauniita. Ajan keskellä hän seisoo yksin kuin
kaatumaton korkea pylväs, jota pikku kansa saattaa vain ihailla ja
ihmetellä, ja johon kadehtijain hammastelu ei pysty.
Nyt suomennettuna ilmestyvää teosta ei Rydberg ole itse
julkaissut. Se sisältää luennot, jotka hän Göteborgin korkeakoulussa
v. 1881 piti taiteesta, ja jotka prof. Karl Warburg hänen kuolemansa
jälkeen kirjaksi koottuina julkaisi.
"Kaunis ja sen lait" ei esteettisenä tutkielmana ole mikään
käänteentekevä merkkiteos tämän tieteenhaaran alalla eikä siinä
johdonmukaisesti esitetä mitään filosofista järjestelmää esteettisistä
ilmiöistä. Tekijä käsittelee siinä vain omaan katsantokantaansa
perustaen eräitä kauniin alkeellisia lakeja, esittäen värien ja
muotojen kauneuden ensimäisiä perusteita. Sen vuoksi kirja onkin
sopiva alottelijan käteen annettavaksi selvän ja helppotajuisen
esitystapansa takia. Sellaisena sitä on myös käytetty meidän
yliopistossamme taidehistorian opintovälineeksi.
Enemmän kuin monet muut Rydberg tehostaa ihanteellisen
perusluonteensa mukaisesti sisällystä ennen muotoa. Hänen ylevä,
syvällinen ajattelutapansa kiinnittää usein huomiotamme paljoa

enemmän kuin saavutetut tulokset. Näin sekin omalla tavallaan
voimakkaasti kuvastelee suuriaatteista, syvästi sivistynyttä, hienosti
ja jalosti ajattelevaa ihmistä, jollainen Rydberg oli, ja tämä etu on
suuri kirjan käytännöllisen merkityksen rinnalla.
Suomentaja.

I.
TAITEEN SYNTY JA KEHITYSOPPI.
Taide ei ole satunnaista. Se seikka, että ihmiskunnan historia on
olemukseltaan kultuurihistoriaa, että kultuurihistoria vuorostaan
esittää inhimillisen taidetoiminnan kehitystä, jonka vaiheissa
kansojen erilaiset luonteenlaadut ja aikakausien erilaiset
tunnusmerkit esiintyvät aisteillemme käsitettäviksi muodosteltuina —
se ei ole sattumaa, ei olosuhteiden leikkiä. Se perustuu samalla lailla
maailman järjestykseen ja on yhtä eroittamattomasti yhdistynyt sen
lakeihin kuin se, että kosmillinen usva tihenee aurinkokunniksi, että
elämää on syntynyt auringon ympärille muodostuneilla kiertotähdillä,
että näin syntynyt elämä on liikkunut yhä herkempänä, yhä
tietoisempana yhä kehittyneemmissä elimistösarjoissa, ja että, mitä
meidän maapalloomme tulee, ihminen on ilmautunut siellä
toistaiseksi viimeisenä ja tietoisuudeltaan täydellisimpänä
olentolajina.
Vaikka olemme asianosaisia ja siis käytämme puhevaltaa omassa
asiassamme väittäessämme, että ihminen on täydellisempi kuin
muut elimistöt tällä kiertotähdellä, ei meidän kuitenkaan tarvitse
pelätä, että arvostelumme perustuisi itserakkauteen tai oman

arvomme liioitteluun. Se perustuu todellisten olojen tarkkoihin
vaarinottoihin, ja jos se sittenkin olisi väärä, olisivat kaikki
arvopäätelmämme, kaikki käsityksemme paremmasta ja
huonommasta, täydellisemmästä ja epätäydellisemmästä yhtä vääriä
kuin sekin. Toisin sanoen: se tapa, millä henkinen elimistömme
johtaa meidät näkemään ja arvostelemaan asioita ympärillämme,
olisi silloin väärä, ja koko meidän henkinen elimistömme pilalla.
Täten otaksumalla olisi tuomio langetettu kaikesta
arvostelemisestamme, kaikesta harkinnastamme, kaikesta
tutkimuksestamme.
Meidän täytyy senvuoksi pitää kiinni siitä vertaileviin huomioihin
perustuvasta mielipiteestä, että luonnon kehitys on meidän
kiertotähdellämme saavuttanut toistaiseksi korkeimman vaiheensa
ihmisen esiintymisessä. Tähän mielipiteeseen sisältyy itsearviointi,
jonka ei tarvitse johtaa ylpeyteen, koska sillä on varjopuoli, joka yhtä
jyrkästi antaa meille tiedoksi, että ennenkuin ihminen tuli
maailmaan, oli siellä tosin leppymättömän ankarana jatkuva taistelu
olemassaolosta, mutta siellä ei ollut siveellistä pahuutta, ei
alhaisuutta, ei halpamaisuutta, ei syntiä, koska siellä ei myöskään
ollut vastuunalaisuutta ja koska taistelevien joukossa ei ollut
ainoatakaan, jonka aivoissa tietoisuuden hämärän läpi olisi
häämöittänyt mallikuvia, ajattelemisen ja toiminnan ihanteita.
Juuri siitä, että olemuksemme perusteella tietoisuudessamme
ennemmin tai myöhemmin välttämättä hohtaa ajattelemisen ja
toiminnan ihanteita, juuri siitä ja ainoastaan siitä riippuu
etevämmyytemme eläinten rinnalla. Ihmisen suurempi tai pienempi
ruumiillinen yhtäläisyys niiden kanssa viittaa selvästi siihen, että ne
ja hän ovat saman kehityssarjan jäseniä, että hän ja ne ovat lehtiä,
jotka ovat kasvaneet ja vieläkin kasvavat samassa Yggdrasil-puussa.

Aistillisen luontonsa puolesta on ihmisellä samanlaisia tarpeita kuin
niilläkin, ja senvuoksi hänelläkin on paikkansa taistelussa
ruumiillisesta olemassaolosta. Esikuvitta, ihanteitta hän olisi
samanlainen kuin ne: hän olisi eläin, ei muuta kuin eläin ja
luultavasti viekkain ja julmin kaikista niistä lajeista, joissa eläinten
elämä ilmautuu. Se, että hän on jotakin muuta ja korkeampaa,
johtuu siitä, että hän on taipumuksiltaan idealisti, kun eläimet taas
ovat realisteja.
Niille eläimille, joille on suotu jokseenkin samanlaiset aistimet kuin
meille, aukenee enemmän tai vähemmän samanlainen ilmiömaailma
kuin meillekin. Mutta niistä tavattoman monista ajallisista ja
paikallisista ilmiöistä, jotka vaikuttavat niiden hermoihin samoin kuin
meidänkin, kiinnittävät niitä yksinomaan tai melkein yksistään ne,
jotka niiden täytyy ottaa huomioon tyydyttääkseen ruumiillisia
tarpeitaan, hankkiakseen turvaa, suojellakseen henkeään. Tämän
piirin ulkopuolella ei ilmiöillä ole mitään merkitystä niille. Enempää
ne eivät kysy eivätkä vaadi maailmalta. Ne eivät välitä siitä
yhteydestä, mikä ilmiöiden välillä on, niiden syysuhteista ja
keskinäisistä vaikutuksista. Ne eivät pidä tuota kuvien, värien,
sointujen vaihtelua, mikä koskee niiden näköön ja kuuloon,
kokonaisuutena, maailmana, kaikkeutena; niillä ei ole vähääkään
halua ottaa selville, missä kaikkien noiden ilmiöiden lähde on, kuinka
tämä maailma on syntynyt, mikä sen tarkoitus on, jos sillä se on, ja
mikä sen päämäärä on, jos sillä se on. Vielä vähemmin eläin kysyy
tai saattaa kysyä itseltään sellaista kuin: mikä sen oma alkuperä, sen
tarkoitus ja sen päämäärä saattaa olla.
Ihminen taas alkoi jo aikaisin kysellä tätä itseltään. Vanhimmat
inhimillisen ajatustoiminnan muistot, mitä tuleville sukupolville on
pelastettu, todistavat, että nuo kysymykset liikkuivat heidän

mielessään. Ihmiskunnan meille jääneet vanhimmat runot ovat
kosmografisia, sen vanhimmat runolliset unelmat kertovat
maailmoista, missä sielut löytävät päämäärän, joka on aisteilla
tajuttavien ilmiöiden takana. Eräs vanhimpia vaikutelmakokoomuksia
kuvaa maailmankaikkeuden puun muotoiseksi, siis elimelliseksi
kokonaisuudeksi, Yggdrasiliksi, joka iti avaruudessa olleesta
siemenestä ja kasvoi yhä korkeammaksi ja levitteli aikojen ja
paikkojen äärettömyyteen oksia, joiden haarat ja lehdet ovat
maailman aikakausien vaihtelevia olomuotoja.
Sehän on, voisi sanoa, symboolinen tai runollinen kuva Darwinin
kehitysopista. Sellainen onkin todella asianlaita, sillä eroituksella
ainoastaan, että kehitysajatus, kun se ensi kertaa ja hyvin aikaisin
pääsi kuuluville, oli kuin sisäinen näkemys, niinkuin mielikuvituksen
laatima kokoomus maailman ihmishenkeen jättämistä vaikutelmista,
kun se meidän päivinämme taas on esiintynyt järjestelmällisen
tutkimuksen laatimana kokoomuksena tosiseikoista, joita
tutkijajoukko on sanomattomalla vaivalla, useiden sukupolvien
aikana todennut, käsitettyinä yhteydessä toistensa kanssa. Sen
esihistoriallisen Darwinin, joka ensi kertaa näki maailman ajallisesti
ja paikallisesti siemenestään kehittyvänä äärettömänä elimistönä, ja
yhdeksännentoista vuosisadan Darwinin välillä, joka piti sitä
sielulliskoneellisten voimien kehittämänä muotosarjana, on
vuosituhansia, joitten aikana ihmissuku on kaivannut tietoa,
halunnut laajentaa sitä tietomäärää, jonka se oli saavuttanut,
pyrkinyt käsittämään asioiden olemusta joko runollisella innoituksella
tai uskonnollisella luottamuksella tai ilmiöiden täsmällisellä,
kiihkottomalla tutkimuksella ja yhdistämällä filosofisesti kaikki eri
teillä saavutetut kokemukset.

Tiedon halu, totuuden vaatimus on ollut yleinen sukukuntamme
keskuudessa tänäkin taistelun aikana, jota senkin niinkuin eläinten
tulee olemassaolonsa puolesta käydä, ja se on vaikuttanut
aikomattakaan voittaa sitä, minkä se todella on totuuteen
pyrkimyksen sivutuotteena voittanut, nimittäin uusia, iskevämpiä
aseita olemassaolon taistelua varten. Tietämisen kaipuu, totuuden
vaatimus on ollut yleinen tietämisen, totuuden itsensä takia, ja
monet ovat ne meidän vertaisemme olleet, jotka olisivat sysänneet
luotaan ravitsevan leivän ja uhranneet maisen olemassaolonsa, jos
he sillä olisivat voineet ostaa pienenkin tietomäärän lisän.
Tässä on yksi ihmisen ja eläimen eroavaisuuksia. Edellisellä on
mallikuvia, ihanteita, jälkimäisellä ei, ja se mallikuva, se ihanne, joka
tässä on vaikuttanut, on maailman kaikkeudetkin läpitunkevan ja
käsittävän tietämisen mallikuva, on ihanne sellaisen totuuden, missä
ajatus on korkean, syvän todellisuuden peilikuva. Sellaista tietämistä
ei ihmiskunta milloinkaan tule saavuttamaan; mutta mallikuvaa se ei
koskaan petä, sillä se osoittaa, niinkuin tähdet osoittavat purjehtijalle
tietä, matkan oikean suunnan, vaikkei tähtiä milloinkaan voi
saavuttaa.
Toiset mallikuvat, jotka sisältyvät ihmisen olemukseen ja
ennemmin tai myöhemmin, heikommin tai voimakkaammin,
kirkastuvat ja vaikuttavat hänen tietoisuudessaan, ovat eetilliset ja
esteettiset esikuvat, hyvän ihanne ja kauniin ihanne. Ihminen laatii
itselleen mielleluokkia jostakin, jonka pitäisi olla, mutta jota ei ole.
Hän ei omaksu sitä todellisuutta, mihin hänet on asetettu, täydellisen
alistuvasti ja arvostelematta, kuinka vaativalta, voimakkaalta ja
valtaavalta häntä ympäröivä maailma näyttäneekin. Hän tahtoo
itseharjoituksella ja itsensä voittamalla jalostua, kasvatuksella tehdä
lapset alttiiksi parantaville vaikutuksille ja yhteiskunnallisessa

elämässä notkistaa täysi-ikäiset ja taivuttaa heidän itsekkäät
vaistonsa oikean ja yleisen hyvän ohjenuoran mukaan. Hänessä
syntyy tunne, jonka vaikuttaessa esineet näyttävät kauneilta tai ei-
kauneilta, hän ei tahdo uudistaa todellisuutta ainoastaan siten, että
se paremmin tyydyttäisi hänen aineellisia tarpeitaan, vaan myöskin
siten, että se tuntuisi hänestä viehättävämmältä ja
sopusointuisemmalta. Ja hän haluaa — ja sitä ei yksikään eläin ole
halunnut — luoda itse, muodostaa itse, asettaa silmiensä eteen
jäljennöksiä niistä kuvista, joita aistimusten ja mielikuvituksen
yhdistelmien välityksellä on syntynyt hänen sielussaan, ja hänen näin
vaistomaisesti sellaiseen luomistyöhön joutuneena piirtäessään ja
muovaillessaan syntyy taide.
Näitten kolmen ihanteen, totuuden, hyvyyden, kauneuden
mallikuvien yhtyessä, niitten toimiessa luonteessamme tulee
ihmisestä kultuuri-ihminen ja siten jokin eläimiä korkeampi. Jolleivät
nämä ihanteet olisi päässeet ilmoille hänessä, ei se ajankohta, jolloin
ihminen esiintyi kiertotähdellämme, olisi tehnyt minkäänlaista
käännettä aurinkokuntien elämän kehityshistoriassa. Ihmisen
esiintyminen olisi silloin ollut vain uuden luurankois- ja
nisäkäsmuodon esiintymistä niiden monien eläinlajien rinnalle, jotka
ovat syntyneet, elävät, taistelevat ja kuolevat tällä pallolla. Vasta
sitten kun ihanteet olivat niin sanoakseni ladelleet maahan ja
asettuneet niiden asunnoiksi luotuihin sieluihin, nousee eläimellinen
elo täällä korkeammalle itseään ja muuttuu sivistyselämäksi. Ja vasta
silloin voi kokonaisuudessa huomata jotakin suunnitelmaa ja
tarkoitusta muistuttavaa.
Onko meillä tieteellisesti oikeutta puhua suunnitelmasta ja
tarkoituksesta maailman kehityksessä, on kysymys, johon saanen
myöhemmin palata. Mutta olkoon se sitten totuus tai vain totuuden

varjo, että maailman kulkuun vaikuttaa järki, joka on ottanut
suorittaakseen tehtävän, on kuitenkin kieltämätöntä, että kultuuri-
ihminen on toistaiseksi geologisten aikakausien lukemattomia
vuosituhansia jatkuneen luomistyön viimeinen ja huomattavin tulos.
Tämä luomistyö pyrkii, muutamalla sanalla sanoen, kehittämään
hermostoja, jotka antavat tietoisuudelle — tajunnalle, tunteelle,
mielle-yhtymille, ajatukselle — laajemman ja voimakkaamman
toiminnan, ja tuo työ johtaa ennakolta edellytetyllä
välttämättömyydellä siihen tulokseen, että lopulta syntyy olentolaji,
joka kaipaa ja tahtoo löytää Jumalan; joka hakee selitystä
maailmallisen olemisen arvoitukselle; joka sitä varten tutkii luontoa
koettaen selvitellä sen syysarjat ja samassa tarkoituksessa tutkii
itseään, koettaen selittää mietteittensä synnyn ja suhteet,
ajatustapansa lait, tietämisvoimansa rajat; olentolaji, joka eroittaa
pahan hyvästä eikä koskaan voi olla sitä tekemättä, vetäköön hän
näiden vastakohtien rajaviivat kuinka hyvänsä, ja jolta ei sen vuoksi
voi puuttua käsitystä siveellisestä maailmanjärjestyksestä, kuinka
hän sitten epäröineekin sen käsityksen oikeutta; olentolaji, joka
erottaa kauniin ja ruman ja jolla on vastustamaton halu voimiensa
mukaan muodostella ympäristönsä sopusuhtaiseksi; olentolaji, joka
lopuksi hakee ja jossakin määrin löytääkin keinot, joilla rajoittaa
olemassaolon taistelun ahtaampiin rajoihin, korvatakseen sen, niin
suuressa määrässä kuin suinkin on mahdollista, rauhallisella
yhteistyöllä olemassaolon puolesta.
Luonnon suuri uudistustyö pyrki kehittämään, ennenkuin se vielä
ehti ihmisen luomiseen saakka, yhä hienommalla elimistöllä
varustettuja olentoja, joilla kuitenkaan tuskin oli muita taipumuksia
ja kykyjä kuin mukautua ja alistua niihin oloihin, joihin heidät oli
asetettu. Kun sitten ihminen oli luotu, oli maailman järjestelmään
tullut olento, joka sovittaa olosuhteet älynsä mukaan, muuttaa

luonnonsuhteet harkittujen suunnitelmien mukaan — joka toisin
sanoen ei tyydy itse mukautumaan oleviin oloihin, vaan myös
koettaa sovelluttaa näitä käsitteittensä mukaisiksi.
Kehitysopin pintapuolisen käsittämisen johdosta on meidän
päivinämme levinnyt harhaluulo, jolla on osoittautunut olevan
arveluttavia käytännöllisiä seurauksia. Niiden enemmistö, jotka ovat
kuulleet kehitysopista puhuttavan, on käsittänyt sen niin, ettei
kultuurielämä olisikaan niiden kehitysoppijaksojen määrätty jatko,
joitten kautta elämä alhaisemmissa muodoissaan kulki, ennenkuin
kultuuri-ihminen syntyi. He eivät näytä pitävän kultuurielämää ennen
olleen luonnollisena jatkona, vaan jonakin vieraana, jonakin
epäoleellisena, joka on syntynyt, vaikea sanoa kenen, erehdyksen
vuoksi. He näyttävät pitävän älyllisiä, siveellisiä ja esteettisiä lakeja,
jotka vaikuttavat kultuurielämässä, jonakin keinotekoisena,
epäperäisenä verrattuna siihen, mitä he sanovat luonnonlaeiksi.
Näillä herroilla ei näytä olevan aavistustakaan siitä, että ne lait, jotka
johtavat henkistä elämäämme, myöskin ovat luonnonlakeja,
vaikkakin asteeltaan korkeampia, saaden juuri maailman kehityksen
välityksellä paikan toisten rinnalla ja yläpuolella, että
kultuurielämäkin on luonnonjärjestelmä, vaikkakin lajiltaan
korkeampi, ja että ne johdonmukaisuuden, siveyden ja kauneuden
aatteiden mallit, jotka johtavat tätä kultuurielämää, ovat ilmestyksiä,
joilla nyt on oma paikkansa maailman kehityksessä yhtä hyvin kuin
muinoin niillä hämärillä mietteillä, jotka liikkuivat kivihiilikauden
sammakkoeläinten, trias-kauden pussieläinten ja Jura-kauden
liskoeläinten aivoissa. He vetävät viivan siihen, mihin heistä
parhaalta näyttää, kehityssarjan läpi, niin että heidän sättimänsä
kultuurielämä jää sen toiselle, niinsanottu luonnonelämä toiselle
puolelle, ja hartaudella, mikä saisi itse luonnonelämää ihannoivan
Rousseaunkin hämmästymään, he notkistavat polvensa kehityksen

edessä sillä puolella viivaa, missä luonnonlait, riippumatta siitä, mitä
he väittävät vääriksi vaikutteiksi, saivat olla voimassa.
Oikea, väärentämätön ihminen on sen vuoksi heidän mielestään
se, joka elää yhtä vapaana esteettisistä ja siveellisistä laeista kuin
Jura-kauden liskot tai liitukauden hampaalliset, liskomaiset eläimet;
oikea, väärentämätön ihminen on näiden herrojen mielestä se, joka
antautuu himoillensa yhtä alttiisti kuin luolahyena ja kunnioittaa
soveliaisuutta ja hyviä tapoja yhtä paljon kuin se. He eivät kiellä,
että ihmisen on alistuttava lakiin, mutta siihen, joka oli voimassa
rajoittamattomana ja loukkaamattomana vanhaan hyvään aikaan,
jolloin ihmislaitteet eivät olleet saastuttaneet luonnon järjestystä,
siihen, jota sanotaan taisteluksi olemassaolosta, lakiin, joka on
itsekkyyden periaate, julistaa pannaan sääliväisyyden ja rinnastaa
lain ja väkivallan.
Omituista kyllä, ja kaikkein vähimmän uskottavaa, on se, että
monet niistä, jotka sanovat puolustavansa heikkojen asiaa, vetoavat
tähän lakiin ja pitävät sitä ainoana, joka saa johtaa meidän
tekojamme. Näillä heikkojen puolustajilla ei ole, sittenkun he ovat
asettuneet tämän lain kannalle, mitään johdonmukaista oikeutta
tuomita belgialaisia tehtailijoita, jotka riistävät työläisensä luita ja
ytimiä myöten, sillä tehtaanomistajathan voivat puolustautua
olemassaolon taistelun lailla. Minä otaksun, etteivät he heitä
tuomitsekaan, vaan pitävät heidän menettelyään luonnollisena ja
oikeana, ja että he myös, samalta kannalta katsoen, pitävät
luonnollisena ja oikeana, että belgialaiset työmiehet, taistellessaan
oman olemassaolonsa puolesta, sytyttävät tehtaat tuleen tai
räjäyttävät ne ilmaan dynamiitilla. Kehitysopin pintapuolinen käsitys
johtuu siis johdonmukaisesti pitämään yhteiskuntaelämää
periaatteeltaan taisteluna yhteiskuntaluokkien välillä, missä

voimakkaammalla on oikeus imeä viimeinen veripisara heikommasta
ja heikommalla taas oikeus ryhtyä mihin keinoihin hyvänsä
raivatakseen voimakkaamman pois tieltä. Samalla
johdonmukaisuudella joutuu tämä käsitys kehitysopista siihen
tulokseen, jota eräs sen kannattaja äsken kuuluu julistaneen, että
paheella, joka seuraa himojaan, on oikeus käydä kunniallisesta;
sehän seuraa siinä samaa luonnonlakia, joka hyenaakin johtaa.
Sanalla sanoen: ihmiseläin nousee kultuuri-ihmistä vastaan
nojaten käsitteiden sekaannuksen laatimaan kehitysoppiin ja vaatii
palaamista siihen alkutilaan, joka on ominaista maan kehityshistorian
menneille aikakausille.
Tässä huomautettakoon kuitenkin, että tuossa suurenmoisessa
historiassa ei itsekkyyden periaate ole milloinkaan ollut yksin
vallitsevana. Sokea itsesäilytysvaisto, jolla ei ole muuta tarkoitusta
kuin itsesäilytys, on tosin jo alusta alkaen esiintynyt toimivana
jokaisessa niistä lukemattomista atoomeista ja voimakeskuksista,
jotka ovat niinsanotun aineen perusosia. Se on esiintynyt toimivana
kaikissa atoomien elimellisissä yhdistymissä, toimivana
protoplasmaattisen elämänvirran molekyyleissä sen virratessa
geologisten aikakausien läpi. Mutta tuo periaate on aivan
kaaosmainen eikä olisi koskaan omin voimin voinut luoda
järjestynyttä maailmaa.
Kun ainoastaan olemassaolon taistelusta koetetaan hakea
selitysperustetta elimistöjen kohoavalle kehittymiselle ja elämän
korkeammalle luomistyölle, on siinä menetelmävika, jonka
osoittaminen ja selvittäminen ei kuitenkaan tässä ole paikallaan.
Mutta paitsi tätä periaatetta vaikuttaa vielä toinen, järjestävä, jolla
on tai näyttää olevan suunnitelma ja tarkoitus.

Voimme jättää ottamatta huomioon, millä nimellä tuota järjestävää
periaatetta olisi nimitettävä. Jos sanoisimme sitä absoluuttiseksi,
pelkäisi moni, että me siten väistyisimme kokemuksen alalta
metafysiikkaan; jos sanoisimme sitä Jumalaksi, voitaisiin sanoa, että
me siirtyisimme tieteelliseltä kannalta uskon kannalle. Yhden seikan
saatamme kuitenkin varmasti lausua: sen näet, että meidän oma
ajattelumme on tavallaan sukua maailman järjestävälle periaatteelle.
Se meissä, mitä sanomme ajatuksemme laeiksi, se, mitä sanomme
loogilliseksi kyvyksemme ja mikä sommittelee aistimuksemme
järjestyneiksi mielleryhmiksi kooten ne tietoisuutemme
persoonalliseksi yhteydeksi, tämä sisäinen elimistömme on jollakin
lailla sukua maailman järjestävälle periaatteelle.
Sillä jollei niin olisi, ei logiikkaamme ja logiikasta kehittämäämme
matematiikkaa voitaisi sovelluttaa siihen maailmaan, josta järjestävä
maailmanperiaate on tehnyt sen, mikä se on. Logiikkaamme ja
matematiikkaamme voi kaikissa tapauksissa sovelluttaa siihen
ilmiömaailmaan, joka on varsinaisen maailman kohdiste meidän
tietoisuuteemme. Senvuoksi saatamme laskemalla määritellä
maailmankappaleiden liikkeitä ja ennustaa niiden keskinäiset asemat
kaukaisina tulevina aikoina; senvuoksi saatamme laatia fysikaalisia
otaksumia, jotka tulevaisuudessa, jatkuvien tutkimusten selvittelyn
mukaan, vastaavat asioiden todellista fysikaalista kulkua.
Ajatustoiminta järjestää suuren maailman ulkopuolellamme, samoin
kuin ajatustoiminta järjestää oman pienen maailmamme meissä
itsessämme. Se ajatustoiminta, joka järjestää suuren maailman,
kuuluu sen olemuksen; se ajatustoiminta, joka järjestää oman
sisäisen maailmamme, on taas sille ominainen. Molempien
suhteellisen yhdenmukaisuuden todistaa se, mitä olen sanonut, ja
ilman sitä olisi tiede mahdoton.

Meidän ei tule käsittää kehityksellistä työtä siten, että molemmat
periaatteet, järjestyksen ja itsekkyyden, olisivat sen kulussa
taistelleet keskenään niinkuin Ormuzd ja Ahriman kamppailevat
Zoroasterin jumaluusopissa. Sokean itsesäilytysvaiston lukemattomat
kannattajat ovat taistelleet keskenään eikä järjestävää periaatetta
vastaan, jonka olemassaolosta niillä ei ole ollut aavistustakaan. Eikä
järjestävä periaatekaan ole väkivaltaisesti rynnännyt niitä vastaan.
Jos on sallittu tästä järjestävästä periaatteesta käyttää inhimillisen
sielunelämän kokemuksista saatua käsitettä, voi sanoa, että se on
kärsivällisesti ollut todistajana, kuinka maailma on kuulumattoman
pitkinä ajanjaksoina ollut taistelutanner, jolla hirviömäiset eliöt ovat
kieriskelleet leppymättömässä taistelussa toisiaan vastaan. Tuossa
kärsivällisyydessä ei ole piillyt mitään julmuutta, sillä taistelijat ovat
seuranneet omaa luontoaan, eikä sota ole tuonut muassaan
siveellisiä, vaan ainoastaan hyvin vähän ruumiillisia kärsimyksiä, joilla
on ollut oma tarkoituksensa.
Kärsivällisesti on järjestävä periaate sillä välin solminut
syyperäisyys-siteitään, joissa nämä kärsimykset ovat niin toimineet,
että olemassaolon taistelu, joka sellaisenaan ei olisi voinut johtaa
edistykseen, on kantanut hedelmiä kehittelemällä yhä herkempiä ja
jalompia eliöitä, kunnes vihdoin oli tullut aika, jolloin ihminen saattoi
esiintyä määrättynä kasvattamaan itsensä korkeamman
luonnonjärjestyksen kannattajaksi maailman avaruuden sillä
kohdalla, josta on tullut hänen asuntonsa.
Hitaasti selvenee ihmiselle tietoisuus tehtävästään, ja mikäli se
selvenee, sikäli hän erottaa oman ihannekuvansa, ja kun se kuva on
täydellisesti kirkastunut, nousee se miehuuteen ja julistaa, mikä on
sukumme korkein kutsumus: Olemassaolon taistelun sijaan on
asetettava yhteistyö olemassaolon puolesta, himoa vastaan

siveellinen harkinta, väkivaltaa vastaan oikeus, itsekkyyttä vastaan
armeliaisuus ja uhrautuvaisuus, ja sitä eläimellistä ahdasmielisyyttä
vastaan, joka voi ilmiöistä liittyä vain niihin, jotka koskevat
ruumiillista itsesäilytysvaistoa, on pantava totuudenkaipuu ja
tutkimushalu, joka piiriinsä tavoittelee maailmankaikkeutta.
Vielä yhtä vaatii tämä ihmisihanne ihmiseltä: Järjestävä
maailmanperiaate on hänestä luonut suunnitelman ja tarkoituksen
mukaan toimivan olennon, joka omassa toimintapiirissään tulee
jatkamaan tämän periaatteen omaa työtä myös muotoja luovaan
suuntaan.
Ne kasvimaailman ja eläinmaailman elimelliset muotosarjat, joita
tavataan geologisten aikakausien kuluessa, ilmaisevat
kokonaisuudessaan sellaista nousua, että elämän voimien
sopusointuinen yhteistyö ilmenee näissä muodoissa yhä
voimakkaampana. Niissä ilmenee nousu kaunista kohti. Ihminen,
joka ruumiinlaadultaan on kuluneiden aikakausien muovailevan työn
tulos, on henkensä laadun puolesta tulos ja samalla kertaa
pienoismaailmallinen toisinto siitä järjestävästä periaatteesta, joka
on painanut älynsä leiman maailman kehitykseen ja suuntaa sen
muovailevaa työtä kauneutta kohti.
Niinkuin ihmisen ajatuskin on hänen aivojärjestelmänsä
heijastama kaiku siitä maailmanjärjestä, joka on hänet synnyttänyt,
niin hänellä on hermojen virittämässä tunne-elämässään aistiensa
heijastama kaiku siitä kosmillisesta estetiikasta, joka kehittää
kappaleet siihen muotovalmiuteen, minkä ne toistaiseksi kykenevät
ottamaan vastaan, ja joka on määrännyt ympärillämme väreilevät
fysikaaliset voimat menettelemään niin, että niiden poljennolliset
värähdykset muuttuvat aisteissamme valon, värien ja sointujen

ihmeellisiksi ilmiöiksi. Samoin kuin meissä itsessämme on loogillinen
järjestelmä, joka toimii yhdenmukaisesti maailmanjärjen kanssa ja
rakentaa mielteistämme tiedejärjestelmän, joka pyrkii kuvastelemaan
maailmankaikkeutta, niin, meissä on myös tunnejärjestelmä, jonka
avulla teemme erotuksen kauniin ja miellyttävän, esteettisesti
yhdentekevän ja ruman välillä, sekä muotoja luova vaisto, joka
kauan toimii harkitsematta ja esteettiseen tunteeseen yhtyneenä luo
taiteen. Sama maailmanjärki, sama kosmillinen estetiikka, joka
edeltäneistä eläinmuodoista on tuottanut inhimillisen
ruumiinrakenteen suhteet ja liikerytmin, kajahtelee sisälle
ihmissieluun taidettaluovana haluna ja kauneudentunteena, ja
perimmältään on taiteella alkuperänsä, elinjuurensa ja
mielijohteensa tässä, kaikkeudessa vaikuttavassa, voimassa. Kun n.s.
sisällysestetiikan eli aate-estetiikan isä, helleeniläinen ajattelija Plato,
sanoi, että kauneus on ikuisten aatteiden, jumalallisessa järjessä
elävien mallikuvien heijastusta, niin ei hänen käsityksensä ole
kaukana siitä, jonka tässä olen omanani ilmaissut.
Koska muotojaluova halu siis on inhimillisen luonteen oleellisia
aineksia, ilmeneekin se sangen aikaisin. Se on kai ollut olemassa jo
niissä ensimäisissä maan olennoissa, joita syystä voi sanoa ihmisiksi.
Se on ollut huvituksena, ilonlähteenä ja surunlääkkeenä jo rotumme
historian vanhimpina aikoina, jonne tutkijan onnistuu tunkeutua.
Kvartääriajan kivikaudelta on löydetty monta taiteellisen halun
todistetta: hirvensarvisia, hirvenmuotoisiksi veisteltyjä tikarinpäitä,
piirroksia aseissa ja työkaluissa, joissa on kuvattu mammutteja,
hirviä, härkiä, hevosia, kaloja. Ne ovat välistä tehdyt
hämmästyttävällä taiteellisella kyvyllä ja näppäryydellä, mikä
todistaa, että esineen luonteenomainen puoli on elävästi tajuttu, ja
että veistävä käsi on ollut hyvin harjaantunut.

Lapsen piirusteluhalussa tapaamme saman jalon vaiston
alkuperäisimmässä ilmenemismuodossaan. Se tulee esille tavallisesti
kolmannen ja viidennen ikävuoden välillä, joskus aikaisemminkin.
Ranskalainen sielutieteilijä, Bernard Perez, on ryhtynyt erikoisesti
tutkimaan lasten piirustuskokeita, jotka hyvin ansaitsevatkin sen
huomion, mitä hän on niille osoittanut.
Lapsi on piirtäjänä vaikutteellinen (impressionisti), käyttääksemme
nykyaikaista sanontatapaa. Ympäröivistä esineistä tekemistään
havainnoista ja niistä käsityksistä, joita lapsi itselleen luo näiden
huomioiden pohjalla, se erottaa kaikkein luonteenomaisimmat
piirteet muista, esittää ainoastaan edelliset ja jättää loput
mielikuvituksen täydennettäviksi, aivan vaikutteellisen menetelmän
mukaan. Pysty suorakaide, jossa on jotakin ulkonevaa nenänä, piste
silmänä ja suorakaiteen alla kaksi viivaa jalkoina — siinä ihmisen
muoto. Vaakasuora suorakaide, jonka alla on neljä viivaa, esittää
eläintä.
Ei kuitenkaan kestä kauan, ennenkuin nämä vaikutteelliset kokeet
huomataan riittämättömiksi ja suhteiden tajuaminen kehittyy, usein
niinkin nopeasti, että lapsi ei kykene luomaan toivomustensa
mukaista kuvaa, sellaista mikä sen sisäisessä näkemyksessä piilee, ja
heittää kynän pois tyytymättömänä itseensä. Tässä asettuu arvostelu
luomishalun rinnalle. Jos lapsen taidevaisto on voimakas, jatkaa hän
ponnistelujaan ja onnistuu yhä paremmin.
Eräällä asteella saattaa tapahtua, että lapsi koettaa peittää
suhteiden epätäydellisyyttä somistamalla piirtämänsä kuvion
koristeilla, sulilla, napeilla, kaulanauhoilla j.n.e., ja näitä koristeita se
käsittelee hyvin huolellisesti. Tälle asteelle pysähtyvät useat lapset,
niinkuin myös monien kansanheimojen esteettinen kehitys on siihen

pysähtynyt. Mutta toisissa kehittyvät aikaisin ja aivan
hämmästyttävällä tavalla ne ominaisuudet, jotka ovat välttämättömiä
taiteilijalle: nopea ja varma käsitys, yhtä varma tekotapa, pianpa
tulee esille sielullisen ilmeen, jopa ihanteellisuudenkin tunne.
Tällaisista yrityksistä on Kreikan taide lopulta saanut aikaan
jumalankuvansa, joissa on inhimillisen kauneuden mallikuvia pantu
silmiemme eteen, ja renessanssi luonut enkelien ja pyhimysten
ympäröimät madonnansa, joiden näkeminen hartauden hetkenä
kohottaa meidät ylimaailmallisen sopusoinnun piiriin.
Mainitsin äsken Platon. Hän selitti kauneuden niin, että se
kuvastelee jumalallisen järjen ikuisia aatteita ja on kotoisin siitä
maailmasta, jonka aurinkona on hyvyys. Plato on aate-estetiikan
luoja, jonka etevimmät edustajat yhdeksännellätoista vuosisadalla
ovat olleet Hegel ja hänen oppilaansa Friedr. Theod. Vischer. Heidän
jälkeensä on syntynyt kokemusperäinen, kokeellinen estetiikka,
erikoisesti kuuluisan luonnontieteilijän Fechnerin vaikutuksen
tuloksena. Päästäkseen tieteelliseen tarkkuuteen ja selvyyteen täytyy
esteettisen tutkimuksen astua ja tunkeutua muille kuin filosofisten
aatteiden aloille; se tie, jota Fechner on koettanut raivata, on
välttämätön ja johtaneekin tarkoitettuun päämääräänsä, siis
antamaan estetiikalle ja taiteen teorialle varman pohjan kokemuksen
alalla.
Huomattava on kuitenkin, että empiirikko Fechner tahtoessaan
selittää kauneuden olemuksen asettuu sellaiselle kannalle, joka ei ole
kaukana Platon mielipiteestä, antaen sille aatteellisen sisällön ja
asettaen sen, kuten Platokin, lähimpään yhteyteen hyvyyden kanssa.
Asian laita on niin, että aate- eli sisällysestetiikka, vaikka se ei
kykenekään antamaan oppijärjestelmälleen tarpeellista

kokemusperäistä pohjaa ja oppilauselmilleen vakuuttavaa todistelua,
kuitenkin on ja aina tulee olemaan välttämättömänä osana siinä
tieteessä, joka käsittelee kauneutta ja taidetta, sillä estetiikan ja
taiteen juuria ei voi irroittaa filosofisesta maailmankatsomuksesta,
joka pyrkii näkemään ne yhteydessään koko maailmantalouden
kanssa.

II.
YLEISPÄTEVÄT ESTEETTISET ARVOSTELMAT.
Edellisessä luennossani koetin osoittaa, että ihmisen
kauneudentajulla ja taidetta luovalla vaistolla on, kuten hänen
ajattelunsakin laeilla, äärimmäinen perustansa siinä järjestävässä
periaatteessa, jonka olemassaolo tulee esille maailmankehityksessä.
Jos tämä pitää paikkansa, tulemme välttämättä seuraaviin
johtopäätöksiin: 1. On olioita tai ilmiöitä, joiden oma luonne on
sellainen, että katselijan täytyy arvostella niitä joko kauniiksi,
esteettisesti yhdentekeviksi tai rumiksi. 2. Ihmisten sisällinen
rakenne on välttämättä sellainen, etteivät he ainoastaan erota
kaunista ja rumaa, vaan myös sellainen, että he saattavat lausua
yleispäteviä arvostelmia tarkasteltujen esineiden esteettisestä
laadusta.
Tässä on kuitenkin väärinkäsitys hyvin lähellä. Siitä, että
yleispätevät arvostelmat esineiden esteettisestä laadusta ovat
mahdollisia, ei näet seuraa, että joka ihmisen esteettinen
arvostelukyky olisi turvattu hairahduksilta, tai että etevinkään
taidetuomari joka tapauksessa olisi erehtymätön.

Selvitykseksi sopii ottaa vastaavanlainen esimerkki toiselta alalta
kuin esteettiseltä. Ei saata epäilläkään, että ihmisellä on kyky lausua
yleispäteviä arvostelmia lasku- ja mittausopillisista kysymyksistä.
Tästä ei seuraa, ettei sellaisia kysymyksiä ratkaistaessa voisi erehtyä.
Etevinkin matemaatikko voi hajamielisyyden tilassa tehdä virheitä
aivan yksinkertaisimmissa laskutoimituksissa, esim. yhteenlaskussa.
Mutta kukaan ei silti epäile sitä, että yhteenlaskettavalla
numerosarakkeella on tietty summansa, ja että ihmisymmärryksen
luonnon mukaista on se keksiä.
Puhtaasti loogillisenkin perustelun alalla ovat todisteluvirheet
mahdollisia eikä ollenkaan harvinaisia; emmekä kuitenkaan voi
epäillä ajatuslakien ja johtopäätösten yleispätevyyttä. Eräs
todisteluvirhe, nimeltä quaternio terminorum, lienee yhtä yleinen
tieteellisissä väittelyissä kuin virheelliset esteettiset lausunnot
taidearvostelussa. On taideteoksia, joihin nähden tuntee olevansa
kuin pulassa. Mutta pulia on logiikankin alalla, ja ne ovatkin alkujaan
sieltä kotoisin. Kretan saarella syntynyt ja asuva Epimenides väitti,
että joka kretalainen valehtelee, heti kun suunsa avaa. Tähän
väitteeseen nähden on pula siinä, että jos Epimenides, joka itse oli
kretalainen, puhui totta sanoessaan, että jokainen kretalainen
valehtelee, heti kun suunsa avaa, niin oli tämäkin totuus välttämättä
valhetta.
Ei kuitenkaan käy kieltäminen, että juuri esteettisten arvostelmien
alalla näyttää siltä kuin ei siellä olisi mitään sääntöä, mitään lakia,
joka voisi esiintyä yleispätevänä. Ovathan esteettiset arvostelmat
makutuomioita, ja muuan sananlasku, jonka tapaamme monen
kansan keskuudessa, sanoo, että jokaisella on oma makunsa. Joku
Pekka näkee maiseman tai kasvot tai maalauksen tai veistokuvan ja,
tietämättä tai kysymättä miksi, pitää esinettä miellyttävänä tai

vastenmielisenä. Juuri esteettisen tunteen luonteesta riippuu, että se
toimii ymmärryksen tai tietämyksen käskyittä saadessaan ulkoapäin
jonkun vaikutuksen, ja että se ilman edelläkäypää tietoista erittelyä
herättää arvostelman: tuo on kaunista tai ei ole kaunista. Pekka on
siis täysin oikeassa lausuessaan sellaisen arvostelman, vaikkei
ilmaise sen syytä. Hän lausuu siten vain sen totuuden, että niin on
tuo maisema, nuo kasvot, tuo maalaus tai veistos vaikuttanut
häneen. Mutta Pekalla on ystävä, joka seisoo hänen vieressään
katsellen samaa esinettä, ja mikä miellyttää Pekkaa, se ei hänessä
herätä vaikutelmaa tai tuntuu vain vastenmieliseltä. Hän ilmoittaa
sen Pekalle. Sopiiko heidän nyt ruveta väittelemään asiasta? Kenties
he väittelevät, ja silloin saa edeltäkäsin olla varma siitä, ettei väittely
pääty sovintoon, sillä se edellyttäisi, että Pekka voisi äkkiä saada
ystävänsä tai tämä Pekan tunne-elämän uuteen vireeseen.
Varsin yleinen kokemus todistaa, että sellaista tuskin voi tapahtua.
Vanha latinalainen sananlasku sanoo: de gustibus non est
disputandum, mausta ei saa väitellä. Sekin sananlasku on jokaisen
huulilla, mikä taas todistaa, kuinka yleinen on se kokemus, että
makutuomiot puhuvat toisiaan vastaan ja kuinka toivotonta on tai
ainakin näyttää olevan yrittää niitä väittelemällä sovittaa yhteen.
Kun Sokrates vaelsi Ateenan kaduilla — enemmän kuin 2300
vuotta sitten — ja siellä, kuten kerrotaan, pysäytteli älykkään ja
kauniin näköisiä nuorukaisia tehdäkseen heidät oppilaikseen,
kuljeskeli saman kaupungin kaduilla eräs filosofi ja
kaunopuheisuuden opettaja nimeltä Protagoras, joka oli Sokratesta
koko lailla vanhempi ja yhtä kuuluisa ja suosittu kuin hänkin. Nämä
molemmat ajattelijat olivat hyvin erilaisia. Yhdessä seikassa he
kuitenkin muistuttivat toisiaan: he olivat ensimäiset tai ainakin
ensimäisiä eurooppalaisia, jotka etsivät selvitystä elämän

Welcome to our website – the perfect destination for book lovers and
knowledge seekers. We believe that every book holds a new world,
offering opportunities for learning, discovery, and personal growth.
That’s why we are dedicated to bringing you a diverse collection of
books, ranging from classic literature and specialized publications to
self-development guides and children's books.
More than just a book-buying platform, we strive to be a bridge
connecting you with timeless cultural and intellectual values. With an
elegant, user-friendly interface and a smart search system, you can
quickly find the books that best suit your interests. Additionally,
our special promotions and home delivery services help you save time
and fully enjoy the joy of reading.
Join us on a journey of knowledge exploration, passion nurturing, and
personal growth every day!
ebookbell.com

Biomedical Device Technology Principles And Design 3rd Edition 3rd Anthony Y K Chan

About This Presentation

Slide Content

Tags

Categories

Download

Quick Actions

Statistics

Related Slideshows

Biomedical Device Technology Principles And Design 3rd Edition 3rd Anthony Y K Chan

About This Presentation

Slide Content

Slide 1

Slide 2

Slide 3

Slide 6

Slide 7

Slide 8

Slide 9

Slide 10

Slide 12

Slide 13

Slide 14

Slide 15

Slide 16

Slide 18

Slide 20

Slide 21

Slide 22

Slide 23

Slide 24

Slide 25

Slide 26

Slide 27

Slide 28

Slide 29

Slide 30

Slide 31

Slide 32

Slide 33

Slide 34

Slide 35

Slide 36

Slide 37

Slide 38

Slide 39

Slide 40

Slide 41

Slide 42

Slide 43

Slide 44

Slide 45

Slide 46

Slide 47

Slide 48

Slide 49

Slide 50

Slide 51

Slide 52

Slide 53

Slide 54

Slide 55

Slide 59

Slide 60

Slide 61

Slide 62

Slide 63

Slide 64

Slide 65

Slide 66

Slide 67

Slide 68

Slide 69

Slide 70

Slide 71

Slide 72

Slide 73

Slide 74

Slide 75

Slide 76

Slide 77

Slide 78

Slide 79

Slide 80

Slide 81

Slide 82

Slide 83

Slide 84

Slide 85