やさしさと健康の新世紀を開く 医歯薬出版株式会社

「臨床工学講座」の刊行にあたって
 1987 年に臨床工学技士法が制定されるとともに本格的な臨床工学技士教育が始まり,早20 年が経過した.
 この間,科学技術は大きく進歩し,臨床工学技士が従事する医療現場でも,新しい医療技術や医療機器が導入され,多くの人の命を支える役に立ってきた.
 日本臨床工学技士教育施設協議会では,1997年より「教科書編集委員会」を設け,臨床工学技士育成に必要な教科書作りについて検討を重ねてきた.当時は教育施設数が少なかったこと,また1998 年度から始まった規制緩和推進3 カ年計画のなかで,いわゆるカリキュラム大綱化が臨床工学技士教育制度でも検討されると予想されていたことにより,教科書作成事業をしばらく休止した経緯がある.政府によって「カリキュラム等を規制している国家試験受験資格付与のための養成施設の指定制度を見直し,各大学等が社会のニーズに適切に対応した多様な医療技術者等の養成ができるようにする」との方針が打ち出されたのである.
 その後,2004 年4 月にカリキュラム大綱化が行われ,また2006年度第20回国家試験から国家試験出題基準が大きく改訂されたことを受け,日本臨床工学技士教育施設協議会は2007 年度より改めて『教科書検討委員会』を設けて教科書作成事業を再開した.そして今般,『臨床工学講座』シリーズとして,全国53校の臨床工学技士教育施設で学ぶ約2,600 名にも及ぶ学生達のために共通して使用できる標準教科書シリーズを発刊する運びとなった.
 教科書検討委員会および本講座編集委員会では,他医療系教育課程で用いられている教科書を参考にしつつ,今後の臨床工学技士育成に必要,かつ教育レベルの向上を目的とした教科書作成を目指して検討を重ねてきた.
 その骨子として以下の3 点を心掛け,臨床工学技士を目指す学生がモチベーションを高く学習でき,教育者が有機的に教育できる内容を目指した.
 (1)本シリーズは,国家試験対策用テキストではなく臨床工学技士が本来的に理解しておくべき基本的事項をしっかりと分かりやすく教えることに重点をおくこと.
 (2)ゆとり教育世代の高校卒業者にも理解しやすい導入と内容の展開を心掛け,とくに基礎科目については随所に“Tips”などを挿入することにより読者の理解を深めていただくことを目指し,実務上での応用へのつながりを明確にすること.
 (3)大綱化後の新カリキュラムの内容をベースに「平成19 年度国家試験出題基準」を念頭においた編集とすること.
 よって本講座は,これまでの教科書とは一線を画した理想を掲げており,医療系教育課程用教科書の歴史に新たな1 ページを刻む意気込みにて,執筆者・編集者ともども取り組んだ次第である.
 医療現場において臨床工学技士に求められている必須な資質を育むための本教科書シリーズの意義を十分にお汲み取りいただき,本講座によって教育された臨床工学技士が社会に大きく羽ばたき,医療の発展の一助として活躍されることを願ってやまない.
 本講座のさらなる充実のために,多くの方々からのご意見,ご叱正を賜れば幸甚です.
 2008 年春
 日本臨床工学技士教育施設協議会 教科書検討委員会
 臨床工学講座 編集委員会

第2版の序
 2009 年に刊行した本書も,おかげさまで初版から6 年が経過し,このたび改訂の運びとなった.
 本「医用電子工学」は,電気電子の基礎を学ぶうえで,臨床工学講座「医用電気工学1」,「医用電気工学2」に引き続く書と位置づけられる.今回の改訂では,臨床工学技士やME技術を学ぶ者のみならず,広く電気電子工学の初学者を対象として,電子工学や電子回路の基礎を網羅できる内容に見直した.
 まず第1 版と同様に,全体をアナログ回路(第1〜7 章),ディジタル回路(第8〜14 章),通信(第15 章)の3 つで構成した.
 アナログ回路の冒頭では,現代社会を成り立たせているといっても過言ではない半導体の基礎を元に,初版でいただいた意見をふまえて,半導体のエネルギー準位の考え方などを概説することによって(第1 章),半導体素子の特性の理解へとつながるよう工夫した.ダイオードやトランジスタは,素子としての基礎的な性質を理解したうえで(第2,5 章),実際身のまわりで使われている回路(第3,4 章)や特徴とその働き(第6,7 章)について内容を掘り下げるとともに,オペアンプでは回路実験や回路シミュレーションで確認しやすいような基礎的かつ実用に即した回路例をあげ(第8 章),回路動作を検証しながら理解を深められる内容とした.また新たに電子回路素子(第9 章)について概説し,身のまわりで用いられている各種半導体センサなどの特徴や応用例を理解できる内容とした.ディジタル回路では,臨床工学講座「医用情報処理工学」との重複分を精査し,0,1 から始まるディジタル回路の基礎(第10 章)からパルス発振回路(第14 章)までの構成を見直した.論理回路では,各種論理ゲートを用いた回路の基礎を理解するとともに,ダイオードやトランジスタなどアナログ素子を用いた論理ゲートの働きについて理解を深めるなど,アナログ・ディジタル双方の回路を関連づけながら学べる内容とした.最後に,これらアナログやディジタルの技術を用いた通信や伝送路の仕組み(第15 章)について学べる構成とした.
 工学系(電気・電子工学)では,アナログとディジタルについて別々に学習するのが一般的であるが,限られたカリキュラムのなかで医学と工学の基礎を学び,医療機器の専門家を目指す臨床工学技士やME技術者にとって,本書のようなアナログ・ディジタルのハイブリッド型教材は有効活用できると考えられる.また第1 版と同様に,限られた時間のなかで内容を理解する一助として,本文中の演習や例題などで予習を行い,講義や実習後に章末exerciseによって復習できる構成とし,巻末にその略解を示すことで,総合的な自己学習ができるよう配慮した.電子工学は電気工学と同様に,後に学ぶ医療機器(治療機器,生体計測装置や生体機能代行装置など)の原理・構造を理解し,安全に運用するのに必要となる基礎知識である.本書が少しでも読者諸氏の役に立てば,編者・著者の喜びとするところである.
 最後に,本臨床工学講座に関わった者の一人として一言述べさせていただく.本書のみならず,教科書を理解するには,書かれている内容に興味を示し,共感しなければならない,つまり,執筆者・編者が伝えようとしている経験や知識を理解する力が求められると考える.とはいえ,電気・電子工学の分野にて,半導体を構成する原子の構造や,目にみえない電流や電磁波などをどうやって経験・共感するかという問題がつきまとうのも事実である.したがって,書かれている文章や内容から類推したり(疑似体験),模擬したり(シミュレーション)して,それを自己の経験とする,つまり頭のなかで一生懸命に想像力を働かせることによって経験を生み出すことが必要であり,この経験が将来臨床工学技士として役立つ「工学的センス」につながると考えている.
 浅学のため厳密さを欠く表現や不測の誤りも多々あろうと思われるが,大方のご批判やご指導をいただければ幸いである.
 2015 年2 月
 中島章夫
 福長一義
 佐藤秀幸

第1 版の序
 本書は,臨床工学講座『医用電気工学1,2』の内容を履修して電気工学・電気磁気学について一定の理解を獲得していただいた後に,電子工学について学んでいただくことを念頭に置いて書かれた.
 本書の執筆にあたっては次の4 点について十分な配慮を心がけた.

 (1)電子工学が臨床工学課程に進んだ学生が初期の段階で履修する科目であることに鑑み,本書の内容が,いかに「電気・電子嫌いにならずに興味を持ちながら学習・理解できるか」について留意した.
 (2)本書は,身の周りの電子機器だけでなくIC化された医療機器の動作に欠かせない「電子回路・電子工学」の基礎を理解し,医療領域で応用することを目指す学生の教科書である.医療機器の「心臓」に相当する電気・電磁気について学ぶのが電気工学・電気磁気学だとすれば,「脳」として医療機器への命令およびその制御を行う電子について学習するのが電子工学である.電子工学的知識を深め,「高校物理レベル(基礎)から将来臨床工学技士として活用できるレベル(応用)まで到達すること」ができる内容であることを目指した.
 (3)本書で学ぶ学生が,身の周りに存在する科学的な現象について十分に「考え,推論し,疑問を投じ,異見を聞き,また考える」という教育経験を受けてきていない場合も少なくない.そうした多くの学生の教育に携わる教員にとっても,本講座『医用電気工学 1,2』と同様に本書が,「教授しやすく,発展的に変更可能な内容・構成である」ように配慮した.
 (4)医療現場において臨床工学技士がもっている,他職種にはない優位性とは,電気・電子に関する豊かな知識であり,それを応用できるセンスである.最新の医療機器に関する知識だけではなく,例えば「ケータイ(携帯電話・PHS)は,どうしてアンテナが付いていなくても通話(送受信)ができるの?」といったような,患者さんや職場の同僚から訊ねられる疑問に丁寧に答えてあげたりすることも大切なことであり同時に,「今自分が使っている電波はペースメーカ植込み患者さんにどんな影響を与えるのか?」というような専門職としての安全意識をもつことも必要である.そこで本書では本文のみならず「Tips」などにおいて,電子に関する幅広い知識を得ていただけるよう配慮した.本書で学んだ知識は将来,患者さんの命を預かる臨床工学技士として,各種医療機器や病院電気設備などの理解やそれらの安全管理業務の際にも生きてくるはずである.
 臨床工学技士を目指す学生諸君のみならず,教育現場の第一線で活躍されている教員の方々におかれても,「臨床に必要な電気・電子工学的基礎を理解し,センスをもって臨床で活用できる力を養う」手引きとして,本書が臨床工学技士教育向上のために寄与できるものと信じている.
 2009 年3 月
 中島章夫
 「臨床工学講座」の刊行にあたって
 第2版の序
 第1版の序

第1章 半導体とは
 1 半導体のはじまり
 2 物質の構造と半導体
 3 半導体の物質とその構造
 4 n型半導体とp型半導体
第2章 ダイオード
 1 ダイオードの構造と図記号
 2 ダイオードの静特性
 3 ダイオードの整流作用
 4 定電圧ダイオード(ツェナーダイオード)
   章末exercise
第3章 整流平滑回路
 1 整流回路
  1 半波整流回路
  2 全波整流回路
 2 平滑化回路
  1 平滑化回路
  2 リップル率
   章末exercise
第4章 波形整形回路
 1 微分回路
 2 積分回路
 3 クランプ回路
 4 リミッタ回路
 5 クリッパ回路
   章末exercise
第5章 トランジスタの基礎
 1 空乏層,拡散電流,ドリフト電流
 2 バイポーラトランジスタの基礎
 3 電界効果トランジスタの基礎
 4 トランジスタの図記号
 5 トランジスタの特徴
  1 バイポーラトランジスタとユニポーラトランジスタ
  2 電流制御と電圧制御
  3 デプレッション型とエンハンスメント型
 6 増幅度
   章末exercise
第6章 バイポーラトランジスタ
 1 静特性
  1 入力特性
  2 電流伝達特性
  3 出力特性
  4 定電流特性
 2 絶対最大定格
 3 バイポーラトランジスタの基本回路
  1 トランジスタ回路解析のための簡単化ルール
  2 エミッタ接地回路
  3 コレクタ接地回路(エミッタフォロア回路)
  4 ベース接地回路
 4 信号増幅回路
 5 インピーダンス変換回路
 6 その他の応用回路
 7 電力増幅回路
  1 A級シングル電力増幅回路
  2 B級プッシュプル電力増幅回路
   章末exercise
第7章 電界効果トランジスタ
 1 接合形FET
  1 伝達特性と出力特性
  2 応用回路
 2 MOSFET
  1 伝達特性と出力特性
  2 応用回路
   章末exercise
第8章 オペアンプ
 1 オペアンプとは
 2 オペアンプの性質と基本動作
  1 オペアンプでできること
  2 オペアンプの特徴
 3 オペアンプの規格と種類
  1 オペアンプの絶対最大定格
  2 オペアンプの電気的特性
  3 オペアンプの種類
 4 基本増幅回路
  1 反転増幅回路
  2 非反転増幅回路
  3 ボルテージフォロワ
 5 応用回路
  1 積分回路
  2 微分回路
  3 差動増幅回路
  4 加算回路
  5 比較回路
  6 負帰還増幅回路の周波数特性
   章末exercise
第9章 電子回路部品・半導体センサ
 1 発光ダイオード(LED)
 2 受光素子
  1 フォトダイオード(フォトトランジスタ)
  2 光導電セル(CdSセル)
 3 三端子レギュレータ
 4 圧力センサ
 5 振動センサ,加速度センサ
 6 温度センサ(サーミスタ,熱電対)
第10章 ディジタルの基礎
 1 ディジタル
  1 ディジタル表示
  2 さまざまなディジタル
  3 ディジタル信号
 2 二進法
  1 二進数
  2 桁の重み
  3 n進法
   章末exercise
第11章 論理回路
 1 論理回路と論理代数
  1 2 値信号処理と真理値表
  2 論理代数の定理
 2 論理ゲート
  1 ANDゲート
  2 ORゲート
  3 NOTゲート
  4 NANDゲート
  5 NORゲート
  6 Ex-ORゲート(排他的論理和)
 3 論理式の簡単化
  1 論理代数による簡単化
  2 カルノー図による簡単化
  3 ベン図による簡単化
  4 簡単化の指標
 4 いろいろな論理回路
  1 半加算回路
  2 全加算回路
  3 一致回路
   章末exercise
第12章 カウンタ回路
 1 双安定回路
 2 フリップフロップ
  1 RSフリップフロップ
  2 JKフリップフロップ
  3 Dフリップフロップ
  4 Tフリップフロップ
 3 2n進カウンタ
 4 n進カウンタ
   章末exercise
第13章 AD変換,DA変換
 1 AD変換
  1 標本化
  2 量子化
  3 符号化
  4 AD変換器
 2 DA変換
  1 復号化と補間
  2 低域通過フィルタ
  3 アパーチャ効果
  4 DA変換器
   章末exercise
第14章 パルス発振回路
 1 パルスとは
 2 発振とは
 3 発振回路
  1 LC発振回路
  2 水晶発振回路
 4 マルチバイブレータとは
  1 無安定マルチバイブレータ
  2 単安定マルチバイブレータ
  3 双安定マルチバイブレータ
   章末exercise
第15章 通信
 1 通信とは
 2 電気通信の手段と歴史
 3 変調・復調とは
  1 変調方式の種類
  2 アナログ変調方式
  3 振幅変調の仕組み
  4 周波数変調の仕組み
  5 変調回路
  6 復調回路
  7 ディジタル変調方式
  8 パルス変調方式
 4 伝送路
 5 保健医療分野における通信の応用
   章末exercise

付録
 1 電気・電子に関する単位(物理量)と図記号
 2 電気通信の歴史
 3 電波の利用形態
 4 平成24 年版臨床工学技士国家試験出題基準(医用電気電子工学)
   章末exerciseの解答

 索引

 Tips CONTENTS
  第1章 半導体とは
   エネルギー準位
   価電子とイオン
  第3章 整流平滑回路
   リップル率の理論値の導出
  第5章 トランジスタの基礎
   トランジスタの形名
  第6章 バイポーラトランジスタ
   電流増幅率a,b
   hパラメータ
   増幅回路の区分
  第7章 電界効果トランジスタ
   サイリスタ
  第8章 オペアンプ
   単電源オペアンプ
   利得帯域幅積(GB積)
   非反転増幅回路の入出力
   微分積分の考え方
  第11章 論理回路
   AND演算からNOR演算への変換,OR演算からNAND演算への変換
  第12章 カウンタ回路
   汎用ロジックIC(7400 シリーズ)
  第15章 通信
   地上波デジタル放送
   モールス符号
   周波数による電磁波の伝わり方
   スペクトラム(spectrum)とは
   スーパーヘテロダイン方式
   海底ケーブルの概要
   LAN用ケーブルの発展
   電波の医療機器等への影響に関する調査研究