第二章生理参数测量仪器课件.ppt

第二章 生理参数测量仪器,人体电生理参数检测仪器人体非电生理参数检测技术及仪器病人监护仪器,2.1 人体电生理参数检测仪器,细胞是所有生物电的发生源，生物电或电位是细胞内部与外部间产生的电位差，也就是细胞膜两面产生的电位差。生物电现象是细胞实现一些最生要功能的关键因素，是生命现象的表现这一。因此，通过研究生物电现象，可以了解生物体的生理活动。,进行生物电学研究的第一步，是把生物电信号拾取出来，并用仪器进行记录。有关脑电、心电、肌电的记录，是在皮肤表面做间接记录；记录视网膜电位、耳蜗电位和鼻电位就比较复杂了，要分别把记录电极安放在眼睛角膜表面、耳蜗圆窗表面和鼻粘膜中；而最复杂且要求最高的技术则是感受器电位、神经元的动作电位和神经纤维上传导的冲动电位的记录，这需要将符合尺寸的引导电极插进细胞或纤维中。,微电极可以记录到细胞的静息电位和动作电位，一般从几微伏至上百毫伏之间。由细胞电位构成的人体主要电生理信号有心电、脑电、肌电、眼震电等。这些信号的测量，可在一定程度上反映人体的生理状况。生物电现象已成为了解生命活动、研究生物功能的可靠依据。而生物电测量仪器也经历了由简单到复杂、由功能单一到多功能复合的发展过程。,早在20年代就出现了用检流计测定的心电图机。60年代以前，心电放大器一直采用电子管，性能上不断改进，描记器由光点改为热笔描记。60年代，晶体管心电图机的出现使其体积大大缩小。70年代，出现了浮地式心电放大器，进一步提高了其安全可靠性。目前，心电放大器均由采用集成电路，遥测心电和多道生理记录仪也得到了不断地改进和完善。80年代，又广泛采用了微机构成的智能化电生理仪器，这也将是今后医用电生理仪器的发展方向。,人体电生理参数检测仪器,心电图机脑电图机诱发电位仪脑地形图仪,动态脑电记录分析系统眼震电图仪肌电图仪胃电图仪,2.1.1 心电图机,在每一个心动周期中，心脏各部分兴奋过程中出现的电变化的方向、途径、次序和时间都有一定的规律。这种生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液反映到身体表面上来，使身体各部分在每一心动周期中也都发生有规律的电变化。把测量电极放置在人体表面的一定部位，记录出来的心脏电变化曲线即为临床常规心电图ECG。可用来诊断心脏疾病。,人体内由窦房结发出的一次电兴奋，按一定的途径和时程，依次传向心房和心室，引起整个心脏的兴奋，使心脏周期性地收缩，推动血液在全身循环。,心电图机主要记录心脏电活动波形图。自1905年威廉爱因霍文最早将心电图机用于临床，它已有近百年的历史。随着高科技的迅猛发展，在设计与制造心电图机方面也正在飞速发展，老型号心电机不断被新型号心电机所淘汰，电子管心电机器被晶体管心电机所取代，晶体管分立原件心电机又被大规模集成电路心电机所取代。尤其近些年来，在心电信息处理方式方面由模拟式心电机向智能化式心电机转变，目前智能化心电机已在临床得到广泛应用。,记录心电图常用标准十二导联法：、aVR、aVL、aVF、V1-V6。其中、叫标准肢体导联，以右下肢为参考电极，左上肢右上肢为导，左下肢右上肢为导，左下肢左上肢为导。aVR、aVL、aVF为加压导联，V1-V6为胸部6导联。心电图依次测量这12个导联的心电信号并加以描记。,心电图机的种类很多，从功能上可大至分为以下五种：单道手动心电图机。单道自动心电图机。多道全自动心电图机。具有自动分析诊断功能的智能型心电图机。具有自动分析诊断功能的智能型多功能心 电机。,具有自动分析诊断功能的智能型多功能心电机：如国产BK-400、BK-500心电多功能综合分析仪，这类仪器是将人体的心电、向量、晚电位信号通过电极输入给特制的采集卡式电路板，采集卡式电路板可直接插在微型计算机扩展槽中，形成一个基于心电、向量及晚电位综合数据采集分析系统。可做出心电图、向量图、心频图、心室晚电位图等，并可自动分析采集的数据，由打印机输出诊断结果。,除了从功能上分类外，还可按心电图机描记输出方式分类：有间接描记方式和直接描记方式。间接描记式目前已基本不使用，现多用直接描记方式。直接描记式还分为：喷墨式、墨水笔式、热笔式、热阵打印头式。目前的单道心电机多用热笔式，多道心电机多用热阵打印头式或打印机。,心电图机的基本构成,1.输入电路 包括过压保护、高频滤波、缓冲放大器、威尔逊网络、导联选择电路。过压保护和高频滤波电路是因有时心电图机与除颤器、高频电刀同时使用，为确保病人安全和心电图机免遭高压冲击，同时为了阻止外界高频干扰信号进入心电图机的前置级而设置的。缓冲放大器实际上就是起阻抗变换的作用，它输入阻抗高输出阻抗低便于与威尔逊网络输入阻抗相匹配。,威尔逊网络是由9个电阻组成，6个20K组成一个三角形电路，每一个三角形顶点分别与3个30K组成一个星形电路三个点相连，星形公共点是威尔逊网络的中心端，这点的电位与人体电偶中心点电位相等，均可视为零点。,三角形的三个顶点分别引入人体右手、左手、左脚三个肢导的信号，三角形三个边的中点是三个加压肢体导联的相应参考点。导联选择电路是控制人体信号的输入，不同的导联选自人体的不同部位。,2.放大电路 放大电路基本上是由前置放大电路、中间级放大电路和功率放大电路组成。前置放大的主要任务是提高共模抑制也就是抑制干扰信号，放大心电信号。1mv发生器就加在这级的输入端。中间级放大是将心电信号进一步放大，一些在心电机面板上可调整的和可用的功能基本在这级实现。如增益调节（记录笔输出幅度不够时调节）、阻尼调节（方波不够理想时调节）、增益选择（输出幅度有3档可选：1/2、1、2）、50Hz电源滤波（去除电源引起的干扰）、35Hz肌电滤波（去除肌电引起的干扰）、位移（调整热笔在合适的位置）等。功率放大电路是把经过前置放大和中间级放大后的心电信号再放大到使记录笔能够产生恰当偏转的电平，驱动记录器进行心电描记。,3.记录电路 现在的心电机记录电路都是由走纸马达（交流电机）调速、稳速电路、记录笔调温电路、记录器组成。而调速、稳速电路都采用锁相环技术，通过锁相环输入不同参考频率信号来改变速度，通过速度反馈信号与输入参考信号相位比较，锁相环输出不同电位来稳定速度。记录笔调温电路采用调宽脉冲方式，改变脉冲宽度（占空比）来改变笔的温度。记录器采用位置馈式记录器，它是由笔马达和同轴电位器式位置检测器组成。利用电位器转动臂与记录器线圈同轴的特点，使位置反馈式记录器的线性好，描记的心电图清晰。,4.电源 一般心电机电源都有交直流两种方式供整个机器电路工作。心电图机的关键是前置放大器，对心电放大器的要求是放大倍数高（约5000倍），输入阻抗高（10M），共模抑制比CMRR大（80100dB），频率响应足够宽（0.05Hz100Hz），以及良好的电气安全技术，现都采用浮地电源和光电隔离放大器。,具有导联自动转换及光电隔离放大器的心电图机框图,如何设计一个性能优良且价格不贵的心电图机至今仍然是一个不断有人研究的课题。例如如何保证心电图机的基线稳定不漂移，干扰噪声尽可能小，如何保证电源浮地、光电隔离等。高质量的放大器也是其他电生理仪器如脑电图机、肌电图机、胎儿心电图机、眼震电图机、诱发电位仪以及多道生理信号记录仪等的核心部件及共同的研究课题。描记器现仍多使用热笔，热笔的稳定性、线性问题也在不断改进。热笔只能描记波形，不能打印字符，目前先进的阵列式热敏打印机不仅可描记波形，还可以打印字符。,现代心电图机装有微处理器，不仅控制导联自动转换，还具有分析功能，叫自动分析心电图机。这种心电图机可以自动测量心率、各种幅度、间期。例如R波幅度、ST段电平、QRS波群宽度、瞬时心率、平均心率等几十个参数，这些参数一同与心电图由阵列式热敏打印机打印出来。自动分析心电图一般采用16位微机，16bit的A/D转换器，用4000或8000次/秒的采样频率，分析精度高。,心律失常分析仪也装有功能很强的微机，不仅具有测算功能，而且还具有自动判别（模式识别）功能，能自动诊断几十种心律失常的病症。90年代出现的心电工作站使用个人电脑，采集12导联心电数据，可进行心律失常分析、心电向量分析以及心室晚电位分析。,2.1.2 脑电图机,大脑皮层的神经元具有自发生物电活动，因此大脑皮层经常具有持续的节律性电位改变，称为自发脑电活动。临床上将用双极或单极记录方法，在头皮上观察大脑皮层的电位变化而记录到的脑电波称为脑电图EEG。脑电图机通常有8通道或16通道，同时测量和描记8道或16道脑电波形，用8笔或16笔的墨水笔记录仪描记。现代脑电图机还有64道及128道。,上图是脑电图机的框图。其前置放大器一般也采用浮地电源及光电隔离技术，由微机控制，键盘操作。,从头皮描记的脑电波强度很小，一般为1050v，频率范围为0.5100Hz。国际上将脑电波按波的重复节律不同分类，统一为以下四个频段：波：813Hz 波：1340Hz波：48Hz波：0.54Hz 其波形如右图所示。,脑电波形的频率特性比幅度特性在临床上更显得重要。脑电在时域(Time domain）中不易得到特征参数，而若将它们变换到频域（Frequency domain）中就很容易分出波、波、波和波。(变换常采用傅里叶变换、小波变换等）。这四种波是否出现，出现频繁程度等均与生理病理状态有关。临床常用来诊断癫痫等神经病和脑部肿瘤。,2.1.3 诱发电位仪,除了自发脑电波外，采用刺激的方法还能够引起大脑皮层局部区域的电活动，称之为脑诱发电位EP（Evoked Potential）。刺激的方式通常有三种：视觉刺激、听觉刺激和体感刺激，刺激时，可在与刺激感觉通道相对应的头皮部位测到诱发电位，分别称为视觉诱发电位VEP（Visial Evoked Potential）、听觉诱发电位AEP（Auditory Evoked Potential）和体感诱发电位SEP（Somatic Evoked Potential）。,诱发电位的测量部位及临床价值,上图是视觉诱发电位曲线，幅度范围为120V，带宽1300Hz，持续时间为200ms。P表示正相波，N表示负相波，以平均潜伏期（Latency）作为下角注，如P100表示潜伏期为100ms的波峰。由于诱发电位幅度极小，埋没在自发脑电及噪声中，所以常用迭加平均方法将多次刺激（多达1000次以上）的诱发电位迭加，再去除噪声后，才能获得诱发电位。,上图是二通道诱发电位仪的方框图。它具有高性能的全浮地前置放大器，高速A/D转换器进行数据采集，由高性能的微机控制，并配有高速数字处理器进行迭加平均运算。由电视监视器实时显示波形，具备测量功能，由X-Y绘图仪绘制波形图。多通道的诱发电位仪还有4、8、16、32和64通道的。,2.1.4 脑地形图仪,现代脑电地形图仪将脑电图仪、诱发电位仪及自发脑电/诱发脑电地形图集于一体，在彩色电视监视器上可显示16通道脑电图，或16通道诱发电位，或脑电地形图。,由自发脑电经统计分析绘成的地形图称为自发脑电地形图；由诱发脑电各潜伏期作出的地形图称为诱发脑电地形图。脑电地形图对诊断脑部疾病比波形更直观。正常脑电地形图左右两侧对称。视觉诱发脑电地形图呈现不对称性，说明被测者脑部有疾患。,2.1.5 动态脑电记录分析系统,动态脑电记录分析系统（脑电Holter系统）是受动态心电记录分析系统（心电Holter系统）的启发，由临床需要提出来的。脑电Holter系统可以把病人在正常生活环境中从事日常活动的脑电活动长时间地（至少24小时）实时记录，然后回放并进行详细观察、分析和处理，从而有利于异常脑电波的发现与诊断，目前主要用于对癫痫的鉴别和诊断。,脑电Holter系统由记录器和计算机回放分析系统两部分组成。记录器一般为佩带式，能进行24小时大容量多通道无失真的脑电信号存储，且功耗低。除记录脑电信号外，还可同步记录心电（ECG）、眼电（EOG）及呼吸波等多种生理信号。佩带式记录器目前主要有两种：磁带式，采用普通磁带进行EEG记录；固态式，采用低功耗大容量静态存储器（SRAM）进行EEG的数据记录。,固态式记录器是今后的发展方向。由于目前大容量静态存储器的存储容量尚不能满足24小时记录的所需容量，所以在存储时常采用小压缩比的数据压缩算法。除了上述两种记录器外，还可利用大容量硬盘进行记录，其优点是数字式全信息24小时记录，而缺点是不适合于佩带。,计算机回放系统有回放、分析、存储及打印功能。回放功能包括快速、常速、全览、选时回放等多种方式。分析功能有：各种形式的脑电地形图；功率谱分析、谱参数提取；各节律能量直方图；压缩功率谱阵图；相关分析、时域分析；伪差滤除；癫痫波自动识别及定位；睡眠波分析等。,2.1.6 眼震电图仪,眼球运动时记录到的眼动波形也是生物电信号，分为水平眼动波形和垂直眼动波形。当前庭器官受到某种刺激（如角加速度刺激，冷热水温度刺激）时，就会产生诱发眼震。眼震是一种半节律性变化的眼球摆动，由慢相和快相两个时相组成。由于眼球的角膜和视网膜之间存在着不同的生物电位，眼球的摆动会引起这个电位的变化，并且该变化与眼球摆动的角度近似呈线性关系，记录该电位的变化就是眼震电图ENG，可测量其慢相速度、快相速度、眼震频率等各种参数，在临床上常用于诊断眩晕病。这也是航海航空人员的体检方法之一。,现代眼震电图仪装有计算机，可采集、存储数据并进行分析和计算。右图是清华大学研制的眼震电图机分析系统的框图。,该系统不但可以进行描记，还可以由计算机控制采集160秒长度的数据，波形在CRT监视器屏幕上既可以实时滚动刷新显示又可以回顾显示，波形与字符可以同屏幕显示，有测量标记，可手动或自动测量计算各参数，并由小型四色X-Y记录仪绘制波形、统计图形和打印数据。,2.1.7 肌电图仪,肌电图EMG（Electromyogram）是肌肉产生的生理电信号的记录。它可以通过放置在皮肤上的表面电极来测量，也可以用针电极经皮肤插入肌肉来测量。肌电图的幅度与电极放置部位有关，范围大约为50V5mV，带宽为2500Hz。肌电图仪由电极、前置放大器和主放大器、示波器波形显示及描记器组成。现代肌电图仪常与诱发电位仪合为一体，由微机控制，为“无笔描记型”，用电视监视器显示波形，由热阵打印机或激光打印机打印波形。,肌电图检测在神经源性和肌源性疾病的鉴别诊断方面，以及对神经病变的定位，损害程度和预后判断方面有重要价值。神经源性疾病：周围神经病损（包括糖尿病、酒精中毒、尿毒症等）颈椎病、单瘫运动元性病、面神经麻痹、多发性神经炎、脊髓前角病损、脱髓鞘病、交叉瘫以及神经源性性功能障碍的诊断等。肌源性疾病：肌营养不良症、肌萎缩、周期性麻痹、重症肌无力、肌强直综合征、神经与肌肉接头病等。结缔组织病：多发性肌炎、皮肌炎、多发性硬化病、红斑狼疮病、废用性肌萎缩、风湿性关节炎等病。,用微电极插入单个肌纤维测量动作电位可获得分辨率更高的单纤维肌电图。由神经细胞、神经纤维、神经肌肉节及肌纤维组成的综合体称为运动单元，用同心针电极可以测得它的动作电位称为运动单元动作电位（MVAP）。MVAP的持续时间约为2ms10ms，幅度100V2mV，频带宽度5Hz10KHz。,2.1.8 胃电图仪,胃电图EGG（Electrogastrogram）是将电极放置在腹部记录到的胃肌电活动信号。胃电图（常包括肠电图，合称胃肠电图）用于肠胃运动功能的检测，如非溃疡性消化不良、肠易激综合症等疾病。胃肠肌电活动是在神经、激素和其他因素的调节下进行的。基本的胃电活动是：慢波：是胃平滑肌的基本电节律，正常值为3次/分（CPM）。快波：峰电位或动作电位，是环形肌收缩时的电活动。通常体表胃电测量的仅是慢波成分。,胃肠电信号是V量级，频率范围为：胃电的正常范围是2.53.6次/分，在3.79.9次/分范围内的是异常胃动过速；在12.4次/分范围内的是异常胃动过缓；结肠电的正常范围是17次/分，小肠电的正常范围是812次/分。由于胃肠电信号幅度微弱，频率范围接近直流，具有随机特性，因此需要高性能的放大器，即要求其放大器具有高增益、低噪声、低漂移、高稳定和高灵敏的特点。,胃肠电是随机信号，单个波形是没有意义的，无法用肉眼直接分析，一定要经过计算机对胃肠电信号进行统计分析处理。傅里叶频谱分析是现今对胃肠电分析的最有效的方法。常用频谱图（横坐标表示频率，纵坐标表示功率强度）和运行图谱（X轴表示频率，Y轴表示时间，Z轴表示功率强度）来进行分析。测量频谱图上的峰值功率Pd及其相对应的主频Fpo（又称基频）；在胃肠电波形图上测量平均峰值幅值Ap和信号平均过零次数Fz，这些参数对诊断有重要意义。,2.2 人体非电生理参数检测技术及仪器,人体非电生理参数主要有动脉血压、心音、体温、脉搏、呼吸、血氧饱和度等。随着传感器技术、电子技术、计算机技术、光电技术及数字信号处理技术的发展，非生理参数的电子测量仪器相继出现，如电子血压计、电子体温计、光电心率计等，逐步进入家庭。光电无损检测技术是非电生理参数测量的发展方向，特别是血压及血氧饱和度的光电无损检测，是当前研究的热门课题，已有仪器问世。此外，一些生化指标如血糖、黄疸等也采用光电法进行无损测量。,非电生理参数也是病人监护仪中监护的主要内容。如在多参数监护仪中，除监护心电外，还监护血压、体温、呼吸、血氧饱和度等。将测量心电、血压、心音、脉搏等电生理和非电生理参数的电路做成模块，就可以组成多道生理信号记录仪。,非电生理参数检测,血压检测 心音检测 体温检测 呼吸检测 血氧饱和度检测 人体磁场测量 多道生理信号记录仪,2.2.1 血压检测,测量血压可进行有创检测和无创检测。有创检测采用的方法为动脉插管接压力计或压力传感器，这种方法测量准确，但给病人造成痛苦，因此只在心血管手术时运用。无创检测传统的方法是听诊法，又称柯氏音法，这种方法是俄国医生Korotkoff于1905年发明的。,柯氏音法是用一个1323cm的气袖缠于上臂中部，输出管连于水银压力计，气袖下方肱动脉搏动处放置听诊器。用橡皮球向气袖打气，当袖内压大于收缩压（PS，即所谓“高压”）时，动脉被压闭。然后以23mmHg/秒的速率放气，并监听柯氏音。柯氏音是血流通过被压闭又逐渐开启的动脉血管时产生的断续声音。柯氏音分为五相，第一相对应着袖内压刚刚低于收缩压，血管内开始出现断续的血流时产生的，因此此时水银压力计的指示的就是收缩压；第五相对应着袖内压刚刚低地舒张压（PD，即所谓“低压”），血流在血管内开始连续通过，柯氏音由减弱变为消失，此时水银压力计的指示就是舒张压。,20世纪70年代以来，出现了多种柯氏音法电子血压计，由微处理器控制，手动或用气泵自动打气，手动或用电磁阀自动放气，通过微音器自动监测柯氏音，并由微处理器自动判断及自动测量，由液晶数字显示收缩压、舒张压、平均压及心率等。,柯氏音法的关键在于辨别血流的声音信号，以声音变化为依据。其优点为同一般临床应用相一致，容易被医生们认同。其缺点为电子器件的拾音器易受外界噪声干扰，结果偏差较大，不能直接测量动脉平均压。因此在血压测量的技术中，渐渐被振荡法所代替。,振荡法是70年代发展起来的测量血压的新方法。这种方法也象传统的柯氏音法那样需要用袖带阻断动脉血流。但在放气过程中，不是检测柯氏音，而是通过压力传感器检测袖内气体的振荡波。这些振荡波起源于动脉血管壁的振动。理论计算和实验证明，这种振荡波与动脉壁收缩压、舒张压、平均压均有一定的函数关系。通过将振荡波放大、滤波后，将包络线检出，再用一定的判据判断包络线与收缩压、舒张压的时相对应关系。该方法不受操作者主观影响，避免了柯氏音法易受环境干扰的缺点，能精确地测出平均压。其缺点是测量时要避免上肢肌肉收缩、心房纤颤时测量数据不准确。,血压的检测为诊断高血压病带来了极大的便利，但仅靠数次随测血压值常过多地诊断和过高地估计高血压病。在血压治疗上，也存在一定的问题，如对冠心病危险的作用Kaplan对提高血压治疗仅使冠心病死亡率下降14%，远远低于预期的程度，其重要原因之一可能是提高血压治疗中存在血压下降不充分，或降压过度，使冠心病危险增加等。这一事例问题迫切需要一种能监测24小时血压水平的技术。无创动态血压监护技术也即应运而生。,无创动态血压监测使用一种动态血压监测仪。受试者佩带这种仪器后可以离开医院自由活动，回到日常生活环境中。仪器按医生事先设定的规则自动测量出血压，并将结果保存在该仪器中。24小时或更长时间后，再把结果显示出来或打印出来。这样可以提供正常生活中受检者24小时血压数据，一般由几十个或上百个数据组成，用以观察受检者一日之内的血压变化。,该仪器最早由llinman等1962年研制并应用于临床。开始为半自动式，随着电子技术的飞速发展，美国首先研制和应用全自动型动态血压监护仪。该仪器可在160分钟内随意调整充气间隔时间，因此在24小时内可自动获得48192个数据。我国于1992年亦研制成功，应用比较广泛的厂家有北京同仁光电技术公司、长春曙光、中健电子等厂家的产品。其中北京同仁光电技术公司还推出与心电图同步记录的仪器，可以观察心肌缺血，心律失常与血压改变之间的因果或顺序关系，有很大的临床价值。,2.2.2 心音检测,心音是由于心脏瓣膜的开关、肌腱和肌肉的舒缩、血流的冲击及心血管壁的振动而产生的一种复合音。通常，心音可由医生通过听诊器进行分析，提供诊断心血管病的重要信息。心音的电子检测方法是通过心音传感器（一种磁电式空气传导传感器）检测心音信号，并通过放大器放大及低通滤波后，送慢扫描示波显示心音波形，或用描记器描记出心音波形，叫心音图。心音的主要频谱在40Hz100Hz之间，异常心音的频谱可达数百Hz。由于受描记器频响的限制，有时心音图不能反映全部信息。因此，将放大后的心音信号经A/D转换器，用8KHz的采样率采样，经计算机进行数字定量分析，这种仪器称为电脑心音分析仪。,2.2.3 体温检测,传统的体温测量方法是用水银体温计，根据热膨胀原理进行测量。而电子测体温使用温度传感器，常用的有热敏电阻和半导体温敏器件等。热敏电阻的阻值随温度而变化，呈非线性关系。在测量电路中，可将热敏电阻作为电桥的一个臂，经电阻网络校正后的输出电压由差动放大器放大后由电压表（用温度刻度）读出，或经A/D变换后送计算机处理，进行数字显示，叫电子体温计，其测量精度可达0.10.01。半导体温敏器件有温敏二极管、温敏三极管等，这类测温器件是利用PN结的结电压随温度成线性变化这一原理进行测温，其测量电路也常采用电桥式及差动放大电路。,2.2.4 呼吸检测,呼吸检测主要用于呼吸监护。呼吸监护包括三个方面：呼吸波形实时显示、呼吸率（次/分钟）自动计算及潮气量（每次或每分钟吸入气体体积）的自动计算及显示。呼吸检测的常用方法是阻抗法，即：把人体胸部当作一段导体，当呼吸时由于胸部的扩张使胸部阻抗发生变化，且这种阻抗变化与呼吸活动呈线性关系。因此，只要通过胸阻抗变化的测量就可以间接测量呼吸活动。胸阻抗包括感抗、容抗和电阻，但当胸部通以50KHz100KHz（例如62.5KHz）的高频电流时，胸阻抗可等效为一纯电阻，因此，可以通过胸电阻的变化来检测呼吸。,具体方法是：在胸前锁骨下放置两对电极，一对通以62.5KHz的高频电流，另一对测量电压信号。将此电压信号经前置放大、解调、滤波及放大后就得到呼吸波。将呼吸波经A/D变换并经计算机数字处理，就可以计算出呼吸率。如果用呼吸流量计定标后，还可以用呼吸波定量计算出潮气量。在监护仪中，呼吸检测与心电检测共同用一对电极。呼吸检测方法还有鼻腔安放热敏电阻法、微波多普勒法等。,2.2.5 血氧饱和度检测,通过肺循环，红细胞中的血红蛋白与氧结合成合氧血红蛋白，然后通过动脉血流输送到人体的各个部分。血氧饱和度是指100ml血液中血红蛋白实际结合的氧与能够结合的氧的最大量的比值，该指标是衡量呼吸系统、循环系统是否正常的重要临床指标。传统的测量血氧饱和度的方法是使用分光光度计进行抽血化验。,20世纪80年代末发展起来了基于双波长的朗伯比尔定律的光电法无损检测血氧饱和度的方法。其原理为：设溶液中含有两种物质(如合氧血红蛋白和不含氧血红蛋白)，浓度分别为C1和C2，分别用两种波长(如1=650nm，2=805nm)的光穿过溶液，测得光密度分别为D1和D2。根据双波长朗伯比尔定律，有：D1=11C1+12C2 D2=21C1+22C2,其中11、12和21、22是常数，分别为物质1和物质2对波长1、2的吸收系数。解这两式组成的联立方程，可求出C1和C2。通过下式就可计算出血氧饱和度：,光电法无损检测血氧饱和度的具体方法是：在搏动的动脉血管床(例如指端)两侧分别安放白光源和两个具有特定波长(650nm和805nm)响应的光探测器，光探测器将透过光变成电信号，经放大及A/D转换器后，由计算机处理，计算出血氧饱和度。,2.2.6人体磁场测量,人体磁场包括心磁、脑磁、肺磁、眼磁等。人体磁场非常微弱，通常在10fT(lfT=10-l5T，lT=104高斯)至50pT(lpT=l0-12T)之间，需要用特殊的方法进行测量。基于约瑟夫逊效应的超导量子干涉仪可以测量10-14T的磁场强度，这种仪器采用低温超导及特殊的磁屏蔽等技术，十分昂费，目前只处于实验室研究阶段，还未进入临床使用。许多研究报导，心磁和脑磁比心电图和脑电图能够更确切地反映心电信号和脑电信号，有更大的诊断价值。因此人体磁场测量是目前研究的热门前沿课题。,2.2.7 多道生理信号记录仪,多道生理信号记录仪常用的有四道、六道、八道或十二道。前置放大器一般采用插件式，可根据不同的测量目的可任意组合，主要有心电(多道)、心音、血压、脉搏、阻抗血流图等各种生理信号放大器插件。波形采用长余辉示波管或显像管显示，采用多道水笔描记器、光电描记器或热阵描记器描记波形。目前随着计算机技术的发展，大多采用PC微机进行数据采集、波形显示、数据存储及数据处理，由激光打印机输出需要的波形段和分析得到的结果，这种系统称为无笔描记多道生理信号处理系统。,2.3 病人监护仪器（Patient Monitor）,监护的意义有两个：一是危重病人必须对其进行监测，发现险情，立即报警，通知医生及时进行抢救；二是某些病症现象出现的时间短暂，需作较长时间的测量（例如24小时）才能记录到异常现象。,随着电子仪器和计算机技术的迅速发展，各种医用监护仪的发展也很快，从单一生理参数的监测发展到对生物电、血压、心率、呼吸、体温、血流等若干参数的联合监测。从单一病床监测发展到对多个病体的连续监测。现代监护系统均采用了计算机技术，并运用了无损检测技术、遥测技术等，可以对大量检测数据进行实时分析、处理、显示和记录，及时报警或自动启动救护装置进行处理，甚至可对病变情况作出趋势预报。目前在临床上广泛应用的有：床旁心电监护仪、多参数病人监护仪、四床位或八床位中央监护系统，此外还有用于手术室中抗高频电刀干扰的手术监护仪及用于妇产科的新生儿监护仪和胎儿分娩监护仪；遥测心电监护仪和Holter系统等。,监护仪一般由三大部分组成，一是闭路电视摄像与放像系统，监护病人的活动状态；二是必要的抢救设备，为整个系统的执行机构，如输液装置、呼吸机、除颤器、起搏器等；三是多路生理参数监护仪，包括信号检测部分（如传感器和电极等）；信息处理部分（如模拟通道滤波、放大、信号变换、数字信号处理等）；终端显示部分（如数据量显示、报警显示、模拟量显示等）。,常用病人监护仪器,床旁心电监护仪 多参数监护仪 中心监护系统 胎儿心电心率监护仪 遥测心电监护仪 动态心电监护系统(Holter系统)智能Holter系统,2.3.1 床旁心电监护仪,床旁心电监护仪只监测病人的心电信号，实时地在CRT监视器或液晶显示器上显示病人的心电波形、QRS同步信号、平均心率，并设有心率越限报警(例如高于150次/分、低于40次/分)、停搏报警及电极脱落自动报警，功能更强的心电监护仪还具有监测其他心律失常及报警功能。心电监护仪还能够自动记忆心电异常报警点前后一定时间(例如10秒)的心电波形，自动统计一定时间(例如3小时、6小时、12小时、24小时)内的心率趋势图(Heart Rate Trending)，能够在报警时自动描记心电图和打印数据。,床旁心电监护仪框图,2.3.2 多参数监护仪,早期的监护仪主要局限于心电监护，现代的多参数病人监护仪除了监测心电外，还同时监测呼吸、体温、血压(有创血压或无创血压)以及氧分压PO2、二氧化碳分压PCO2等参数。如西门子公司生产的六道床旁监护仪，可监护多导心电、有创血压、无创血压、脉搏、呼吸、呼吸末CO2分压、体温、血氧饱和度、心输出量等参数，使用黑白或彩色 CRT监视器显示6道波形和各种参数值，并具备3级报警。还配备了功能很强的计算机系统，可进行多达20种不同类型的心律失常分析，存储64个5秒长度的心律失常波形，具有S-T段分析、血液动力学计算、心输出量计算、20个参数24小时趋势图等多种分析功能，使该机远远超过了单纯的病人监护的范畴，成为电脑式智能化分析监护仪。,2.3.3 中心监护系统,中心监护系统由一个中心监护仪和18个床旁监护仪组成，监护参数可以是单心电参数的也可以是多参数的(通常有四个参数，心电、血压，体温及呼吸率)。床旁监护仪与中心监护仪的通讯可以是有线的也可以是无线遥测的，目前国内大多采用有线方式。床旁监护仪承担病人的生理信号的数据的采集、预处理、报警阈值的设置、参数及波形的显示及报警等功能。中心监护仪控制各床旁监护仪的工作，对床旁机送来的数据作进一步的处理，并完成医护人员与监护系统的人机对话，由键盘、鼠标或触摸屏完成，目前比较好的监护系统大多数采用触摸屏方式。,中心监护仪常备有性能更强的微型计算机，它可以对各床旁监护仪的参数经过选择，将其部分或全部的异常参数及波形，一方面显示的同时进一步地分析处理及判断，另一方面控制描记和打印床位号、时间、波形、参数及趋势图等。总之，床旁监护仪只监测一个病人的各个参数，而中心监护仪则可以同时监测各个病人的心电波形或一个病人的各个参数，有各种组合方式。如美国生理控制公司的CMS8O00担中心监护系统，可检测心电、血压、呼吸及体温等参数，它的中心监护仪可对四床位的各7秒的心电波形显示报警，或对八床位各3秒的心电波形显示报警，或对单床位各参数波形显示报警，或对单床位参数波形显示及2小时或8小时参数趋势图显示。,从目前的发展趋势看，监护系统趋于小型化与模块化方式，各种生理参数采集处理由若干模块完成，根据需要取舍，以适应通用性要求，床旁机既可以独立使用，也可以与中心监护系统联接使用。上述监护仪或监护系统被广泛应用于现代化医院中CCU(Coronary Caring Unit冠心病人监护病房)、ICU(Intensive Caring Unit危重病人监护病房)及OR(Operation Room手术室)中。,2.3.4 胎儿心电心率监护仪,从原理上分，有超声多普勒原理的胎儿心率监护仪，有直接在胎儿头皮上放置电极的胎儿心电分娩监护仪，也有在母体腹部放置电极的围产期胎儿心电监护仪以及胎儿心音监护仪。母体腹部电极法胎儿心电监护仪在孕妇腹部检测心电信号。但这个心电信号是母亲心电和胎儿心电混合在一起的，可利用16位微处理机和高速数字信号处理器及信号处理方法，从母亲心电中将胎儿的心电信号提取出来，在监视器上同时显示母亲腹部心电波形和胎儿心电波形及胎儿心率，并设置上、下限报警，也可用记录仪记录波形以供分析。这种胎儿监护仪可对胎儿进行长期地、完全无损地监护。,2.3.5 遥测心电监护仪,遥测心电监护仪适用于医院内可走动的病人的长时间监测。无线电遥测发射器配带于病人身上，检测心电信号、放大并进行调制发射。发射载波频率一般采用174MHz216MHz，接收距离60米1000米不等。接收器将接收到的无线电信号进行放大和解调，还原成心电信号送监护仪。为了扩大监护仪的使用范围，常将监护仪设计成两用的，既可作遥测监护，又可作床旁监护。目前，遥测心电不仅应用于医院中，而且还应用于体育运动员、飞行员和宇航员中，检测的参数也是多种的，有心电、脑心、肌电、体温、呼吸、血压、血氧饱和度等多种参数。,遥测心电监护仪框图,2.3.6 动态心电监护系统(Holter系统),Holter系统即磁带记录式心电监测系统，是美国人Holter 于l961年发明的。Holter系统由两部分组成：心电磁带记录器，心电磁带回放仪。Holter系统利用磁带记录器将心电图调制后记录在磁带上，病人把磁带记录器带在身上后，可以回家正常地生活工作，期间可记录下24小时的心电图，然后再送回医院，由专用计算机控制的回放仪进行回放分析和诊断。,磁带记录时采用极低的转速记录，而在回放时以高速回放(60或120)，以便在很短的时间内分析完24小时的心电图。计算机可自动高速处理心电数据，检测心律不齐，当捕捉到异常心律时又能以慢速(2)回放，以便医生进行仔细地观察。心电磁带回放仪实际上是一种高性能的心律失常分析仪，可以完成自动诊断，自动显示诊断结果并打印报告。Holter系统能检测出短时间发作的异常心电，是目前特别适用于诊断冠心病的仪器。,近几年，又出现一种新型的称为固态记录的Holter系统(如图2.14所示)，且有取代磁带式记录Holter系统的趋势。它不使用磁带记录，因而没有驱动磁带转动的电机，而是采用超大规模集成电路高容量的静态(或动态)存储器直接存储心电数据。由于目前这种大容量的存储器仍然不能满足容量的需要，所以只能记录短时间的心电数据(例如8小时)，或采用数据压缩算法，减小数据存贮量后才可存储到24小时的心电数据，但经过数据压缩后记录到的信息不是全信息。,固态存贮式Holter系统,2.3.7 智能Holter系统,由于佩带式心电记录器的特点之一是必须使用电池供电，所以在硬件电路上要考虑尽可能地省电，以延长电池寿命。随着微计算机技术的迅速发展，低功耗的CMOS微机集成电路的研制成功，为研制智能Holter系统提供了条件。普通Holter系统只能记录24小时的心电图，而其中绝大部分又是没用的，因为许多病人的危险的心脏病心电信号可能若干天或若干星期才发生一次。所以需要研制一种能自动识别不正常心电信号的佩带器，以便较长时间地记录不正常的心电图。,智能Holter系统由于将低功耗的微处理器装入磁带记录器中，可以自动分析心电信号，只有当发生不正常心电时才启动记录器记录，同时发出声光报警信号。一旦心电恢复正常便自动停止记录。由于这种智能Holter系统记录的心电信号时间短，所以也可以用较少容量的存贮器RAM存储心电数据而不需要进行数据压缩。,智能Holter系统的记录器,对监护仪的要求比对一般诊断仪器的要高。首先要求要有性能良好、固定可靠的换能器，如测量心电信号的电极，其所用材料和固定方法都还在不断地改进，到目前为止还没有满意的无损检测血压的换能器及测量方法，这正是目前国内外学者研究的课题。监护时间长，往往会遇到更大的干扰噪声，如病人的呼吸或其他动作，因此线路需要更强的抑制噪声、抑制基线漂移和抗干扰的能力，这需要采用一些信号处理方法。在特别的场合，还需要特别设计心电监护仪，如手术室使用的手术室监护仪，必须能够抗高频电刀的高频干扰。,监护仪往往还要求具有自动诊断差别的能力，即要进行模式识别，加以分类，而这种工作还必须和大量的临床工作相结合，与医生合作，才能提取出合适的特征参量，列写出恰当的判据或判别方程。监护仪还要求有更高的安全性和可靠性、低功耗的微处理器、高容量的静态RAM、高能量的电池、高性能的微型磁带记录仪等也是研制高性能的Holter系统给其他有关行业提出的研究课题。,