生理參數(shù)測量儀器

1、第二章 生理參數(shù)測量儀器,人體電生理參數(shù)檢測儀器人體非電生理參數(shù)檢測技術(shù)及儀器病人監(jiān)護儀器,2.1 人體電生理參數(shù)檢測儀器,細胞是所有生物電的發(fā)生源，生物電或電位是細胞內(nèi)部與外部間產(chǎn)生的電位差，也就是細胞膜兩面產(chǎn)生的電位差。生物電現(xiàn)象是細胞實現(xiàn)一些最生要功能的關(guān)鍵因素，是生命現(xiàn)象的表現(xiàn)之一。因此，通過研究生物電現(xiàn)象，可以了解生物體的生理活動。,進行生物電學研究的第一步，是把生物電信號拾取出來，并用儀器進行記錄。有關(guān)腦電、心電、肌電

2、的記錄，是在皮膚表面做間接記錄；記錄視網(wǎng)膜電位、耳蝸電位和鼻電位就比較復雜了，要分別把記錄電極安放在眼睛角膜表面、耳蝸圓窗表面和鼻粘膜中；而最復雜且要求最高的技術(shù)則是感受器電位、神經(jīng)元的動作電位和神經(jīng)纖維上傳導的沖動電位的記錄，這需要將符合尺寸的引導電極插進細胞或纖維中。,微電極可以記錄到細胞的靜息電位和動作電位，一般從幾微伏至上百毫伏之間。由細胞電位構(gòu)成的人體主要電生理信號有心電、腦電、肌電、眼震電等。這些信號的測量，可在一定程度上反

3、映人體的生理狀況。生物電現(xiàn)象已成為了解生命活動、研究生物功能的可靠依據(jù)。而生物電測量儀器也經(jīng)歷了由簡單到復雜、由功能單一到多功能復合的發(fā)展過程。,早在20年代就出現(xiàn)了用檢流計測定的心電圖機。60年代以前，心電放大器一直采用電子管，性能上不斷改進，描記器由光點改為熱筆描記。60年代，晶體管心電圖機的出現(xiàn)使其體積大大縮小。70年代，出現(xiàn)了浮地式心電放大器，進一步提高了其安全可靠性。目前，心電放大器均由采用集成電路，遙測心電和多道生理記錄儀也

4、得到了不斷地改進和完善。80年代，又廣泛采用了微機構(gòu)成的智能化電生理儀器，這也將是今后醫(yī)用電生理儀器的發(fā)展方向。,人體電生理參數(shù)檢測儀器,心電圖機腦電圖機誘發(fā)電位儀腦地形圖儀,動態(tài)腦電記錄分析系統(tǒng)眼震電圖儀肌電圖儀胃電圖儀,2.1.1 心電圖機,在每一個心動周期中，心臟各部分興奮過程中出現(xiàn)的電變化的方向、途徑、次序和時間都有一定的規(guī)律。這種生物電變化通過心臟周圍的導電組織和體液反映到身體表面上來，使身體各部分在每一心動周期中

5、也都發(fā)生有規(guī)律的電變化。把測量電極放置在人體表面的一定部位，記錄出來的心臟電變化曲線即為臨床常規(guī)心電圖ECG 。可用來診斷心臟疾病。,人體內(nèi)由竇房結(jié)發(fā)出的一次電興奮，按一定的途徑和時程，依次傳向心房和心室，引起整個心臟的興奮，使心臟周期性地收縮，推動血液在全身循環(huán)。,記錄心電圖常用標準十二導聯(lián)法：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、aVR、aVL、aVF、V1-V6。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ叫標準肢體導聯(lián)，以右下肢為參考電極，左上肢—右上肢為Ⅰ導，左下肢—右上肢為Ⅱ?qū)В?/p>

6、左下肢—左上肢為Ⅲ導。aVR、aVL、aVF為加壓導聯(lián)，V1-V6為胸部6導聯(lián)。心電圖依次測量這12個導聯(lián)的心電信號并加以描記。,胸導聯(lián)的測量部位V1：胸骨右緣第四肋間；V2：胸骨左緣第四肋間；V3：V2與V4連線的中點；V4：左鎖骨中線第五肋間鎖骨中線處；V5：左腋前線與第五肋間同水平面上；V6：左腋中線與第五肋間同水平面上；V7：左腋后線與第五肋間同水平面上；V8：左肩胛骨線與第五肋間同水平面上。,心電圖機主要記錄心

7、臟電活動波形圖。自1905年威廉·愛因霍文最早將心電圖機用于臨床，它已有近百年的歷史。隨著高科技的迅猛發(fā)展，在設(shè)計與制造心電圖機方面也正在飛速發(fā)展，老型號心電機不斷被新型號心電機所淘汰，電子管心電機器被晶體管心電機所取代，晶體管分立原件心電機又被大規(guī)模集成電路心電機所取代。尤其近些年來，在心電信息處理方式方面由模擬式心電機向智能化式心電機轉(zhuǎn)變，目前智能化心電機已在臨床得到廣泛應(yīng)用。,心電圖機的種類很多，從功能上可大至分為五種

8、：⑴單道手動心電圖機。 ⑵單道自動心電圖機 。⑶多道全自動心電圖機 。⑷具有自動分析診斷功能的智能型心電圖機 。⑸具有自動分析診斷功能的智能型多功能心電圖機 。,按心電圖機描記輸出方式可分類 ——間接描記方式和直接描記方式直接描記式可分為： 噴墨式、墨水筆式、熱筆式、熱陣打印頭式 單道心電機多用熱筆式，多道心電機多用熱陣打印頭式或打印機。,心電圖機的基本構(gòu)成,1.輸入電路 包括過壓

9、保護、高頻濾波、緩沖放大器、威爾遜網(wǎng)絡(luò)、導聯(lián)選擇電路。過壓保護和高頻濾波電路是因有時心電圖機與除顫器、高頻電刀同時使用，為確保病人安全和心電圖機免遭高壓沖擊，同時為了阻止外界高頻干擾信號進入心電圖機的前置級而設(shè)置的。緩沖放大器實際上就是起阻抗變換的作用，它輸入阻抗高輸出阻抗低便于與威爾遜網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗相匹配。,威爾遜網(wǎng)絡(luò)是由9個電阻組成，6個20KΩ組成一個三角形電路，每一個三角形頂點分別與3個30KΩ組成一個星形電路三個點相連，星形公共

10、點是威爾遜網(wǎng)絡(luò)的中心端，這點的電位與人體電偶中心點電位相等，均可視為零點。,三角形的三個頂點分別引入人體右手、左手、左腳三個肢導的信號，三角形三個邊的中點是三個加壓肢體導聯(lián)的相應(yīng)參考點。導聯(lián)選擇電路是控制人體信號的輸入，不同的導聯(lián)選自人體的不同部位。,2.放大電路 放大電路基本上是由前置放大電路、中間級放大電路和功率放大電路組成。前置放大的主要任務(wù)是提高共模抑制也就是抑制干擾信號，放大心電信號。1mv發(fā)生器就加

11、在這級的輸入端。中間級放大是將心電信號進一步放大，一些在心電機面板上可調(diào)整的和可用的功能基本在這級實現(xiàn)。如增益調(diào)節(jié)（記錄筆輸出幅度不夠時調(diào)節(jié)）、阻尼調(diào)節(jié)（方波不夠理想時調(diào)節(jié)）、增益選擇（輸出幅度有3檔可選：1/2、1、2）、50Hz電源濾波（去除電源引起的干擾）、35Hz肌電濾波（去除肌電引起的干擾）、位移（調(diào)整熱筆在合適的位置）等。功率放大電路是把經(jīng)過前置放大和中間級放大后的心電信號再放大到使記錄筆能夠產(chǎn)生恰當偏轉(zhuǎn)的電平，驅(qū)動記錄器進

12、行心電描記。,心電圖機的關(guān)鍵是前置放大器，對心電放大器的要求是 放大倍數(shù)高（約5000倍）， 輸入阻抗高（>10MΩ）， 共模抑制比CMRR大（80~100dB）， 頻率響應(yīng)足夠?qū)挘?.05Hz~100Hz）， 以及良好的電氣安全技術(shù)，現(xiàn)都采用浮地電源和光電隔離放大器。,3.記錄電路 現(xiàn)在的心電機記錄電路都是由走紙馬達（交流電機）調(diào)速、穩(wěn)速電路、記錄筆調(diào)溫電路、記錄器組成。而調(diào)速、穩(wěn)速電路

13、都采用鎖相環(huán)技術(shù)，通過鎖相環(huán)輸入不同參考頻率信號來改變速度，通過速度反饋信號與輸入?yún)⒖夹盘栂辔槐容^，鎖相環(huán)輸出不同電位來穩(wěn)定速度。記錄筆調(diào)溫電路采用調(diào)寬脈沖方式，改變脈沖寬度（占空比）來改變筆的溫度。記錄器采用位置饋式記錄器，它是由筆馬達和同軸電位器式位置檢測器組成。利用電位器轉(zhuǎn)動臂與記錄器線圈同軸的特點，使位置反饋式記錄器的線性好，描記的心電圖清晰。4.電源 一般心電機電源都有交直流兩種方式供整個電路工作。,如何設(shè)計一個性

14、能優(yōu)良且價格不貴的心電圖機至今仍然是一個不斷有人研究的課題。例如如何保證心電圖機的基線穩(wěn)定不漂移，干擾噪聲盡可能小，如何保證電源浮地、光電隔離等。高質(zhì)量的放大器也是其他電生理儀器如腦電圖機、肌電圖機、胎兒心電圖機、眼震電圖機、誘發(fā)電位儀以及多道生理信號記錄儀等的核心部件及共同的研究課題。描記器現(xiàn)仍多使用熱筆，熱筆的穩(wěn)定性、線性問題也在不斷改進。熱筆只能描記波形，不能打印字符，目前先進的陣列式熱敏打印機不僅可描記波形，還可以打印字符。,本

15、機參數(shù)： 外形尺寸：290X230X70mm； 電源：AC220V 45VA，DC15V 3A； A/D轉(zhuǎn)換：12位； 采樣率：800Hz； 采樣方式：8通道； 記錄方式：熱敏紀錄，8點/mm； 記錄速度：25mm/s或50mm/s； 靈敏度：5、10、20mm/mV； 頻率特性：0.05~150Hz-3dB； 時間常數(shù)：>3.2s； 輸入阻抗：>60MΩ； 共模抑制比：>90dB； 安全級：

16、類CF型； 數(shù)字濾波器：0.5Hz、25 Hz、35 Hz、50 Hz,現(xiàn)代心電圖機裝有微處理器，不僅控制導聯(lián)自動轉(zhuǎn)換，還具有分析功能，叫自動分析心電圖機。這種心電圖機可以自動測量心率、各種幅度、間期。例如R波幅度、ST段電平、QRS波群寬度、瞬時心率、平均心率等幾十個參數(shù)，這些參數(shù)一同與心電圖由陣列式熱敏打印機打印出來。 自動分析心電圖一般采用16位微機，16bit的A/D轉(zhuǎn)換器，用4000或8000次/秒的采樣頻率，分析精

17、度高。,2.1.2 腦電圖機,大腦皮層的神經(jīng)元具有自發(fā)生物電活動，因此大腦皮層經(jīng)常具有持續(xù)的節(jié)律性電位改變，稱為自發(fā)腦電活動。臨床上將用雙極或單極記錄方法，在頭皮上觀察大腦皮層的電位變化而記錄到的腦電波稱為腦電圖EEG。 腦電圖機通常有8通道或16通道，同時測量和描記8道或16道腦電波形，用8筆或16筆的墨水筆記錄儀描記?，F(xiàn)代腦電圖機還有64道及128道。,（1）電極安放標準 “10～20”系統(tǒng)（2）導聯(lián)線的連接方式設(shè)計

18、 1）雙極導聯(lián)法 干擾小、定位準確、波幅低 2）單極導聯(lián)法 波幅高、干擾較大,從頭皮描記的腦電波強度很小，一般為10～50μv，頻率范圍為0.5～100Hz。國際上將腦電波按波的重復節(jié)律不同分類，統(tǒng)一為以下四個頻段。,腦電波形的頻率特性比幅度特性在臨床上更顯得重要。腦電在時域(Time domain）中不易得到特征參數(shù)，而若將它們變換到頻域（Frequency domain）中就很容易

19、分出α波、β波、θ波和δ波。(變換常采用傅里葉變換、小波變換等）。這四種波是否出現(xiàn)，出現(xiàn)頻繁程度等均與生理病理狀態(tài)有關(guān)。臨床常用來診斷癲癇等神經(jīng)病和腦部腫瘤。腦電放大器電路設(shè)計要求 靈敏度：2～50μV/div 帶寬：DC～150Hz 輸入阻抗：≥200MΩ 共模抑制比： ≥80dB 系統(tǒng)噪聲：≤5μVrms 頭皮電極接觸阻抗： ≤5kΩ 安全要求：GB9706.1-1995,2.

20、1.3 誘發(fā)電位儀,除了自發(fā)腦電波外，采用刺激的方法還能夠引起大腦皮層局部區(qū)域的電活動，稱之為腦誘發(fā)電位EP（Evoked Potential）。刺激的方式通常有三種：視覺刺激、聽覺刺激和體感刺激，刺激時，可在與刺激感覺通道相對應(yīng)的頭皮部位測到誘發(fā)電位，分別稱為視覺誘發(fā)電位 VEP（Visial Evoked Potential）、聽覺誘發(fā)電位AEP（Auditory Evoked Potential）和體感誘發(fā)電位SEP（S

21、omatic Evoked Potential）。,誘發(fā)電位的測量部位及臨床價值,上圖是視覺誘發(fā)電位曲線，幅度范圍為1~20μV，帶寬1~300Hz，持續(xù)時間為200ms。P表示正相波，N表示負相波，以平均潛伏期（Latency）作為下角注，如P100表示潛伏期為100ms的波峰。由于誘發(fā)電位幅度極小，埋沒在自發(fā)腦電及噪聲中，所以常用迭加平均方法將多次刺激（多達1000次以上）的誘發(fā)電位迭加，再去除噪聲后，才能獲得誘發(fā)電位。,上圖是二通

22、道誘發(fā)電位儀的方框圖。它具有高性能的全浮地前置放大器，高速A/D 轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)采集，由高性能的微機控制，并配有高速數(shù)字處理器進行迭加平均運算。由電視監(jiān)視器實時顯示波形，具備測量功能，由X-Y繪圖儀繪制波形圖。多通道的誘發(fā)電位儀還有4、8、16、32和64通道的。,2.1.4 腦地形圖儀,現(xiàn)代腦電地形圖儀將腦電圖儀、誘發(fā)電位儀及自發(fā)腦電/誘發(fā)腦電地形圖集于一體，在彩色電視監(jiān)視器上可顯示16通道腦電圖，或16通道誘發(fā)電位，或腦電

23、地形圖。,由自發(fā)腦電經(jīng)統(tǒng)計分析繪成的地形圖稱為自發(fā)腦電地形圖；由誘發(fā)腦電各潛伏期作出的地形圖稱為誘發(fā)腦電地形圖。腦電地形圖對診斷腦部疾病比波形更直觀。正常腦電地形圖左右兩側(cè)對稱。視覺誘發(fā)腦電地形圖呈現(xiàn)不對稱性，說明被測者腦部有疾患。,2.1.5 動態(tài)腦電記錄分析系統(tǒng),動態(tài)腦電記錄分析系統(tǒng)（腦電Holter系統(tǒng)）是受動態(tài)心電記錄分析系統(tǒng)（心電Holter系統(tǒng)）的啟發(fā)，由臨床需要提出來的。腦電Holter系統(tǒng)可以把病人在正常生活環(huán)境中從事日

24、?；顒拥哪X電活動長時間地（至少24小時）實時記錄，然后回放并進行詳細觀察、分析和處理，從而有利于異常腦電波的發(fā)現(xiàn)與診斷，目前主要用于對癲癇的鑒別和診斷。,腦電Holter系統(tǒng)由記錄器和計算機回放分析系統(tǒng)兩部分組成。記錄器一般為佩帶式，能進行24小時大容量多通道無失真的腦電信號存儲，且功耗低。除記錄腦電信號外，還可同步記錄心電（ECG）、眼電（EOG）及呼吸波等多種生理信號。佩帶式記錄器目前主要有兩種：⑴磁帶式，采用普通磁帶進行EEG記錄

25、；⑵固態(tài)式，采用低功耗大容量靜態(tài)存儲器（SRAM）進行EEG的數(shù)據(jù)記錄。,固態(tài)式記錄器是今后的發(fā)展方向。由于目前大容量靜態(tài)存儲器的存儲容量尚不能滿足24小時記錄的所需容量，所以在存儲時常采用小壓縮比的數(shù)據(jù)壓縮算法。除了上述兩種記錄器外，還可利用大容量硬盤進行記錄，其優(yōu)點是數(shù)字式全信息24小時記錄，而缺點是不適合于佩帶。,計算機回放系統(tǒng)有回放、分析、存儲及打印功能?；胤殴δ馨焖佟⒊Ｋ?、全覽、選時回放等多種方式。分析功能有：⑴各種形式的

26、腦電地形圖；⑵功率譜分析、譜參數(shù)提??；⑶各節(jié)律能量直方圖；⑷壓縮功率譜陣圖；⑸相關(guān)分析、時域分析；⑹偽差濾除；⑺癲癇波自動識別及定位；⑻睡眠波分析等。,2.1.6 眼震電圖儀,眼球運動時記錄到的眼動波形也是生物電信號，分為水平眼動波形和垂直眼動波形。當前庭器官受到某種刺激（如角加速度刺激，冷熱水溫度刺激）時，就會產(chǎn)生誘發(fā)眼震。眼震是一種半節(jié)律性變化的眼球擺動，由慢相和快相兩個時相組成。由于眼球的角膜和視網(wǎng)膜之間存在著不同的生物電位，眼球

27、的擺動會引起這個電位的變化，并且該變化與眼球擺動的角度近似呈線性關(guān)系，記錄該電位的變化就是眼震電圖ENG，可測量其慢相速度、快相速度、眼震頻率等各種參數(shù)，在臨床上常用于診斷眩暈病。這也是航海航空人員的體檢方法之一。,現(xiàn)代眼震電圖儀裝有計算機，可采集、存儲數(shù)據(jù)并進行分析和計算。右圖是清華大學研制的眼震電圖機分析系統(tǒng)的框圖。,該系統(tǒng)不但可以進行描記，還可以由計算機控制采集160秒長度的數(shù)據(jù)，波形在CRT監(jiān)視器屏幕上既可以實時滾動刷新顯示又可

28、以回顧顯示，波形與字符可以同屏幕顯示，有測量標記，可手動或自動測量計算各參數(shù)，并由小型四色X-Y記錄儀繪制波形、統(tǒng)計圖形和打印數(shù)據(jù)。,2.1.7 肌電圖儀,肌電圖EMG（Electromyogram）是肌肉產(chǎn)生的生理電信號的記錄。它可以通過放置在皮膚上的表面電極來測量，也可以用針電極經(jīng)皮膚插入肌肉來測量。肌電圖的幅度與電極放置部位有關(guān)，范圍大約為50μV~5mV，帶寬為2~500Hz。   肌電圖儀由電

29、極、前置放大器和主放大器、示波器波形顯示及描記器組成?，F(xiàn)代肌電圖儀常與誘發(fā)電位儀合為一體，由微機控制，為“無筆描記型”，用電視監(jiān)視器顯示波形，由熱陣打印機或激光打印機打印波形。,肌電圖檢測在神經(jīng)源性和肌源性疾病的鑒別診斷方面，以及對神經(jīng)病變的定位，損害程度和預后判斷方面有重要價值。⑴神經(jīng)源性疾?。褐車窠?jīng)病損（包括糖尿病、酒精中毒、尿毒癥等）頸椎病、單癱運動元性病、面神經(jīng)麻痹、多發(fā)性神經(jīng)炎、脊髓前角病損、脫髓鞘病、交叉癱以及神經(jīng)源性性功

30、能障礙的診斷等。⑵肌源性疾?。杭I養(yǎng)不良癥、肌萎縮、周期性麻痹、重癥肌無力、肌強直綜合征、神經(jīng)與肌肉接頭病等。 ⑶結(jié)締組織?。憾喟l(fā)性肌炎、皮肌炎、多發(fā)性硬化病、紅斑狼瘡病、廢用性肌萎縮、風濕性關(guān)節(jié)炎等病。,利用殘存肢體產(chǎn)生的生物電作為信號輸入假肢，經(jīng)過電子系統(tǒng)處理來控制假手的動作。當截肢者裝上這種假肢，按自己的意志使殘肢肌肉收縮時，所產(chǎn)生的電信號，經(jīng)皮膚傳到電極上，通過電子系統(tǒng)放大，濾波處理和肌電模式識別后，控制電路立即啟動假肢里的微電

31、機，帶動手或腕、肘、肩關(guān)節(jié)機械結(jié)構(gòu)使假肢動作。      目前已發(fā)展到從腕到肩各種不同部位截肢者均可安裝的肌電控制假肢系統(tǒng)。     一自由度肌電控制上肢假肢：它的指拇和其它四指張開、閉合，腕可被動旋轉(zhuǎn)，并在任意位自鎖，不會因受外力而松動，適用前臂和腕離斷截肢者安裝。     二自由度肌電控制上肢假肢：它分為兩種

32、，一種是上臂二自由度，手指可張、合、肘可屈、伸135度，腕可被動旋轉(zhuǎn)，適用于上臂下段或肘關(guān)節(jié)截肢者安裝。另一種是前臂二自由度，手指可張、合，腕可旋內(nèi)、旋外360度（或屈曲），適用于前臂殘肢有適當長度的截肢者安裝。     三自由度肌電控制上肢假肢：手指可張、合，腕可旋內(nèi)、旋外360度（或屈曲），肘可屈伸135度，適用于上臂中上段或單側(cè)全臂截肢者安裝。    

33、60;四自由度肌電控制上肢假肢：它是由上述三個自同度加上全臂上舉、放下這一自同度，適用于雙臂截肢者安裝。,用微電極插入單個肌纖維測量動作電位可獲得分辨率更高的單纖維肌電圖。由神經(jīng)細胞、神經(jīng)纖維、神經(jīng)肌肉節(jié)及肌纖維組成的綜合體稱為運動單元，用同心針電極可以測得它的動作電位稱為運動單元動作電位（MVAP）。MVAP的持續(xù)時間約為2ms~10ms，幅度100μV~2mV，頻帶寬度5Hz~10KHz。,2.1.8 胃電圖儀,胃電圖EGG（Ele

34、ctrogastrogram）是將電極放置在腹部記錄到的胃肌電活動信號。胃電圖（常包括腸電圖，合稱胃腸電圖）用于腸胃運動功能的檢測，如非潰瘍性消化不良、腸易激綜合癥等疾病。   胃腸肌電活動是在神經(jīng)、激素和其他因素的調(diào)節(jié)下進行的?；镜奈鸽娀顒邮牵孩怕ǎ菏俏钙交〉幕倦姽?jié)律，正常值為3次/分（CPM）。⑵快波：峰電位或動作電位，是環(huán)形肌收縮時的電活動。通常體表胃電測量的僅是慢波成分。,胃腸電信號是μ

35、V量級，頻率范圍為：胃電的正常范圍是2.5~3.6次/分，在3.7~9.9次/分范圍內(nèi)的是異常胃動過速；在1~2.4次/分范圍內(nèi)的是異常胃動過緩；結(jié)腸電的正常范圍是1~7次/分，小腸電的正常范圍是8~12次/分。由于胃腸電信號幅度微弱，頻率范圍接近直流，具有隨機特性，因此需要高性能的放大器，即要求其放大器具有高增益、低噪聲、低漂移、高穩(wěn)定和高靈敏的特點。,胃腸電是隨機信號，單個波形是沒有意義的，無法用肉眼直接分析，一定要經(jīng)過計算機對胃腸

36、電信號進行統(tǒng)計分析處理。傅里葉頻譜分析是現(xiàn)今對胃腸電分析的最有效的方法。常用頻譜圖（橫坐標表示頻率，縱坐標表示功率強度）和運行圖譜（X軸表示頻率，Y軸表示時間，Z軸表示功率強度）來進行分析。測量頻譜圖上的峰值功率Pd及其相對應(yīng)的主頻Fpo（又稱基頻）；在胃腸電波形圖上測量平均峰值幅值A(chǔ)p和信號平均過零次數(shù)Fz，這些參數(shù)對診斷有重要意義。,2.2 人體非電生理參數(shù)檢測技術(shù)及儀器,人體非電生理參數(shù)主要有動脈血壓、心音、體溫、脈搏、呼吸、血

37、氧飽和度等。隨著傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、光電技術(shù)及數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，非生理參數(shù)的電子測量儀器相繼出現(xiàn)，如電子血壓計、電子體溫計、光電心率計等，逐步進入家庭。光電無損檢測技術(shù)是非電生理參數(shù)測量的發(fā)展方向，特別是血壓及血氧飽和度的光電無損檢測，是當前研究的熱門課題，已有儀器問世。此外，一些生化指標如血糖、黃疸等也采用光電法進行無損測量。,非電生理參數(shù)也是病人監(jiān)護儀中監(jiān)護的主要內(nèi)容。如在多參數(shù)監(jiān)護儀中，除監(jiān)護心電外，還監(jiān)護血壓

38、、體溫、呼吸、血氧飽和度等。將測量心電、血壓、心音、脈搏等電生理和非電生理參數(shù)的電路做成模塊，就可以組成多道生理信號記錄儀。,非電生理參數(shù)檢測,血壓檢測 心音檢測 體溫檢測 呼吸檢測 血氧飽和度檢測 心輸出量測量人體磁場測量 多道生理信號記錄儀,2.2.1 血壓檢測,測量血壓可進行有創(chuàng)檢測和無創(chuàng)檢測。有創(chuàng)檢測采用的方法為動脈插管接壓力計或壓力傳感器，這種方法測量準確，但給病人造成痛苦，因此只在心血管手術(shù)時運用。無創(chuàng)檢測傳統(tǒng)

39、的方法是聽診法，又稱柯氏音法，這種方法是俄國醫(yī)生Korotkoff于1905年發(fā)明的。,心血管系統(tǒng)（1）收縮壓SP和舒張壓DP 心室收縮期間，心主動脈瓣開放，此時動脈壓反映心室的機械活動。 心室舒張期間，心主動脈瓣關(guān)閉，動脈壓反映的時主動脈向外周血管系統(tǒng)的流動能力。（2）平均壓MP 平均壓是整個心動周期動脈壓 的平均值，通常用于評價整個 心血管系統(tǒng)的狀況。（3）左心室壓

40、 反映左心室的泵作用，心室壓力曲線的上升沿斜率反映心室收縮初期的力度，一般低于1kPa（8mmHg）（4）右心室壓和肺動脈壓 當病人出現(xiàn)嚴重的肺部疾病時會出現(xiàn)肺動脈高壓。（5）中心靜脈壓 當總的血容與靜脈彈性不變時，靜脈壓隨心功改變而改變，因此它時監(jiān)測人體心臟衰竭的重要指標。（6）大血管中血液壓力導管測量法,生理壓力量測量的參考點 中心靜脈壓位于胸部緊靠心臟的位置，胸腔內(nèi)的壓力與大氣

41、壓接近，因而與體位無關(guān)，即作用于中心靜脈與右心房的外部壓力是穩(wěn)定的，從而心臟泵的運行通常應(yīng)該是穩(wěn)定的，故右心房壓對心臟功能非常敏感。 將右心房作為血壓測量的參考點，其位置一般位于胸縱軸的中央處，具體位于胸腔左右第四肋之間的空間，中央肋軟骨節(jié)前，離后背約10cm處。,柯氏音法是用一個13×23cm的氣袖纏于上臂中部，輸出管連于水銀壓力計，氣袖下方肱動脈搏動處放置聽診器。用橡皮球向氣袖打氣，當袖內(nèi)壓大于

42、收縮壓（PS，即所謂“高壓”）時，動脈被壓閉。然后以2~3mmHg/秒的速率放氣，并監(jiān)聽柯氏音?？率弦羰茄魍ㄟ^被壓閉又逐漸開啟的動脈血管時產(chǎn)生的斷續(xù)聲音?？率弦舴譃槲逑?，第一相對應(yīng)著袖內(nèi)壓剛剛低于收縮壓，血管內(nèi)開始出現(xiàn)斷續(xù)的血流時產(chǎn)生的，因此此時水銀壓力計的指示的就是收縮壓；第五相對應(yīng)著袖內(nèi)壓剛剛低地舒張壓（PD，即所謂“低壓”），血流在血管內(nèi)開始連續(xù)通過，柯氏音由減弱變?yōu)橄?，此時水銀壓力計的指示就是舒張壓。,20世紀70年代以來，

43、出現(xiàn)了多種柯氏音法電子血壓計，由微處理器控制，手動或用氣泵自動打氣，手動或用電磁閥自動放氣，通過微音器自動監(jiān)測柯氏音，并由微處理器自動判斷及自動測量，由液晶數(shù)字顯示收縮壓、舒張壓、平均壓及心率等。,柯氏音法的關(guān)鍵在于辨別血流的聲音信號，以聲音變化為依據(jù)。其優(yōu)點為同一般臨床應(yīng)用相一致，容易被醫(yī)生們認同。其缺點為電子器件的拾音器易受外界噪聲干擾，結(jié)果偏差較大，不能直接測量動脈平均壓。因此在血壓測量的技術(shù)中，漸漸被振蕩法所代替。,測量方法精度

44、較差的原因：就心臟血壓而論，血壓讀數(shù)隨傳感器的部位和高度而變。不在心臟水平高度所得的讀數(shù)應(yīng)補加上以心臟為基準的相應(yīng)讀數(shù)。如用聽診器，則讀數(shù)將受使用者聽力的影響。若病人處在休克狀態(tài)，因其脈搏微弱，柯氏音振動很低，所以血壓測量對移動特別敏感。無論對正常人還是對情緒緊張的人，觸摸手臂都能改變讀數(shù)。錯誤的測量方法如末端的位置不適當、袖帶放氣速度不適當、水銀壓力計不垂直、聽診器間隙及袖帶放置不適當?shù)榷紩绊懢取?超聲法,在一個心動周期

45、內(nèi)，隨著袖帶壓力的增加，血管的開放和閉合的時間間隔就隨之減小，直到開放和閉合二點重合，該點即為收縮壓。當袖帶壓力減小時，開放和閉合之間的時間間隔增加，直到脈搏的閉合信號與下一次脈搏的開放信號重合，此時確定為舒張壓,振蕩法是70年代發(fā)展起來的測量血壓的新方法。這種方法也象傳統(tǒng)的柯氏音法那樣需要用袖帶阻斷動脈血流。但在放氣過程中，不是檢測柯氏音，而是通過壓力傳感器檢測袖內(nèi)氣體的振蕩波。這些振蕩波起源于動脈血管壁的振動。理論計算和實驗證明，

46、這種振蕩波與動脈壁收縮壓、舒張壓、平均壓均有一定的函數(shù)關(guān)系。通過將振蕩波放大、濾波后，將包絡(luò)線檢出，再用一定的判據(jù)判斷包絡(luò)線與收縮壓、舒張壓的時相對應(yīng)關(guān)系。該方法不受操作者主觀影響，避免了柯氏音法易受環(huán)境干擾的缺點，能精確地測出平均壓。其缺點是測量時要避免上肢肌肉收縮、心房纖顫時測量數(shù)據(jù)不準確。,血壓的檢測為診斷高血壓病帶來了極大的便利，但僅靠數(shù)次隨測血壓值常過多地診斷和過高地估計高血壓病。在血壓治療上，也存在一定的問題，如對冠心病危險

47、的作用Kaplan對提高血壓治療僅使冠心病死亡率下降14%，遠遠低于預期的程度，其重要原因之一可能是提高血壓治療中存在血壓下降不充分，或降壓過度，使冠心病危險增加等。這一事例問題迫切需要一種能監(jiān)測24小時血壓水平的技術(shù)。無創(chuàng)動態(tài)血壓監(jiān)護技術(shù)也即應(yīng)運而生。,無創(chuàng)動態(tài)血壓監(jiān)測使用一種動態(tài)血壓監(jiān)測儀。受試者佩帶這種儀器后可以離開醫(yī)院自由活動，回到日常生活環(huán)境中。儀器按醫(yī)生事先設(shè)定的規(guī)則自動測量出血壓，并將結(jié)果保存在該儀器中。24小時或更長時間

48、后，再把結(jié)果顯示出來或打印出來。這樣可以提供正常生活中受檢者24小時血壓數(shù)據(jù)，一般由幾十個或上百個數(shù)據(jù)組成，用以觀察受檢者一日之內(nèi)的血壓變化。,2.2.2 心音檢測,心音是由于心臟瓣膜的開關(guān)、肌腱和肌肉的舒縮、血流的沖擊及心血管壁的振動而產(chǎn)生的一種復合音。通常，心音可由醫(yī)生通過聽診器進行分析，提供診斷心血管病的重要信息。心音的電子檢測方法是通過心音傳感器（一種磁電式空氣傳導傳感器）檢測心音信號，并通過放大器放大及低通濾波后，送慢掃描示波

49、顯示心音波形，或用描記器描記出心音波形，叫心音圖。心音的主要頻譜在40Hz~100Hz之間，異常心音的頻譜可達數(shù)百Hz。由于受描記器頻響的限制，有時心音圖不能反映全部信息。因此，將放大后的心音信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器，用8KHz的采樣率采樣，經(jīng)計算機進行數(shù)字定量分析，這種儀器稱為電腦心音分析儀。,第一心音 當心室收縮時，血液射向主動脈，并因血液擺動關(guān)閉了房室瓣而產(chǎn)生的，它也源于擴張主動脈跟核心時間的血液擺動及血液在主動脈和肺動脈的湍流所引起的

50、振動。 第一心音分裂是由于三尖瓣和二尖瓣不同時關(guān)閉引起的，它一般出現(xiàn)在心電圖的QRS綜合波上。第二心音 主動脈和肺動脈中的血流減速、回流及半月瓣關(guān)閉有關(guān)的低頻振動；半月形瓣膜把血液放進全身和肺動脈的循環(huán)系統(tǒng)。這些瓣膜在心臟收縮之末，恰好在房室瓣膜重新打開之前關(guān)閉。第二心音約在ECG中T波結(jié)束時出現(xiàn)。第三心音 是由心房進入心室的血液突然增加而引起的漩渦所產(chǎn)生，與心室壁的振動有關(guān)，一般在第二心音之后0.1~0.2S出現(xiàn)。第三心

51、音超前于心房收縮，此時心室松弛，所以是一種低頻、低幅值的振動，在小孩和一些年輕人中聽到。第四心音 為心房音，是心房收縮，把剩余的血液擠進心室而產(chǎn)生的低頻、低振幅的振動，由心音圖機記錄。,第一心音分裂,三尖瓣關(guān)閉不全,舒張早期奔馬律,主動脈瓣關(guān)閉不全心雜音,正常心音,2、心音聽診和心音圖描記五個聽診區(qū)（1）左心室區(qū)放在心尖上；是二漏二狹、主漏及主狹、第一和第二心音、左心室奔馬音及開瓣音的聽診區(qū)。（2）右心室區(qū)的T處；傳導右心室的

52、振動，是三漏及三狹、肺動脈瓣漏、室缺以及右心房奔馬音聽診區(qū)。（3）主動脈瓣聽診區(qū)A；傳導主動脈根部大血管的振動，是主漏及主狹、第二心音及主動脈收縮期哈喇音等聽診區(qū)。（4）肺動脈聽診區(qū)P；傳導肺動脈主干及其主要分支的傳導的振動，是肺動脈瓣狹窄、第二心音、肺動脈哈喇音、房缺、甲亢、貧血等收縮雜音的聽診區(qū)。（5）第二心音分裂聽診區(qū)；位于胸骨左緣第三肋間，是肺動脈和主動脈瓣兩個聽診區(qū)的交叉處,Auscultation Techniques

53、（聽診技術(shù)）,五個聽診區(qū)：（1）左心室區(qū)放在心尖處。（2）右心室區(qū)的T處傳導右心室的振動（3）主動脈瓣聽診區(qū)（4）肺動脈聽診區(qū)（5）第二心音分裂聽診區(qū),記錄的心音和心雜音不僅可客觀解釋心音，而且還使心音和心雜音分別與心動周期中的電活動和機械活動相比較和鑒別。,Phonocardiography 心音圖描記,心音和心雜音特性：（1）心音和心雜音非常微弱，接近人耳的聽覺閾值。（2）頻率分布在20～200Hz范圍，有些心雜音高于

54、1000Hz，低端到4～5Hz。（3）心音和心雜音的強度幾乎隨f 2成反比減小。人的聽覺特性：（1）對高音敏感，而對低頻聲音不敏感。（2）具有選擇作用，能從很多種類的心音中辨別處所要集中注意音色的聲音。（3）耳的聽覺具有掩飾效應(yīng)，它分辨不清大聲音之后的小聲音，也不能聽出在0.02s間隔內(nèi)兩個連續(xù)的聲音。,心音圖機設(shè)計時需考慮的因素：（1）心音和心雜音強弱相差懸殊，這要求心音圖機有大的動態(tài)范圍；（2）心音微弱，要求內(nèi)部噪聲

55、??；（3）心音的高頻振幅小、低頻振幅大，所以只有在放大器的高頻增益比低頻增益大時，才能在同一張圖上記錄下幅度基本相同的圖形；（4）為模擬聽覺的選擇作用，把心音分為幾個帶域（濾波器）記錄。,2.2.3 體溫檢測,傳統(tǒng)的體溫測量方法是用水銀體溫計，根據(jù)熱膨脹原理進行測量。而電子測體溫使用溫度傳感器，常用的有熱敏電阻和半導體溫敏器件等。熱敏電阻的阻值隨溫度而變化，呈非線性關(guān)系。在測量電路中，可將熱敏電阻作為電橋的一個臂，經(jīng)電阻網(wǎng)絡(luò)校正后的

56、輸出電壓由差動放大器放大后由電壓表（用溫度刻度）讀出，或經(jīng)A/D變換后送計算機處理，進行數(shù)字顯示，叫電子體溫計，其測量精度可達0.1~0.01℃。 半導體溫敏器件有溫敏二極管、溫敏三極管等，這類測溫器件是利用PN結(jié)的結(jié)電壓隨溫度成線性變化這一原理進行測溫，其測量電路也常采用電橋式及差動放大電路。,1、熱電偶塞貝克效應(yīng)： 若金屬的兩結(jié)點間存在溫差，則在兩結(jié)點間會產(chǎn)生電勢，其大小與兩結(jié)點間的溫差有關(guān)。,

57、2、三極管和二極管的p-n結(jié) 當p-n結(jié)正向偏置電流滿足恒流條件時，在較寬的溫度范圍內(nèi)，跨p-n結(jié)的電壓隨溫度變化而變化，具有很好的線性度。,3、熱敏電阻,（1）熱敏電阻溫度傳感器電橋方式,非電橋方式,2.2.4 呼吸檢測,空氣吸入和呼出、氣體交換、氧進入組織細胞中以及從組織細胞中搜集二氧化碳的整個過程稱為肺功能，在這個過程中各種成分的測試和評價稱為肺功能測試。 呼吸檢測主要用于呼吸監(jiān)護。呼吸監(jiān)護包

58、括三個方面：呼吸波形實時顯示、呼吸率（次/分鐘）自動計算及潮氣量（每次或每分鐘吸入氣體體積）的自動計算及顯示。,反映肺通氣功能的參數(shù)：（1）肺容量（ lung volume）（2）肺通氣量（3）肺的順應(yīng)性,肺容量,TLC（the total lung capacity, 肺總量） The largest volume to which the subject’s lungs can be voluntarily expa

59、nds is defined as the TLC.RV（residual volume, 肺殘氣量） The smallest volume to which the subject can slowly deflate his or her lungs is the RV.FRC（functional residual capacity, 功能性殘氣量） The volume of the lungs at

60、the end of a quiet expiration when the respiratory muscles are relaxed is the FRC.VC（vital capacity, 肺活量） The difference between TLC and RV is the VC.VT（tidal volume, 潮氣量）,肺通氣量,肺通氣過程中每分鐘內(nèi)呼吸運動所呼出或吸入的氣量為每分通氣量，它由呼吸的快

61、慢和每次呼出或吸入的氣量所決定。呼吸頻率 單位時間內(nèi)的呼吸次數(shù)。每分平靜通氣量 平靜呼吸狀態(tài)下每分鐘呼出或吸入的氣量，等于呼吸頻率與潮氣量的乘積。最大通氣量 以盡快的速度和盡可能的深度呼吸時所得到的每分通氣量。,肺的順應(yīng)性,肺的順反應(yīng)性反映肺通氣過程中來自肺組織和胸廓的彈性阻力的大小。 肺在每增加單位外部壓力下其肺容量的增加程度成為肺順應(yīng)性。,呼吸參數(shù)的測定方法,流量計呼吸量計

62、呼吸頻率計功能殘氣量的測量——氮沖洗法和氦稀釋法,（1）壓力差－氣體流量變換器,Q：管路中的氣體流量ΔP：管路軸向兩點之間的氣體壓力差R（T, Fx）：單位氣體流量產(chǎn)生的氣體阻力,呼吸檢測的常用方法是阻抗法，即：把人體胸部當作一段導體，當呼吸時由于胸部的擴張使胸部阻抗發(fā)生變化，且這種阻抗變化與呼吸活動呈線性關(guān)系。因此，只要通過胸阻抗變化的測量就可以間接測量呼吸活動。胸阻抗包括感抗、容抗和電阻，但當胸部通以50KHz~100KHz（

63、例如62.5KHz）的高頻電流時，胸阻抗可等效為一純電阻，因此，可以通過胸電阻的變化來檢測呼吸。 具體方法是：在胸前鎖骨下放置兩對電極，一對通以50KHz的高頻電流，另一對測量電壓信號。將此電壓信號經(jīng)前置放大、解調(diào)、濾波及放大后就得到呼吸波。將呼吸波經(jīng)A/D變換并經(jīng)計算機數(shù)字處理，就可以計算出呼吸率。如果用呼吸流量計定標后，還可以用呼吸波定量計算出潮氣量。在監(jiān)護儀中，呼吸檢測與心電檢測共同用一對電極。呼吸檢測方法還有鼻腔安放熱敏電阻法

64、、微波多普勒法等。,2.2.5 血氧飽和度檢測,通過肺循環(huán)，紅細胞中的血紅蛋白與氧結(jié)合成合氧血紅蛋白，然后通過動脈血流輸送到人體的各個部分。血氧飽和度是指100ml血液中血紅蛋白實際結(jié)合的氧與能夠結(jié)合的氧的最大量的比值，該指標是衡量呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)是否正常的重要臨床指標。傳統(tǒng)的測量血氧飽和度的方法是使用分光光度計進行抽血化驗。,光電法無損檢測血氧飽和度的具體方法是：在搏動的動脈血管床(例如指端)兩側(cè)分別安放白光源和兩個具有特定波長(6

65、50nm和805nm)響應(yīng)的光探測器，光探測器將透過光變成電信號，經(jīng)放大及A/D轉(zhuǎn)換器后，由計算機處理，計算出血氧飽和度。,朗伯定律若入射光強為I0，物質(zhì)對光的吸收系數(shù)為a，則通過厚度為L的物質(zhì)后，光強為： I=I0e－aL,比爾定律當光被透明溶液中溶解的物質(zhì)所吸收時，吸收系數(shù)a與溶液的濃度C成正比，即a=AC，于是(2.10)表示為： I=I0e－A

66、CL,,生物化學中比爾定律的應(yīng)用,,E為消光系數(shù)lg(I0/I)為光密度或吸光度,波長為λ光強為I0的近紅外光通過組織透射后的光強度為：,,,E1、C1為動脈血液中HbO2的吸光系數(shù)和濃度E2、C2為動脈血液中HbR的吸光系數(shù)和濃度L是動脈血液的光路長度F是皮膚、肌肉和靜脈血液等其他組織的吸光率,動脈血液的吸光度：,,手指動脈搏動引起的動脈血液吸光度變化：,,動脈血液中的血氧飽和度：,,(2.17),波長為λ’的紅色光通過組織透

67、射后的光強度為：,,(2.18),通過式（2.17）和（2.18）得到血氧飽和度：,,(2.19),當近紅外光波長λ＝805nm時，E2=E1=E式（2.19）簡化為：,,(2.20),動脈血管搏動時，透射光強發(fā)生改變，由此引起兩束光變化量為：,,(2.21),,(2.22),動脈血液中的血氧飽和度：,一、心輸出量 心臟每分鐘射出的血量,是衡量心功能的重要指標。測量的方法有：1、指示劑稀釋法：它的測定是通過某一方式將一定

68、量的指示劑注射到血液中，經(jīng)過在血液中的擴散，測定指示劑的變化來計算心輸出量的。連續(xù)輸注指示劑——稀釋法 快速輸注指示劑——染料稀釋法2、阻抗法3、成像法：超聲、磁共振,2.2.6 心輸出量測量,1、連續(xù)輸注指示劑——稀釋法,二、指示劑稀釋法,①When a given quantity m0 of an indicator is added to a volume V, the resulting concentration C

69、 of the indicator is given by C=m0/V.,②When an additional quantity m of indicator is then added, the incremental increase in concentration is △C=m/V.,③When the fluid volume in the measurement space is continuou-sly remov