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1、第三章 心电图机,医械系 刘虔铖,心电图机,电极,导联,主机,本章主要学习目的,1、深刻理解心电图机的结构及其特点。 2、正确分析心电图机电路中的主要元器件功能。 3、建立医用电子仪器的电路分析,心电图机,心电图产生机理,1,心电图简介,2,心电图导联,3,心电机的结构,4,5,血液循环系统,心电图产生机理,心电图产生机理,心电的产生过程,窦房结 结间束 房室结 房室束 左右束支 浦氏纤维网 心室肌,心电图产生机理,1、心脏在机械性收缩之前，产生电激动。 2、心肌激动所产生的微小电流可经过身体组织传导到体表，使体表的不同部位产生不同的电位。 3、在体表放置两个电极，分别用导线连接到心电图机的两
2、端，就会按心脏激动的时间顺序，将体表两点间的电位差记录下来，形成一条连续的曲线，就是心电波形，简称心电图。,心电图：是从体表记录的心脏电位变化曲线，它反映出心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电位变化。 心电图反映的就是兴奋由心房到心室的传导的时间先后顺序及相应的兴奋强度。,心电图产生机理,2.心电图的典型波形,P波心房激动产生；QRS波群(左、右心室电激动) T波(心室肌复极化)；,心电图纵、横坐标意义,心电图记录纸是一种1mm X 1mm的方格坐标记录纸 横坐标代表时间 纵坐标代表电压,心电图机记录波形是 当走纸速度为25mm/s时,每1mm代表0.04s。 当50mm/s.0.02s。
3、 灵敏度10mm/mv时每1mm 代表0.1mv 灵敏度20mm/mv0.05mv 灵敏度5mm/mv.0.2mv,纵 轴表示幅度,心电图各波段组成,3个波 P波 QRS波 T波 2个段 PR段 ST段 2个间期 PR间期 QT间期,二、心电图导联,将电极置于人体的任何两点并用导线与心电图机连接，这种连接方式和装置称为心电图导联,标准导联,亦称双极肢体导联，反映两个肢体之间的电位差。其理论基础为爱因霍文三角形。,位置,导联：左上肢电极与心电图机的正极端相连，右上肢电极与负极端相连,位置,导联：左下肢电极与心电图机的正极端相连，右上肢电极与负极端相连,位置,导联：将左下肢与心电图机的正极端相连，
4、左上肢电极与负极端相联,图形,ACM为右腿驱动电路。标准导联时，右下肢始终接ACM输出端，间接接地。 标准导联只能说明两肢间的电位差，不能记录到单个电极处的电位变化。,单极导联,单极导联：心电图机的负极接在中心电端上，把探查电极接在人体任一点上，就可以测得该点的电位变化。,中心电端(零电位）,Wilson提出把左上肢，右上肢和左下肢的三个电位各通过5000欧姆高电阻，用导线连接在一点，称为中心电端 理论和实践均证明，中心电端的电位在整个心脏激动过程中的每一瞬间始终稳定，接近于零,单极肢体导联,将心电图机的负极与中心电端连接，探查电极在连接在人体的左上肢，右上肢或左下肢，分别得出左上肢单极导联（
5、VL）、右上肢单极导联（VR）和左下肢单极导联（VF）,单极导联,由于电阻R能够对探查电极所在肢体的信号进行分流，因此单极肢体导联获得的的心电信号幅度较小，不便于进行测量分析。,加压单极肢体导联,Gold-berger提出在描记某一肢体的单极导联心电图时，将该肢体与中心电端相连接的高电阻断开，这样就可使心电图波形的振幅增加50，这种导联方式称为加压单极肢体导联,图形,胸导联,亦是一种单极导联，把探查电极放置在胸前的一定部位，这就是单极胸导联,导联位置,Vl：胸骨右缘第四肋间隙 V2：胸骨左缘第4肋间隙 V3：V2与V4的连线中点 V4：左锁骨中线第五肋间 V5：左腋前线与V4同一水平 V6：左
6、腋中线与V4同一水平,锁骨中线,腋前线,腋中线,V1,V2,V3,V4,V5,V6,图形,本节小结,1、心脏因节律性收缩和舒张,产生生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液传导到身体表面,形成心电图波形。 2、常用心电图导联： 标准导联、加压肢体导联、胸导联。,第二节 心电图的结构和技术指标,一、心电图机结构-分五大部分,输 入 部 分,放 大 部 分,记 录 部 分,走 纸 部 分,电源部分,1.输入部分,(1)、导联线,(2)、导联选择器,(3)、过压保护,(4)、高频滤波器,(5)、缓冲放大器,(1)导联线,由它将电极上获得的心电信号送到放大器的输入端。为了消除空间电磁波对心电信号的干扰，
7、一般需要给导联线外加屏蔽层，屏蔽层接地。,(2)导联选择器,它的作用是将同时接触人体各部位的电极的导联线，按需 要切换组合成某一种导联方式。 现在一般都用带有缓冲放大器和威尔逊网络的导联选择 电路和自动导联选择电路,12 导联,导联选择器,放大器,.,防止高压进入心电图机，采用高、中、低电压的过压保护电路，保护仪器和人身安全。,放电管,限幅管,(3)过压保护,(4)高频滤波器,空间存在许多高频干扰信号,它可以随电极输入心电图机影响 心电图描记，必须抑制。采用RC低通滤波器电路,抑制高频 信号。截至频率选为10KHz左右。,R,R100-108,C100-108,=1/2RC=1/2,(5)缓冲
8、放大器,缓冲放大器功能 1) 提高输入阻抗,减少信号衰减。 因为人体心电信号十分微弱,又经过电极与皮肤接触电阻和输入电路不平衡等衰减。提高放大器输入阻抗,避免心电信号失真。 2)提高信噪比。 缓冲放大器选用组合运放(4运放), 采用射极输出电路,输入阻抗高、输出阻抗低、低功耗、低噪声。对抗机器噪声提高信噪比有利。,2.放大部分,放大部分主要功能： (1)将微伏(V)心电信号电压(频率为0.05HZ-100HZ),经多级放大后的心电信号电压,可记录而能作诊断的心电图波形。 (2)放大有用心电信号,抑制各类干扰信号。 (3)1mv定标校准。 (4)起搏脉冲抑制、时间常数保证。,(1)前置放大器,对
9、前置放大器要求 (a)高输入阻抗 因体表心电信号1mv左右,且内阻高。,(b)高共模抑制比,共模抑制比(CMRR)：在放大器两输入端加有差分心电信号,但因外界干扰(工频50Hz)总是存在,则在正负两输入端又加上幅度相同、相位一样共模干扰电压。而电路存在不对称性会产生干扰。衡量放大器抑制共模信号能力的指标称作共模抑制比。开环差模增益与共模增益比,即 CMRR=Ad(差模增益)/Ac(共模增益) 一般用对数dB表示分贝值,(c)低零点漂移要求放大器工作点稳定,不应受环境温、湿度的变化。 (d)低噪声 放大器电路中各元器件内部带电粒子不规则运动产生噪声,被多级放大器放大,所以影响最大,造成干扰。要求
10、前置放大器电路严格控制噪声。 (e)宽线性工作范围宽动态范围 电极电压能导致工作点产生漂移,为使放大器工作在线性区内,要求有较宽动态范围。,（2）1mV定标信号,为了衡量描记的心电图波形幅度，校准心电图机的灵敏度，通常需要给前置放大器的输入端输入1mV的矩形波信号。还可用于时间常数的测量和阻尼的检测。 使用心电图机之前，要定标检查。（即校准标准灵敏度）。,（3）时间常数电路 (极化电压) R139 C113 R144(3.3m) 电极有一定的直流极化电压，该极化电压直接送入中间放大器，将会使静态工作点发生偏移，造成信号的失真。在前置放大器与中间放大器之间设计了一个RC滤波网络，称为时间常数电路
11、。利用电容“隔直”的特性，只允许心电信号通过，消除了极化电压对后级电路的影响。其截止频率取决于充放电的时间常数。,（4）中间放大器 中间放大器在时间常数电路之后，称为直流放大器。由于它不受极化电压的影响，增益可以较大，一般由多级直流电压放大器组成。其主要作用是对心电信号进行电压放大，一般均采用差分式放大电路。 心电图机的一些辅助电路（如增益调节、闭锁电路、50Hz干扰和肌电干扰抑制电路等）都设置在这里。,（5）功率放大器 功率放大：以便有足够的电流去推动记录器工作，把心电信号波形描记在记录纸上，获得所需的心电图。因此，功率放大器亦称驱动放大器。 功率放大器采用对称互补级输出的单端推挽电路比较多
12、。,3、记录器部分 包括记录器、热描记器（简称热笔）及热笔温控电路。 记录器是将心电信号的电流变化转换为机械（记录笔）移动的装置。 热笔固定在记录器的转轴上，随着输入的心电信号的变化而偏转。热笔温控电路负责给热笔加热。记录器上的转轴随心电信号的变化而产生偏移，固定在转轴上的记录笔也随之偏移，便可在记录纸上描记下心电信号各波的幅度值。当记录纸移动后，就能呈现出心电图。现在常用的有动圈式记录器和位置反馈式记录器。,4、走纸部分 带动记录纸并使它沿着一个方向做匀速运动的机构称为走纸传动装置，它包括电机与减速装置及齿轮传动机构。 走纸速度为25mm/s和50mm/s两种。两种速度的转换，若采用直流电机
13、，则通过改变它的工作电流来实现；如用交流电机则通过倒换齿轮转向来实现。 为了准确的描记心电图，要求走纸速度稳定、速度转换迅速可靠。一般设有稳速和调速电路，需要时可随时校准速度。,5、控制部分 目前绝大多数心电图机尤其是多导同步记录心电图机都采用微处理器控制。控制部分的核心是微处理器，负责整机各部分电路的控制，如信号采集、放大、A/D变换、存储、分析、显示、记录等。,6、电源部分 心电图机一般都采用交直流两用供电模式。 当采用交流电源供电时，输入的220V50Hz交流电首先通过变压器进行降压，然后通过整流滤波电路转换称为低压直流电源，最后该低压直流电信号输入DC-DC变换器，得到各部分电路需要的
14、直流稳压电源信号。 当采用直流电源供电时，心电图机一般配备蓄电池或干电池，当仪器处于待机状态时，通过交流电源对蓄电池进行充电，当交流电源断开或者没有交流电源时，仪器可以自动切换到蓄电池供电方式，保证心电图机的正常使用。为适应不同需要，电源部分还有充电及充电保护电路、蓄电池过放电保护电路、交流供电自动转换蓄电池供电电路、定时关机电路及电池电压指示等。,二、心电图的技术指标,1、输入阻抗大于2M 2、灵敏度 输入l mV电压时，描笔偏转的幅度,它反映了整机放大器放大倍数。分三挡（5mm/mV、10mm/mV、 20mm/mV）且可调。心电图机的标准灵敏度为10mm/mV。仪器面板上装有灵敏度选择开
15、关。为了使机器的灵敏度能够连续可调，在机器面板上还设有增益调节电位器。,3、噪声和漂移,要求噪声越小越好，在描记的曲线中应看不出噪声波形。噪声的大小可以用折合到输入端的作用大小来计算，一般要求低于相当于输入端加入几微伏至几十微伏以下信号的作用。国际上规定15V。,漂移是指输出电压偏离原来起始点而上下漂动缓慢变化的现象。 心电图机将直流或极缓慢信号进行放大的直流放大器， 级间采用直接耦合的方式，当放大器的输入端短路时， 输出端也有缓慢变化的电压产生，这种现象叫做漂移， 也叫零点漂移。一般情况下，放大器的级数越多，零点 漂移越严重，当漂移电压的大小可以和心电信号电压 相比时，就会造成分辨困难。,零
16、点漂移的主要原因是晶体管参数随温度的变化；电源电压的波动静态工作点变化，产生漂移；元件老化，使用时间的延长而改变，会引起零点漂移。 检测方法：导联选择置于“Test”位（lmV位），增益调置最大，有笔迹宽度调节的机器，将笔迹调到最细，走纸，观察记录笔迹应是一条很平稳光滑的直线。若笔迹有微小抖动，则是噪声所致。若基线位置缓慢移动，则是漂移的原因。,4、时间常数,时间常数：是指直流输入时，心电图机描记出的信号幅度将随时间的增加而逐渐下降，输出幅度自100%下降到37%左右所需的时间。要求大于3.2s，若过小，幅值就下降过快，甚至会使输入信号为方波信号时输出信号变成尖峰波，这就不能反映心电波形的真实
17、情况。 心电图机工作在标准灵敏度。导联选择开关置于“Test”位（lmV位），将描笔基线调置记录纸中心线上，走纸，按下1mV定标电压开关，直到记录笔回到记录纸中心线再松开，停止走纸。计算波幅从10mm下降到3.7mm时所经过的时间，就是该机的时间常数，见图3-10。,在走纸速度为25mm/s时，心电图记录纸每一小格代表时间0.04s，将波幅自10mm下降到3.7mm所经过的格数x乘以0.04秒，即得出时间常数。 =0.04x（秒）,5、线性 心电图机的线性包括两方面： （1）移位非线性：描笔在描记宽度允许的范围内，处于任何位置时，输入相同幅度的信号，描笔偏转的幅度若相同，则此心电图机的线性良好
18、，描笔偏转的幅度若不同、则此心电机线性不好。产生失真。 影响心电图机线性指标的因素较多。如晶体管的输入特性、输出特性，差动放大器电路的对称性，以及放大器工作点的设置等等，都影响整机的线性。,仪器非线性度的示意图,输入量,输出量,理想曲线,实测曲线,Amax,将机器接通电源，导联选择开关置“Test”位（1mV），将描笔基线调到记录纸的下沿处，灵敏度选择开关置10mm/mV。走纸，并不断给出1mV标压信号，同时调节基线电位器，改变描笔在记录纸上的基线位置，这样得出如图3-11所示的波形。通过比较各个位置上矩形波的幅度,判断整机的线性。下图为线性检测波形。,（2）测量电压的线性： 线性好的心电图机
19、，在输入信号幅度变化时，输出信号应与输入信号成正比变化。 如当心电图机处于10mm/mV标准灵敏度时，给心电图机分别输入0.1mV，0.2mV，0.3mV，不同的幅值信号时，如果输出描记下来的信号高度分别为lmm，2mm，3mm，则说明心电图机线性好，线性误差为零。实际上由于心电放大器非线性失真等原因，心电图总是存在一定线性误差，线性误差越小，说明非线性失真越好。当工作频率在0.05Hz100Hz范围内时，要求描笔记录幅度在20mm之内，线性误差应小于10%。,6、耐极化电压 皮肤和表皮电极之间会因极化而产生极化电压。这主要是由于心动电流流过后形成的电压滞留现象，极化电压对心电图测量的影响很大
20、，会产生基线漂移等现象。极化电压最高时可达数十毫伏乃至上百毫伏。处理不好极化电压，产生的干扰将是很严重的。 尽管心电图机使用的电极已经采用了特殊材料，但是由于温度的变化以及电场和磁场的影响，电极仍产生极化电压，一般在200mV300mV左右，这样就要求心电图机要有一个不受极化电压影响的放大器和记录装置。,7、阻尼 心电图机的阻尼是指抑制记录器产生自激振荡的能力，调节适当就可防止记录器按固有频率振荡运动。 心电图机的阻尼过大时，心电图上微小的波形幅值降低，严重时甚至描记不出来。而阻尼过小时，心电图上的尖峰波（如R波，S波等）幅值会增加。故需将其调至适中状态，以保持不失真的记录波形。 机器接通电源
21、后，导联选择开关置“Test”位（1mV位）。灵敏度调于10mm/mV，走纸，不断打出标准电压的矩形波，并观察波形。,8、频率响应特性 心电波形不是单一频率，可分解成不同频率、不同比例的正弦波成分，也就是说心电信号含有丰富的高次谐波。 若心电图机对不同频率的信号有相同的增益，则描记出来的波形就不会失真。但是放大器对不同频率的信号的放大能力并不是完全一样的。 心电图机输入相同幅值、不同频率信号时，其输出信号幅度随频率变化的关系称为频率响应。 心电图机的频率响应主要取决于放大器和记录器的频率响应。频率响应越宽越好，一般心电放大器比较容易满足频宽要求，而记录器是决定频响的主要因素。,9、共模抑制比
22、心电图机一般都采用差动式电路。这种电路对于同相信号（又称共模信号，例如周围电磁场所产生的干扰信号）有抑制作用，对异相信号（又称差模信号，欲描记的心电信号就是异相信号）有放大作用。共模抑制比（CMRR），指心电图机的差模信号（心电信号）放大倍数Ad与共模信号（干扰和噪声）放大倍数Ac之比，表示抗干扰能力的大小。,10、走纸速度 在心电图机记录纸上，横坐标代表时间，因此走纸速度的准确性就直接影响到所测量心电图波形的时间间隔的准确性，这就要求走纸速度均匀。常用的走纸速度有25mm/s和50mm/s两挡。 心电图机置于“Test”位（lmV位），通电走纸，观察秒表指针，在开始记时的瞬间，记录一个1mV
23、标准矩形波，经过时间t后，再记录一个矩形波，然后数出两个矩形波前沿（走纸记录始、终点标志）之间的小格数x，一个小格的间距是1mm，所以，走纸速度： v=x/t 例如，记录时间t=10s，两个矩形波前沿间距共250个小格，那么记录速度就是25mm/s。,11绝缘性能 为了保证医务人员和患者的安全，心电图机应具有良好的绝缘性。绝缘性常用电源对机壳的电阻来表示，有时也用机壳的漏电流表示。一般要求电源对机壳的绝缘电阻不小于20M，或漏电流应小于100A。为此，心电图机通常采用“浮地技术”。,所谓浮地技术就是指将与病人直接相连的电路（如输入部分、前置放大部分路）的地线悬空，与后级主放大电路、记录器驱动电
24、路及走纸部分的地线隔离，以保证病人与大地之间绝缘，地线悬空的电路称为浮地电路。为了实现浮地电路与后级接地电路在电气上的隔离同时又能将心电信号传到后级，一般采用光电耦合电路进行信号传递，同时在电源部分也必须通过变压器实现接地与浮地的隔离。,第二节 小结 一、心电图机结构,|、输入部分：导联、过压保护、滤波、缓冲放大,2、放大部分： (1)前置放大高阻输入、高共模比、低漂移、低噪、宽动态 (2)1mv定标；(3)时间常数；(4)中间放大；(5)功率放大,3、记录器部分；4、走纸部分；5、控制部分；6、电源,二、心电图机技术指标,技术指标 1、输入电阻 2、灵敏度 3、噪声和漂移 4、时间常数 5、线性 6、耐极化电压 7、阻尼 8、频率响应特性 9、共模抑制比 10、走纸速度 11绝缘性能,作业,1、查阅治疗，说明哪些医疗器械的发明获得过诺贝尔奖？ 2、简要说明心电图是怎样产生的？,