生物电测量仪器.ppt

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1、1,黑龙江大学机电工程学院,第八章 生物电测量仪器,2,8.1 概述,1、人体存在着自然的生物电信号，这些电信号 可以通过在体表装着电极来提取。,2、测量仪器的电路结构基本 相同，但是因信号的频率和 幅度不同，对电路的性能要 求也不同。,3、常见的生物电信号有心电（ECG)、脑电（EEG）、肌电（EMG）和眼电等。,3,4,医学仪器构成,5,治病过程,6,人-机连接系统,7,8,8.2 心电图机,1、心脏与心电图,窦房结右心房-左心房心室 心房到心室具有特殊的传导途径，使心房传下的兴奋能够在短时间内传到心室，引起心室的激动。,心电信号的方向、途径、次序、时间具有一定规律。,P,9,8.2 心电

2、图机,2、心电图机的发明,1903年，首次将体表心电图记录在感光片上。 1906年，首次在临床上用于抢救心脏病人，并由此命 名为心电图机。 1924年，心电图机 的发明者，威廉 爱因霍文获得生 理学及医学诺贝 尔奖。,10,8.2 心电图机,3、动态心电图记录仪（Holter）,动态心电图是指连续记录24小时或更长时间的心电图。 该项检查可提供受检者24小时的动态心电活动信息。 已经成为临床上广泛应用的无创性心血管病诊断手段 之一。尤其是常规心电图正常 但有心脏症状，或心律变化与 症状并不相符时，可作为首选 的无创检查方法。因为它是由 一个名为Holter的美国人 发明的，所以又称为Holte

3、r 。,11,动态心电图记录仪（Holter）的电极 装着位置,12,13,8.2 心电图机,4、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。 在心电图记录纸上，横轴代表时间，每1mm代表0.04s， 纵坐标代表波形幅度大小，每1mm代表0.1mV。,不整脉,心脏偷停,14,8.2 心电图机,5、心电图的典型波形,P波：由心房的激动所产生。 QRS波群：反映左、右心室 的激动过程。 T波：代表心室激动后复原 时所产生的电位影响。 U波：位于T波之后，可能是 反映心肌激动后电位与时 间的变化。,15,8.2 心电图机,6、心电图的典型间

4、期和典型段,P-R(Q)间期：从P波起点到QRS起点的相隔时间 。 QRS间期：从R(Q)波开始至 S波终了的时间间隔。 S-T段：从QRS波群的终点到 T波起点的一段。 P-R段：从P波后半部分起始 端至QRS波群起点。,16,8.2 心电图机,7、正常人的心电图典型值,P波：0.2mV Q波：0.1mV R波：0.51.5mV S波：0.2mV T波：0.10.5mV P-R间期：0.120.2s QRS间期：0.060.1s S-T段：0.120.16s； P-R段：0.040.8s,17,8.2 心电图机,8、心电图的波形分析,心脏的生理功能与心电图之间存在密切关系； 心脏的生理功能异

5、常可从心电图中反映出来； 心电图的分析对医学研究与临床诊断有重要意义； 通过心电波形分析，可发现各种心脏疾病。,心室肥大,大动脉掰狭窄,偷停,18,8.2 心电图机,9、心电图导联,临床上为了统一和便于比较所获得的心电图，对描记的心电图的电极位置和引线与放大器的联接方式有严格的统一规定，人们将这种电极组和其联接到放大器的方式称为心电图导联或导联。 现在广泛应用的是标准十二导联，分别记为I、II、III、aVR，aVL， aVF，V1V6。 I、II、III导联为双极导联， aVR，aVL， aVF，V1V6为单极导联。获取两个测点的电位差时，用双极导联；获取某一点相对于参考点的电位时，用单极导

6、联。,19,8.2 心电图机,9-1、标准导联,I、II、III导联称为标准肢体导联，简称标准导联。它是以两肢体间的电位差为所获取的体表心电，这种导联方式由爱因霍文首先在临床上应用。,20,8.2 心电图机,标准导联的联接方式。,能够广泛地反映出心脏的大概情况，但标准导联只能说明两肢间的电位差。,21,8.2 心电图机,9-2、单极导联胸导联,探查电极安放在前胸壁上6个固定位置而得到的心电信号，称为胸导联。,由于探查电极离心脏很近获得的心电波形有较大振幅，有利于观测。,22,8.3 心电图机的结构和性能参数,1、心电图机的结构,输入部分、放大部分、记录部分、走纸传动装置和电源部分、,P82,2

7、3,8.3.1 心电图机的结构,1)、输入部分,输入部分包括电极、导联线、过压保护及高频滤波器、导联选择器等，主要作用是从人体提取心电信号，并按要求组合导联，将选定导联的心电信号送入后级放大器，同时滤出空间电磁波的干扰，防止高电压损坏仪器。,24,8.3.1 心电图机的结构,A)、导联线,由导联线将电极上获得的心电信号送到放大器的输入端。电极部位、电极符号及相连的导联线的颜色均有统一规定，具体如下表所示：,25,8.3.1 心电图机的结构,B)、过压保护,使用心电图机记录病人心电图时往往会通过电极和导联线窜入一些高压信号，如在记录心电图的同时进行除颤治疗，这样高电压的除颤脉冲就会进入心电图机。

8、为了防止这些高压信号损坏心电图机，必须通过过压保护电路消除高压信号的影响。一般根据过压保护电路的限幅电压，将过压保护电路分为高压保护电路、中压保护电路和低压保护电路。,26,8.3.1 心电图机的结构,C)、高频滤波器,空间电磁场中存在大量的高频信号，同时在心电图室周围也存在一些大功率用电设备，这些高频的信号通过电极输入心电图机以后会直接影响心电图的描记。因此，在输入部分采用RC低通滤波电路组成高频滤波器，滤波器的截至频率选为10kHz左右，滤去不需要的高频信号，如电器、电焊的火花发出的电磁波，以减少高频干扰而确保心电信号的通过。,27,8.3.1 心电图机的结构,D)、缓冲放大器,由电极取得

9、心电信号，通过导联线首先传输到心电图机的第一级放大器即输入缓冲放大器。缓冲放大的目的主要是为了提高电路的输入阻抗，减少心电信号衰减和匹配失真，一般采用电压跟随器实现。,28,8.3.1 心电图机的结构,E)、导联选择器,由于单导心电图机同时只能记录一个导联的心电信号，因此需要有一个装置对人体上放置的10个电极进行组合，构成需要的国际标准十二导联，这个装置就是导联选择器。,29,8.3.1 心电图机的结构,2)、放大部分,放大部分的作用是将幅度为mV级、频率为0.05100 Hz的心电信号放大到可以观察和记录的水平。由于从人体表面提取的心电信号混入了其他一些干扰信号，因此在放大部分不但要对心电信

10、号进行放大，还要滤除其他干扰信号，因此心电图机的放大部分不能采用简单的单级放大电路，一般采用多级放大。心电图机放大部分主要包括前置放大器、中间放大器和功率放大器，此外还有1mV定标信号发生器、起搏脉冲抑制器、时间常数电路、高频滤波电路、50Hz滤波电路以及其他一些辅助电路。,30,8.3.1 心电图机的结构,A)、前置放大器,前置放大器是对心电信号进行放大的第一级放大器，由于其输入的心电信号幅度非常小，且混杂了一些其他干扰信号，因此前置放大器的主要功能是滤除一些共模干扰信号，同时对心电信号进行有限度的放大。为了实现这个目的，对于前置放大器有一些特殊的要求： -高输入阻抗 -高共模抑制比 -低零

11、点漂移 -低噪声 -宽的线性范围,31,8.3.1 心电图机的结构,B)、1mV定标信号发生器,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。例如，当选择心电图机的灵敏度为10mmmV时，如果给前置放大器输入1mV矩形波信号，记录纸上就应该描记出10mm的矩形波。如果记录纸上描记的波形幅度与10mm有偏差，则说明整机的灵敏度有误差，需要调整，这个过程就称为定标。,32,8.3.1 心电图机的结构,C)、时间常数电路,前置放大器输出的信号要送入中间放大器进行进一步的电压放大，由于使用的心电电极具有一定的直流极化电压，如果该极化电压直接送人

12、中间放大器，将会使中间放大器的静态工作点发生偏移，放大器有可能偏出放大区，造成描记信号的失真。为了解决极化电压的问题，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。其原理是利用电容“隔直”的特性，将极化电压在前置放大器输出端滤除，而允许心电信号通过，这样就消除了极化电压对后级电路的影响。由于该电路利用的是RC：阻容网络充放电的原理，其截止频率取决于充放电的时间常数，因此该电路称为时间常数电路。,33,8.3.1 心电图机的结构,D)、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，隔离电路一

13、般也设置在中间放大器中。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。,34,8.3.1 心电图机的结构,E)、功率放大器,功率放大器的作用是将中间放大器送来的心电信号电压进行功率放大，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。,35,8.3.1 心电图机的结构,3)、记录部分,记录部分包括记录器、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

14、录器的转轴上，随着输入的心电信号的变化而偏转。同时由热笔温控电路负责给热笔加热并控制热笔的温度。热笔记录器采用的是热敏记录纸。当热笔发热以后 -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。,36,8.3.1 心电图机的结构,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。它的作用是使记录纸按规定速度随时间做匀速移动，记录笔随心电信号变化的幅度值，便被“拉”开描记出心电图。 走纸速度规定为25mms和50mm/s两种。两种速度

15、的转换，若采用直流电机，则通过改变它的工作电流来实现；若采用交流电机，则通过倒换齿轮转向来实现。,37,8.3.1 心电图机的结构,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、AD变换、存储、分析、显示、记录等。另外，微处理器周围还配有必要的外围部件如ROM、RAM、FPGA等，实现的连接方式称为平均导联。,38,8.3.1 心电图机的结构,6)、电源部分,心电图机一般都采用交直流两用供电模式。 当采用交流电源时，输入的220V/50Hz交流电首先通过变压器进行降压，然后通过整流滤波电路

16、转换为低压直流电源，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或干电池进行充电。交流和直流可自动切换。,39,8.3 心电图机的结构和性能参数,2、心电图机的主要性能参数,高输入阻抗：心电图机的输入电阻即为前置放大器的 输入电阻，一般要求2M。 灵敏度适当：标准灵敏度为10mm/mV。 低噪声：指内部电子器件的热噪声。一般应低于10mV。 时间常数应大于1.5s。 线形误差小。 高共模抑制比75dB；阻尼适中；频率响应好； 走纸速度均匀；绝缘性能良好。,40,

17、8.4 脑电图机,1、脑电图机的简介,-脑电图机是用来测量脑电信号的生物电放大器。 -脑电信号的幅值为10100mV，比心电信号小2个数量级 -脑电图机的噪声要求更高， 一般应小于3mV。 -对电极有更严格要求。 -有更高的输入阻抗。,41,8.4 脑电图机,2、脑电信号的一般性质与分类,-周期：正常人脑电频率在812Hz。 -振幅：指平均振幅。 -相位：波顶的方向判断相位。, 脑电信号的一般性质,42,根据频率与振幅的不同，将脑电波分a波，b波，q波，d波。 - a波：头颅枕部。频率在813Hz，振幅20100mV。 - b波：额部和颞部。频率在1830Hz，振幅520mV。 - q波：困倦

18、时。频率在47Hz，振幅1050mV。 - d波：睡眠、病变时。频率在13.5Hz，振幅20200mV。, 脑电信号的分类,43,8.4 脑电图机,3、脑电信号的临床检测仪器,-热笔描记式脑电图机：临床应用广泛的一种。 -无纸脑电图机：屏幕显示代替纸的描记。 -脑电地形图仪：通过插值，绘出脑电信号功率谱强度。 -脑电监护仪：除显示脑电波形，还可存储、处理、报警 -脑电Holter -脑电分析仪,44,8.4 脑电图机,4、脑电电极的安放位置及导联, 脑电电极的安放位置 10-20系统电极,45,8.4 脑电图机, 脑电电极的导联,-单极导联法 一侧耳垂作为参考电极，检测置于头皮上的活动电极的电

19、位变化。 -平均导联法 将头皮上多个作用电极各通过1.5M的电阻后连接在一起的点作为参考电极，称之为平均参考电极。 -双极导联发 只使用头皮上的两个作用电极而不使用参考电极，所记录的波形是两个电极部位脑电变化的电位差值。,46,8.4 脑电图机,5、脑电图机的工作原理,脑电图机与心电图机的工作原理基本相同，都是将微弱的生物电信号通过电极拾取、放大器进行放大、然后通过记录器绘出图形的过程。所以，脑电图机的基本结构也是由以下几部分组成：输入部分、脑电放大器、调解网络、控制部分、记录部分、传动走纸部分以及电源部分。但是，脑电信号与心电信号在波形、频率、幅度等性质上也有较大差异。,47,脑电图机的原理

20、框图,48,8.5 肌电图机,肌电图(electromygraphy，EMG)是检测肌肉生物电活动，借以判断神经肌肉系统机能及形态变化，并有助于神经肌肉系统的研究或提供临床诊断的科学。肌电图机也因此成为医院物理诊断领域中不可缺少的组成部分。,49,8.5 肌电图机,1、肌电图基础知识,肌肉是人体的重要组成部分，人体共有434块肌肉，每块肌肉通过神经末梢与运动神经连接在一起，肌肉的收缩是在运动神经支配下进行的。每块肌肉都是由许多肌细胞(又称肌纤维)组成，而每一个肌细胞都有一层细胞膜，膜内侧是细胞核，外侧表面有一特殊的球状凹陷部位，称为运动终板。此处与运动神经末梢发生接触，构成神经肌肉接头，称为突

21、触。,1）运动单位概念,50,8.5 肌电图机,所谓运动单位就是表示肌肉功能的最小单位，它由一个运动神经元和由它所支配的肌纤维构成。一个运动单位所包括的肌纤维数目有多有少，一般有101000根。当运动神经兴奋时，便通过神经末梢的突触传给运动终板的肌膜，使肌细胞内外的离子平衡发生变化，产生终板电位而引起肌肉收缩，于是产生了运动单位的动作电位。,1）运动单位概念,51,8.5 肌电图机,1、肌电图基础知识,运动神经没有兴奋时，肌肉是静息的，此时肌肉内外的离子趋于平衡状态，无电位产生。 当运动神经把兴奋传递到运动终板时，这种兴奋便使肌膜对离子的通透性增加，膜外的离子先受到激发，迅速转入膜内，膜内离子

22、剧增而引起放电，产生了动作电位。 在膜外离子大量转入膜内的同时，膜内原来的离子也要转到膜外，以便使膜内外离子达到新的平衡，这个过程就形成一个单相的肌电位。 一般情况下，过程还要继续下去，膜内外离子的交换还在进行，直到回到原来静息时的平衡状态。,2）肌电位的形成机理,52,8.5 肌电图机,1、肌电图基础知识,肌电图是反映肌肉-神经系统的生物电活动的波形图。 从肌细胞外用电极导出肌肉运动单位的动作电位，并送入肌电图机加以记录，便可获得肌电图。 肌电图振幅为2050mv，频率范围为205000Hz。 临床肌电图检查的三态是指骨骼肌松弛状态、骨骼肌做轻度及用力收缩状态与被动牵张的肌电图。,3）肌电图

23、,53,54,8.5 肌电图机,1、肌电图基础知识,肌肉的活动是受周围神经直接支配的，因此可以用各种方法刺激周围神经，引起神经兴奋，神经再把这种兴奋传递给终板，使肌肉收缩，产生动作电位，可以测定神经的传导速度和各种反射以及神经兴奋性和肌肉的兴奋反应。临床上常用： 运动神经传导速度(MCV)； 感觉神经传导速度(SCV)； F波(FWV)； H反射(H-R)； 连续电刺激，也称重复电刺激(RS)。,4）诱发肌电图,诱发肌电图对于了解周围神经肌肉装置的机能状态，了解脊髓、脑干、大脑中枢的机能状态以及诊断周围神经疾病和中枢疾病等具有重要意义。,55,56,刺激电极,检出电极,检出电极,57,电刺激外

24、周神经干时，在肌电波出现诱发M波之后可出现H波，该波为反射波，为刺激感觉神经后通过脊髓引起的单突触反射的肌电波。M波之后的H波为检查脊髓前角细胞兴奋的重要指标 .,58,F波是一种多突触脊髓反射。用弱电流刺激周围神经干时，常见在肘部或腕部用脉冲电刺激尺神经或正中神经引导出所支配肌的诱发动作电位M波；经2030 ms的潜伏期，又可出现第二个较M波小的诱发电位，称F波。 切断脊髓后根仍有F波，所以它是由电刺激运动神经纤维产生的逆行冲动到达脊髓所引起的一种反射。,59,当有神经肌肉疾患时，用不同频率的电脉冲重复刺激周围神经并记录肌肉的动作电位，是最常用的方法。 健康人：低频刺激，诱发肌动作电位的振幅

25、不衰减。用每秒20次以下频率刺激神经干，短时间不发生疲劳现象。 重症肌无力症患者：用每秒10次以下的频率连续刺激，则诱发肌肉的动作电位会进行性衰减。,60,8.5 肌电图机,1、肌电图基础知识,肌电图检测在神经源性、肌源性疾病及结缔组织病的鉴别诊断方面，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。,5）肌电图的临床应用,61,8.5 肌电图机,1、肌电图基础知识,临床上，诱发电位可用来协助确定中枢神经系统的可疑病变，检出亚临床病灶，帮助病损定位，监护感觉系统的功能状态，尤其在儿科的应用具有可观的临床意义，包括脑干听觉诱发电位(AEP)、体感诱发电位（SEP)和视觉诱发电位(VEP)

26、，以及运动诱发电位和事件相关电位等。,6）诱发肌电图的临床应用,62,A)脑干听觉诱发电位。用于婴幼儿听力功能检查，成人听力障碍检查，听神经瘤筛选，脑于病损和机能障碍及脑死亡、进行性核上性麻痹以及各种顽固性眩晕的鉴别诊断。另外，结合耳蜗电图可对梅尼埃病和各种突发性聋作出鉴别。 B)体感诱发电位。用于周围神经损伤，多发性神经炎，臂丛、腰丛、骶丛外伤病损，多发性硬化，脑干和大脑病变，以及共济失调等的检查。 C)视觉诱发电位。用于视觉功能的测定，各种视神经和视网膜损伤、多发性硬化、视神经炎、球后视神经炎、帕金森氏病等的诊断。 D)运动诱发电位。用于多发性硬化与脑白质营养不良、脑血管病、运动神经元病、外伤性脊髓病、周围神经病和颅神经病损、癫痫、脊髓空洞症、排尿及性功能障碍等病的诊断。,63,8.5 肌电图机,2、典型肌电图诱发电位仪原理,在实时情况下和在刺激诱发情况下获取和测量自发肌电及诱发肌电信号。 电极引导随意肌肉自发收缩所致的自发肌电图，经肌电信号放大器(通常采用同相输入的三运算放大器)放大后送至示波器处理、显示。,1）工作原理,64,8.5 肌电图机,2、典型肌电图诱发电位仪原理,1）原理框图,