1生物电信号记录仪

生物电信号记录仪11.生物电信号记录仪生物电信号记录仪是用于记录体表生物电信号以提供给医生进行诊断的医用电子仪器，如心电图机、脑电图机、肌电图机等。生物电信号由电极获取后经专用电缆馈入生物电放大器，由于在体表检测到的生物电信号通常较微弱，而且伴有很强的干扰和噪声，所以生物电放大器应有较高的增益和强的抗干扰能力，也即生物电放大器应具有放大、滤波、变换、运算等各种分析处理能力。目前，有很多分析处理工作是由微机完成的，经处理后的信号则将由记录/显示系统以波形曲线的形式输出作为记录结果，辅助/控制系统一般常包括控制、数据存储和传输、标准信号产生等功能。1.1生物电信号临床上常见的生物电信号主要有：心电、脑电、肌电、胃电、视网膜电等。这些体表生物电信号通常能通过电极拾取，经适当的生物电放大器放大，记录而成为心电图、脑电图、肌电图、胃电图、视网膜电图等。1.1.1心电图目前我们经常采用肢体导联记录心电图，即体表心电图，它是心脏的电活动（主要是心房肌、心室肌的激动）经过躯体（组织）在体表形成的电位差（即心肌细胞除极、复极过程中向各方面传导而到达肢体电极时的电位差）。心电波由一系列波形组成：P波代表左、右心房的除极，波宽不大于0.11s，振幅小于0.25mV。P-R间期代表心房除极开始至心室除极开始的时间，即从P波开始处到QRS波群的开始处。P-R间期随年龄的增大而有加长的趋势，成人约为0.12-0.20s。QRS波群反映左、右心室的除极过程，其最大振幅不超过5mV，宽度小于0.1s。S-T段是指QRS波群终点到T波开始的一段。在正常心电中，S-T段可能较等电位线稍表1-1生物电信号名称幅值频率范围补充说明心电0.1∼8mv0∼100Hz主要带宽集中在0∼33Hz脑电5∼50μv1∼60Hz诱发脑电的电位更小肌电20μv∼30mv10∼3000Hz胃电50μv∼2mv0.001∼20Hz视网膜电50μv∼200μvDC∼20Hz图1-2心电图波形电缆电极生物电放大器记录显示辅助/控制系统图１-1生物电放大器原理框图2现代医学仪器原理高或略低，压低不应超过0.05mV。T波表示心室复极波，它是一个较钝而宽的波。T波由基线慢慢上升达到顶点，随即较快速地下降，故而上下支不对称。T波不应低于R波的1/10。从信号特征上来说心电信号还有如下特点：1)基波频率低：正常人心脏每分钟跳动75次左右，也就是说，它的周期频率不到1次/秒(Hz)。正常心电波中T波频率大约是1.3Hz，QRS波群频率大约是15Hz。由于二次以上谐波衰减很快，而基波与二次谐波占了总能量的85%以上，所以心电频谱主要取决于基波及二次谐波。2)谐波丰富：QRS波群虽然其频率仅为15Hz，但其前沿上升率极陡，对于早期隐伏的心脏病人来讲，QRS波群上常有切迹，偶而可达200Hz，而ST段几乎平直，约在0.14到0.8Hz之间。3)心电信号极其微弱：峰值大约在1mV到5mV之间，而最小电压只有20µV左右。常规心电图有12导联，即I、II、III、avL、avR、avF及V1、V2、V3、V4、V5、V6，一般心电图机上有按钮设置，顺序记录。心电图机可以先将测得的各导联心电图存储起来，重新排列后在需要时再打印出来，由于排成分页式，可便于保存和查看。1.1.2脑电图人的大脑皮层有自发的电活动，其电位可随时间发生变化，我们用电极将这种电位随时间变化的波形提取．出来并加以记录就可以得到脑电图。现代脑电图学中，根据频率与振幅的不同将脑电波分α波、β波、θ波和δ波。(1)α波：可在头颅枕部检测到，频率为8—13Hz，振幅为20—100μV，它是节律性脑电波中最明显的波，整个皮层均可产生α波。α波在清醒，安静、闭眼时即可出现，波幅由小到大，再由大到小作规律性变化，呈棱状图形。(2)β波：β波在额部和额部最为明显，频率约为18—30Hz，振幅约为5—20μV，是一种快波，β波的出现一般意味着大脑比较兴奋。(3)θ波：θ波频率为4—7Hz，振幅约为10—50μV，它是在困倦时，中枢神经系图1-312导联心电图图1-4自发脑电波形表1-2正常心电波的频谱名称时间(s)基波(Hz)２次谐波(Hz)10次谐波(Hz)PQRST0.06-0.10.05-0.080.2-0.38-510-62.5-1.316-1020-125-2.680-50100-6025-13生物电信号记录仪3统处于抑制状态时所记录的波形。(4)δ波：在睡眠、深度麻醉、缺氧或大脑有器质性病变时出现，频率为1—3.5Hz，振幅为20—200μV。除此之外，如果给机体以某种刺激，也会导致脑电信号的改变，这种电位称为脑诱发电位。根据脑电与刺激之间的时间关系，可将电位分为特异性诱发电位和非特异性诱发电位，所谓非特异性诱发电位是指给予不同刺激时产生的相同的反应，这是一种普通的和暂时的情况；而特异性诱发电位是指在给予刺激后经过一定的潜伏期，在脑的特定区域出现的电位反应，其特点是诱发电位与刺激信号之间有严格的时间关系。非特异性诱发电位幅度比较高，在脑电图记录中即可发现。特异性诱发电位较小，完全淹没在自发脑电信号中。从其概念可知，非特异诱发电位没有任何特定意义，因此在临床诊断中不具有诊断价值，而特异性诱发电位的形成和出现与特定的刺激有严格的对应关系，因此通过诱发电位可以反映出神经系统的功能与病变。所以在临床上只进行特异性诱发电位的检查，通常我们把特异性诱发电位简称为诱发电位(evokedpotential，EP)。诱发电位是指中枢神经系统在感受外在或内在刺激过程中产生的生物电活动，是代表中枢神经系统在特定功能状态下的生物电活动的变化。目前临床上常用的诱发电位有模式翻转视觉诱发电位(patternreversalvisualevokedpotential，PR-VEP),脑干听觉诱发电位(brainstemauditoryevokedpotential，BAEP)和短潜伏期体感诱发电位(short—latencysomatosensoryevokedpotential，SLSEP)。1．视觉诱发电位视觉诱发电位是指向视网膜给予视觉刺激时，在两侧后头部所记录到的由视觉通路产生的电位变化，其刺激方式是电视机显示的黑白棋盘格翻转刺激，方格大小位30°视角，对比度至少大于50％，全视野大小应小于8。，眼睛固定注视中心，刺激频率为1—2Hz。2．听觉诱发电位听觉诱发电位是指给予声音刺激，从头皮上记录到的由听觉通路产生的电位活动，因其电位源于脑干听觉通路，故又称为脑干听觉诱发电位。其刺激源为脉宽200us的方波电信号，经过换能器转换成短声，其极性依其耳机振动膜片的方向而定，当耳机膜片靠向患者鼓膜时，该刺激为密波短声，反之为疏波短声。临床神经学研究中，常用疏波短声为刺激声，刺激频率为10—15Hz，强度高于听力阂60dB。BAEP的神经学检查主要采用单耳刺激，这样可避免产生假阴性结果。所谓单耳刺激是指对健耳给予白噪声刺激，以消除骨传导的影响，通常给予对侧掩耳以小于同侧耳刺激声30—40dB的白噪声刺激强度。3．体感诱发电位体感诱发电位是指躯体感觉系统在受外界某一特定刺激(通常是脉冲电流)后的一种生物电活动，它能反映出躯体感觉传导通路神经结构的功能。其刺激方式有恒压器和恒流器两种；恒压刺激器的范围在0-1V恒流刺激器的输出范围为0-100。刺激强度通常选用感觉阈上4倍或运动阈上2倍，方波宽度为100-500us。1.2.导联导联实际上是将体表电信号通过电极接入生物电放大器的方式。1.2.1.心电图机的导联4现代医学仪器原理心电图的记录常采用12个标准导联，各导联的连接方式和电极安放位置如图1-5、1-6和1-7所示。心电监护时的电极安放位置则有所不同(图1-8)，这是因为肢体导联作监护用时显得非常不方便，尤其是对具有运动能力的病人。利用上述10个电极获得12导联是目前用于分析、识别或确认心律失常、心肌缺血等疾病的医疗标准。为了方便监护，并且在监护的同时方便其它仪器作检查，希望以较少的电极同时获得12导联的心电图波形。目前在有些产品中采用EASI导联系统，它是利用5个电极推导出12导联的心电图。这些电极放在上胸骨(S)位置，下胸骨(E)位置(处于第五肋间水平)，以及在左、右腋中线上(A、I)(与下胸骨电极E处于同一水平上)。第5个为接地电极，可以放在任何地方。个导联是由个信号作线性变换导出的，变式换为：Vi=aiVES+biVAS+ciVAI。其中Vi是给定时刻导联i中的电压，VES、VAS、VAI分别是同一时刻各电极之间的电压，ai、bi、ci分别是电压的系数。Frank导联是常用的记录心电矢量图的导联。这种“校正的导联体系”是为了减少由于体形不同(如：左臂电势差大、心电偶位置个体变异及体内介质不均匀性等因素)所产生的影响。Frank氏假设心电偶位置是处在相当于胸骨旁的第五肋间，所以把五个胸电极安放在这一水平位置：图1-5心电图双极肢体导联的连接示意图1-6心电图单极肢体导联的连接示意图图1-7单极胸导联的连接示意图V1：第四肋间胸骨右缘；V2：第四肋间胸骨左缘；V3：V2和V4连线的中点；V4：左锁骨中线与笫五肋间的交点；V5：左腋前线与V4同一水平高度；V6：左腋中线与V4同一水平高度。图1-8心电图监护导联RA、LA分别对应右上肢和左上肢，置于胸骨两侧第一或笫二肋间。RL、LL分别对应右下肢和左下肢，置于腋前线的剑状软骨水平。V对应胸导联。