第二章生物电测量设备

郑驰超第二章生物电测量仪器前言生物医学信息测量仪器2.1生物电位的基础知识2.2生物医学电极2.3心电图机2.4脑电图机2.5肌电图机生物信息测量仪器是医学仪器中重要的组成部分，它分为生物电信号测量仪器和非生物电信号测量仪器。传感器检测与处理系统存储与显示系统辅助系统1生物信息测量仪器构成（1）传感器◦被测对象、传感器或电极（2）生物信息检测处理系统◦放大、滤波、变换、运算等预处理方式（3）生物信息的记录与显示系统◦直接描记式记录器◦半导体存储器/磁盘记录式◦数字式显示器直接描记式记录器/胶片式半导体存储器/磁盘记录式数字式显示器（4）辅助系统◦人机交互◦刺激器◦数据通信◦信号源◦直接和间接◦实时和延时◦间断和连续◦模拟和数字1.3.1医学仪器主要技术指标◦准确度◦精密度◦输入阻抗◦灵敏度◦频率响应◦信噪比◦零点漂移◦共模抑制比灵敏度灵敏度是指仪器在稳态下输出量变化与输入量变化之比，可表示为:iAAS0S为灵敏度，A0和Ai分别为输出量变化和输入量变化1.3.1生物医学测量仪器的主要技术指标频率特性频率特性是指仪器输出量和相位与输入正弦信号频率的关系。使仪器的输出幅度随频率的变化不超过规定值（如3dB）的输入信号频率范围称为响应频率，又称为通频带。部分常见生理信号的频率范围可参考表1-3。生理信号频率范围（HZ）心电0.01-250脑电0-150肌电0-10000眼电/视网膜电0-50胃电0.05-20血流量0-30动脉血压0-100静脉血压0-50脉搏波0.1-50心音2-2000呼吸率0.1-10部分常见生理信号的频率范围精密度精密度简称精度，用相同条件下重复测量间的最大偏差与仪器满量程之比表示，即%100maxHAAEjipAi、Aj分别为任意两次测量的结果值，Ｈ为仪器的最大测量范围准确度准确度用仪器的实际测量结果值同真值（理想值）间的最大偏差与仪器满量程之比来表示，即%100maxHAEaEa为仪器的测量准确度，Amax为实测值与真值间的最大偏差，H为仪器的满量程非线性度非线性度用实测值和与相应输入量成正比关系的理论值间最大偏差同满量程之比表示，即%100maxHAELLEL为仪器的线性度，ALmax为全量程内的实测值与理论值之间的最大偏差，H为全量程仪器非线性度的示意图漂移漂移是指仪器的输出量随时间或外部环境变化而变化的程度，主要包括零点漂移、温度漂移和灵敏度温漂等指标。①零点漂移：用无输入信号和恒定环境条件下的仪器输出量在一定时间内的最大变化与满量程之比来表示，即%100maxHADzDz为零点漂移，Azmax为指定时间内在输入量为零时输出量的最大变化，H为仪器的满量程②温度漂移：用无输入信号条件下仪器的输出量随环境温度的变化与仪器的满量之比来表示，即%100THADTTDT为温度漂移，AT为环境温度变化T时引起的仪器输出量变化③灵敏度温漂：用一定环境温度变化范围内仪器灵敏度的最大相对变化量来表示，即%1000maxSSDSDs为灵敏度温漂，Smax为一定温度变化范围内仪器灵敏度的最大变化分辨力分辨力是指仪器分辨出最小的信息变化的能力。按被测信息的性质和仪器用途的不同，仪器分辨力分为幅度分辨率、频率分辨率、时间分辨率和空间分辨力等指标。幅度分辨率一般用仪器最小可分辨的输出信号幅度或大小与仪器满量程之比来表示，即HARminR为幅度分辨率，又称为分辨率，Amin为仪器最小可分辨的输出信号幅值或大小，H为仪器的满量程。R愈小，仪器的幅度分辨率愈高输入阻抗和输出阻抗输入阻抗：指从一测量系统或线路环节的输入端测得的系统自身的阻抗，即iiiIVZZi为系统的输入阻抗，Vi和Ii分别为从系统输入端测得的输入电压和输入电流输出阻抗：指从一测量系统或线路环节的输出端测得的系统自身的阻抗，即hhhVZVVZ00Zo为系统的输出阻抗，Zh为输出端接入的负载阻抗，Vo和Vh分别为系统输出端开路和接入负载阻抗Zh时的输出电压2.1生物电位的基础知识2.2生物医学电极2.3心电图机2.4脑电图机2.5肌电图机对于能够通过电极提取的体表生物电信号，其测量仪器的结构基本相同，不同的只是因信号的频率和幅值不同，对电路的要求不同。常见的生物电信号有：◦心电（ECG）：0.01～5mV0.05～100Hz◦脑电（EEG）：2～200μV0.1~100Hz◦肌电（EMG）：0.02～5mV5~2000Hz增益不同滤波参数不同通道数不同传感器规格不同静息电位动作电位生物电信号测量的生理学基础人体电阻抗静息电位（restingpotential）：在静息状态下(即细胞未受刺激的情况下)，细胞膜内外两侧的电位差。极化状态(polarization)：在生理学中，将静息状态下细胞膜跨膜电位内负外正的状态。超极化超极化(hyperpolarization)：膜内负电位增大(例如从-70mv变为-90mv)。去极化(depolarization)：膜内负电位减小(例如从-70mv变为-60mv)。复极化((repolarization)：细胞膜去极化后再向原来静息电位方向恢复。动作电位(actionpotential)：在原有静息电位的基础上，膜电位发生的迅速的倒转和恢复。锋电位(spike)：动作电位是细胞兴奋的表现，主要表现为一个尖锋形的电位波动。膜电位超过0电位的部分称为超射。在恢复到静息电位之前，膜电位还有一些微小的波动，称为后电位。去极化后电位(负后电位)，超极化负后电位(正后电位)。动作电位的时相示意图心电如何产生？2.2.1生物医学电极的概念2.2.2电极的极化2.2.3常用的生物医学电极电极—由金属浸在含该金属离子的溶液中所构成的体系成为电极。用电极引导生物电信号时，与电极直接接触的是电解质溶液（如导电膏、人体汗液或组织液等），因而形成一个金属-电解质界面，从而，金属与溶液间形成电荷分布—双电层。生物医学电极指经过一定处理的金属板或金属丝、金属网等。电极的极化：电极与电解液界面形成双电层，在有电流流过时，界面电位发生变化的现象；电极电位（极化电压）：电极与电解液的界面电位差；电极阻抗：电极与电解液界面的系统阻抗◦电极阻抗与电流密度、电极面积及温度基本成反比；◦影响电极阻抗的最大因素是频率。当频率增加时，电极阻抗明显减小；◦电极阻抗不够大或因频率变化而减小时，会引起信号衰减，因此可在放大器之前增加缓冲放大器或电压跟随器等方法，以增大输入阻抗。◦当电极之间直接用平均电阻相连时，电极阻抗之间的差异会引起测量误差和放大器共模抑制比的减小，可以采用威尔逊网络来平衡。体表电极体内电极基本要求：电极电势稳定，阻抗小，容易放置而不脱落，不易产生伪迹，可长期检测，无毒性，对人体刺激小。使用时要涂导电膏，因此界面的等效电路更加复杂：除电极特性外，皮肤阻抗特性也要考虑进来。角质层薄（40m）而且电阻率高（50－100kcm-1)，还会随频率变化。若用砂纸打磨，去掉一些角质层，Re会明显减小。若不用导电膏，Re能增大10倍，Ce会减小几倍，使皮肤阻抗增大10倍以上。若电极相对于电解质慢运动（呼吸，体育运动等），会搅乱界面上的电荷分布，在测量信号中出现慢变的伪迹。可用不极化电极和砂纸打磨来减小伪迹。1）金属板电极临床中常用银镍合金、镀银钢板电极和Ag-AgCl电极，测量ECG；不锈钢、铂、镀银的圆盘状、长方形电极测量EMG，EEG。2）柔性电极为适应体表各种形状，用银丝编织而成，贴在胶布上使用，特别适用于早产新生儿的ECG监护。有的产品能允许透过X光。3）浮式电极用导电膏充填在电极与皮肤之间，使电极不直接与皮肤接触，不易出现电极在皮肤上的相对运动；导电膏不失水，能长期保持稳定。4）干电极导电膏的缺点是时间长了容易干，若盐分过高会引起皮炎。干电极不用导电膏。可以将高输入阻抗放大器放置在电极内。但采用电容耦合，对频率很低的信号的灵敏度低，要求放大器的输入阻抗很高（100M-1G），噪声也易通过静电耦合串入。5）绝缘电极在金属板上制作绝缘薄膜，用其电容进行交流耦合，拾取信号中的交变分量。不用导电膏，6）一次性电极目前很多医院采用一次性电极记ECG。右边是一种用离子传导性聚醚系粘胶剂代替导电膏的一次性体表电极。它粘着性能好，没有盐分析出，显著减小基线漂移和噪声。插入体内，有细胞外液存在，不用导电膏，但要求材料的生物相容性好，安全。Ag-AgCl材料不适用，会与含蛋白质的溶液发生反应。AB-针电极：测量EMG，用不锈钢制作。C-丝电极：用注射针将它插到待测部位，慢慢抽出针管，使它能长期留在体内。将倒钩拉直后即可取出。可能会移位，折断等。D-螺线管电极：能克服丝电极的缺点.心电电极----连接到人体体表，用来监测心电信号的传感器。心电导联----连接到人体体表的任意两个心电电极所组成的回路。标准导联亦称双极肢体导联，反映两个肢体之间的电位差。在心肌中，有一些特殊的心肌细胞，它们或聚集成团，形成了大大小小的“发电厂”，不断地发出脉冲电流。位于右心房上腔静脉入口处的窦房结，是生物电的“源头”。在正常情况下，房室结和一些分布于心脏肌肉内的内的“小发电厂”（神经节）不发出生物电，以保证整个心脏用同一节律跳动。窦房结发出的电流，经过房室束，传到房室结，然后再经希氏束，分左、右两条束支，传到左、右心室。每一次窦房结发出的脉冲生物电，就是经过这一线路，顺序传递到整个心脏，引发心脏的搏动。心脏所发出的生物电流是极为微弱的，需用特殊的“电表”才能将它测出来。心脏是人体血液循环的动力装置。正是由于心脏自动不断地进行有节奏的收缩和舒张活动，才使得血液在封闭的循环系统中不停地流动，使生命得以维持。心脏在搏动前后，心肌发生激动。在激动过程中，会产生微弱的生物电流。这这样，心脏的每一个心动周期均伴随着生物电变化。这种生物电变化可传达到身体表面的各个部位。由于身体各部分组织不同，距心脏的距离不同，心电信号在身体不同的部位所表现出的电位也不同。对正常心脏来说，这种生物电变化的方向、频率、强度是有规律的。若通过电极将体表不同部位的电信号检测出来，再用放大器加以放大，并用记录器描记下，就可得到心电图形。心电图：利用心电图机从体表记录心脏每一心动周期所产生电活动变化的曲线图形。英文名：Electrocardiograph英文缩写：ECG1、对心律失常和传导障碍具有重要的诊断价值。2．对心肌梗塞的诊断有很高的准确性，它不仅能确定有无心肌梗塞，而且还可确定梗塞的病变期部位范围以及演变过程。3．对房室肌大、心肌炎、心肌病、冠状动脉供血不足和心包炎的诊断有较大的帮助。4．能够帮助了解某些药物（如洋地黄、奎尼丁）和电解质紊乱对心肌的作用。5．心电图作为一种电信息的时间标志，常为心音图、超声心动图、阻抗血流图等心功能测定以及其他心脏电生理研究同步描纪，以利于确定时间。6．心电监护已广泛应用于手术、麻醉、用药观察、航天、体育等的心电监测以及危重病人的抢救。是以人体与心电图导联连接成某一个导联所产生的心电电压作为信号，通过电极输入到心电放大器，经过放大后，推动记录工具——描笔，使其在记录纸上作相应运动，同时记录纸以匀速沿笔尖垂直方向运动，这样就描出心电图波形，或直接在LCD上显示。心电轴等边三角形心电图的导联（标准12导联）◦标准（肢体）导联：ⅠⅡⅢ◦加压导联：aVRaVLaVF◦胸导联：V1、V2、V3、V4、V5、V6标准导联是双极导联，主要测量肢体之间的电位差。标准（肢体）导联：是以两肢体间的电位差为所获取的体表心电Ⅰ：左上肢（LA）接放大器正输入端，右上肢（RA）接负输入端Ⅱ：左下肢（LL）接放大器正输入端，右上肢（RA）接负输入端Ⅲ：左下肢（LL）接放大器正输入端，左上肢（LA）接负输入端标准导联只是反映体表某两点之间的电位差，而不能探测某一点的电位变化，如果把心电图机的负极接在零电位