心电图机原理及应用介绍

1心电图机（ElectroCadioGraph）江苏省人民医院临床医学工程处许迎新[e-mail]2010-92心电图机3历史•1903年，荷兰生理学教授威廉·爱因霍文应用弦线电流计，将体表心电图记录到感光片上。•1924年，获诺贝尔生理学及医学奖。WilliamEinthoven4历史•1934年，美国的心脏科专家威尔逊（FrandNWilson）定义了后来被称为“Wilson中心电端”的概念，提出了VR、VL和VF导联。FrankNWilson(1890-1952)5心电图基础知识•心电图是记录人体心脏电活动的一种检查方法。•是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。6心电图（ECG）简介•与心脏生理功能存在着密切的联系；•在临床应用已经100多年；•在临床心脏疾病初筛检查中仍然使用；•是冠心病诊断中最早、最常用和最基本的诊断方法。•是一种简单方便、最直观和重复性好，无创、无损害且费用低廉的诊断方法。7ECG产生的机理•在正常人体内，窦房结发出的兴奋首先传到右心房，使右心房开始收缩，同时兴奋经过房间束传到左心房，引起左心房的收缩。兴奋随后沿着结间束传到房室结。再由房室结通过房室束及其左右分支浦肯野纤维传到心室，引起心室的激动。8ECG的特点•在每一个心动周期中，心脏各部分兴奋过程中出现的电信号变化的方向、途径、次序和时间都具有一定的规律。•这种电信号变化通过心脏周围的导电组织和体液传导到身体表面，使身体各部位在每一个心动周期中也都发生有规律的电变化。912导联心电图波形•心电图是由一系列的波组所构成，每个波组代表着每一个心动周期。10心电图的典型波形•P波•QRS波群•T波•U波•P-R间期•S-T段•Q-T间期11心电图的典型波形P波反映两心房去极化过程的电位变化QRS波群反映两心室去极化过程的电位变化T波反映两心室复极化过程的电位变化P-R间期指始自心房开始除极至心室开始除极的时间ST段代表心室缓慢复极化过程Q-T间期代表心室开始去极化到全部复极化完毕所需时间12ECG各波形时间和幅度典型值范围波形名称电压幅度/mV时间/sP波0.05~0.250.06~0.11Q波R波的1/40.03~0.04R波0.5~2.0S波0.06~0.11T波0.1~1.50.05~0.25P-R段与基线同一水平0.06~0.14P-R间期0.12~0.20ST段水平线0.05~0.15Q-T间期0.413心电图临床的应用•分析和鉴别心律失常。•观察心肌梗塞部位及其发展过程。•判断心脏药物治疗或其他疾病的要去治疗对心脏功能的影响。•指示心脏房室肥大情况。•在心脏手术及导管检查时，进行心电图直接描记，指导手术的进行并提醒进行必要的药物处理。14心电信号的物理特性•在体表记录到的电位强度（V）与下列因素有关：–与心肌细胞的数量（E）成正比；–与探查电极的位置和心肌细胞的距离（R）的平方成反比；–与探查电极的方位和心脏去极的方向所构成的角度（θ）有关，角度越大电位越小。•V=E×COSθ／（R2）15心电信号的物理特性•ECG信号属于内源信号（internalsourcesignal）•通常，心电信号用体表电极进行测量，–幅度范围：10μV~5mV–频率范围：0.05~100Hz16ECG的作用•心电图反映心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化。•对ECG的观察指标主要体现在三个方面:–时间（s）、振幅（mV）和形态。•心电图所记录的只是心脏的生物电位变化。17心电图的导联•定义：心电图的专业术语中，将记录心电图时电极在人体体表的放置位置及电极与放大器的连接方式称为心电图的导联。18国际标准十二导联体系•目前国际上广泛采用：–六个肢体导联：•I、II、III（1903年，Einthoven发明）•aVR、aVL、aVF（1942年，Goldberger提出）–六个胸导联：•V1~V6（1942年，Wilson提出）19电极和导联线•国际标准十二导联体系：10个电极；–4个肢体导联——LA、RA、LL、RL–6个胸部电极——V1~V6•导联线——多股带屏蔽层的电缆。•颜色电极部位左臂右臂左腿右腿胸符号LA或LRA或RLL或FRL或NCH或V颜色黄红蓝黑白20记录ECG存在的问题？•目的：为了统一和便于比较所获得的心电图波形。•记录ECG必须解决的两个问题：–电极的放置位置；–电极与放大器的连接形式。21放大器与导联的接法22ECG的导联——肢体导联•肢体导联（limbleads）—反映心脏额面情况–双极肢体导联：Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ–加压单极肢体导联：aVR，aVL，aVF•采用四个平板式电极：–LA、RA、LL、RL23Einthoven三角形理论•人体的左肩、右肩及臀部三点与心脏距离相等，构成等边三角形的三个顶点，心脏产生的电流均匀地传播于体腔，四肢仅作为传导体，肢体上任何一点的电位等于该肢体与体腔连接处的电位。•等边三角形的中心为心脏，并与三角形在同一平面上。•体腔是一个均匀导电的、相对心脏来说是很大的球形容积导体。24Einthoven三角形Ⅰ－＋ⅡⅢ－－＋＋RALALL25肢体导联连接方式26双极肢体导联连接方式•导联I：LA（+），RA（-）•导联II：LL（+），RA（-）•导联III：LL（+），LA（-）27I、II、III导联•VI＝VL-VR，VII＝VF-VR，VIII＝VF-VL•每一瞬间都有•VII＝VI+VIII（矢量和）•标准导联测量两肢体间的电位差，不能记录到单个电极处的电位变化。28Wilson单极理论•1940年，Wilson首先提出了单极肢体导联的连接方式。•记录单极肢体导联方式的心电图时，将一个电极安放在LA、RA或LL，称为探查电极；另一个电极放置在零电位点，称为参考电极。•单极导联可以更准确地反映探查电极下局部心肌的电位变化情况。但是ECG信号幅度较小，不便于测量分析，不常用。29加压单极肢体导联•1942年，Goldberger对Wilson的单极肢体导联进行了一定的改进：–将被测肢体与中心电端之间所接平衡电阻断开，中心电端只与其他两个肢体相连；这种接法称为加压单极肢体导联。–由于断开后该肢体电极与中心端间的分流作用不再存在，故该导联的电位就会加大。30加压单极肢体导联连接方式单极加压31aVR、aVL、aVFⅠ－ⅡIII－－＋RFVRVFaVRaVLaVF＋LVLWilson中心电端32加压单极肢体导联.2321;21)2(),1()2(;0)1(;222,2/)(RVVRVVRVVVRaVRVVRRVVVRaVRVRVVRVLVFVFVLVRVVVVVLVFLVFVVLVFVVVLLVVVFFVWWCWCWCWCWCWW，且得出：由由此可见，加压单极肢体导联与单级肢体导联相比，所获波形形状不变，波幅增加50%。33Ⅰ－ⅡⅢ－－＋RFaVRaVLaVF大小相等方向相反aVR+aVLL加压单极肢体导联aVR+aVL+aVF=0＋34RFⅠⅡⅢaVFaVRaVLL-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ-aVR-aVL-aVF心脏额面六轴系统30o35单极胸导联•1942年，Wilson提出单极胸导联的连接方式•测量心电图时，为了探测心脏某一局部区域电位变化，将探查电极安放在靠近心脏的胸壁上，参考电极置于Wilson中心电端，探查电极所在部位电位的变化即为心脏局部电位的变化。＋－V1~V6Wilson中心电端36单极胸导联•胸导联（chestleads）—反映心脏水平面情况–单极胸导联：V1~V6•采用六个吸附式电极37单极胸导联——放置位置导联位置V1胸骨右缘4肋间隙V2胸骨左缘4肋间隙V3V2与V4的中点V4左锁骨中线与5肋间隙交点V5V4水平与左腋前线交点V6V4水平与左腋中线交点38特殊胸导联——放置位置导联位置V7V4水平与左腋后线交点V8V4水平与左肩胛骨线交点V9V4水平与左脊旁线交点V3R~V5R右胸部与V3~V5对称处39双极胸导联（NehbElectrode）•测量胸部特定位置与肢体导联之间的心电电位差。–CR＝Vcn—VR，–CL＝Vcn—VL，–CF＝Vcn—VF，–其中Vcn为胸部电极V1~V6的心电电位–CR、CL、CF表示分别接到三个肢体上的参考电极。•不常用40ECG导联体系小结•I、II、III（Einthoven等边三角形，接法）•aVR、aVL、aVF（Wilson中心电端，接法，以及与单极肢体导联异同）•V1~V6（接法）41心电图机•1911年，根据Einthoven的论文，英国电器工程师杜德尔（WilliamduBoisDuddell），设计出了第一批推向市场的心电图机。42ECG的主要分类一•按通道数分类–单道/导心电图机–多道/导心电图机单导ECG十二导ECG三导ECG43ECG的主要分类二•按信号处理方式分类–模拟式心电图机–数字式心电图机上海光电ECG-6511美国GEMaquetteMAC-550044模拟式心电图机•可以认为只是一台记录仪；•它将人体心电信号转化为可读的固定格式的机械位移信号；•据此测量电压与时间的关系。光电ECG-651145数字式心电图机GEMaquetteMAC1200定义：采用了数字信号处理技术（A/D转换）的所有具有心电记录功能的装置。46福田FX-7402外观正面图47FX-7402外观侧后图48ECG的结构框图49数字式ECG结构框图输入部分放大部分数字化50心电图机（Electrocardiograph）•在学术上的定义–心电图机是把心脏产生的微弱电流（mV级）接收、放大并记录出心电图的装置。信号接收放大&滤波显示&记录电源51ECG的原理框图信号采集信号预处理放大与滤波A/D转换共模抑制消除干扰信号前置放大信号预处理AmplifyingWeaksignalStrongsignal放大滤波放大与滤波AmplifyingWeakSignalStrongSignalFilteringFilteredSignalOriginalSignalDataacquisitioncardDatastorageADconversionDigitalsignalAnalogsignalA/D转换DigitalsignalStorePC记录和存储52一、输入部分•主要包括：—电极和导联线—过压保护—高频滤波电路—缓冲放大器—屏蔽驱动电路—威尔逊网络—导联选择电路—右腿驱动电路53一、输入部分•主要作用：–从人体提取心电信号；–按照要求组合导联；–滤除空间电磁波的干扰；–防止高电压损坏仪器。541、电极和导联线•体表电极，应满足如下要求：电极电位稳定；阻抗小；安放容易且不易脱落；不易产生运动伪迹；可长期监测；无毒安全、对人体刺激要小。•导联线：应柔软耐折，各接插头的连接牢靠。–外加屏蔽层，并且屏蔽层接地，抗干扰。皮肤的角质层虽然极薄（约40μm），但具有很高的电阻率。一般在电极表面涂上一层含有Cl-离子的导电膏，以保持良好接触。当电极相对于电解液运动时，使界面处电荷分布打乱，会产生运动伪迹。551、电极与导联线电极导联线562、过压保护•过压保护：防止心电导联线窜入高压信号。–采用电阻和气体放电管（氖管）作为高电压限幅放电器（70V）572、过压保护–采用2支反向并联二极管作为中低电压限幅器（0.7V）583、高频滤波电路•目的：滤去不需要的高频信号，以减少高频干扰而确保心电信号的通过。RCfC2159生物信号及干扰源频率分布•ECG采用RC低通滤波电路组成高频滤波器，截止频率为10kHz左右。60电磁感应等进入ECG的路径614、缓冲放大器•目的：主要是为了提高电路的输入阻抗，减小心电信号衰减和匹配失真，一般采用电压跟随器实现。•输入阻抗高，减少ECG信号失真。625、屏蔽驱动电路•目的：消除导联线芯线与屏蔽层之间分布电容引起的干扰。导联线分布电容635、屏蔽驱动电路•保证屏蔽层的地与信号地之间是等电位；•将屏蔽层的地与