生物醫(yī)學(xué)測量與儀器課件

1、生物醫(yī)學(xué)測量與儀器課件第三章生物電測量及儀器3.1 生物電測量電極一、電極理論和特性 半電池電位 當(dāng)電極與生物體的組織表面相接觸時，會在電極和組織之間出現(xiàn)半電池的電動勢。電極的極化與電極電位 電極電位往往比被測生物電信號大很多，而且是一個變化量。測量時應(yīng)盡量使電極電位穩(wěn)定，而且降低其數(shù)值?？缒る娢?不同電解質(zhì)的溶液之間的界面上以及同一種電解質(zhì)而溶度不同的兩溶液之間的界面上，也可以產(chǎn)生電位，原因在于溶液中離子的擴散速度不同。二、生物電位電極的種類體表電極（皮膚表面電極）針形電極微電極金屬微電極充滿電解質(zhì)的玻璃微電極3.2 心電測量及儀器心電的產(chǎn)生和心電圖心臟興奮沿傳導(dǎo)系統(tǒng)的傳導(dǎo)過程有一定時間：竇

2、房結(jié)與房室結(jié)之間動作電位的傳遞時間約為40ms，房室交界處的延遲時間約為110ms，興奮進入希氏束只需30ms就可到達普氏纖維，心室肌外層由普通心室肌傳導(dǎo)，右心室約10ms，左心室約30ms。P波：代表左右兩心房興奮過程。P波形小而圓鈍，隨各導(dǎo)聯(lián)而稍有不同。P波的寬度一般不超過0.11秒，電壓不超過0.25mv。P-R間期：是從P波起點到QRS波群起點的時間距離，代表心房開始興奮到心室開始興奮所需的時間，一般成人約為0.120.20秒，小兒稍短。超過0.21秒為房室傳導(dǎo)時間延長。QRS復(fù)合波：代表兩個心室興奮傳播過程的電位變化。QRS復(fù)合波所占時間代表心室肌興奮傳播所需時間,正常人在0.060

3、.10秒之間。ST段：由QRS波群結(jié)束到T波開始的平線，反映心室除極后緩慢恢復(fù)極化過程所形成的微弱電壓變化。正常時接近于等電位線，ST段下降不應(yīng)低于0.05mv。偏高或降低超出上述范圍，便屬異常心電圖。T波：是繼QRS波群后的一個波幅較低而波寬較長的電波，反映心室興奮后再極化過程U波：T波后0.020.04秒出現(xiàn)寬而低的波，波高多在0.05mv以下，波寬約0.20秒。一般認(rèn)為可能由心舒張時各部產(chǎn)生的負后電位形成，也有人認(rèn)為是浦肯野氏纖維再極化的結(jié)果。3.2.2 體表心電圖導(dǎo)聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)導(dǎo)聯(lián)正極負極IL左臂(黃)R右臂(紅)IIF左腿(綠)R右臂(紅)IIIF左腿(綠)L左臂(黃)加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)

4、Vw = (VL+VF)/2 aVR = VR VwVR = VR (VR+VL+VF)/3aVR:VR = 3:2同理 aVR+aVL+aVF=0導(dǎo)聯(lián)正極負極aVRR右臂(紅)左臂與左腿aVLL左臂(黃)右臂與左腿aVFF左腿(綠)右臂與左臂胸導(dǎo)聯(lián)3.2.3 心電圖機（一）輸入部分1.導(dǎo)聯(lián)線2.導(dǎo)聯(lián)選擇器3.輸入保護及高頻濾波器（二）放大部分1.前置放大器2.1mV標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器3.時間常數(shù)電路4.中間放大器5.功率放大器（三）記錄器部分（四）走紙傳動裝置（五）電源部分1 輸入電路（1）輸入緩沖電路HL100HL108 高壓保護電路C100C108 抗高頻干擾電容IC100IC102 集成電

5、壓跟隨器D100D117輸入保護電路（2）威爾遜網(wǎng)絡(luò)（3）導(dǎo)聯(lián)選擇開關(guān)（4）屏蔽驅(qū)動電路心電圖機技術(shù)指標(biāo)靈敏度噪聲阻尼線性共模抑制比時間常數(shù)頻率響應(yīng)走紙速度輸入阻抗示波輸出安全指標(biāo)導(dǎo)聯(lián)：標(biāo)準(zhǔn)12導(dǎo)聯(lián) 輸入方式:浮地及除顫防護 輸入阻抗：50M ECG輸出：1V/mV5；單端輸出100 患者漏電流：10A 輸入回路電流：0.04A 定標(biāo)電壓：1mV2% 頻響：0.05150Hz 時間常數(shù)：3.2S 共模扼制比（CMRR）：100dB 濾波器：交流50Hz（20dB）、肌電3545Hz，漂移0.45Hz 增益：2.5、5、10、20mm/mV 耐極化電壓：500mV 噪聲電平：15Vp-p 安全類

6、別：I類CF型 顯示：320240圖形液晶顯示（配有背光源） 記錄系統(tǒng)：熱點陣打印 操作方式：自動或手動操作 走紙速度：5/6.5、10/12.5、25、50mm/s3 分析功能：心電參數(shù)自動測量，自動分析 記錄紙：63mm30mm高速熱敏卷紙 3.2.4 心電向量圖心電活動不論是右、左心房(P波)，或是代表啟動心室搏動的心電活動(QRS波群)，都是既有方向，又有大小(量)的心電活動，就稱為心電向量。它反映在各導(dǎo)聯(lián)上也不盡相同，這是由于各導(dǎo)聯(lián)(無論是額面或橫面導(dǎo)聯(lián))的角度不同。我們?yōu)槭裁匆谌齻€標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)以外，在額面上還要三個加壓肢體導(dǎo)聯(lián)，此外還要做六個胸壁導(dǎo)聯(lián)?原因就在于可以自不同角度了解心電

7、活動上下，左右，前后的綜合心電向量，從而觀察其正常與否等等。 心電向量與心電圖正常心臟激動發(fā)源于右心房上部，上腔靜脈入口處的竇房結(jié)，激動通過傳導(dǎo)系統(tǒng)依次傳遞至心房、心室各部，使之除極和復(fù)極。心臟是一個立體腦器，其各部位的電激動的傳導(dǎo)有方向性，且其量的大小不同，這稱為向量。在同一瞬間，心肌內(nèi)有許多駛向各個方向的電偶，向量綜合法用平行四邊形的對角線代表一個瞬間的綜合心電向量，在一個心電周期中，瞬間綜合心電向量在不斷變動，這樣形成一個向量環(huán)：心房除極和心室除極分別拼成P向量環(huán)及QRS向量環(huán)；心室復(fù)極構(gòu)成T向量環(huán)。這種立體的向量圖(VCG)稱為空間心電向量，其在額面、矢狀面及水平面的投影，構(gòu)成平面心電

8、向量圖，臨床應(yīng)用較少。平面心電向量圖在各心電圖導(dǎo)聯(lián)軸上的投影便構(gòu)成心電圖Frank導(dǎo)聯(lián)為校正的三維正交導(dǎo)聯(lián)，為了校正心臟胸腔內(nèi)的不對稱性(心臟在胸腔內(nèi)的位置偏前偏左)，F(xiàn)rank導(dǎo)聯(lián)體系采用一套電阻網(wǎng)絡(luò)，插人X、Y、Z導(dǎo)聯(lián)的輸人端，以改變其增益量，使心臟近似位于胸腔的正中那樣，稱為正交導(dǎo)聯(lián)體系。除了x、Y、Z三個導(dǎo)聯(lián)所需的6個電極以外(2個為一組，放在體表相應(yīng)的位置(如表1所示)，可以同時測出人體上下、前后、左右的電位差變化)，在左側(cè)與正前的電極之間增加了一個校正電極C，使之與x軸和Z軸都成45導(dǎo)聯(lián)正極負極XA:左腋中線第5肋間I：右腋中線第5肋間YF：左腿H：頭頸部（右后頸）ZE：前正中線與

9、X軸同一水平：后脊柱線與軸同一水平利用Frank導(dǎo)聯(lián)可以同時得到、Y、三個軸上的電位變化，將這三個電位差的連續(xù)變化在三維空間表示出來，就可以得到立體心電圖，將立體心電圖分別投影到XY、YZ、XZ的二維平面上，就得到了心電向量圖。實際上，各軸上的電位差值并不是正負極簡單相減得到的，為了矯正心臟在胸腔中的不對稱，(C+A) 與I一組成x軸，(M+F) 與H組成Y軸，(A+C+E+I) 與M組成z軸。Frank氏以背后M為正極，國內(nèi)以前面為正極，背后M為負極。三個軸相互不同的組合又分別構(gòu)成三個面：X軸與Y軸相遇構(gòu)成前額面F, Y軸與Z軸相遇構(gòu)成右側(cè)面S，X軸與Z軸相遇構(gòu)成橫面H。3.2.5 希氏束電

10、圖希氏束電圖（HBE）是描記心內(nèi)傳導(dǎo)系統(tǒng)電位變化的曲線。可用于心律失常的鑒別診斷；確定房室傳導(dǎo)阻滯部位，尤其是度房室傳導(dǎo)阻滯，以提供安裝心臟起搏器的客觀指標(biāo)；分析抗心律失常藥物對心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)的影響；對預(yù)激綜合征進行鑒別；對老年人進行希氏束電圖檢測，有利于早期發(fā)現(xiàn)傳導(dǎo)阻滯。希氏束電信號極其微弱，只有1-10V 左右，體表很難檢測到如此微弱的電信號。可采用QRS波觸發(fā)的信號平均技術(shù)檢測希氏束電圖，因為在大多數(shù)情況下，希浦系統(tǒng)電活動形成的反折在心電圖上總是位于心室波前，且與心室波有一相對固定的時間間期； 3.2.6 心室晚電位心室晚電位（VLP）是心肌局部延遲除極的一種高頻率、低振幅的碎裂電活動，體

11、表記錄到的這種電活動通常出現(xiàn)在QRS 波終末處，并延伸至ST 段內(nèi)。VLP是一種病理現(xiàn)象，與心肌梗塞或缺血有關(guān)。 心肌存在3種改變： 梗死區(qū)； 損傷區(qū)或缺血區(qū)； 正常區(qū)。在損傷缺血區(qū)，一方面可能存在小塊心肌，這些散在的、存活的心肌電活動可能是不同步的，從而形成碎裂的心室電活動。另一方面 ，也可能由于缺血損傷程度不同，細胞膜電位改變極不均一，也是形成VLP 病理基礎(chǔ)。VLP檢測方法 VLP的記錄技術(shù)包括有創(chuàng)直接記錄和無創(chuàng)體表記錄兩大類。 無創(chuàng)體表記錄法簡便易行，可重復(fù)進行，大多數(shù)臨床研究均采用體表信號平均心電圖的分析方法，具體又分為時域分析和頻域分析。臨床多采用時域分析方法檢測。時域分析檢測指標(biāo)

12、為 濾過的QRS 時限（QRST）； 濾過的QRS終末40ms 的電壓（V40）；濾過的QRS 終末電壓持續(xù)低于40V 的時限（D40）。頻域方法在一定程度上可以彌補域分析難以發(fā)現(xiàn)的異常心電信息及有束枝阻滯或心室內(nèi)阻滯情況下的誤判。但其方法學(xué)、診斷標(biāo)準(zhǔn)尚有待規(guī)范統(tǒng)一 ，目前仍處于探討階段。 對VLP陽性的判斷標(biāo)準(zhǔn)，目前多采用的為歐洲心臟病學(xué)會、美國心臟病學(xué)會、美國心臟工作委員會（ ESC/ AHA/ ACC） 推薦的標(biāo)準(zhǔn)：在40Hz 雙向高速濾波條件下；FQRS 114ms；LAS 38ms；RMS4020V。其中RMS4010ms 為低頻切跡； 扭挫（slurring，S）指僅有斜率改變而無

13、方向改變的節(jié)段，時程同切跡； 頓結(jié)（beading，B）指QRS 波上的圓點樣改變。 這些高頻成分必須在圖象的同一位置連續(xù)出現(xiàn)三次以上 ，且形態(tài)、方向相同方能確認(rèn)， 否則為偽切跡。心電高頻產(chǎn)生機制 高頻成分產(chǎn)生機制目前尚不十分清楚。特制的心臟模型和動物實驗研究發(fā)現(xiàn)，凡能影響心肌局部功能或造成心肌結(jié)構(gòu)改變的因素，均可不同程度地造成局部電活動異常，引起心電向量改變，破壞QRS向量環(huán)的光滑性，在心電圖上表現(xiàn)為高頻成分增多。有研究指出，在生理情況下，高頻切跡的產(chǎn)生是由于擴展方向不同的2或3個除極波面，在經(jīng)過傳導(dǎo)性不同的心肌各層組織時表面電位發(fā)生重疊所致。在病理情況下，心肌缺血導(dǎo)致的心肌壞死、纖維化，甚

14、至瘢痕影響心肌激動波的正常傳導(dǎo)，局灶性或散在的病變影響浦氏纖維的正常傳導(dǎo)，使心肌各部除極的先后、快慢發(fā)生變化，QRS波群上出現(xiàn)高頻切跡或扭結(jié)。高頻成分分析方法及診斷標(biāo)準(zhǔn) 分析方法目前多是用目測或微機的微分圖自動計數(shù)，也可以兩法對照，觀察QRS 波上升及下降支上的切跡及扭挫數(shù)。 導(dǎo)聯(lián)選擇有多種： 6導(dǎo)組合導(dǎo)聯(lián)，三個肢導(dǎo)和V4V6三個胸導(dǎo)聯(lián)； 9組合導(dǎo)聯(lián)，上述6組合導(dǎo)聯(lián)加上V1、V2、V3； 12導(dǎo)聯(lián)，即常規(guī)心電圖應(yīng)用的12導(dǎo)聯(lián)；Frank 正交向量導(dǎo)聯(lián)。診斷標(biāo)準(zhǔn)尚不一致，目前國內(nèi)應(yīng)用的診斷標(biāo)準(zhǔn)是1993年全國第四屆高頻心電圖研討會制訂。高頻切跡數(shù)(個)的診斷標(biāo)準(zhǔn)切跡數(shù)6導(dǎo)聯(lián)9導(dǎo)聯(lián)12導(dǎo)聯(lián)正常36

15、8可疑4578911異常6912心電地形圖儀體表電位標(biāo)測（Body surface potential mapping，BSPM ）是在胸部和背部放置多個電極，同時記錄下每個采樣瞬間各電極部位的心電波形。它可以提供體表上眾多的心電信息，所描繪出的體表等電位圖可綜觀心電場在體表分布的全貌，了解心周期內(nèi)心電活動的概括。也可以畫出極值軌跡圖，以反映某一心電間期內(nèi)心電的極大值和極小值的運動軌跡。臨床上常用于心肌梗塞、心肌缺血、缺血部位的判定、傳導(dǎo)阻滯、心房心室肥大及心律失常所引起的電活動異常的診斷。3.3 腦電測量及儀器3.3.1 腦電的產(chǎn)生和腦電圖自發(fā)腦電：人的大腦皮層有自發(fā)的電活動，其電位隨時間發(fā)

16、生變化，用電極將這種電位波形提取出來并加以記錄就可以得到腦電圖。誘發(fā)腦電：如果給機體以某種刺激，也會導(dǎo)致腦電信號的改變，這種電位稱為腦誘發(fā)電位。3.3.2 腦電圖機國際1020系統(tǒng)其特點是：電極有各自的名稱：位于左側(cè)的是奇數(shù)，右側(cè)的是偶數(shù)。按近中線的用較小的數(shù)字，較外側(cè)的用較大的數(shù)字。電極名稱包括電極所在頭部分區(qū)的第一個字母。諸點電極的間隔均以10%和20來測量。 為了區(qū)分電極和兩大腦半球的關(guān)系，通常右側(cè)用偶數(shù)，左側(cè)用奇數(shù)。從鼻根至枕骨粗隆連一正中矢狀線，再從兩瞳孔向上、向后與正中矢狀線等距的平行線順延至枕骨粗隆稱左右瞳枕線。從枕骨粗隆向上約2cm，左右旁開3cm與左右瞳枕線相交處為左右枕極(

17、9、10)。沿瞳枕線人發(fā)際約1cm處為左右額前極(1、2)。左右外耳道連線與左右瞳枕線相交處為左右中央極(5、6)。左右額前極與中央極之中點處為左右額極(3、4)。左右中央極與枕極之中點處為左右頂極(7、8)。左右中央極與外耳道之中點處為左右顳中極(11、 12)。左右瞳孔與外耳道中點處為左右顳前極(13； 14)。左右乳突上發(fā)際內(nèi)約1cm處為左右顳后極(15、 16)。兩耳垂電極的連接方式有兩種：(1)兩耳垂連在一起，同時與地線相連，而將無關(guān)電極放在頭頂中部或鼻根部，或第七頸椎處。(2)兩耳垂分別或共同作為作用電極與頭皮電極配對作為腦電圖機輸入端。另在頭頂處，附加一個電極與地線相連。單極導(dǎo)聯(lián)

18、法 單極導(dǎo)聯(lián)法是將活動電極置于頭皮上，并通過導(dǎo)聯(lián)選擇開關(guān)接至前置放大器的一個輸人端(G1)；無關(guān)電極置于耳垂，并通過導(dǎo)聯(lián)選擇開關(guān)按至前置放大器的另一個輸入端(G2)。無關(guān)電極一般選兩側(cè)耳垂，它與活動電極有多種配對方式：1一側(cè)耳垂無關(guān)電極對應(yīng)同側(cè)頭皮活動電極。2一側(cè)耳垂無關(guān)電極與另一側(cè)頭皮活動電極相對應(yīng)。3 左右兩側(cè)耳垂的電極連接在一起作為無關(guān)電極使用(也可接地)，再與各活動電極(每次只能取一種)配對G1G2+-單極導(dǎo)聯(lián)法優(yōu)缺點優(yōu)點:能記錄活動電極下腦電位變化的絕對值，其波幅較高且較穩(wěn)定，異常波常較局限，這有利于病灶的定位。缺點：參考電極(無關(guān)電極)不能保持0電位，易混進其他生物電干擾。例如當(dāng)振

19、幅大的異常波出現(xiàn)于顳部時，耳垂電極由于靠近顳部而受其電場的影響，這樣有可能記錄到與顳部電位數(shù)值相近的異常電位。雙極導(dǎo)聯(lián)法雙極導(dǎo)聯(lián)法不使用無關(guān)電極，只使用頭皮上的兩個活動電極。優(yōu)點：記錄下來的是兩個電極部位腦電變化的差值，可以大大減小干擾，并可排除無關(guān)電極引起的誤差。缺點：如果雙極導(dǎo)聯(lián)的兩個活動電極間距離在3cm以內(nèi)，來自較大范圍(距離大于3cm)的腦電位被兩個活動電極同時記錄下來，結(jié)果電位差值互相抵消，記錄的波幅較低，所以兩電極的距離應(yīng)在3-6cm。 利用腦電圖確定位病灶和診斷病情，并非只由一對電極來實現(xiàn)，而是要用多對電極(多個導(dǎo)聯(lián))，根據(jù)不同的情況和要求，連接成不同的方式，記錄多個波形，分析

20、這多個波形的基本特征和相互聯(lián)系才能完成病灶定位和疾病診斷。這就要求腦電圖機有多個放大器，同步記錄8、16或32導(dǎo)波形。腦電圖機的結(jié)構(gòu)1 輸入部分電極盒頭皮電極電阻抗測量電路導(dǎo)聯(lián)選擇器標(biāo)準(zhǔn)電壓信號發(fā)生裝置2 放大電路部分前置放大電路增益調(diào)節(jié)器時間常數(shù)調(diào)節(jié)器高頻濾波器后級電壓放大器功率放大器3 記錄部分4 電源部分5 腦電圖機的輔助部分頭皮電極電阻測試電路原理圖腦電放大電路設(shè)計要求 腦電波形頻率主要集中在030Hz內(nèi)，平均幅度50uV，但老人一般在20uV左右，兒童可達100uV至數(shù)百uV。靈敏度：250uV/div帶寬：DC150Hz輸入阻抗：200M共模抑制比：80dB系統(tǒng)噪聲：5uVrms頭

21、皮電極接觸阻抗：5k3.3.3 腦電信號分析波：可在頭顱枕部檢測到，頻率813Hz，振幅20100V，是節(jié)律性腦電波中最明顯的波。波：頻率約為1330Hz，振幅約為520V，是一種快波，波的出現(xiàn)一般意味著大腦比較興奮。 波：波頻率為48Hz，振幅約為1050V，是在困倦時，中樞神經(jīng)系統(tǒng)處于抑制狀態(tài)時所記錄的波形。 波：在睡眠、深度麻醉、缺氧或大腦有器質(zhì)性病變時出現(xiàn)，頻率為0.54Hz，振幅為100V。 臨床用腦電檢測癲癇臨場用腦電監(jiān)測睡眠3.3.4 誘發(fā)腦電技術(shù)誘發(fā)電位是指在給予刺激后經(jīng)過一定的潛伏期，在腦的特定區(qū)域出現(xiàn)的電位反應(yīng)，其特點是誘發(fā)電位與刺激信號之間有嚴(yán)格的時間關(guān)系，通過誘發(fā)電位可

22、以反映出神經(jīng)系統(tǒng)的功能與病變。誘發(fā)電位較小，完全淹沒在自發(fā)腦電信號中。內(nèi)源性誘發(fā)電位與認(rèn)知功能有關(guān)外源性誘發(fā)電位與感覺或運動功能有關(guān) (1)視覺誘發(fā)電位 (2)聽覺誘發(fā)電位 (3)體感誘發(fā)電位3.4 其他生物電測量及儀器肌電圖 肌電圖是對肌肉電活動的記錄，反映肌肉本身以及神經(jīng)肌肉接頭、周圍神經(jīng)或神經(jīng)元的功能狀態(tài)。肌電假肢 肌電控制假肢能夠接收大腦經(jīng)由肢殘肌肉傳來的生物電信號，作為控制和操縱肌電假肢各種功能的初始信號，經(jīng)安裝在假肢臂筒內(nèi)的電子和機械系統(tǒng)處理產(chǎn)生動作。肌電控制假肢分為前臂假肢和上臂假肢兩大類，一般都具有手指開合和旋腕功能。肌電反饋儀 將細微的肌電變化轉(zhuǎn)化成直觀的光帶及聲音變化以及肌

23、電數(shù)碼值和肌電波，以此表征肌肉的活動狀態(tài)，并通過視覺、聽覺反饋給受檢者，使受檢者能感知這種變化，讓受檢者知道自己的心身壓力，促進其試著去修正它們，并進行反復(fù)的調(diào)控訓(xùn)練，使其有意識地調(diào)節(jié)和控制自身的心理，同時利用舒暢放松的音樂和語言的針對性的疏導(dǎo)。 肌電圖EMG（Electromyogram）是肌肉產(chǎn)生的生理電信號的記錄。它可以通過放置在皮膚上的表面電極來測量，也可以用針電極經(jīng)皮膚插入肌肉來測量。肌電圖的幅度與電極放置部位有關(guān)，范圍大約為50V5mV，帶寬為2500Hz。 肌電圖儀由電極、前置放大器和主放大器、示波器波形顯示及描記器組成?，F(xiàn)代肌電圖儀常與誘發(fā)電位儀合為一體，由微機控制，為“無筆描記型”，用電視監(jiān)視器顯示波形，由熱陣打印機或激光打印機打印波形。 肌電圖檢測在神經(jīng)源性和肌源性疾病的鑒別診斷方面，以及對神經(jīng)病變的定位，損害程度和預(yù)后判斷方面有重要價值。胃電 胃電圖EGG（Electrogastrogram）是將電極放置在腹部記錄到的胃肌電活動信號。胃電圖（常包括腸電