生物醫(yī)學(xué)測量與儀器4

生物醫(yī)學(xué)測量與儀器4第1頁/共86頁4.1.1引言4.1血壓及心輸出量測量技術(shù)第2頁/共86頁心血管系統(tǒng)的壓力測量（1）收縮壓SP和舒張壓DP

心室收縮期間，心主動脈瓣開放，此時動脈壓反映心室的機械活動。心室舒張期間，心主動脈瓣關(guān)閉，動脈壓反映的是主動脈向外周血管系統(tǒng)的流動能力。（2）平均壓MP平均壓是整個心動周期動脈壓的平均值，通常用于評價整個心血管系統(tǒng)的狀況。第3頁/共86頁（3）左心室壓反映左心室的泵作用，心室壓力曲線的上升沿斜率反映心室收縮初期的力度。（4）右心室壓和肺動脈壓當病人出現(xiàn)嚴重的肺部疾病時會出現(xiàn)肺動脈高壓。（5）中心靜脈壓中心靜脈壓是反映靜脈系統(tǒng)血液容量和靜脈彈力的指數(shù)。當總的血容與靜脈彈性不變時，靜脈壓隨心功改變而改變，因此它時監(jiān)測人體心臟衰竭的重要指標。第4頁/共86頁

將右心房作為血壓測量的參考點，其位置一般位于胸縱軸的中央處，具體位于胸腔左右第四肋之間的空間，中央肋軟骨節(jié)前，離后背約10cm處。第5頁/共86頁血壓分類收縮壓mmHg舒張壓mmHg理想血壓<120<80正常血壓120-12980-84高正常130-13985-891級高血壓140-15990-992級高血壓>=160>=1003級高血壓>=180>=110第6頁/共86頁柯氏音法示波法（測振法）超聲法雙袖帶法恒定袖帶壓力法脈搏延時法恒定容積法4.1.2無創(chuàng)血壓監(jiān)測第7頁/共86頁一、柯氏音法第8頁/共86頁第9頁/共86頁測量方法精度較差的原因：就心臟血壓而論，血壓讀數(shù)隨傳感器的部位和高度而變。不在心臟水平高度所得的讀數(shù)應(yīng)補加上以心臟為基準的相應(yīng)讀數(shù)。如用聽診器，則讀數(shù)將受使用者聽力的影響。若病人處在休克狀態(tài)，因其脈搏微弱，柯氏音振動很低，所以血壓測量對移動特別敏感。無論對正常人還是對情緒緊張的人，觸摸手臂都能改變讀數(shù)。錯誤的測量方法如末端的位置不適當、袖帶放氣速度不適當、水銀壓力計不垂直、聽診器間隙及袖帶放置不適當?shù)榷紩绊懢?。?0頁/共86頁血壓袖帶氣囊推薦尺寸中點處的手臂周長①/cm袖帶類型氣囊寬度/cm氣囊長度/cm5～7.5新生兒357.5~13嬰兒5816~20少年81317~26青少年111724~32成人132432~42中年173242~50股骨2042①手臂中點定義為從肩峰到肘關(guān)節(jié)距離的一半處第11頁/共86頁示波法是利用壓力傳感器觀察隨著袖帶壓的變化，血管從開放到閉合（或相反情況，血管從閉合到開放時），脈搏波幅度的變化來實現(xiàn)血壓的測量。二、示波法第12頁/共86頁第13頁/共86頁第14頁/共86頁第15頁/共86頁第16頁/共86頁三、超聲法在一個心動周期內(nèi)，隨著袖帶壓力的增加，血管的開放和閉合的時間間隔就隨之減小，直到開放和閉合二點重合，該點即為收縮壓。當袖帶壓力減小時，開放和閉合之間的時間間隔增加，直到脈搏的閉合信號與下一次脈搏的開放信號重合，此時確定為舒張壓第17頁/共86頁四、雙袖帶法原理：

當血液流過一根被部分阻斷的動脈時，其流速與動脈被阻斷的程度有關(guān)。1、當袖帶壓力超過收縮壓時，兩個袖帶下的動脈都被阻斷，三個噴嘴都無氣流出現(xiàn)，熱敏電阻1和2的溫度保持不變。2、當袖帶緩慢放氣達到收縮壓時，兩袖帶下都開始出現(xiàn)搏動。由于袖帶1先從噴出氣流而使熱敏電阻2降溫，接著血流到達袖帶2時同樣使噴嘴2和3出氣，使兩熱敏電阻同時降溫。3、當袖帶壓力降到舒張壓時，血流速度快，可以認為袖帶1和2的搏動幾乎同一時間。由于噴嘴1和2相互垂直，因此噴嘴2的氣流被1吹偏方向，熱敏2不降溫，只有熱敏1被噴嘴3降溫。第18頁/共86頁一、心輸出量心臟每分鐘射出的血量,是衡量心功能的重要指標。測量的方法有：1、指示劑稀釋法：它的測定是通過某一方式將一定量的指示劑注射到血液中，經(jīng)過在血液中的擴散，測定指示劑的變化來計算心輸出量的。連續(xù)輸注指示劑——稀釋法快速輸注指示劑——染料稀釋法2、阻抗法3、成像法：超聲、磁共振4.1.3心輸出量測量第19頁/共86頁1、連續(xù)輸注指示劑——稀釋法

二、指示劑稀釋法①Whenagivenquantitym0

ofanindicatorisaddedtoavolumeV,theresultingconcentrationCoftheindicatorisgivenbyC=m0/V.②Whenanadditionalquantitymofindicatoristhenadded,theincrementalincreaseinconcentrationis△C=m/V.③Whenthefluidvolumeinthemeasurementspaceiscontinuou-slyremovedandreplaced,theninordertomaintainafixedchangeinconcentration,theclinicianmustcontinuouslyaddafixedquan-tityofindicatorperunittime.Thatis△C=(dm/dt)/(dV/dt)第20頁/共86頁FickTechnique（費克技術(shù)）F=bloodflow,L/mindm/dt=consumptionofO2,mL/minCa=arterialconcentrationofO2,mL/LCv=venousconcentrationofO2,mL/LAttention:①IntheFickmethod,theindicatorisO2.②WecannotaccuratelymeasureCvintherightatrium.Wemustmeasureitinthepulmonaryarteryafterithasbeenmixedbythepumpingactionoftherightventricle.③WecanmeasuretheconcentrationoftheoxygenatedbloodCainanyartery.第21頁/共86頁第22頁/共86頁Thermodilution（熱稀釋法）q=rateofheatadded,Wρb=densityoftheblood,kg/m3cb=specificheatoftheblood,J/kg.K△T=temperaturechange,KThebestcompromiseistoinjecttheheartintotherightatriumand—aftertheheathasbeenmixedwithnormalbloodintherightventricle

—tosampletheresultingmixtureinthepulmonaryartery.第23頁/共86頁2、快速輸注指示劑稀釋法第24頁/共86頁AnincrementofbloodofvolumedV

passesthesamplingsiteintimedt.ThequantityofindicatordmcontainedindV

istheconcentrationC(t)timestheincrementalvolume.HenceDividingbydt,weobtainButdV/dt=Qi,theinstantaneousflow,therefore第25頁/共86頁Integratingovertimethrought1,whenthebolushaspassedthedownstreamsamplingpoint,weobtainMinorvariationsintheinstantaneousflowQi

producedbytheheartbeataresmoothedoutbythemixingofthebolusandthebloodwithintheheartchambersandthelungs.ThuswecanobtaintheaverageflowQfrom第26頁/共86頁熱稀釋法是較常用的心輸出量監(jiān)護法。熱稀釋采用冷生理鹽水作為指示劑，具有熱敏電阻的Swan-Ganz漂浮導(dǎo)管（四腔導(dǎo)管：血壓、指示劑、溫度傳感器、漂浮氣囊）作為心導(dǎo)管。熱稀釋法第27頁/共86頁四腔導(dǎo)管Swan-Ganz漂浮導(dǎo)管（四腔：血壓、指示劑、溫度傳感器、漂浮氣囊）

第28頁/共86頁熱稀釋采用冷生理鹽水作為指示劑，具有熱敏電阻的Swan-Ganz漂浮導(dǎo)管作為心導(dǎo)管。熱敏電阻置于肺動脈，向右心房注入冷生理鹽水。心輸出量可由Stewart-Hamilton方程確定：上式中1.08是由注人冷生理鹽水和血液比熱及密度有關(guān)的常數(shù)，b0是單位換算系數(shù)，上式中取60，CT是指示劑在導(dǎo)管中升溫有關(guān)的無單位系數(shù)，對不同的導(dǎo)管，供應(yīng)商提供此參數(shù)，Vi和Ti是冷生理鹽水的注入量（升）和溫度（℃），Tb是注入冷生理鹽水前的血液溫度（℃），Tb’

是注入后在測溫點的血液溫度。冷生理鹽水可以用0-4℃的冰水液，也可用19-25℃的室溫液。熱稀釋法測量心輸出量第29頁/共86頁3、胸阻抗法第30頁/共86頁第31頁/共86頁人體中的許多器官都在按照一定的規(guī)律運動著，運動時的振動會產(chǎn)生聲音信息，這些信息都攜帶了許多相關(guān)器官的生理和病理特征，因而生理聲音信息的測量具有十分重要的意義。4.2生物聲測量第32頁/共86頁1、心音心音：當心臟跳動時由于心肌收縮、瓣膜關(guān)閉和血液沖擊的振動而產(chǎn)生的聲音。心雜音：由心臟和鄰近大血管內(nèi)血液湍流和渦流所引起的振動音。心音雜音4.2.1心音測量及儀器第33頁/共86頁第一心音

當心室收縮時，血液射向主動脈，并因血液擺動關(guān)閉了房室瓣而產(chǎn)生的，它也源于擴張主動脈跟核心時間的血液擺動及血液在主動脈和肺動脈的湍流所引起的振動。第一心音分裂是由于三尖瓣和二尖瓣不同時關(guān)閉引起的，它一般出現(xiàn)在心電圖的QRS綜合波上。第二心音主動脈和肺動脈中的血流減速、回流及半月瓣關(guān)閉有關(guān)的低頻振動；半月形瓣膜把血液放進全身和肺動脈的循環(huán)系統(tǒng)。這些瓣膜在心臟收縮之末，恰好在房室瓣膜重新打開之前關(guān)閉。第二心音約在ECG中T波結(jié)束時出現(xiàn)。第三心音是由心房進入心室的血液突然增加而引起的漩渦所產(chǎn)生，與心室壁的振動有關(guān)，一般在第二心音之后0.1~0.2S出現(xiàn)。第三心音超前于心房收縮，此時心室松弛，所以是一種低頻、低幅值的振動，在小孩和一些年輕人中聽到。第四心音為心房音，是心房收縮，把剩余的血液擠進心室而產(chǎn)生的低頻、低振幅的振動，由心音圖機記錄。第34頁/共86頁第一心音分裂三尖瓣關(guān)閉不全舒張早期奔馬律主動脈瓣關(guān)閉不全心雜音第35頁/共86頁第36頁/共86頁2、心音聽診和心音圖描記五個聽診區(qū)（1）左心室區(qū)放在心尖上；是二漏二狹、主漏及主狹、第一和第二心音、左心室奔馬音及開瓣音的聽診區(qū)。（2）右心室區(qū)的T處；傳導(dǎo)右心室的振動，是三漏及三狹、肺動脈瓣漏、室缺以及右心房奔馬音聽診區(qū)。（3）主動脈瓣聽診區(qū)A；傳導(dǎo)主動脈根部大血管的振動，是主漏及主狹、第二心音及主動脈收縮期哈喇音等聽診區(qū)。（4）肺動脈聽診區(qū)P；傳導(dǎo)肺動脈主干及其主要分支的傳導(dǎo)的振動，是肺動脈瓣狹窄、第二心音、肺動脈哈喇音、房缺、甲亢、貧血等收縮雜音的聽診區(qū)。（5）第二心音分裂聽診區(qū)；位于胸骨左緣第三肋間，是肺動脈和主動脈瓣兩個聽診區(qū)的交叉處第37頁/共86頁AuscultationTechniques（聽診技術(shù)）五個聽診區(qū)：（1）左心室區(qū)放在心尖處。（2）右心室區(qū)的T處傳導(dǎo)右心室的振動（3）主動脈瓣聽診區(qū)（4）肺動脈聽診區(qū)（5）第二心音分裂聽診區(qū)第38頁/共86頁記錄的心音和心雜音不僅可客觀解釋心音，而且還使心音和心雜音分別與心動周期中的電活動和機械活動相比較和鑒別。Phonocardiography

心音圖描記第39頁/共86頁第40頁/共86頁3、心音的測量方法及儀器心音和心雜音特性：（1）心音和心雜音非常微弱，接近人耳的聽覺閾值。（2）頻率分布在20～200Hz范圍，有些心雜音高于1000Hz，低端到4～5Hz。（3）心音和心雜音的強度幾乎隨f2成反比減小。人的聽覺特性：（1）對高音敏感，而對低頻聲音不敏感。（2）具有選擇作用，能從很多種類的心音中辨別處所要集中注意音色的聲音。（3）耳的聽覺具有掩飾效應(yīng)，它分辨不清大聲音之后的小聲音，也不能聽出在0.02s間隔內(nèi)兩個連續(xù)的聲音。第41頁/共86頁心音圖機設(shè)計時需考慮的因素：（1）心音和心雜音強弱相差懸殊，這要求心音圖機有大的動態(tài)范圍；（2）心音微弱，要求內(nèi)部噪聲?。唬?）心音的高頻振幅小、低頻振幅大，所以只有在放大器的高頻增益比低頻增益大時，才能在同一張圖上記錄下幅度基本相同的圖形；（4）為模擬聽覺的選擇作用，把心音分為幾個帶域（濾波器）記錄。第42頁/共86頁心音傳感器有氣導(dǎo)型和加速型兩種

氣導(dǎo)型心音傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將心音轉(zhuǎn)換為電信號的一種換能器，包封于密閉小室內(nèi)。為防止環(huán)境噪聲的干擾，氣導(dǎo)型傳感器與胸壁接觸時，常加雙層橡皮隔音環(huán)。

加速型心音傳感器是利用壓電晶體的壓電效應(yīng)，將心音轉(zhuǎn)換為電信號的一種換能器，使用時直接與胸壁接觸。因其重量很輕，從而排除心壁對心音的影響。加速度型傳感器是較好的一種心音傳感器，靈敏度高，頻響可達3-800Hz。加速型傳感器在將轉(zhuǎn)換后的心音電信號傳送至心音放大器前，外加輸入盒，以使阻抗匹配，并把信號提升10dB。第43頁/共86頁直接型心音圖機和調(diào)制型心音圖機第44頁/共86頁4.3.1引言一、血液流動1、脈動流2、層流3、湍流二、血液流動中的生理參數(shù)1、血流量4.3血流測量及儀器第45頁/共86頁2、每分輸出量和每搏輸出量3、心指數(shù)（CI）

——每平方米體表面積的心輸出量4、射血分數(shù)

——每搏量與舒張末容積（EDV）之比5、體循環(huán)總阻力（TPR）

——平均動脈壓減去中心靜脈壓后，除以心排血量，在乘以80的所得值。正常為900-1500dyn.s.cm-5。第46頁/共86頁一、原理法拉第電磁感應(yīng)定律4.3.2電磁血流量計第47頁/共86頁按照磁場激勵的形式，電磁流量計有直流和交流兩種。直流電磁流量計缺點：（1）通過電極-溶液間界面的電壓和流量的信號串聯(lián)，即使這時使用非極化電極，此電壓的隨機漂移和流量信號處于同一數(shù)量級，無法把兩者區(qū)分開。（2）ECG和流量信號的波形和頻譜相似，而接近心臟的ECG波形比流量信號大得多，因而引起干擾。（3）在感興趣的0~30Hz頻率范圍內(nèi)，放大器的1/f噪聲較大，使信噪比下降。交流電磁流量計的激磁形式有正弦波和方波，頻率在200~2000Hz之間，一般選用400Hz，避免雜散電容和靈敏度的要求第48頁/共86頁第49頁/共86頁超聲流量計可以很好解決下面兩個問題：血流量、心搏出量、血流速度、血流加速度、血流速度分布等的定量測量。層流、湍流、渦流等流動狀態(tài)，流動狀態(tài)隨時間的變化，流動方向及其變化，逆流、短路流等異常流的的存在位置和范圍等的定性測量。4.3.3超聲多普勒血流儀第50頁/共86頁原理

一、連續(xù)式超聲多普勒血流儀fd

=多普勒頻移f0

=信號源頻率u=目標移動速度c=聲速缺點：無法獲取空間信息，不同距離處的血流多普勒信號將被同時檢測出來，因此只適用于表淺血管或剝離血管中的血流測量。

第51頁/共86頁第52頁/共86頁脈沖超聲發(fā)射器通過換能器探頭的發(fā)射極發(fā)出一組組短脈沖群，在血流中形成一個個采樣體積，以獲得距離的分辨能力。每個短脈沖群入射到血管內(nèi)后，經(jīng)紅細胞散射就有回波信號返回接收器。這些先后到達接收器的回波信號，反映了血管直徑方向上不同點，即不同測量距離上的血細胞運動狀況。二、脈沖式超聲多普勒血流儀第53頁/共86頁第54頁/共86頁脈沖群的重復(fù)頻率

fpr滿足下列條件（1）（2）第55頁/共86頁原理：以光的散射、多普勒效應(yīng)和外差式檢波三個物理效應(yīng)為基礎(chǔ)。4.3.4激光多普勒血流儀（LDV）第56頁/共86頁4.4人體的溫度測量4.4.1溫度測量的生理學(xué)基礎(chǔ)

人類及其他恒溫動物，在生理熱調(diào)節(jié)功能作用下，中央部位的溫度是穩(wěn)定的（36.8℃±0.6℃）。中心體溫因生理和病理的原因變化范圍一般保持在35～40℃，早晨或冬季最低，劇烈運動和發(fā)燒時最高；絕大多數(shù)溫度都在這個范圍。第57頁/共86頁4.4.2常用溫度傳感器的選用與設(shè)計傳統(tǒng)的體溫測量方法是用水銀體溫計，根據(jù)熱膨脹原理進行測量。而電子測體溫使用溫度傳感器，常用的有熱敏電阻和半導(dǎo)體溫敏器件等。熱敏電阻的阻值隨溫度而變化，呈非線性關(guān)系。在測量電路中，可將熱敏電阻作為電橋的一個臂，經(jīng)電阻網(wǎng)絡(luò)校正后的輸出電壓由差動放大器放大后由電壓表（用溫度刻度）讀出，或經(jīng)A/D變換后送計算機處理，進行數(shù)字顯示，叫電子體溫計，其測量精度可達0.1～0.01℃。半導(dǎo)體溫敏器件有溫敏二極管、溫敏三極管等，這類測溫器件是利用PN結(jié)的結(jié)電壓隨溫度成線性變化這一原理進行測溫，其測量電路也常采用電橋式及差動放大電路。第58頁/共86頁1、熱電偶塞貝克效應(yīng)：若金屬的兩結(jié)點間存在溫差，則在兩結(jié)點間會產(chǎn)生電勢，其大小與兩結(jié)點間的溫差有關(guān)。第59頁/共86頁2、三極管和二極管的p-n結(jié)當p-n結(jié)正向偏置電流滿足恒流條件時，在較寬的溫度范圍內(nèi)，跨p-n結(jié)的電壓隨溫度變化而變化，具有很好的線性度。第60頁/共86頁3、熱敏電阻第61頁/共86頁第62頁/共86頁第63頁/共86頁（1）熱敏電阻溫度傳感器電橋方式第64頁/共86頁非電橋方式第65頁/共86頁4、壓電晶體振蕩器石英晶體的振蕩頻率有一定的溫度系數(shù)，大小為10～100ppm/K。以這種石英晶體構(gòu)成的振蕩器，頻率很穩(wěn)定，同時又與溫度相關(guān)，其他因素影響很小，測量其頻率，即可得高精度得溫度數(shù)據(jù)。第66頁/共86頁5、強電磁場下的溫度傳感器膽甾相液晶做體表溫度測量的基本原理：膽甾相液晶分子的排列螺距通常在0.2~20μm范圍內(nèi)，當螺距與折射率之積在可見光波長范圍內(nèi)時，就呈現(xiàn)出特定顏色。螺距一般又隨溫度上升而縮短，所以呈現(xiàn)的顏色就發(fā)生變化，從紅到紫。第67頁/共86頁6、非接觸式溫度測量主要利用人體的熱輻射來實現(xiàn)第68頁/共86頁第69頁/共86頁空氣吸入和呼出、氣體交換、氧進入組織細胞中以及從組織細胞中搜集二氧化碳的整個過程稱為肺功能，在這個過程中各種成分的測試和評價稱為肺功能測試。4.5呼吸功能測量及儀器第70頁/共86頁檢查項目檢查儀器Ⅰ檢查儀器Ⅱ1肺氣量1.1肺活量*1.2殘氣量*1.3全肺氣量*1.4功能殘氣量*呼吸計呼吸計＋He計肺活量計呼吸計＋N2計2肺換氣2.1潮氣量*2.2時間換氣量*2.3氣消耗量*2.4肺泡換氣量*呼吸計紅外線CO2分析器＋血液氣體分析器3換氣能力3.1最大換氣量

3.2時間換氣量呼吸計肺活量計4換氣機構(gòu)檢查氣體速度描記器＋低壓差壓計體積描記器5吸氣分析5.1N2間隙

5.2He閉鎖回路法

5.3O2N2計呼吸計＋He計氣體速度描記器＋N2計6肺擴散檢查6.1吸入CO法

6.2CO恒定狀態(tài)法呼吸計（特殊）＋He計＋CO計CO計＋血液氣體分析器呼吸計（特殊）＋氣體色譜法7換氣血流比分析CO2計＋氣體速度描記器質(zhì)量分析計＋氣體速度描記器第71頁/共86頁8動脈血O2、CO2分析電極分析計VanSlyke檢壓計9動脈血pH測定pH計10運動負荷試驗測力計＋量O2計踏車＋血氣分析計11左、右肺功能檢查雙式呼吸計12肺循環(huán)檢查體積描記器閃爍掃描或γ照相機13電氣氣體分析計校正Shorand微量氣體分析器＋血壓計氣體色譜儀第72頁/共86頁反映肺通氣功能的參數(shù)：（1）肺容量（lungvolume）（2）肺通氣量（3）肺的順應(yīng)性第73頁/共86頁肺容量TLC（thetotallungcapacity,肺總量）

Thelargestvolumetowhichthesubject’slungscanbevoluntarilyexpandsisdefinedastheTLC.RV（residualvolume,肺殘氣量）

ThesmallestvolumetowhichthesubjectcanslowlydeflatehisorherlungsistheRV.FRC（functionalresidualcapacity,功能性殘氣量）ThevolumeofthelungsattheendofaquietexpirationwhentherespiratorymusclesarerelaxedistheFRC.VC（vitalcapacity,肺活量）ThedifferencebetweenTLCandRVistheVC.VT（tidalvolume,潮氣量）第74頁/共