[预防医学]2_常见的医学信号及其检测

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• 脑电信号的分类与特点
– 脑电信号的幅度和频率随着在头皮上的记录位置和人体 生理状态的不同而有所不同。
– 按照频率脑电信号的波形基本上可以分为δ波、θ波、α波 和β波等，如图2.5所示。
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• δ波
– 在正常的体表心电图中，P-R间期的值约为0.12~0.2 秒，其中大部分时间是兴奋在房室交界区内传导所需 要的时间；
– P-R间期也称为房室传导时间。
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• 心电信号的特点（P-R段）
– P-R段（P-R segment）是指P波终点和QRS波群起点 之间所跨越的时间；
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• 心电信号的特点（T波）
– T波由心室肌细胞的复极化产生； – 其幅度大约为0.1~0.8mV，持续时间约为0.05~0.25秒； – 由于复极化差异的存在，T波的方向和QRS波群主波
的方向一致。
– 在R波向上的情况下，T波的幅度一般都超过R波幅 度的1/10。
[预防医学]2_常见的医学信号及其检 测
第2章 常见的医学信号及其检测
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• 心电信号（ECG） • 脑电信号（EEG） • 诱发电位信号（EP） • 肌电信号（EMG） • 胃电信号（EGG） • 心音信号 • 脑磁图 • 常见的医学图像
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• 心电图机
– 心电信号的采集通过心电图机 （electrocardiograph）来实现。 – 在心电采集中，首先在体表放置多个测量电极，每两
个或多个电极形成具有一对电压信号输入的导联。
– 心电图机包括输入电路、心电信号放大电路、心电测 量、心电记录和电源等几个部分组成。
– 窦房结去极化发生在心房肌细胞去极化之前，因而在 时间上要先于P波，只是窦房结处于心脏内部，其电 活动在体表难以采集。
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• 心电信号的特点（P-R间期）
– P-R间期（P-R interval）是指P波起点和QRS波群起 点所跨越的时间；
– 是窦房结产生的兴奋，经过右心房、左心房、房室交 界区、房室束、左右束支和蒲肯野纤维之后，传导到 心室所需要的时间；
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• 电极导联方式
– V1导联的正电极放置在胸骨右缘第4肋间； – V2导联的正电极放置在胸骨左缘第4肋间；
– V4导联的正电极放置在第5肋间和左侧锁骨中线相交处； – V3导联的正电极放置在V2和V4连线的中点；
– V5导联的正电极放置在左腋前线和V4水平线的相交处； – V6导联的正电极放置在左腋中线与V4水平线的相交处。
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• 心电信号的特点（Q-T间期）
– Q-T间期（Q-T interval）是指QRS波群起点和T波终 点所跨越的时间段；
– 代表心室肌细胞开始去极化到结束复极化所需要的时 间；
– 与心率呈负相关。
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• 心电信号的采集（心电图的概念）
• 相对于心房肌细胞动作电位的相对相似性，不同部位心室肌 细胞动作电位的形态存在较大的不同，这就导致不同部位心 室肌细胞膜外负电位的大小和持续时间也都存在较大的差异；
• 心室复极化产生的综合电场与心室去极化产生的综合电场大 体上具有相同的方向。
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• 心电信号的产生（T波）
– V1和V2的正电极面对右心室，V3和V4的正电极面对室间 隔及其附近的左右心室，V5和V6的正电极面对左心室。
– 胸壁导联的电极距离心脏很近，记录的心电信号幅度大，
在诊断心肌梗塞方面具有十分重要的作用。
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§2.2 脑电信号（EEG）
• 概念
– 脑电信号记录的是大脑中大量神经细胞进行自发和节律性活 动时所表现出的电位信号，可以在头皮、脑皮层和脑皮层内 部记录到得到，能在一定程度上反映大脑的功能状态和信息 处理的过程；
– 窦房结产生的兴奋信号在经过房室交界区后传导到心室， 引起左右心室各个部分产生先后有序的兴奋活动。
– 心室内特殊传导系统的路径分布决定了心室内的兴奋顺序 依次为心室间隔、心室尖部和心室基底部。
– 由于兴奋过程中的综合电场向量多次发生改变，因而体表
心电图中大小和方向多次发生变化，QRS波群中第一个向
恢复正常状态； • 而左心房由于没有结束兴奋，其细胞膜外电位相对于右心
房而言依然为负。
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• 心电信号的产生（QRS波）
– 体表心电信号QRS波群产生于心室肌细胞的去极化。
• 心室的兴奋从心室间隔开始，依次延伸到心室尖部和心室基 底部。
• 在心室去极化开始兴奋期间，所形成综合电场的方向和大小 会发生多次的改变，因而形成了方向和大小发生多次变化的 QRS波群。
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• 心脏的节律性兴奋
– 由窦房结产生，依次经过 右心房、左心房、房室交界 区、房室束、左右束支、末 梢浦肯野纤维、左心室和右 心室，通过兴奋普通工作心 肌细胞，最终导致心房和心 室先后次序的节律性兴奋， 即心脏的节律性舒张和收缩。
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§2.1 心电信号（ECG）
• 概念
– 心电信号是心肌细胞兴奋、收缩过程中其电活动的 综合，是心脏电生理活动的反映，具有较强的规律 性，可以用于对心脏的功能状态进行评估和检测。
– 采集记录心电信号的方法称为心电图学，是临床心 电学、心电电生理学的基础。
– 由于其无创性和简便性，在临床上得到广泛应用， 其提供的信息对心血管等疾病的诊断具有重要的参 考价值。
• 心电信号的产生（P波）
– 体表心电信号可以分为P波、QRS波群和T波。 – P波对应于心房肌细胞兴奋过程中的去极化。
• 在心脏的一个兴奋周期内，右心房先兴奋，左心房后兴奋。 • 当右心房肌细胞去极化开始兴奋时，相对于左心房整个右
心房肌细胞外表现出负电位； • 左右心房都处于兴奋状态时，两者之间不存在电位差； • 在右心房肌细胞开始复极化完成兴奋时，其细胞膜外电位
– 脑电信号最早由德国精神科教授Hans Berger（1873-1941）于 1924 年 在 他 儿 子 的 头 皮 上 获 得 ， 并 被 其 命 名 为 electroencephalogram (EEG)。
– 脑电信号具有无创性，用于很多疾病（如脑部肿瘤、癫痫、 脑血管疾病以及一些精神性和神经性疾病）的诊断和治疗中。
– 标准12导联体系，是目前体表心电信号采集中经常使 用到的电极导联方法。
– 12导联体系包括I、II、III标准导联，加压单极肢体 导联aVR、aVL、aVF，和单极胸壁导联V1~V6，其 中，3个标准导联和3个加压单极肢体导联又称为肢体 导联。具体的12导联体系电极连接方法请见图2.3。
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– 在正常的体表心电图中，P-R段的心电信号电位值都 是接近基线水平的很小电位；
– 在P-R段，左右心房同时兴奋，因而两者产生的综合 电场对体表心电图的影响较小，另外，此时的兴奋还 处于房室交界区和房室束特殊传导系统中，没有到达 心室，因而没有产生较大波动的体表心电图信号。
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• θ波
– θ波的频率范围为4~7Hz； – 幅度范围大约为100~150μV；
– 一般出现在疲劳、困倦少年或成年人的额叶和顶 叶；
– 普通工作心肌细胞的内部含有排列有序的肌原纤维， 因而在兴奋性和传导性之外还具有较强的收缩性， 是心脏实现舒张和收缩的最终执行者。
– 特殊心肌细胞具有兴奋性和传导性，在没有外部刺 激的情况下能够自动产生节律性兴奋活动，是心脏 节律性活动的根源所在，控制着心脏收缩和舒张。 另外，特殊心肌细胞也具有一定的收缩性，但是由 于内部的肌原纤维比较少，因而其收缩性也比较弱。
下的为Q波，第一个向上的为R波，R波后面的为S波。
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• 心电信号的特点（S-T段）
– S-T段（S-T segment）是指QRS波群终点和T波起点 之间所跨越的时间。
– S-T段期间，左右心室的肌细胞都处于兴奋期间，因 而两者形成的综合电场向量在体表心电图中的贡献非 常小，导致S-T段心电信号处于大约基线的水平。
– 输入电路完成导联选择、滤波、过压保护等功能。
– 前置和中间级放大电路完成对微弱心电信号的放大， 功率放大电路用来驱动心电图机中的记录器从而完成 对心电信号的记录。
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• 电极
– 电极的作用：是将体内由离子介导的电流转换为金属 导体中由电子介导的电流。
– 材料：电极一般由在表面镀贵金属金、银或铬的铜或 不锈钢片制成。
– 脑电信号中的节律性是大量神经细胞节律性放电行为在 时间和空间上叠加的表现。
– 在时间上，脑电信号表现出的节律性要求大量的神经细 胞同时发生和停止放电行为。
– 另外一方面，由于生物电场比较弱，且具有一定的方向 性，这就要求同步放电的神经细胞在空间的排列上要具 有相同的方向。
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– 脑电信号具有的低频节律特点对应于很多生理状态，如，
安静、闭眼条件下，脑电信号会表现出明显的10Hz左右
的节律，而睁眼会阻断这一节律，使得脑电信号表现出
更高频率的节律。
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• 脑电信号的节律性
– 脑电信号的节律性有两方面的原因：
• 一个是大脑神经细胞放电的同步化； • 另一个是大脑中大量神经元细胞的一致性排列。
– 体表心电信号中的T波产 生于心室肌细胞的复极化； 其方向与心室肌细胞去极化 所产生QRS波群的方向一致。
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• 心电信号的特点
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• 心电信号的特点（P波）
– P波是由心房的去极化产生的；
– 其波形比较小，形状有些圆，幅度大约为0.25mV左 右，持续时间约为0.08到0.11秒；
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• 脑电信号的产生及其自发性和低频性
– 基于大脑中大量神经细胞产生并传导动作电位、进行信 息交互和处理，从而导致的细胞膜外负电位在头皮和脑 皮层的表现。
– 脑电信号具有自发性、节律性和低频的特点。
– 脑电信号的自发性是指在没有特定外界刺激的情况下， 脑电信号依然存在。自发产生的脑电信号伴随整个生命 过程，一旦生命停止，脑电信号也就消失了。
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• 心脏的构造与心 电信号的产生
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• 心脏的功能
– 心脏主要是通过持续地进行节律性的舒张和 收缩，完成向全身泵血的功能。
– 心脏完成其生理功能的基础是心肌细胞。
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• 心肌细胞
– 心肌细胞有两种，分别为普通工作心肌细胞和特殊 心肌细胞。
– δ波的频率范围为0.5~3Hz； – 其波形的幅度范围为20~100μV； – 可以在颞叶和枕叶记录到；
– 一般情况下，δ波脑电信号只有当人处于非清醒的状态时 才会出现，如，成年人在睡眠，或是处于极度疲劳、缺 氧、麻醉状态等情况时；
– 因此，清醒状态情况下出现的δ波属于异常情况，可以用 于对身体生理情况的评估。
– 心肌细胞的兴奋收缩会在细胞外侧产生微弱负电流， 该电流有向人体各个部位传导的趋势。
– 由于人体各部位组织不同，其与心脏的距离也不同， 因此，心脏活动过程中所产生的细胞外综合负电位在 人体体表各部位表现出不同的电位变化。
– 这些电位变化被记录下来之后形成随时间改变的动态 曲线，就是所谓的心电图（electrocardiogram， ECG），也称为体表心电图。
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• 心电信号的特点（QRS波群）
– QRS波群是左右心室肌细胞依次去极化所产生的膜外负电 位在体表的反应；其持续时间大约为0.06~0.1秒；
– 特殊传导系统在心室内的部分包括房室束、左右束支和蒲 肯野纤维三部分，这些心室内的特殊传导系统又合称为希 氏-浦肯野系统（His-Purkinje System，HPS）；