第2课 心电测量及仪器

1mV 1mV
25mm/s
0.1S
(a) (b)
0.2S
采用(a)欧洲标准和(b)美国标准记录的心电图
2-35
心电在线处理
现代心电图机装有微处理器，不仅控制导 联自动转换，还具有分析功能，叫自动分析心 电图机。这种心电图机可以自动测量心率、各 种幅度、间期。例如R波幅度、ST段电平、 QRS波群宽度、瞬时心率、平均心率等几十个 参数，这些参数一同与心电图由阵列式热敏打 印机打印出来。自动分析心电图一般采用16位 微机，16bit的A/D转换器，用4000或8000次 /秒的采样频率，分析精度高。
1903年荷兰生理学家William研制了第一台心电图仪，并创 立了肢体标准导联的测量方法，沿用至今，其开创性贡献获 得了1924年的诺贝尔生理学与医学奖 1924年法国学者Berger首次用头皮电极记录了人脑电信号 60年代以前，心电放大器采用电子管 60年代，晶体管心电图机的出现使其体积大大缩小 70年代，采用浮地式心电放大器，提高了其安全和可靠性 80年代，广泛采用了微机构成的智能化电生理仪器 目前，心电放大器均由采用集成电路，心电遥测和多道生理 记录仪也实用化
2-13
ECG的临床应用
可显示心脏电生理、解剖、代谢和血流动力学改变，并提供 各种心脏病确诊和治疗的基本信息。 判断心律失常类型。 检测具有心肌梗塞可能的先兆症状如胸痛、头晕、或昏厥 诊断心绞痛。当冠状动脉供血不足引起心绞痛发作时，心电 图会发生变化。 部分病人心房心室肥厚可在心电图上表现出来。 对心肌疾患心包炎的诊断有一定的帮助。 帮助了解某些药物和电解质紊乱及酸碱失衡对心肌的影响。 危重病人的心电监测
2-7
心脏的传导系统
心肌细胞——普通心肌细胞、特殊心肌细胞
普通心肌细胞：构成心房壁和心室壁 特殊心肌细胞：具有自律性和传导性，功能为产生和传 导冲动、控制心的节律性活动
特殊心肌细胞
窦房结、节间束、房室结区、房室束、左右束支和 浦肯野（Purkinje）纤维网 由窦房结发出的一次电兴奋，按一定的途径和时程，依次传 向心房和心室，引起整个心脏的兴奋，使心脏周期性地收缩 ，推动血液在全身循环。
复极 除极
2-10
跨膜电位和ECG
0：除极过程 1~4：复极过程 A：心房肌细胞电位变化 B：心室肌细胞电位变化
2-11
心脏兴奋与ECG
R P T U Q S
心房除极开始 心脏静止期
心房除极完毕 心室除极完毕 心室复极完毕 心室除极开始 复极开始 2-12
心电图波段
心电图波段 P波 PR段 QRS波群 ST段与T波 相应心电活动 心房除极 房室传导时间 心室除极 心室复极的 缓慢期与快速期
输入阻抗
共模输入阻抗
室温25度时运放每一输入端与公共电源线之间的阻 抗，比如INA118为10G ohm/4pf
生理信号源表现为高内阻微弱信号，高达100k ohm，要求使用高输入阻抗仪用运放，避免信 号失真。ECG-Amp>1Mohm; EEGAmp>5Mohm; EMG-Amp>100Mohm
2-2
内容
生理电测量及仪器 心电的产生和心电图 体表心电图导联 心电图机 Holter
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生理电测量及仪器
电生理学（Electrophysiology）
• 生物电测量 • 心电的产生 • 方法分类 传感器 测量仪器 发展和趋势
•概念 •电极 •历史
生物电现象（Bioelectric Phenomenon） 细胞是所有生物电的发源地，生物电是由细胞内部 与外部间产生的电位差。生物电现象是细胞实现一 些最生要功能的关键因素，是生命现象的表征。进 行生物电测量，可以了解生物体的生理活动。 由细胞电位构成的人体主要电生理信号有：心电、 脑电、肌电、眼电。
2-33
心电记录
热阵记录式：热阵记录技术的关键在于其核心 元件--热阵元记录头。热阵元记录头是利用先 进的元件集成技术，在陶瓷基体上高密度集成 了大量发热元件（8点/毫米）及其控制电路所 制成的一种高科技部件。目前所有新推出的机 器几乎全部是热阵记录式记录。
2-34
欧美ECG记录标准
50mm/s
描记器
主电源 液晶显示
2-20
心电输入电路
导联线：将电极板上获得的心电信号送到放大器的输入端。 通常是带金属屏蔽网的绞合线。对导联线的要求是线柔软、 接头处牢靠。屏蔽网的作用是防止外界电磁波的干扰。屏蔽 网通常接地。各导联线以不同颜色的标志来表示所接的部位
2-21
导联电极
2-22
电极的安放
右手安放红色电极 脚安放黑色和绿色电极 国际统一规定字母和导线色标为： R-右臂（红）；L-左臂（黄）；F左腿（绿）；RF-右腿（黑） 左手安放黄色电极
2-24
前置放大器
专用仪用运算放大器
输入阻抗（Input Impendance） 共摸抑制比（Common mode rejection ratio,CMRR） 偏置电流（Bias current） 输入失调电压（Input offset voltage） 输入噪声（Input Noise）
2-25
心脏部位 左心室前壁 左心室侧壁 右心室前壁 心室隔膜 心室腔 左心室后壁 导联名称 I, aVL V5, V6 V1, V2 V3 aVR II, III, aVF 心电导联与心脏部位的关系
2-19
心电图机
1mV定标器
心电 输入电路 光电隔离
微机
前 置 放大器 浮地电源 按键
光 电 隔 离
主放大器
2-26
共摸干扰
idb = 220V /( Z c + Z G )
分布电容Cb 人体是良导体，在接地电 阻ZG上产生压降（共模电 压Vcm） 当在A、B两点进行测量 时，由于Vcm的存在， VA-VB有电压差。 要求：消除或减少共模电 压
2-27
Vcm = idb × Z G
Z 2 − Z1 V A − VB = Vcm ( ) Z in
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12个标准导联示意图
I, II, III / V1、V2、V3、V4、V5、V6 / aVR、aVL、aVF
12标准导联组合示意图, 12个导联的信号能反映出人体心脏特定部位的健康 状况，在临床诊断上具有重要意义
2-18
导联与心脏部位关系
正确地连接导联电极所获得的心电图，才能正确的说明 心脏某一部位的病理特征。
1mV定标电路
作用是产生一个1mV的定标信号。为描记心电波作 幅度定标，并检查、定标题放大器、记录器的工作 状态（放大倍数、线性和时间常数等）。1mV定标 电路一般设计在前置放大器中。产生1mV定标的方 法有两种，老式心电图机多标准电池和电阻分压得 到。现代心电图机是用机内稳压电源分压得到。
2-31
共模抑制比
仪用放大器两输入端加有差分生理电压，外界 的干扰(50Hz工频)，会在正负两端加上幅度相 位几乎相同的共模干扰电压。 使用CMR来衡量放大器的共模电压抑制能力 CMR(dB)=20log10(CMRR) 为抑制干扰，CMR的要求如下：ECGAmp>60dB; EEG-Amp>80dB; EMG-Amp>80dB
BIoMedical Measurements and Instrumentation（BMI）
生物电测量与仪器 ——心电测量及仪器
刘 谦 Qianliu@
华中科技大学 · 生命科学与技术学院
本课件只能用于华中科技大学生命科学与技术学院
参考书和资源
生物医学测量与仪器，王保华，复旦大学出版社， 2003年 MIT-BIH Database Distribution， / OpenECG， /
2-23
心电输入电路
导联选择开关
在不改变人体电极连接线的情况下，而改变各导联线和心电放大器 之间的连接方法。用来记录某一导联的心电图。早期的导联选择器 为机械式开关；现代心电图机的导联选择器多用触摸开关和电子开 关电路组合而成。
高频滤波和保护电路
滤波主要滤去电台、电视的高频电磁波，高频功率设备开关瞬间的 空间辐射电磁波，减少高频干扰。一般由RC低通滤波电路组成， 使仅有几十Hz的心电波信号通过。 输入保护通常接有高压去颤保护电路，避免输入放大器被高压击穿
2-4
生物电测量电极
生物电信号获取——测量电极 电测量电极分类
位置：体表电极、皮下电极、体内植入电极 形状：板状电极、针状电极、螺旋电极、环状和球状电极 大小：宏电极、微电极 接触：湿电极（导电膏），干电极（无导电膏）
微电极可以记录到细胞的静息电位和动作电位，一 般从几微伏至上百毫伏之间。
2-5
生物电测量的历史
主放大电路
将前置放大器放大后的心电信号进一步放大。由直流电 压放大器、增ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ调节电路、基线调节电路、封闭电路、 双T型滤波电路等组成。 Fh高通滤波器，Fn陷波器，FL低通滤波器
± Vf
单通道ECG放大电路设计举例
2-32
心电记录
热笔直记式(八十年代)：输出信号--发热描笔--心电图波形
难以多导化：无法为每导联配备一套记录机构（庞大、沉重） 误差大：是理论误差，位置反馈式记录采用“直线补偿”方法， 具有2%的理论误差；频率响应差，由于描笔的重量，描笔式记录 技术的频率响应仅能达到75Hz左右 引入阻尼伪差：带动描笔的转动部分在电磁场下发生偏转，其转 动力矩和反作用力矩相当时，描笔在某一偏转的相应位置发生左 右摆动。 故障率高：高热描笔在热敏记录纸上来回运动，与记录纸作剧烈 摩擦，这些运动部件寿命不长，故障率也较高。 不便与微电脑接口：先进心电图机内部都应用了高性能的微电脑 进行心电信号处理，除了记录心电波形，还需记录很多文字信
⎧ I= U L -U R ⎪ ⎨ II= U F -U R ⎪ III= U -U F L ⎩