第二章生物电测量设备

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电极电位(极化电压):电极与电解液的界面电位 差;
电极阻抗:电极与电解液界面的系统阻抗
◦ 电极阻抗与电流密度、电极面积及温度基本成反比;
◦ 影响电极阻抗的最大因素是频率。当频率增加时,电极阻 抗明显减小;
◦ 电极阻抗不够大或因频率变化而减小时,会引起信号衰减, 因此可在放大器之前增加缓冲放大器或电压跟随器等方法, 以增大输入阻抗。
Ep
Ai Aj max 100% H
Ai、Aj分别为任意两次测量的结果值,H为仪器的最大测量范围
准确度
准确度用仪器的实际测量结果值同真值 (理想值)间的最大偏差与仪器满量程之比来 表示,即
Ea

Am a x H
100%
Ea为仪器的测量准确度, A max为实测值与真值间的最大偏差,H为 仪器的满量程
AB-针电极:测量EMG,用不锈钢制作。
C-丝电极:用注射针将它插到待测部位,慢慢抽出针管,使 它能长期留在体内。将倒钩拉直后即可取出。可能会移位, 折断等。
D-螺线管电极:能克服丝电极的Hale Waihona Puke Baidu点.
心电电极----连接到人体体表,用来监测心电信号 的传感器。
心电导联----连接到人体体表的任意两个心电电极 所组成的回路。
非线性度
非线性度用实测值和与相应输入量成正比 关系的理论值间最大偏差同满量程之比表示, 即
EL

AL m a x H
100 %
EL为仪器的线性度, A Lmax为全量程内的实测值与理论值之间的 最大偏差,H为全量程
仪器非线性度的示意图
漂移
漂移是指仪器的输出量随时间或外部环境 变化而变化的程度,主要包括零点漂移、温度 漂移和灵敏度温漂等指标。
数字式显示器
(4)辅助系统
◦ 人机交互 ◦ 刺激器 ◦ 数据通信 ◦ 信号源
◦ 直接和间接 ◦ 实时和延时 ◦ 间断和连续 ◦ 模拟和数字
1.3.1医学仪器主要技术指标 ◦ 准确度 ◦ 精密度 ◦ 输入阻抗 ◦ 灵敏度 ◦ 频率响应 ◦ 信噪比 ◦ 零点漂移 ◦ 共模抑制比
1.3.1生物医学测量仪器的主要技术指标
复极化((repolarization):细胞膜去极化后再向原来静息电 位方向恢复。
动作电位( action potential):在原有静息电位的基础上, 膜电位发生的迅速的倒转和恢复。
锋电位(spike ):动作电位是细胞兴奋的表现,主要表现为 一个尖锋形的电位波动。
膜电位超过0电位的部 分称为超射。
能力。按被测信息的性质和仪器用途的不同, 仪器分辨力分为幅度分辨率、频率分辨率、时 间分辨率和空间分辨力等指标。幅度分辨率一 般用仪器最小可分辨的输出信号幅度或大小与 仪器满量程之比来表示,即
R Amin H
R为幅度分辨率,又称为分辨率,Amin为仪器最小可分辨的输出信号 幅值或大小,H为仪器的满量程。R愈小,仪器的幅度分辨率愈高
用导电膏充填在电极与皮肤之间,使电极不直接与皮肤接触,不 易出现电极在皮肤上的相对运动;导电膏不失水,能长期保持稳 定。
4)干电极
导电膏的缺点是时间长了容易干, 若盐分过高会引起皮炎。干电极 不用导电膏。可以将高输入阻抗 放大器放置在电极内。但采用电 容耦合,对频率很低的信号的灵 敏度低,要求放大器的输入阻抗 很高(100M -1G),噪声也 易通过静电耦合串入。
①零点漂移:用无输入信号和恒定环境条件下的 仪器输出量在一定时间内的最大变化与满量程 之比来表示,即
Dz

Am a x H
100 %
Dz为零点漂移,Azmax 为指定时间内在输入量为零时输出量的最 大变化,H为仪器的满量程
②温度漂移:用无输入信号条件下仪器的输出量随环境 温度的变化与仪器的满量之比来表示,即
第二章 生物电测量仪器
郑驰超
前言 生物医学信息测量仪器
2.1 生物电位的基础知识 2.2 生物医学电极 2.3 心电图机 2.4 脑电图机 2.5 肌电图机
1 生物信息测量仪器构成
生物信息测量仪器是医学仪器中重要的组成部 分,它分为生物电信号测量仪器和非生物电信号测 量仪器。
传感器
检测与处理系统
灵敏度 灵敏度是指仪器在稳态下输出量变化与输
入量变化之比,可表示为:
S A0 Ai
S为灵敏度,A0 和Ai分别为输出量变化和输入量变化
频率特性
频率特性是指仪器输出量和相位与输入正 弦信号频率的关系。使仪器的输出幅度随频率 的变化不超过规定值(如3dB)的输入信号频率 范围称为响应频率,又称为通频带。部分常见 生理信号的频率范围可参考表1-3。
等的心电监测以及危重病人的抢救。
是以人体与心电图导联连接成某一个导联所产生的
◦ 当电极之间直接用平均电阻相连时,电极阻抗之间的差异 会引起测量误差和放大器共模抑制比的减小,可以采用威 尔逊网络来平衡。
体表电极 体内电极
基本要求:电极电势稳定,阻抗小,容易放置而不脱落,不易产生 伪迹,可长期检测,无毒性,对人体刺激小。
使用时要涂导电膏,因此界面的等效电路更加复杂:
5)绝缘电极
在金属板上制作绝缘薄膜,用其 电容进行交流耦合,拾取信号中 的交变分量。不用导电膏,
6)一次性电极
目前很多医院采用一次 性电极记ECG。
右边是一种用离子传导 性聚醚系粘胶剂代替导电膏 的一次性体表电极。它粘着 性能好,没有盐分析出,显 著减小基线漂移和噪声。
插入体内,有细胞外液存在,不用导电膏,但要求材料的生物 相容性好,安全。Ag-AgCl材料不适用,会与含蛋白质的溶液 发生反应。
1)金属板电极
临床中常用银镍合金、镀银钢板电极和Ag-AgCl电极,测量 ECG;
不锈钢、铂、镀银的圆盘状、长方形电极测量EMG,EEG。
2)柔性电极
为适应体表各种形状,用银丝编织而成,贴在胶布上使用,特 别适用于早产新生儿的ECG监护。有的产品能允许透过X光。
3)浮式电极
除电极特性外,皮肤阻抗特性也要考虑进来。角质层薄 (40m)而且电阻率高(50-100kcm-1) ,还会随频率变化。
若用砂纸打磨,去掉一些角质层,Re会明显减小。
若不用导电膏,Re能增大10倍,Ce会减小几倍,使皮肤阻抗 增大10倍以上。
若电极相对于电解质慢运动(呼吸,体育运动等),会搅乱界 面上的电荷分布,在测量信号中出现慢变的伪迹。可用不极化 电极和砂纸打磨来减小伪迹。
DT

AT HT
100%
DT为温度漂移,AT为环境温度变化T时引起的仪器输出量变化
③灵敏度温漂:用一定环境温度变化范围内仪 器灵敏度的最大相对变化量来表示,即
DS

Smax S0
100%
Ds为灵敏度温漂,Smax为一定温度变化范围内仪器灵敏度的最大变 化
分辨力 分辨力是指仪器分辨出最小的信息变化的
生理信号 心电 脑电 肌电
眼电 /视网膜电 胃电 血流量
动脉血压 静脉血压
脉搏波 心音 呼吸率
频率范围(HZ) 0.01-250 0-150 0-10000 0-50 0.05-20 0-30 0-100 0-50 0.1-50 2-2 000 0.1-10
部分常见生理信号的频率范围
精密度
精密度简称精度,用相同条件下重复测量 间的最大偏差与仪器满量程之比表示,即
2.1 生物电位的基础知识 2.2 生物医学电极 2.3 心电图机 2.4 脑电图机 2.5 肌电图机
对于能够通过电极提取的体表生物电信号,其测
量仪器的结构基本相同,不同的只是因信号的频率和 幅值不同,对电路的要求不同。
常见的生物电信号有:
◦ 心电(ECG):0.01~5mV
0.05~100Hz
心脏所发出的生物电流是极为微弱的,需用特殊的“电 表”才能将它测出来。
心脏是人体血液循环的动力装置。正是由于心 脏自动不断地进行有节奏的收缩和舒张活动,才使得 血液在封闭的循环系统中不停地流动,使生命得以维 持。心脏在搏动前后,心肌发生激动。在激动过程中, 会产生微弱的生物电流。这这样,心脏的每一个心动 周期均伴随着生物电变化。这种生物电变化可传达到 身体表面的各个部位。由于身体各部分组织不同,距 心脏的距离不同,心电信号在身体不同的部位所表现 出的电位也不同。对正常心脏来说,这种生物电变化 的方向、频率、强度是有规律的。若通过电极将体表 不同部位的电信号检测出来,再用放大器加以放大,
◦ 脑电(EEG): 2~200μV
0.1~100Hz
◦ 肌电(EMG): 0.02~5mV
5~2000Hz
滤波参数不同 增益不同
通道数不同 传感器规格不同
静息电位 动作电位 生物电信号测量的生理学基础 人体电阻抗
静息电位(resting potential):在静息状态下(即细胞未 受刺激的情况下),细胞膜内外两侧的电位差。
用电极引导生物电信号时,与电极直接接触的是电 解质溶液(如导电膏、人体汗液或组织液等),因 而形成一个金属-电解质界面,从而,金属与溶液 间形成电荷分布—双电层。
生物医学电极指经过一定处理的金属板或金属丝、 金属网等。
电极的极化:电极与电解液界面形成双电层,在有 电流流过时,界面电位发生变化的现象;
标准导联亦称双极肢体导联,反映两个肢体之间的 电位差。
在心肌中,有一些特殊的心肌细胞,它们或聚集成团,
形成了大大小小的“发电厂”,不断地发出脉冲电流。位于 右心房上腔静脉入口处的窦房结,是生物电的 “源头”。
在正常情况下,房室结和一些分布于心脏肌肉内的内的“小 发电厂”(神经节)不发出生物电,以保证整个心脏用同一 节律跳动。窦房结发出的电流,经过房室束,传到房室结, 然后再经希氏束,分左、右两条束支,传到左、右心室。每 一次窦房结发出的脉冲生物电,就是经过这一线路,顺序传 递到整个心脏,引发心脏的搏动。
极化状态( polarization ):在生理学中,将静息状态下细胞 膜跨膜电位内负外正的状态。超极化超极化 ( hyperpolarization):膜内负电位增大(例如从-70mv变为 -90mv)。
去极化 (depolarization):膜内负电位减小(例如从-70mv 变为-60mv)。
输入阻抗和输出阻抗
输入阻抗:指从一测量系统或线路环节的 输入端测得的系统自身的阻抗,即
Zi

Vi Ii
Zi为系统的输入阻抗,Vi和Ii分别为从系统输入端测得的输入电压和 输入电流
输出阻抗:指从一测量系统或线路环节的 输出端测得的系统自身的阻抗,即
Z0

V0
Vh
Vh
Zh
Zo为系统的输出阻抗,Zh为输出端接入的负载阻抗,Vo和Vh分别为 系统输出端开路和接入负载阻抗Zh时的输出电压
并用记录器描记下,就可得到心电图形。
心电图:利用心电图机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。 英文名:Electrocardiograph 英文缩写:ECG

1、对心律失常和传导障碍具有重要的诊断价值。

2.对心肌梗塞的诊断有很高的准确性,它不仅能确定有无心肌
梗塞,而且还可确定梗塞的病变期部位范围以及演变过程。
存储与显示系统
辅助系统
(1)传感器
◦ 被测对象、传感器或电极
(2)生物信息检测处理系统
◦ 放大、滤波、变换、运算等预处理方式
(3)生物信息的记录与显示系统
◦ 直接描记式记录器 ◦ 半导体存储器/磁盘记录式 ◦ 数字式显示器
直接描记式记录器/胶片式
半导体存储器/磁盘记录式
在恢复到静息电位之 前,膜电位还有一些微小 的波动,称为后电位。去 极化后电位(负后电位), 超极化负后电位(正后电 位)。
动作电位的时相示意图 心电如何产生?
2.2.1 生物医学电极的概念 2.2.2 电极的极化 2.2.3 常用的生物医学电极
电极—由金属浸在含该金属离子的溶液中所构成的 体系成为电极。

3.对房室肌大、心肌炎、心肌病、冠状动脉供血不足和心包炎
的诊断有较大的帮助。

4.能够帮助了解某些药物(如洋地黄、奎尼丁)和电解质紊乱
对心肌的作用。

5.心电图作为一种电信息的时间标志,常为心音图、超声心动
图、阻抗血流图等心功能测定以及其他心脏电生理研究同步描纪,以
利于确定时间。

6.心电监护已广泛应用于手术、麻醉、用药观察、航天、体育
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