第四章 生物电测量仪器(修改版)

心电图
ECG，Electrocardiograph 心 电——反映心脏激动的电学活动，反映心脏兴 奋的产生、传导和恢复过程中的生物电位变化。
心电图——从体表记录到每个心动周期中的心脏综
合电变化的波形。
心电产生机理
心脏活动过程
窦房结发出的兴奋首先传到右心房，使右心房 开始收缩，同时兴奋经过房间束传到左心房，引起 左心房的收缩，兴奋随后沿着结间束传到房室结， 再由房室结通过房室束及其左右分支肯氏纤维传导 到心室。
（单极皮肤）加压导联
在单极导联基础上，当记录某一肢体单极导联心电波形 时，将该肢体与中心电端之间所接的平衡电阻断开，改进 成增加电压幅度的导联形式。
胸导联
探查电极安放在前
胸壁上的六个固定位置，
将心电信号送入放大器 正输入端，参考电极接 放大器负输入端。 单极胸导联V1~V6电极位置
单极——参考电极接到中心端（以V1~V6表示）
双极——参考电极接到三个肢体上
心电图机的结构和性能参数
心电图机的基本结构
心电图机的结构和性能参数
输入部分——电极、导联线、导联选择器、 输入保护、高频滤波器
心
电
图 机
放大部分——前置放大器、1mV标准信号发生器、 时间常数电路、中间放大器、 功率放大器 记录器部分——记录器、热笔及热笔控温电路 走纸传动装置 电源部分
5．功率放大器
功率放大器的作用是将中间放大器送来的心电信号电压进 行功率放大，以便有足够的电流去推动记录器工作，把心 电信号波形描记在记录纸上，获得所需的心电图。因此功 率放大器亦称驱动放大器。
（三）记录器部分
包括记录器、热描记器（简称热笔）及热笔 温控电路。 记录器是将心电信号的电流变化转换为机械 （记录笔）移动的装置。
QRS间期——0.06 ~0.1s S-T段——0.12 ~0.16s P－R段——0.04~0.8s
心电图的典型波形意义
•P波:由心房的激动所产生，前一半主要由右心
房所产生，后一半主要由左心房所产生。正常P波 的宽度不超过0.11s，最高幅度不超过2.5mm。
•QRS波群:反映左、右心室的电激动过程，称
QRS波群的宽度为QRS时限，代表全部心室肌激动 过程所需要的时间，正常人最高不超过0．10s。
心电图的典型波形意义
•T波：代表心室激动后复原时所产生的电位影响。
在R波为主的心电图上，T波不应低于R波的1／10。
•U波：位于T波之后，可能是反映心肌激动后电
位与时间的变化，人们对它的认识仍在探讨之中。
• 传导型电极
• 吸附电极 • 悬浮电极 • 软性电极
• 体内电极
• 针电极 • 金属丝电极 • 胎儿电极 • 埋藏电极
4.3
心电图机
常见的生物电信号 心电（ECG，Electrocardiograph） 脑电（EEG，Electroencephalogram） 肌电（EMG，Electromyogram） 视网膜电（ERG，Electroretinogram） 心电诊断仪器
（一）输入部分
它包括从电极到导联线、导联选择器、输入保护及高频滤 波器等。 1.导联线 由它将电极上获得的心电信号送到放大器的输入端。电极部 位、符号及相连的导联线的颜色均有统一规定。 2.导联选择器 它的作用是将同时接触人体各部位的电极的导联线按需要切 换组合成某一种导联方式。每切换一次导联都需按顺序进行， 不能跳换。 3.输入保护及高频滤波器 使用心电图机时，既要保护病人安全，又要避免因病人进行 除颤治疗或施行高频电刀手术而损坏同时使用的心电图机。
3.时间常数电路
由于心电电极具有一定的直流极化电压，在前置放大器与 中间放大器之间加一个RC滤波，利用电容隔直特性，消除 极化电压对后极电路的影响，RC滤波截止频率取决于充放 电的时间常数，又称为时间常数电路。
4.中间放大器
中间放大器在RC耦合电路之后，称为直流放大器。它不受 极化电压的影响，增益可以较大，一般由多级直流电压放 大器组成。 心电图机的一些辅助电路（如增益调节、闭锁电路、50Hz 干扰和肌电干扰抑制电路等）都设置在这里。



走纸速度均匀
绝缘性能良好
心电图机的主要性能参数
来自百度文库1．输入电阻
心电图机的输入电阻即为前置放大器的输入电阻，一 般要求大于2MΩ。输入电阻愈大，因电极接触电阻不 同而引起的波形失真越小，共模抑制比就越高。
2．灵敏度
心电图机的灵敏度是指输入l mV电压时，描笔偏转的 幅度，通常用mm/mV表示，它反映了整机放大器放大倍 数的大小。可用1mV定标电压检测灵敏度是否正常。
静息电位的测量
4.1
动作电位：
生物电位的基本知识
神经或肌肉兴奋时发出的可传播的电变化称为 动作电位，包括去极化和复极化过程。 特点：
1、动作电位的大小不会因传导距离的增大而减弱； 2、神经纤维若在中间段受到刺激，将有动作电位 同时传向纤维两端。
动作电位产生机制
生物电模式
动作电位沿单一神经纤维传输
标准（肢体）导联
标准导联时，右下肢（RL）始终接ACM输出端，间接接地。
标准（肢体）导联
VI=VL-VR
VII=VF-VR VIII=VF-VL 每一瞬间都有
VL——左上肢电位值
VR——右上肢电位值 VF——左下肢电位值 VII=VI+VIII
单极（肢体）导联
探测心脏某一局部区域
电位变化时，用一个电极安
（四）走纸传动机构
带动记录纸并使它沿着一个方向做匀速运动 的机构称为走纸传动装置，它包括电机与减 速装置及齿轮传动机构。 走纸速度规定为25mm/s和50mm/s两种。为了 准确描记心电图，要求走纸速度稳定、速度 转换迅速可靠。
（五）控制部分
• 控制部分的核心是微处理器，负责整机各部分 电路的控制，如信号采集、放大、A/D变换、存 储、分析、显示、记录等。
现代医学电子仪器原理与设计
杨荣骞 rqyang@scut.edu.cn 华南理工大学生物医学工程系B12-504
第四章
• 4.1 • 4.2 • 4.3 • 4.4 • 4.5
生物电测量仪器
生物电位的基础知识 生物医学电极 心电图机 脑电图机 肌电图机
4.1
静息电位：
生物电位的基本知识
神经细胞和肌肉细胞在静息情况下细胞膜 内测的电位较外侧为负，细胞在静息状态下膜 内外两侧的电位差称为静息电位，或膜电位。 原因： 1、细胞膜内外离子浓度的不同； 2、细胞膜对不同离子的选择通透性。
传导和恢复过程的电变化。
心电图波形
横轴——时间，每1mm代表0.04s（标准走纸速度为25mm/s） 纵轴——幅度，每1mm代表0.1mV（标准灵敏度10mm/mV）
P波——0.2mV QRS波群
心电图的典型波形
T波——0.1~0.5mV
U波 P-R（Q）间期——0.12 ~0.2s
心电图的典型间期 和典型段
心电图波形分析：
通过对心电波形的分析，可以发现心脏的各种心律失常、 期前收缩、心肌梗塞部位及其发展过程、心脏异位搏动、高 血压、先天性心脏缺损、病人代谢率及其他心脏综合病症等。
常用检测技术
心电图和心电向量图 动态心电图 体表电位标测图 心室晚电位 心磁图 窦房结电图和希氏束电图
心电图导联（导联，Lead）：
电极的极化
• 1、电极与电极电位：由金属浸在含有该金属离子的
溶液中所构成的体系称为电极，金属与溶液之间的
界面的电位差称为电极电位。
• 2、电极的极化：电极的极化指的是，电极与电解质
溶液界面形成双电层，在有电流流过时，界面电位
发生变化的现象。
电极的极化
• 3、极化电极：在给电极施加电压或通入电流时，
心电图机—描记心脏活动时心肌激动产生的生物电信号
心电向量图机 心电示波器
心电信息学简史：
1887：Waller，毛细管静电计第一次描记人体心电图波群 1901：Einthoven与Van den Woerd研制成功弦线电流计 1903：Einthoven描记出满意的心电图波群，1905推广到临床应用（近 50年），1924 获诺贝尔医学奖。创建等边三角形学说，设计I、II、III 导联，命名P、QRS、T各波群（ Einthoven荷兰莱顿大学生理学家） 1912： Waller命名ECG，Electrocardiograph 1932：Wilson创立零电位中心电端理论，导联增加到12个，1942 Goldberger概率中心电端，设计aVR、aVL、aVF。至此，形成 Einthoven- Wilson理论体系。
电极安放位置
标准（肢体）导联——I、II、III
指以两肢体间的电位差为所获取的体表心电
爱因霍文三角学说：
人体的左肩、右肩及臀部三点与心脏距离相等 等边三角形的中心为心脏，并与三角形在同一平 面上 体腔是一个均匀导电的、相对心脏来说是很大的 球形容积导体
图4-2 爱因霍文三角形示意图
有髓鞘神经纤维的兴奋传导机制
生物电信号测量的生理学基础
• 容积导电
• 容积导体
• 容积导体电场
• 生物电阻抗：具有电阻、电容和电感的特性 • 人体电阻抗：人体组织的阻抗值，表征着人体 各组织和器官的机能状态。
生物电信号测量的生理学基础
在一个盛满稀释食盐溶液的容器中放入一对 由等值而异号的电荷组成的电偶极子，则容器内各 处都会有一定的电位，在电偶极子的位置、方向和
（二）放大部分
1.前置放大器
它是心电放大的第一级，因输入的心电信号很微弱，对前 置放大器具体要求是：低噪声、高输入阻抗、高共模抑制 比、低零点漂移、宽的线性工作范围。
2.1mV标准信号发生器
为了衡量描记的心电图波形幅度，校准心电图机的灵敏度， 通常需要给前置放大器的输入端输入1mV的矩形波信号。 1mV的矩形波信号还可用于时间常数的测量和阻尼的检测。
放在靠近心脏的胸壁上，另 一个电极放置在远离心脏的 肢体上（称为参考电极，在 测量中始终保持零电位），
探查电极所在部位电位的变
化即为心脏局部电位的变化。
威尔逊中心电端的电极连接图
单极（肢体）导联
在每一个心动周期的每一瞬间，中心电端的电位都为零。 单极肢体导联VR、VL、VF获得的电位由于电阻R的存在而减 弱了，所以这种导联并不实用。
•
在每一个心动周期中，心脏各部分兴奋过程中 出现的电信号变化的方向、途径、次序和时间都具 有一定的规律。这种生物电变化通过心脏周围的导 电组织和体液传导到身体表面，使身体各部位在每 一心动周期中也都发生有规律的电变化。把测量电
极放置在人体表面适当部位记录出来的心脏电变化
曲线即为临床常规心电图，反映了心脏兴奋的产生、
在记录心电信号时，输入导线与电极放置在肌体特定测
试部位（正输入端），参比部位（副输入端）和接地部位的 连接方式。 简言之，导联就是指放置电极的方法和与心电图机的连 接方式。 导联并不是单指一根线。
标准十二导联：
单极导联——获取某一点相对于参考点的电位 aVR、aVL、aVF、V1 ~V6
双极导联——获取两个测试点的电位差 I、II、III
强度都不变的情况下，电场的分布是恒定的，电流
充满整个溶液，这种导电的方式称为容积导电，容
器中的食盐溶液称为容积导体，其间分布的电场称
为容积导体电场。
4.2
生物医学电极
生物医学电极一般是经过一定处理的金属板或 金属丝、金属网等。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—电解液界面。
（六）电源部分
• 一般采用交直流两用方式供电模式。
• 为适应不同需要，电源部分还有充电及充电保 护电路、蓄电池过放电保护电路、交流供电自 动转换蓄电池供电电路及电池电压指示等。
心电图机的主要性能参数

高输入阻抗 高共模抑制比 低噪声 低零点漂移 线性误差小 灵敏度适当
时间常数大于1.5s 阻尼适中 频率响应好
在电极-电解溶液界面上无电荷通过而有位移电流 通过的电极称为极化电极。 • 4、非极化电极：不需要能量，电流能自动通过电 极—电解溶液界面的电极。
• 5、电极阻抗：电极—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。
与电极阻抗关系最大的是频率。
常用生物医学电极
• 体表电极 • 静电耦合型电极
3．噪声和漂移
噪声指的是心电图机内部元器件工作时，由于电子热 运动等产生的噪声，不是因使用不当外来干扰形成的 噪声，这种噪声使心电图机在没有输入信号时仍有微 小杂乱波输出。噪声的大小可以用折合到输入端的作 用大小来计算，国际上规定≤15μV。 漂移是指当放大器输入端短路时，输出端也有缓慢变 化的电压产生，这种现象即为漂移，当漂移电压的大 小可以与心电信号电压相比时，会造成分辨困难。 噪声与漂移也可以用1mV定标电压检测。