生物醫(yī)學測量與儀器 第三章-生物電勢的測量1

1、MEDICAL INSTRUMENTATION: Application and Design,2017,School of Life Science and Technology,3.1 ECG 3.2 EEG 3.3 EMG 3.4 其他,第三章 生物電勢的測量,New terms 竇房結 心房 心室 希氏束 浦肯野氏纖維網(wǎng) 起搏點；起搏器 偶極子 容積導體 導聯(lián),3.1 ECG 3.1.1 心肌細胞的電行為 3.1.2體表電勢 3.1.3 心電圖導聯(lián) 3.1.4 心電圖功能塊 3.1.5 常見問題 3.1.6 共模和其他干擾抑制電路,3.1.1心肌細胞的電行為,1. 心臟傳導系統(tǒng),竇房結

2、,竇 房 結,心臟的正常起搏點 靜息狀態(tài)下60-100 BPM,竇房結,房室結,房 室 結 從竇房結接受脈沖 給浦肯野細胞系統(tǒng)提供脈沖 如果SA節(jié)點無法傳遞脈沖，則為40-60 BPM,BUNDLE OF HIS,竇房結,房室結,希氏束,希 氏 束 傳導到心室 房室交界區(qū)組織: 40-60 BPM,房室結,竇房結,希氏束,束支,浦肯野氏纖維,分支結構 浦肯野氏纖維 傳導沖動通過心室產(chǎn)生收縮 提供“逸搏心律”： 20-40 BPM,THE PURKINJE NETWORK 浦肯野氏纖維網(wǎng),心臟傳導系統(tǒng),Isochronous lines of ventricular activation of

3、the human heart (心室激活的同步傳導線),2. Electrical behavior,偶極子電荷相等但符號相反，并且有一定（通常是很小的）距離。 偶極矩是矢量，方向為負電荷指向正電荷，數(shù)值大小相當于每個電荷的強度乘以電荷之間的距離。,去極化方向,-,+,去極化,復極化,復極化方向,-,+,Why is a Wave Biphasic?,A,B,C,向量ECG -偶極矩,當R波最大時，心臟的偶極場在心臟處的分布,容積導體 具有特定的電導率和介電常數(shù)，且內部駐留源電流的容積 區(qū)域。 當激活時，可興奮組織將在細胞內部以及細胞外的導電介 質中產(chǎn)生電流。 后一被動區(qū)域的電特性可用容積導

4、體加以 描述。,3.1.2體表電位,容積導體場 （CVFV） 由浸潤在容積導體介質（例如體液）中的可興奮細胞產(chǎn)生的電場。 例如: 心臟組織的激活導致興奮波在整個心肌中的傳播; 這些興奮波依次產(chǎn)生細胞外電場。這些電場可以通過容積導體的幾何形狀、導電性，以及源電流的距離、方向和強度來表征。,VCF的特征,單纖維的細胞外介質中的電位隨著與纖維的徑向距離的增加而在幅度上指數(shù)衰減- 電位幅度取決于介質性質。,心室去極化的瞬時和平均向量,Mean Vector,平均向量表示所有心室去極化力的總和。 方向是平均電軸。,心電圖問題 點A和B是軀干上的任意觀察點，RAB是它們之間的電阻，RT1，RT2是集總胸部

5、介質電阻。 雙極ECG標量導聯(lián)電壓為A - B。這些電壓都是相對于某一參考電位測量得到的。,（Vector ECG Lead Vectors）,a2,a1,M,+,1,vai = |M| cos qi,va2,2,va1,P,B,A,+,-,Zero potential,Peak Potential,心房去極化P波(Lead I),房室間隔去極化 - Q波,Q,+,-,0,B,A,-,+,心室去極化 - R波,3,4,R,+,-,0,B,A,-,+,心室去極化 - S波,S,+,-,0,B.,A,-,+,B.,A,心室復極化 - T波,+,-,+,-,0,A,B,+,-,ECG形成過程回顧,結

6、論,ECG 心電圖,2D-1D projection 平面心電向量第二次投影,3D-2D projection 立體心電向量環(huán)第一次投影,Instantaneous resultant ECG vector 瞬時綜合心電向量,ECG Vector 心電向量,Polarization 心肌細胞極化,Dipole 電偶,3.1.3 ECG 導聯(lián),Einthoven三角 威爾遜的中心端 增強導聯(lián) 胸前導聯(lián),1. Eindhoven三角導聯(lián),在額面中的三個導聯(lián)矢量 由三個電極（左臂，右臂和左腿）產(chǎn)生 右腿用于接地 艾恩德霍芬三角 導聯(lián)I（LA至RA） 導聯(lián)II（LL至RA） 導聯(lián) （LL至LA） 根據(jù)

7、基爾霍夫定律 I+III-II=0,I=Vl-Vr II=Vf-Vr III=Vf-Vl,V1：左臂的電位; Vr：右臂的電位; Vf：左腿的電位。,2.威爾遜單極導聯(lián),等效參考電極 取三個肢體電極上的電壓的平均值 最小化載入： 使用三個等值電阻（ 5 M） 使用電壓跟隨器 所得電極電壓為VL，VR和VF,+ VL , VR +,+ VF ,(Vr-VC)/R+(Vl-VC)/R+(Vf-VC)/R=0 VC=1/3 (Vr+Vl+Vf) VR=Vr-VC=1/3(2Vr-Vl-Vf) VL=Vl-VC=1/3(2Vl-Vr-Vf) VF=Vf-VC=1/3(2Vf-Vl-Vr),aVL, a

8、VR, aVF 斷開被測肢和威爾遜端子（R / 2）之間的連接。 注意，導聯(lián)矢量III，aVF，II，-aVR，I和aVL之間的角度都是30。,圖（a），（b），（c）為三個肢體導聯(lián)的電極連接示意圖。 （d）矢量圖展示了在額面上標準和增強導聯(lián)向量的方向。,-aVR,3. 增強導聯(lián),將增強導聯(lián)與標準威爾士中心端導聯(lián)進行比較,(a),VR=Vr-VC=1/3(2Vr-Vl-Vf),增強導聯(lián)不影響導聯(lián)矢量的方向，但使信號幅度增加50。,橫切面向量ECG,胸前導聯(lián)用于記錄這些電極與威爾遜中心端之間的電位差.,V1,V2,V3,V4,V5,V6,鎖骨中線,前腋線,腋中線,V1:在第四肋間隙（介于第四和第

9、五根肋骨之間）胸骨的右側 V2:在第四肋間隙（介于第四和第五根肋骨之間）胸骨的左側 V3:介于V2和V4導聯(lián)之間. V4:在第五肋間隙（介于第五根肋骨和第六根肋骨之間）和鎖骨中線處（從肋間向下延伸的一條假想線） V5:和V4處于同一水平線，但處于前腋線（前腋線是自鎖骨中部和鎖骨外側端中點延伸向下的一條假想線，鎖骨外側端是近臂端） V6:在腋中線上和V4、V5處于同一水平線（腋中線是自患者腋窩向下延伸的一條假想線）,胸前導聯(lián)在胸壁上的位置,胸前導聯(lián)向量在橫斷面上的方向,3.1.4 ECG的功能模塊,右腿電極,控制程序,微型計算機,ECG分析程序,輸出,鍵盤,右腿 連接電路,放大保護電路,導聯(lián)選擇

10、器,感知電極,導聯(lián)失敗 檢測,前置放大,自動校準,基線恢復,隔離電源,隔離電路,驅動放大,模數(shù)轉換,存儲單元,記錄來自不同導聯(lián)刺激的平行電路,記錄,1. 保護電路：保護電路包括了保護器件用以防止在某些情況下心電圖儀輸入端出現(xiàn)的高壓對儀器的損壞 2. 導聯(lián)選擇器: 用以決定特定的導聯(lián)需要哪些電極連接到后續(xù)電路 3. 校準信號: 1mv校準信號引入心電圖機中的記錄通道進行校準 4. 前置放大器: 輸入端前置放大器級執(zhí)行心電圖的初始放大功能。此級應該具有高阻抗和高共模抑制比,輸入端的電壓保護方案,限壓器件,前置防大器,放大電路的第一級 必須是低噪聲器件 輸出經(jīng)被放大很多倍，參雜的噪聲也被放大很多倍

11、應直流耦合到電極 在輸入導聯(lián)不包含串聯(lián)電容（輸入偏置電流會在串聯(lián)輸入電容上累積電荷） 為了保留輸入信號中的低頻成分.,前置放大器的增益相對較低 輸入偏置電流會在極化電極上堆積電荷，因此在輸入信號上產(chǎn)生一個直流的偏置電壓 使用高輸入阻抗來減少這種荷電效應 高增益會使前置放大器的輸出飽和 在放大器電路的后級使用電容耦合，以避免飽和效應。,導聯(lián)脫落報警,用心臟監(jiān)視器檢測電極阻抗增加、引線故障或電極脫落的系統(tǒng)框圖。當電極開始脫落，阻抗增加，使50kHz的電壓上升到閾值。 當達到閾值時，警報發(fā)出聲響。齊納二極管將電壓限制在電流源輸出電壓并且保護病人和其他電子元器件不受高壓損害。,5. 隔離電路: 電路包

12、括對來自電源線（50或60Hz）的電流傳遞通路的屏障 6. 右腿電路: 電路在病人身上提供了一個參考電位，而該參考電位原本通常是地電位 7. 驅動放大器: 將心電信號放大到適于在記錄器上記錄的水平。其輸入為交流耦合，這樣經(jīng)前置放大器放大的偏置電壓就不會出現(xiàn)在驅動放大器的輸入端。這些直流成分如果在這一級被放大的話就會造成放大器飽和。與此同時，這一級也執(zhí)行心電圖機的帶通濾波。此外它還有零點漂移的控制功能，以便在記錄儀上對信號定位，控制調節(jié)輸出信號的直流電平。,8. 存儲器系統(tǒng): 在內存中存儲心電圖同時將它們打印在記錄儀上. 9. 微型計算機:微機控制心電圖機的整體操作. 10. 記錄儀-打印機:提

13、供記錄的ECG信號的硬拷貝。,心電圖,3.1.5常見問題,頻率失真 高頻損耗使QRS波的尖銳邊緣變的圓滑 低頻損失會使基線（不再水平）或造成單相波形出現(xiàn)雙相。 飽和/截止失真 輸入振幅和失調電壓組合驅動放大器進入飽和狀態(tài) 正向飽和 :R波頂部消失 反相飽和:Q，S，P和T波消失,頻率失真,飽和或截止失真,正常狀態(tài),正相飽和,反相飽和,接地回路 患者身體連接到多個設備，每個都有接地線（電力線或室內接地線） 如果有不止一個的儀器有一個接地電極連接到病人身上，就存在一個接地回路。由于每個設備的電源地線不同，會有電流流過病人身體并且引入共模干擾噪聲 導聯(lián)線斷開 可以被阻抗監(jiān)測電路檢測到,接地回路-1,

14、接地回路-2,電壓瞬變偽跡,心電圖機的瞬態(tài)大電壓輸入會導致放大器飽和，這就需要一定的時間讓電荷充分釋放從而使心電圖機恢復到放大器正常的工作區(qū)間。這個時間遵循系統(tǒng)的一階恢復。,不需要的電壓瞬變 病人的移動 電刺激信號，如除顫 放大器飽和 基線的一階恢復 由帶通放大器的低頻角頻率決定的恢復時間,電壓瞬變偽跡,電子設備的干擾,上圖：60 Hz電力線噪聲耦合 電網(wǎng)、儀器、病人和接線之間的電場耦合 下圖：耦合肌電（EMG）噪聲 心電圖記錄時胸肌緊繃的例子,電力線耦合,心電圖機從供電線中電場拾取的機制。電源火線和導聯(lián)線間的耦合電容導致電流通過皮膚電極阻抗流向地。,Electro- cardiograph,

15、A,Power line,220 V,B,G,C3,C1,Z1,Z2,ZG,C2,Id1,Id2,Id1+ Id2,小的寄生電容連接電源線和RA、LA導聯(lián)和儀器的接地外殼 產(chǎn)生小的交流位移電流Id1 和Id2 身體阻抗約500歐，可以忽略不計 VA - VB = Id1 Z1 - Id2 Z2 如果Id1 和 Id2 近似相等: VA - VB = Id1 (Z1 - Z2) = (6 nA) (20 K ) = 120 V 補救措施 用屏蔽電極和心電圖機連接線的方式來減少 Id 減小或匹配電極-皮膚阻抗(最小化Z1 - Z2 ),電力線耦合,電流從電源線流過，通過身體和接地阻抗，從而在體表各

16、處產(chǎn)生共模電壓。由于放大器輸入端射頻旁路電容的作用，Zin不僅是電阻， 同時還有無功分量。,Electrocardiograph,Power line,120 V,A,Zin,Z1,Cb,idb,ZG,Z2,ucm,B,G,Zin,ucm,ucm,idb,電力線耦合到人體 產(chǎn)生小的交流位移電流Idb ，從而產(chǎn)生共模電壓 Vcm = Idb ZG = (0.2 A) (50 K ) = 10 mV 放大器的輸入: VA - VB = Vcm (Z1 - Z2)/ Zin = (10 mV) (20 K / 5 M) = 40 V 補救措施: 減小或匹配皮膚電極阻抗(最小化Z1 - Z2 ) 增加

17、 Zin,靜電屏蔽 減小電場干擾,磁場耦合,心電圖機的磁場拾取: (a)當電路包含心電圖機和人體時，導聯(lián)形成一個閉環(huán) （陰影區(qū)）。通過該區(qū)域的磁場變化導致環(huán)路中電流的產(chǎn)生。 (b) 將導聯(lián)線扭合在一起并將其靠近身體以減小和身體所圍成的面積，就可以使這種效應最小化,補救措施 -屏蔽 -遠離潛在干擾源 -減少單匝線圈的有效面積（導線絞合）,其他噪聲源,電磁輻射 病人導聯(lián)可視為天線，尤其是是在導聯(lián)脫落時 來源 收音機;電視; 雷達; 研究設備; 移動電話; 外科電子設備; 補救措施 使用電容將輸入端接地 (例如, 200 pF). 不要降低放大器的輸入阻抗,3.1.6 共模和其它干擾抑制電路,右腿驅

18、動系統(tǒng),Minimizes common- mode interference,病人沒有和地連接 共模電壓是由兩個平均電阻檢測（Ra） 電阻輸出反轉，放大，并反饋到右腿 負反饋減小共模信號值 身體的位移電流流入反相運算放大器 安全性：如果運放飽和，就會觸發(fā)警報；Ro將反饋運放輸出電流的大小,右腿驅動系統(tǒng)的等效電路,當電力線耦合的位移電流流過病人體表時，右腿驅動系統(tǒng)決定病人體表的共模電壓。選擇合適的阻抗值，從而使共模電壓達到最小值，并且當輔助運放飽和時，只有一條高阻通路到地。 當id=0,2uA時，vcm是多少,Rf 和Ro 為5 M 左右; Ra 的典型值為25 k; RL 為100 k.,心

19、率計,心跳瞬時心率計系統(tǒng)框圖,心率計的時序圖,孕婦的腹部心電圖,從母體腹部獲得的典型心電圖。F代表胎兒QRS波群; M代表母體的QRS波群.產(chǎn)婦心電圖和胎兒心電圖（直接記錄胎兒）的比較。,胎心電,從包含母嬰心電信號的腹部信號中分離出胎兒心電的功能框圖,總結,3.1.1心肌細胞電行為 1.心臟傳導系統(tǒng) 竇房結;房室結;希氏束;束分支;浦肯野纖維 2. 電性質 偶極子；偶極矩；使用偶極子來描述去極化和復極化過程 心電圖正常激活;,3.1.2體表電位 容積導體；導體場；VCF的特點 體表電位心電圖 ECG 向量偶極矩; ECG 向量 導聯(lián)向量 瞬時和平均心室除極向量； 心房去極化-P波; 室間隔去極

20、化- Q波； 心室去極化R波； 心室去極化S波； 心室復極化的T波,3.1.3 ECG導聯(lián) 埃因霍芬三角； Wilson中央端； 增強導聯(lián)； 胸前導聯(lián) 3.1.4心電圖功能塊 1.保護電路；前置選擇器；校準信號；前置放大器；隔離電路；驅動右腿電路；驅動放大器；存儲系統(tǒng)；微機；記錄器；打印機,3.1.5 經(jīng)常遇到的問題 頻率失真；飽和/截止失真；接地回路；開路導 線；偽跡；電氣設備干擾；電力線耦合；磁場耦合；其他噪聲源 3.1.6共模和其它干擾抑制電路 右腿驅動電路; 心率計 胎心電,作業(yè)： 6.10; 6.11,Exercise: 1. An electrocardiograph has a

21、broad frequency response so that its amplifier has a first-order time constant of 16 s. The electrocardiograph amplifier has a broad dynamic range of input voltages, but any input voltage greater than 2mV will be out the range of its display and cut off. While recording the ECG of a patient, a transient occurs that has an amplitude of 10 mV, and this causes the ECG to fall out of the range of the instruments display. If the ECG R wave has an amplitude of 1 mV, how long will it take for the entire signal to be visi