現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)在監(jiān)護(hù)儀器中應(yīng)用

現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)

在監(jiān)護(hù)儀器中的應(yīng)用主講：邱力軍

Telmail：qiulij@QQ：1119876290監(jiān)護(hù)儀器……2/7/20231Nightingale倡導(dǎo)的集中護(hù)理和觀察危重病人的理念，伴隨著基本生理參數(shù)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，奠定了現(xiàn)代監(jiān)護(hù)的雛形。30~40％12~15％

1854年克里米戰(zhàn)爭(zhēng)期間監(jiān)護(hù)（Monitoring

）傷員死亡率2/7/20232監(jiān)護(hù)的意義臨床上需要長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)檢測(cè)病人的生理信號(hào)實(shí)踐證明監(jiān)護(hù)可使疾病的診斷和治療水平有一個(gè)飛躍監(jiān)護(hù)仔細(xì)看，不?？纯醋o(hù)，保護(hù)1.危重病人，發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情及時(shí)報(bào)警2.某些癥狀出現(xiàn)時(shí)間短暫，需長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)才能記錄2/7/20233參數(shù)少：體溫、血壓、呼吸、脈搏等時(shí)間短：間隔一定時(shí)間手動(dòng)測(cè)量效率低：手動(dòng)記錄和分析....工程和物理測(cè)量方法為主宏觀、大體水平監(jiān)測(cè)監(jiān)護(hù)的發(fā)展人工完成監(jiān)護(hù)儀器傳感器電子技術(shù)計(jì)算機(jī)

醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀器是一種用以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)病人生理參數(shù)、并且能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和分析，可與已知設(shè)定值進(jìn)行比較，如果出現(xiàn)超差可發(fā)出報(bào)警的裝置和系統(tǒng)。監(jiān)護(hù)儀（Monitor）

參數(shù)多：從體溫、ECG到生化指標(biāo)一應(yīng)俱全。水平高：自動(dòng)化程度高、技術(shù)含量高，具有自動(dòng)記錄、報(bào)警和分析功能。時(shí)間長(zhǎng)：全天候、持續(xù)多天連續(xù)監(jiān)測(cè)。從先前的物理測(cè)量手段

醫(yī)學(xué)電子檢測(cè)技術(shù)為主監(jiān)護(hù)儀的特點(diǎn)實(shí)時(shí)性準(zhǔn)確性功能多對(duì)監(jiān)護(hù)儀的性能要求比對(duì)一般診斷儀器的要高（1）性能良好、固定可靠的換能器電極所用材料和固定方法；無(wú)損檢測(cè)血壓的換能器及測(cè)量方法。（2）更強(qiáng)的抑制噪聲和抗干擾的能力抗高頻干擾；新的信號(hào)處理方法。（3）具有自動(dòng)診斷的能力模式識(shí)別；判據(jù)、判別方法。監(jiān)護(hù)儀的特點(diǎn)2/7/20237監(jiān)護(hù)儀（Monitor）

種類繁多功能各異檢測(cè)參數(shù)大同小異原理方法非常類似2/7/20238心電ECG1、檢測(cè)原理3、影響檢測(cè)精度的因素與常規(guī)心電圖機(jī)的檢測(cè)原理相同電極因素2、檢測(cè)方法檢測(cè)電極心電檢測(cè)電路后處理一般能監(jiān)護(hù)3~6個(gè)導(dǎo)聯(lián)，標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)及加壓導(dǎo)聯(lián)導(dǎo)聯(lián)選擇干擾信號(hào)同時(shí)顯示1~2個(gè)或多個(gè)導(dǎo)聯(lián)的波形2/7/20239與常規(guī)心電檢測(cè)比較（1）電極放置位置的差異（2）心電檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)的差異心電圖儀：監(jiān)護(hù)儀：肢體導(dǎo)聯(lián)，放置在手腕和腳腕處放置在胸腹部位采樣精度的差異：頻帶范圍的差異：心電圖儀：監(jiān)護(hù)儀：精度高精度低心電圖儀：監(jiān)護(hù)儀：頻率范圍寬頻率范圍窄2/7/202310心電圖機(jī)和心電監(jiān)護(hù)的區(qū)別儀器類別通頻帶時(shí)間常數(shù)測(cè)量目的放大器性能要求心電圖機(jī)0.05~80Hz≥3.2S心電的細(xì)微結(jié)構(gòu)(短時(shí)間)高心電監(jiān)護(hù)1~25Hz≥0.3S心率(長(zhǎng)時(shí)間)低心電監(jiān)護(hù)功能

≠

替代常規(guī)心電圖機(jī)2/7/202311心率平均心率心率檢測(cè)多數(shù)用心電波形中的R波測(cè)定瞬時(shí)心率F=N/T(次/min)F=1/T(次/s)R波測(cè)定是心率檢測(cè)的關(guān)鍵，通常的方法如下：1）對(duì)心電信號(hào)先微分處理；2）設(shè)定閾值，進(jìn)行識(shí)別。也可以從主動(dòng)脈波、指脈波或心音信號(hào)來(lái)計(jì)算心率。

1、檢測(cè)原理2、檢測(cè)方法心臟每分鐘搏動(dòng)的次數(shù)2/7/202312心率檢測(cè)心電檢出波形中，一般R波幅值高、變化快，所以R波的識(shí)別是心率測(cè)量的關(guān)鍵。為檢出R波，通常是對(duì)心電信號(hào)先行微分，以除去低頻噪聲和基線漂移，同時(shí)對(duì)低頻的T波和P波進(jìn)行衰減，快變的R波進(jìn)一步突出，降低了T波引起的雙計(jì)數(shù)誤差。對(duì)心電信號(hào)h(t)進(jìn)行微分得：當(dāng)微分值大于設(shè)定閾值，則可確定該時(shí)刻的心電波為R波。R波的識(shí)別方法有哪些？2/7/202313一般采用中心頻率在10～25Hz之間帶寬為5～10Hz的帶通濾波器，用于減除ECG信號(hào)中的非QRS波頻率成分，提高信噪比。ECG的QRS復(fù)合波進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)，對(duì)離線ECG分析、Holter磁帶記錄分析以及心臟病人實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)十分重要。ECG的QRS復(fù)合波的檢測(cè)經(jīng)典的QRS波檢測(cè)方法包括：⑴線性濾波：⑵非線性變換：非線性變換的目的是將每個(gè)QRS波信號(hào)變換為單向正波峰。⑶決策規(guī)則：一般用峰值檢測(cè)器或自適應(yīng)閾值檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)QRS波。2/7/202314微分法構(gòu)成了許多QRS復(fù)合波檢測(cè)方法的基礎(chǔ)。具有高通濾波器的特性，增強(qiáng)較高頻率特征的QRS復(fù)合波，削弱較低頻率成分的P波和T波。微分法原始ECG平滑和整流后的一次微分平滑和整流后的二次微分平滑后的(b)和(c)的之和對(duì)應(yīng)于每一個(gè)QRS復(fù)合波的方波脈沖輸出微分法的信號(hào)處理過(guò)程2/7/202315判別yd(nT)是否達(dá)到或超過(guò)給定的閾值，即

yd(iT)≥1.0yd(iT)中有一數(shù)據(jù)點(diǎn)滿足此條件，后8個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)就同這個(gè)閾值相比較。微分法如果這8個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)中有6個(gè)或更多點(diǎn)等于或超過(guò)此閾值，那么這一段就可能是QRS復(fù)合波的部分。

算法的優(yōu)點(diǎn)：它能產(chǎn)生一個(gè)寬度與QRS復(fù)合波成比例的脈沖。

算法的缺點(diǎn)：是對(duì)高頻噪聲特別敏感。2/7/202316因此，人們一直致力于采用新的信號(hào)處理方法來(lái)分析QRS波，常用的有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和小波變換算法。由于心電信號(hào)是非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，利用經(jīng)典的QRS波檢測(cè)算法往往受到以下兩個(gè)因素的制約：ECG的QRS復(fù)合波的檢測(cè)⑴QRS復(fù)合波的信號(hào)帶寬對(duì)于不同的病人乃至同一病人的不同心搏均有所不同。⑵各種噪聲與QRS波的通帶相互交疊。2/7/202317實(shí)時(shí)采集的心電信號(hào)x(n)如下：基于小波變換的QRS波形檢測(cè)①實(shí)時(shí)采集的心電信號(hào)x(n)通過(guò)上限截止頻率25Hz的三階巴特沃茲低通濾波器，濾除高頻干擾，得y1(n)；②采用高斯函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)導(dǎo)出的小波，對(duì)y1(n)進(jìn)行尺度S=22的小波變換，突出信號(hào)特征點(diǎn)，消除基線漂移，得y2(n)；2/7/202318③對(duì)y2(n)計(jì)算差分，取絕對(duì)值，并進(jìn)行三點(diǎn)平滑，得y3(n)；基于小波變換的QRS波形檢測(cè)④對(duì)y3(n)再計(jì)算差分，取絕對(duì)值、平滑，得y4(n)；⑤對(duì)y3(n)與y4(n)逐點(diǎn)求和，再平滑，得y5(n)；2/7/202319⑥進(jìn)行閾值檢測(cè)：取連續(xù)前3秒內(nèi)的待檢測(cè)信號(hào)y5(n)的振幅P（可自適應(yīng)調(diào)整)，設(shè)檢測(cè)閾值d1=0.25P，d2=0.15P，對(duì)超過(guò)d1的信號(hào)再降低閾值以d2作雙向檢測(cè)，大于d2則賦值為1，得QRS模板信號(hào)y6(n)，并記錄每個(gè)模板區(qū)內(nèi)y5(n)的峰值時(shí)刻和峰值；⑦修正策略：對(duì)連續(xù)兩個(gè)模板縫隙在0.09秒內(nèi)的模板進(jìn)行合并，對(duì)連續(xù)兩個(gè)模板峰值時(shí)刻<0.22秒的模板進(jìn)行誤差判斷，峰值低者認(rèn)為是誤差。基于小波變換的QRS波形檢測(cè)2/7/2023202/7/202321——統(tǒng)計(jì)學(xué)分析(時(shí)域分析法)、譜分析和傳遞函數(shù)分析(頻域分析法)?！狿oincare映射圖、分?jǐn)?shù)維法、復(fù)雜度分析和非線性動(dòng)力學(xué)分析。心率變異性分析

心率變異性（heartratevariablity,HRV）是指逐次心動(dòng)周期之間的微小時(shí)間變異數(shù)。HRV一般用R-R間期來(lái)描述，也可以用瞬時(shí)心率來(lái)描述。心率檢測(cè)出后的作用？HRV分析就是通過(guò)對(duì)心率微小漲落的變換和處理以獲取心血管系統(tǒng)、自主神經(jīng)系統(tǒng)等有關(guān)信息的信號(hào)分析過(guò)程，對(duì)于大多數(shù)心血管疾病及其他相關(guān)疾病的早期診斷、治療及預(yù)后評(píng)價(jià)具有重要意義。心率變異性常見(jiàn)分析方法：線性分析法非線性分析法2/7/202322有創(chuàng)血壓檢測(cè)有創(chuàng)血壓測(cè)量臨床常見(jiàn)方法：1）導(dǎo)管刺入，測(cè)量點(diǎn)接近刺入點(diǎn)，體外傳感器檢測(cè)；2）導(dǎo)管插入，測(cè)量點(diǎn)遠(yuǎn)離刺入點(diǎn)，體外傳感器檢測(cè)；3）傳感器在導(dǎo)管端口，測(cè)接觸點(diǎn)壓力；4）傳感器植入血管或心臟。1、檢測(cè)原理2、檢測(cè)方法連通器，液體傳遞壓力在ICU中，中心靜脈壓、左房壓、心輸出量和心臟漂浮導(dǎo)管等監(jiān)護(hù)都用有創(chuàng)血壓測(cè)量。

2/7/202323影響因素有創(chuàng)血壓測(cè)量注意事項(xiàng)1、標(biāo)定儀器2、壓力傳感器和心臟保持同一水平3、防止血管中的血凝1、壓力傳感器、病人導(dǎo)管連接不正確2、測(cè)量位置因素3、病人和壓力傳感器的位置多用于ICU病房，危重病人或開(kāi)胸手術(shù)病人的監(jiān)護(hù)。操作復(fù)雜、有一定痛苦、精度高。2/7/202324無(wú)創(chuàng)血壓檢測(cè)1、電子柯氏音檢測(cè)法2、振動(dòng)法檢測(cè)原理：人工柯氏音法的電子化組成：充氣系統(tǒng)、袖帶、柯氏音傳感器、音頻放大器、增益調(diào)節(jié)電路、AD轉(zhuǎn)換器、微處理器、顯示部分檢測(cè)原理：脈搏振動(dòng)幅度判定血壓組成：氣動(dòng)控制部分、壓力傳感器、放大濾波電路、多路模數(shù)轉(zhuǎn)換、單片機(jī)微處理器大多數(shù)監(jiān)護(hù)儀采用的方法2/7/202325影響無(wú)創(chuàng)血壓測(cè)量的因素測(cè)量的局限性1）病人活動(dòng)2）心律不齊3）血壓變化4）嚴(yán)重休克5）肥胖病人6）心率太高或太低7）心肺機(jī)8）導(dǎo)管的移動(dòng)

袖帶尺寸袖帶放置位置人為因素采用這種方法病人舒適，醫(yī)護(hù)人員使用也方便，但不能提供連續(xù)的血壓值。2/7/202326血氧飽和度（SpO2）用以表示血液中血氧的濃度，它是被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白（oxygenatedhemoglobin,HbO2）的容量占全部血紅蛋白（hemoglobin,Hb）的容量的百分比，即式中，HbR稱為脫氧的或還原的血紅蛋白（redu-cedordeoxyenatedhemoglobin,HbR）。Hb主要由HbO2與HbR兩部分組成。血氧飽和度血氧飽和度：氧合血紅蛋白（HbO2）占全血紅蛋白的百分比正常血液中血紅蛋白（Hb）還包括：碳氧血紅蛋白(COHb)、高鐵血紅蛋白(MetHb)，其中HbR與氧作可逆性結(jié)合，而COHb和MetHb不與氧結(jié)合。2/7/202327

無(wú)創(chuàng)測(cè)量：利用分光光度測(cè)定原理(光電容積法)

。由于血液中不同成份對(duì)同一種光線的吸收率各不相同，通過(guò)測(cè)量穿過(guò)血液中不同光線的衰減程度，可換算出血液中不同成份的含量。測(cè)量方法電化學(xué)法有創(chuàng)測(cè)量：對(duì)血液抽樣后進(jìn)行血?dú)夥治?。光學(xué)法透射法反射法

2/7/202328根據(jù)郎伯-比爾定律，當(dāng)一束光照射到某種物質(zhì)的溶液上時(shí)，物質(zhì)對(duì)光有一定的吸收衰減，透射光強(qiáng)I

與入射光強(qiáng)I0之間有以下關(guān)系：

I=I0e-cd式中，為物質(zhì)的吸光系數(shù)，c為溶液的濃度，d為光穿過(guò)的路徑。

ln（I0/I）=cd=D（吸光度）若保持光的路徑不變，吸光度便與物質(zhì)的吸光系數(shù)和溶液的濃度成正比。測(cè)量方法2/7/202329通常采用紅光和近紅外光照射血液中氧合血紅蛋白（HbO2）和還原血紅蛋白（HbR）對(duì)不同波長(zhǎng)的光的吸收系數(shù)不同。λ2=805nmλ1=650nm測(cè)量方法2/7/202330透射法檢測(cè)方式：夾在手指、腳趾或耳垂。采用兩個(gè)波長(zhǎng)的紅光和紅外發(fā)光器件依時(shí)序發(fā)紅光——不發(fā)光——紅外光——不發(fā)光，交替工作。2/7/202331血氧飽和度測(cè)量原理框圖透射法2/7/202332不發(fā)光背景光干擾信號(hào)電流發(fā)紅光和紅外光透射光+背景光干擾信號(hào)電流信號(hào)分離紅光紅外光直流分量脈動(dòng)分量R=(IAC/IDC)R/(IAC/IDC)IR

SpO2=AR+BA、B為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)透射法光敏二極管檢測(cè)到2/7/202333反射法透射法的局限（位置、深度），提出反射法。反射式傳感器示意圖注意：光線、位置等都會(huì)影響測(cè)量精度。2/7/202334

呼吸監(jiān)護(hù)指監(jiān)護(hù)病人的呼吸頻率，即呼吸率。呼吸頻率是病人在單位時(shí)間內(nèi)呼吸的次數(shù)，單位是次/分。

平靜呼吸時(shí)，新生兒60~70次/min，成人12~18次/min。

呼吸頻率的測(cè)量方法有：

●

熱敏式呼吸測(cè)量

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阻抗式呼吸測(cè)量呼吸2/7/202335用熱敏電阻放在鼻孔處，當(dāng)鼻孔中氣流通過(guò)熱敏電阻時(shí)，熱敏電阻受到流動(dòng)氣流的熱交換，電阻值發(fā)生改變。熱敏式呼吸測(cè)量2/7/202336

對(duì)于換熱表面積為A，溫度為T(mén)的熱敏電阻，當(dāng)感受到鼻孔內(nèi)溫度為T(mén)f的呼吸氣流的流動(dòng)，熱敏電阻上的對(duì)流換熱量為

是對(duì)流換熱系數(shù)，它受呼吸流速、粘性等多種因素的影響。Tf與人體溫度接近，且恒溫。若呼吸流速大，熱交換Q就大，因此，熱敏電阻溫度T變化也較大。熱敏式呼吸測(cè)量熱敏電阻具有負(fù)阻特性。即R0是溫度T0時(shí)的電阻值，是常數(shù)。T越高，RT就越小。2/7/202337

當(dāng)鼻孔氣流周期性地流過(guò)熱敏電阻時(shí)，熱敏電阻值也周期性地改變。根據(jù)這個(gè)原理，將熱敏電阻接在惠斯通電橋的一個(gè)橋臂上，就可以得到周期性變化的電壓信號(hào)，電壓周期就是呼吸周期，因此，經(jīng)過(guò)放大處理后可以得到呼吸率。熱敏式呼吸測(cè)量2/7/202338

人體呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)，胸壁肌肉交變弛張，胸廓也交替變形，肌體組織的電阻抗也交替變化，變化量約為0.1Ω~3Ω，稱為呼吸阻抗（肺阻抗）。

可見(jiàn)，呼吸阻抗與肺容量存在一定的關(guān)系，即肺阻抗隨肺容量的增大而增大。因此，根據(jù)肺阻抗這一變化特征來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗式呼吸測(cè)量。阻抗式呼吸測(cè)量電極放置位置2/7/202339

根據(jù)這個(gè)原理，將兩測(cè)量電極（L、R或L、RF

）之間的阻抗作為待測(cè)阻抗Zx，接在惠斯通電橋的一個(gè)橋臂上，就可以得到周期性變化的電壓信號(hào)，電壓周期就是呼吸周期。注意：電橋要采用高頻電源供電，以免引起心臟的刺激作用。

阻抗式呼吸測(cè)量阻抗式呼吸測(cè)量2/7/202340體溫監(jiān)護(hù)測(cè)量方法采用熱敏電阻作為溫度傳感器。熱敏電阻作為惠斯通電橋的一個(gè)橋臂，通過(guò)測(cè)量電橋的不平衡輸出測(cè)量溫度。監(jiān)護(hù)體溫：體腔內(nèi)溫度，體表溫度體溫反應(yīng)了機(jī)體新陳代謝的結(jié)果，是機(jī)體進(jìn)行正常功能活動(dòng)的條件之一。身體內(nèi)部的溫度稱“體核溫度”（bodycoretemperature）。統(tǒng)計(jì)表明，口腔溫36.7～37.7C，腋下溫36.9~37.4C，直腸溫36.9～37.9C。

2/7/202341呼吸末二氧化碳監(jiān)護(hù)呼吸末二氧化碳（PetCO2）是麻醉患者和呼吸代謝系統(tǒng)疾病患者的重要檢測(cè)指標(biāo)。監(jiān)測(cè)呼氣末二氧化碳濃度，不僅可監(jiān)測(cè)通氣而且能反映肺血流，具有無(wú)創(chuàng)及連續(xù)監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，從而減少血?dú)夥治龅拇螖?shù)。

CO2測(cè)量主要采用紅外吸收法，即不同濃度的CO2對(duì)特定紅外光的吸收程度不同。因CO2能吸收4.3μm紅外線，用紅外線透照測(cè)試氣樣后，光電換能元件能探測(cè)到紅外線的衰減程度，所獲取信號(hào)與參比氣信號(hào)比較，就能得到CO2濃