生物医学仪器(第三章)---副本.ppt
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1、第三章第三章 生物电测量及仪器生物电测量及仪器l 常用生物参量及测量范围常用生物参量及测量范围l 生物电产生机制生物电产生机制l 心电测量及仪器心电测量及仪器l 脑电测量及仪器脑电测量及仪器l 肌电测量及仪器肌电测量及仪器l 其他生物电测量及仪器其他生物电测量及仪器l 多道电生理记录仪多道电生理记录仪主要内容主要内容:3.1 常用生物参量及测量范围常用生物参量及测量范围表3-1典型生物电信号参数典型参数典型参数幅度范围频率范围心电(心电(ECG)0.54mV0.1100Hz脑电(脑电(EEG)5300Vdc50Hz肌电(肌电(EMG)0.15mV208000Hz眼电(眼电(EOG)50350V
2、0.215Hz胃电(胃电(EGG)10100Vdc1Hz皮肤电阻抗(皮肤电阻抗(GSR)0.5500M0.11503.1.1 生物电参数测量生物电参数测量3.1 常用生物参量及测量范围常用生物参量及测量范围表3-2典型非生物电信号参数典型参数典型参数幅度范围频率范围血压(血压(BP)0400mmHg0.5100Hz收缩压收缩压 25400mmHg0.5100Hz舒张压舒张压0100mmHg0.5100Hz平均动脉压平均动脉压20200mmHg0.5100Hz3.1.1 非生物电参数测量非生物电参数测量 3.3 心电测量及仪器心电测量及仪器心电机主要由心电前置放大器心电前置放大器,控制器控制器,
3、功率放大器功率放大器,电源电源四个部分组成。控制电路控制电路(导联工作方式选择导联工作方式选择)前置放大器前置放大器缓冲、威尔逊网络,导联选择电路缓冲、威尔逊网络,导联选择电路导联显示电路、定标电路导联显示电路、定标电路50HZ50HZ干扰抑制、肌电抑制干扰抑制、肌电抑制功率放大功率放大位置反馈放大器位置反馈放大器位置反馈记录器位置反馈记录器驱动记录笔驱动记录笔描绘心电图描绘心电图电源电源(交直流供电交直流供电)整流、滤波、稳压整流、滤波、稳压充电电路、充电指示电路、电池能量指示电路、充电电路、充电指示电路、电池能量指示电路、DC-DCDC-DC变换变换控制电路控制电路(肌电干扰、交流干扰选择
4、肌电干扰、交流干扰选择)控制电路控制电路(速度控制速度控制2525或或50)50)控制电路控制电路(增益控制增益控制)增益调节增益调节 3.3 心电测量及仪器心电测量及仪器3.3.2 心电测量方法心电测量方法1903年威廉.爱因霍文应用弦线电流计,第一次将体表心电图记录在感光片上。1906年首次用于抢救心脏病人。1924年威廉.爱因霍文被授予生理学及医学诺贝尔奖。定义:心电图是从体表记录的心脏电位心脏电位变化曲线,它反映心脏兴奋的产生、传导和恢复产生、传导和恢复过程 中的生物电位变化。心电图的横轴心电图的横轴代表时间,代表时间,1mm代表代表0.04s;心电图的纵轴心电图的纵轴代表波形幅值大小
5、,代表波形幅值大小,1mm代表代表0.1mV;3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器心电图测量人体与仪器连接示意图心电图测量人体与仪器连接示意图3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器心电图的典型波形P P波波:由心房的激动产生,前一半由右心房产生,后一半由左心房产生。宽度不超过0.1s。最高幅度不超过2.5mm(0.25V)。QRSQRS波波:反映左右心室的电激动过程,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。T T波波: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 U波波:位于T波之后,可
6、能是反映 心肌激动后电位与时间的变化。3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器心电图的典型间期和典型段 P-RP-R段段:从P波后半部分起始端至 QRS波群起点,同样,这 一段正常人也是接近于基 线的。P-RP-R间期间期:从P波起始至QRS波群起点的 相隔时间,代表从心房激动开 始到心室开始激动的时间.QRSQRS间期间期:代表两侧心室肌的电激动过程;S-TS-T段段:正常人的S-T段是接近基线的,与基线 间的距离一般不超过0.05mm.3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器正常人的心电图典型值正常人的心电图典型值 P波:0.2mv;Q波:0.1mv;R波:0.5-1.5mv;S波:0.2mv;T
7、波:0.1-0.5mv;P-R间期:0.12-0.2s;QRS间期:0.06-0.1s;S-T段:0.12-0.16s;P-R段:0.04-0.08s。图4-1 心电图典型波形 3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3.3 心电图导联系统心电图导联系统心脏的生理功能生理功能与心电图心电图之间,存在着密切的对应关系。(a)人体的左肩左肩、右肩右肩及臀部臀部三点与心脏心脏距离相等,构成等边三角形 的三个顶点,心脏产生的电流均匀的传播于体腔,四肢仅作为传 导体,肢体上任何一点的电位等于该肢体与体腔连接处的电位肢体上任何一点的电位等于该肢体与体腔连接处的电位。(b)等边三角形的中心为心脏,并与三角形
8、在同一平面上。首先定义了,导联导联称为标准肢体导联标准肢体导联,简称标准导联。它是以两肢体间的电位差电位差为所获取的体表心电,这种 导联方式基于以下三点假设而近似成立:3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3.3 心电图导联系统心电图导联系统(c)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。心脏的电活动过程是一对电偶,位于容积导体的中央,其偶极矩 的方向斜向左下方并与水平线成一角度,称为心电轴。3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3.3 心电图导联系统心电图导联系统1.1.肢体导联肢体导联(1)标准导联)标准导联包括三个标准导联(,)和三个单极加压导联(aVR,aVL,aVF
9、,)3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3.3 心电图导联系统心电图导联系统1.1.肢体导联肢体导联 三种标准导联之联接导联I 导联II 导联III A为驱动器,Acm为右腿驱动电路。3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3.3 心电图导联系统心电图导联系统1.1.肢体导联肢体导联导联:LA接放大器正输入端,RA接放大器负输入端;导联:LL接放大器正输入端,RA接放大器负输入端;导联:LL接放大器正输入端,LA接放大器负输入端;标准导联时,右下肢(标准导联时,右下肢(RLRL)始终接)始终接ACMACM输出端,间接接地。输出端,间接接地。设VL,VR,VF分别表示左上肢,右上肢,左下肢的
10、电位值,则三种标准导联的电压值为:VI=VL-VR,VII=VF-VR,VIII=VF-VL 每一瞬间都有:VII=VI+VIII 标准导联的特点是能比较广泛地反映出心脏的大概情况,但是,标准导联只能说明两肢间的电位差,不能记录到单个电极处的电位变化。3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3.3 心电图导联系统心电图导联系统1.1.肢体导联肢体导联(2)单极导联与加压肢体导联)单极导联与加压肢体导联威尔逊中心端威尔逊中心端:右上肢、左上肢和左下肢之间的平均电阻分别为:1.5K、2K、2.5K.若将此三点连成一点作为参考电极,在心脏电活动过程中,此点电位并不正好为0.威尔逊提出,在三个肢体上分
11、别串联一只5K(可在5K300K之间选)平衡电阻,使三个肢端与心脏间的电阻数值互相接近,且将它们联接起来以获得一个比较稳定的电极电位端,称为威尔逊中心电位端威尔逊中心电位端。3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3.3 心电图导联系统心电图导联系统1.1.肢体导联肢体导联三种单极导联 联接方法将放大器的负输入端接到中心电端中心电端,正输入端分别接到右上肢RA,左上肢LA,左下肢LL,便构成单极肢体导联的三种方式,记为VR,VL,VF。缺点缺点:这种导联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,应加以改进。3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3.3 心电图导联系统心电图导联
12、系统1.1.肢体导联肢体导联加压导联定义加压导联定义:在单级导联基础上,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,称为加压导联。加压导联联接方式 3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器2.2.胸壁导联胸壁导联定义定义: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的导联方式称为胸导联。双极胸导联参考电极分别接到三个肢体上单极胸导联参考电极接到中心电端。以V1V6表示。临床诊断时常用单极胸导联单极胸导联,其优点优点为:由于探查电极靠近心脏,获得的心电波形有较大振幅,有利于观察。3.3.
13、3 心电图导联系统心电图导联系统3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器2.2.胸壁导联胸壁导联3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3.威尔逊网络与威尔逊网络与1212导联选择导联选择威尔逊网络是由威尔逊网络是由9个电阻组成,个电阻组成,6个个20K组成一个三角形电路,每一个三角形组成一个三角形电路,每一个三角形顶点分别与顶点分别与1个个30K组成一个星形电路三个组成一个星形电路三个点相连,星形公共点是点相连,星形公共点是威尔逊网络的中心端威尔逊网络的中心端,这点的电位与人体电偶中心点电位相等,均这点的电位与人体电偶中心点电位相等,均可视为零点。可视为零点。三角形的三个顶点分别引入人体右手、三
14、角形的三个顶点分别引入人体右手、左手、左脚三个肢导的信号,三角形左手、左脚三个肢导的信号,三角形三个边的中点是三个三个边的中点是三个加压肢体导联的加压肢体导联的相应参考点相应参考点。导联选择电路是控制人。导联选择电路是控制人体信号的输入,不同的导联选自人体体信号的输入,不同的导联选自人体的不同部位。的不同部位。3.3.3 心电图导联系统心电图导联系统3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3.威尔逊网络与威尔逊网络与1212导联选择导联选择P96P96页图页图3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3.威尔逊网络与威尔逊网络与1212导联选择导联选择MC14052型四模拟开关导联选择器的作用就
15、是在某一时刻只能让某一心电导联被选中。导联选择器的作用就是在某一时刻只能让某一心电导联被选中。3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器由于4块集成电路4052的输出都是并联的,所以在做某个导联时只有一块4052工作。这样就必须在电路中设置一个片选电路。集成电路U108、U109组成片选电路(片选电路实际上是4选1译码器 )。3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器导联选择真值表3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3 心电
16、测量与仪器心电测量与仪器控制电路原理图控制电路原理图完成导联选择,连续描记,变速,稳速及其它一些控制功能.加法加法按纽按纽加加/减减计数计数器器导联显示电路导联显示电路(译码器、译码器、缓冲器、缓冲器、发光二极管发光二极管)导联切换时导联切换时连续描记电路连续描记电路A,B,C,DJ200插座插座INSTCALSENSHUMEMG肌电干扰肌电干扰减法减法按纽按纽计数计数脉冲脉冲手动封闭手动封闭按纽按纽1mV定标定标按纽按纽增益调节增益调节按纽按纽干扰抑制干扰抑制按纽按纽50Hz干扰干扰接至前置放大电路接至前置放大电路(心电放大电路心电放大电路)马达稳速电路马达稳速电路参考电压参考电压比较电压比
17、较电压3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器导联选择导联选择ADCB10号脚号脚选择导联正常工作程序选择导联正常工作程序15号脚号脚计数脉冲输入计数脉冲输入,控制导联选择控制导联选择3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器封闭封闭心电放大板前置级心电放大板前置级INST信号用来封闭心电放大板前置级,信号来自三个方向:信号用来封闭心电放大板前置级,信号来自三个方向:1、U203C输出的输出的“1”电平;电平;2、手动封闭时(、手动封闭时(RESET),),U2
18、03D输出的输出的“1”电平;电平;3、U202的的4号脚输出的号脚输出的“1”电平。电平。3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器由由BTL功率放大器功率放大器,位置反馈系统位置反馈系统,脉冲调宽式热笔加温脉冲调宽式热笔加温系统系统三部分组成三部分组成.脉冲调宽式脉冲调宽式热笔加温热笔加温BTL功率功率放大器放大器限幅限幅放大器放大器比较器比较器位置反位置反馈信号馈信号放大器放大器记录器记录器磁敏磁敏电位器电位器心电信号心电信号重点解决两个问题重点解决两个问题:1记录器随心电信号偏转记录器随心电信号偏转;2.维持记录器位置相对平衡维持记录器位置相对平衡.主放大
19、器主放大器(功率放大器功率放大器)3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器电源电源主要包括主要包括稳压电路稳压电路,DC-DC变换电路变换电路,电池充电电路电池充电电路,充充电指示电路和电池能量指示电路电指示电路和电池能量指示电路五部分五部分.DC-DC变换变换IFT402、VT409U402U405,VT410电池能量指示电池能量指示U402,VT402变压整流变压整流IFT401,VD401稳压稳压U401电池充电电池充电VT404VT408充电指示充电指示U403,VT403220VAC充电充电DC12VS402AS402BJ4018V3.3 心电测量与仪
20、器心电测量与仪器3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3.威尔逊网络与威尔逊网络与1212导联选择导联选择影响ECG精确测量的因素主要有:(1)电极放置位置;(2)电极与皮肤的接触;(3)导联的选择;(4)外部干扰。3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3.4 心电放大电路与测量系统构成心电放大电路与测量系统构成1.1.心电放大电路整体结构心电放大电路整体结构3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3.4 心电放大电路与测量系统构成心电放大电路与测量系统构成1.1.心电放大电路整体结构心电放大电路整体结构电路特点:(1
21、)输入阻抗高;(2)共模抑制比高;(3)抑制漂移能力强。3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3.4 心电放大电路与测量系统构成心电放大电路与测量系统构成1.1.心电放大电路整体结构心电放大电路整体结构第一级电路具有完全对称形电路具有完全对称形式式,这种对称结构有利于克有利于克服失调、漂移服失调、漂移的影响。3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3.4 心电放大电路与测量系统构成心电放大电路与测量系统构成1.1.心电放大电路整体结构心电放大电路整体结构3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3.4 心电放大电路与测量系统构成心电放大电路与测量系统构成1.1.心电放大电路整体结构心电放大电路
22、整体结构3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3.4 心电放大电路与测量系统构成心电放大电路与测量系统构成2.2.采用右腿驱动放大电路减少共模电压干扰采用右腿驱动放大电路减少共模电压干扰共模电压:共模电压:VCM=(Id1+Id2)ZG=2IdZG3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3.4 心电放大电路与测量系统构成心电放大电路与测量系统构成2.2.采用右腿驱动放大电路减少共模电压干扰采用右腿驱动放大电路减少共模电压干扰提高共模抑制比的两种方法:提高共模抑制比的两种方法:提高输入阻抗提高输入阻抗从上面的分析可以看出,如果放大器输入阻抗足够高(与源阻抗相比),从上面的分析可以看出,如果放大
23、器输入阻抗足够高(与源阻抗相比),就会提高共模抑制比。就会提高共模抑制比。3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3.4 心电放大电路与测量系统构成心电放大电路与测量系统构成2.2.采用右腿驱动放大电路减少共模电压干扰采用右腿驱动放大电路减少共模电压干扰提高共模抑制比的两种方法:提高共模抑制比的两种方法:采用右腿驱动电路采用右腿驱动电路 (是减少位移电流干扰普遍采用的方法)(是减少位移电流干扰普遍采用的方法)3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3.4 心电放大电路与测量系统构成心电放大电路与测量系统构成2.2.采用右腿驱动放大电路减少共模电压干扰采用右腿驱动放大电路减少共模电压干扰提高共模
24、抑制比的两种方法:提高共模抑制比的两种方法:采用右腿驱动电路采用右腿驱动电路因因为为:所以:所以:3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3.4 心电放大电路与测量系统构成心电放大电路与测量系统构成3.3.采用隔离放大器实现安全测量采用隔离放大器实现安全测量为了人体的安全,通常对人体生物电信号测量技术采用浮地形式,为了人体的安全,通常对人体生物电信号测量技术采用浮地形式,以达到人体与电气的隔离。以达到人体与电气的隔离。3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3.4 心电放大电路与测量系统构成心电放大电路与测量系统构成3.3.采用隔离放大器实现安全测量采用隔离放大器实现安全测量浮地电气隔离的实现
25、:浮地电气隔离的实现:1.电磁耦合(变压器隔离放大器)电磁耦合(变压器隔离放大器)2.光电耦合(光电耦合器放大器)光电耦合(光电耦合器放大器)浮地优点:浮地优点:(1)保障人体的绝对安全;保障人体的绝对安全;(2)消除了地线中的干扰电流。消除了地线中的干扰电流。3.3 心电测量与仪器心电测量与仪器3.3.4 心电放大电路与测量系统构成心电放大电路与测量系统构成4.4.其它抑制干扰的措施其它抑制干扰的措施(1)除颤器高电压保护除颤器高电压保护 电管电管HL100组成高压保护电路高压保护电路,保护电压为50V左右。当高于50V的电压加到放大器输入端时放电管击穿。电容器电容器C100为抗高频干扰电容
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