医用监护仪器解读

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1、六 医用监护仪器 概述 测量原理 测量方法 电路组成 技术发展 一、概述 概念： 长时间检测、监控病人生理参数，分析和报警 各种技术的集成 对传感器要求高 类型：按功能分类 l 冠心病监护（Coronary Care Unit，CCU） l 危重病人监护（Intensive Care Unit，ICU） l 新生儿监护、手术监护 l 其他专科监护病房，高压氧舱、外伤护理、放射治疗。 按测量参数：单参数，多参数 按使用范围：便携式、床边监护、中央监护 按接收方式：遥测监护 其他分类 特 点 无线 智能化 小型化 实用化 安全性 二、测量原理及结构 传感器模拟信号检测 模拟信号放大,滤波 数字信号

2、处理，计算，分析，判断 显示 报警 多路生理信号采集监护系统原理框图 生理参数的检测原理 （1）ECG 心脏在搏动之前，心肌首先发生兴奋，在兴 奋过程中产生微弱的电流，该电流经人体组织向 各部分传导，由于身体各部分的组织不同，各部 份与心脏间的距离不同，因此在人体体表各部位 ，表现出不同的电位变化，这些电位变化可通过 导线送至一种特制的记录装置记录下来，形成动 态曲线，这就是所谓心电图. 心电图（ECG）是多参数监护仪最基本的 监护内容，心电监护往往采用导联， 三个电极、五导联的心电监护仪电极片 在CRT屏幕上除给出心电波形外，同时给 出心率并具有心律失常自动分析的功能。 左上，(LA),左下

3、，LF 右上，RA,参考电极 （2）无创血压 心脏收缩时所达到的最高压力称为收缩压， 它把血液推进到主动脉，并维持全身循环。 心脏扩张时所达到的最低压力称为舒张压，它 使血液能回流到右心房。 血压波形在一周内的积分除以心周期T称为平 均压。 血压测量袖带的缠绕 方法图 监护仪中通常采用柯氏音法和测振法两类。 柯氏音法是检测袖带下的柯氏音（脉搏声） 来测定血压的，柯氏音无创血压监护系统包 括袖带充气系统、袖带、柯氏音传感器、音 频放大及自动增益调整电路、A/D转换器、 微处理器及显示部分等。 测振法是检测气袖内气体的振荡波，振荡波源于血管 壁的搏动，测量振荡波的相关点就可测定血压值（PS ，PD

4、和PM）。 测振法获得脉搏振动波的方法可借助压力传感器。 100多项专利 氧饱和度测量时手指安放的方法图 氧气和二氧化碳分压 光谱法，物质对光线的吸收 二氧化碳浓度代表代谢情况 体温测量 基础知识 人体产生热量，原因 严格地说，37C 新陈代谢过程 与外界交换热量途经 传导、辐射等途径向外环境散热 体内传热途径血液循环 人体深部处才能保持 体温分类三类 1.体表温度： 即皮肤温度,近躯干处温度高，四肢末梢低，一般低于37C 2.深部温度： 口腔、直肠、腋窝处温度，一般需测量5-10分钟 平时讲的体温为深部温度 3.器官温度： 肌体内器官的温度，有差异，比如肝脏温度比37C高 l在医学上常用测量

5、传感器有： 热电偶温度传感器 热敏电阻温度传感器 PN结温度传感器和集成温度传感器 红外热辐射式温度传感器 热电偶： 将两种不同性质的导体A、B组成闭合回路 若节点(1)、(2)处于不同的温度(TT0)时 两者之间将产生一热电势，在回路中形成一定大小的电流 ，这种现象称为热电效应。A和B分别称为热偶极子。 电势由接触电势和温差电势两部分组成 二、热敏电阻测温 1.热敏电阻 负温度系数(NTC)型：氧化镍、氧化钴 正温度系数(PTC)型：由钛酸钡和钛酸锶的混合物 2. NTC型热敏电阻的温度特性 电阻标称值 PNPN结温度传感器和集成温度传感器结温度传感器和集成温度传感器 l利用半导体PN结上正

6、向电压降的温度效应 l电流恒定时，V与T线性关系 l在低温测量和植入动物体内长期检测使用 l 红外热辐射式温度传感器红外热辐射式温度传感器 l红外辐射式温度传感器则属于不需与被测对象接触的 传感器，因而不会影响人体的生理状态 l根据Planck辐射定律，当物体的温度高于热力学温度 零度（-273.16）时，都要以电磁波的形式向周围辐 射能量，其辐射频率和能量随物体的温度而定。 l人体辐射红外线的波长约在3-16m之间，当体温改变 时，所辐射的红外线能量就会改变，红外辐射测温装 置就是根据检测人体表面的辐射能量而确定体温的 。 数字体温测量 电 源 体内温度测量 肿瘤处温度高 监测热疗效果 目前

7、，没有好的方法 体内体温无创检测是目前难点 采用MRI测量 在肿瘤热疗中非常重要 微波,超声热疗如何监控温度 稀释法 注入指示剂，处于非稳态 1）在输入点迅速注入质量为A的物质 在其下游的输出点测该物质的浓度C(t)，并绘出曲线 心输出量测量 （2）在dt时间内，通过输出点的物质的质量为dA dA=QC(t)dt 实际变为离散求和或求曲线下面积如何算？ 热稀释法 （1）快速注入热水（或冰水，对人体危害小） 在下游检测温度，并绘出曲线 根据热量、温度差计算流量，实际为离散求和 Q：注入的热量 Q是注入的热量 如血为37C，加入50C的水100g，则注入的热量 Q=(50-37)100水比热，热量

8、让血液温度升高 温度变化越快，Q越大 说明：此导管可用于测心输出量和血压 全长130厘米，直径2毫米 前段右心房注入冰水 后端肺动脉传感器测温度（绿色箭头部分） CO2口充入气体后，端部的小气囊鼓起， 血流导向气囊将导管(又称漂浮导管)自动往前推进 导管随气球进入右心房 注入冰水从离末端30cm处流入血液，离末端4cm热敏电阻 测温测量心输出量，测血压口用于直接耦合测血压 多腔室，测温、测心输出量，测血压 呼吸测量概述 呼吸系统的模型 横膈膜和胸肌活塞 胸壁圆筒 肺气囊 呼吸系统作用：吸收氧气，放出二氧化碳 当横膈膜向下运动时，它对肺的压力变为负的， 肺内压力（P肺）低于气道口压力（P气道口）

9、， 空气从气道口流入肺内。 当横膈膜向上运动时，P肺高于气道口压力P气道口 空气沿气道口流出。 横膈膜运动是自主行为 1)肺容量 呼吸过程中，肺的容量随着胸腔空间的变化 吸气时，胸腔空间扩大，肺容量增加， 呼气时，肺容量也会随着胸腔空间的减少而减少。 呼吸功能参数 1、压力、气道阻力、流量、容量、频率、肺顺应性 (肺顺应性：肺每增加单位外部压力时，肺容量增加的程度) 2、血氧、氧分压、二氧化碳分压 肺量图 呼吸功能参数 平静之后，倘若再尽力呼气，所呼出的气量为补呼气量 正常成年人平静呼吸时，每次吸入和呼出之气量基本相等， 每次呼出或吸入的气量称为潮气量，约400-500ml。 (1)潮气量：

10、(2)补吸气量和深吸气量： 平静之后，尽力作一深吸气，所吸入的气量为补吸气量 若从平静呼气基线算起到最大，称为深吸气量。 (3)补呼气量： (7)呼吸频率 (4)肺活量： 在最大吸气后尽力所能呼出的气量为肺活量。 时间肺活量：先做深吸气，然后以最快速度呼出， 正常人在1、2、3秒内应为肺活量的83%、96%、99%。 (5)残气量： 吐气到最后，不可避免还剩下的气量 (6)肺总容量 肺所能容纳的最大气量 单位时间内的呼吸次数。 呼吸频率，胸廓体积变化，热量法 呼吸流量，各种各样方法，压力等 三、呼吸参数测量 呼吸参数测量 弹性应变仪：装有水银的橡皮管，放在胸部 呼吸引起胸围的变化，橡皮管电阻变

11、化 接入电桥，电压变化为呼吸频率 呼吸频率 呼吸过程中的胸廓运动会引起人体电阻抗的变 化，呼吸阻抗的变量约0.13。 利用ECG导联的两个电极，由监护仪产生10 100kHz的载波恒流注入0.55mA的电流，在电 极上拾取呼吸阻抗变化的信号，呼吸阻抗的变 化图描述了呼吸的动态波形，并可提取呼吸率 参数。 电极法 外部施加10k-100K交流电,电桥有输出 输出正弦信号: 代表吸气和呼气 热敏电阻：气流速度不同，产生不同的热量 电阻变化，接入电桥，测量电压变化 气流 在单位时间内流过某一截面的体积 Q=V.S 瞬时单位：ml/s 平均流量的单位：l/min（一段时间内平均值） 流量检测 气流在金

12、属管中流，外边为绝热室。 管壁缠绕两根相同的热电阻丝R1、R2,与R3、R4构成电桥 R1、R2：高电阻温度系数；R3、R4：低电阻温度系数 热式呼吸流量计 流量计 结构 当电桥通电但无气流时，R1、R2加热，阻值仍相同， 温度对称分布，电桥输出为0。 当电桥通电有气流时，R1、R2离入口距离不同导致温度 不同，从而阻值不同，电桥输出非0 气流流过热源，会带走一部分热量，流量大带走热量大 原理 该电压输出和气体流量成确定的函数关系， 信号转换为流量信号记录呼吸曲线。 当气流流向改变时，R1、R2的阻值变化相反， 电桥输出极性相反，因此可区分呼气和吸气过程 如何判别气流方向？ 由流量-压差变换器

13、和压差-电压变换器组成 （1）流量-压差变换器：气体流速到压差的一次变换 一定流量的气体穿过小孔:节流孔 压差式呼吸流量计 S1v1=S2v2 只要测量p2-p1,计算v1,v2 =恒量 P与v成反比 2）压差变换器：完成压差到电信号的二次变换 流量变换器产生的压差加到两入口处 无气流，P2=P1，膜片平衡位置，交流电桥处于平衡态； 有气流时，例如P2P1时，极片随着膜片向左偏移， 引起交流电桥不平衡，所以将压差变为电压输出 家用水表,燃气表 气道中有一涡轮，涡轮旋转与气体之流量有关 将气流速度变为涡轮转动速度 用涡轮遮挡光束，光敏元件检测光的有无，形成脉冲， 对脉冲记数，可得流速和流量（呼吸

14、量） 当窗口与光线在一条直线时，透光 旋转叶片式传感器 1.原理：电磁感应定律 导体在磁场中切割磁力线运动会产生感应电动势 E=BlV，方向符合右手定则： 右手拇指和其余四指垂直，掌心迎向磁场方向， 拇指指向导体运动方向，则其余四指指向导体中感 生电动势的方向（由负到正） 磁电传感器 动圈式心音传感器(分析) 线圈中感应出与线圈运动速度成正比的电动势 生化参数测量 光电法 血糖测量: 取血,试纸条,光学法 试纸上葡萄糖氧化酶与血液中葡萄糖反 映,使颜色改变. 无创法测血糖,多红外光照射. 化学传感器,如各种离子传感器 测量PH,O2,CO2 模块化多生理参数床边监护仪的组成原理框图 （三） 多

15、参数监护测量电路 工控板，经受恶劣环境，开放式总线结构，体积 紧凑，扩展方便。 CMOS器件设计，功耗低 提供丰富的外部接口,主控板提供显示和处理 嵌入式操作系统,使用PC机的软件资源，实现复 杂资源的控制, Windows CE, Windows Mobile phone 8, Linix 计算机与计算机接口 信息输出：以约定的协议通过串口传输给上位机 （工控卡）各生理参数的测量结果和波形数据。 CPU处理器：采用嵌入式CPU，16位数据总线、 8MHz总线速度。 DMA通道：7。 中断：15级。 内存：4MB在板。 I/O:一个硬盘口、一个软驱口、3个RS-232串口、 1个RS-232/485串口、1个双向并口、16bit GPIO 。 显示：1MB显存，支持最高24bit液晶屏，支持 CRT。 以太网：NE2000兼容，内建16KRAM缓冲区， 10MB传输速率。 电源：单5V，960mA。 工控板 嵌入式触控计算机及Wifi模块。 心电模块硬件框图 BT007心电模块图 血压模块框图 血氧模块框图 血氧模块 监护模块提供串口通讯协议 与工控板接口 显示 无线传输，蓝牙(2.4G)，WIFI等 四 心率监护原理 床边心电监护 除颤抑制 滤波电路半波整流 阈值电路 比较电路 单稳电路 计数电路 A:200mvB:-200mv 正常时，