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1、现代现代医学电子仪器原理与设计医学电子仪器原理与设计杨荣骞杨荣骞华南理工大学生物医学工程系华南理工大学生物医学工程系B6-134B6-134第六章第六章 医用监护仪器医用监护仪器6.1 6.1 医用监护仪器概述医用监护仪器概述6.2 6.2 临床常用的监护参数及测量原理临床常用的监护参数及测量原理6.3 6.3 床边监护仪床边监护仪6.4 6.4 中央监护系统中央监护系统6.5 6.5 动态监护动态监护6.6 6.6 医用监护仪发展动态医用监护仪发展动态 医用监护仪概述医用监护仪概述 病人监护仪是一种用以测量和控制病人生理参数、并可与已知设定值进行比较，如果出现超差可发出报警的装置和系统。病人
2、监护系统，它能进行昼夜连续监视，迅速准确地掌握病人情况，以便医生及时抢救，使死亡率大幅度下降。 监护仪与临床诊断仪器不同，它必须24小时连续监护病人的生理参量，检出变化趋势，指出临危情况，供医生作为应急处理和进行治疗的依据，使并发症减到最少，最后达到缓解并消除病情的目的。医用监护仪的临床应用医用监护仪的临床应用护理监护护理监护：手术中和手术后的监护；产妇生产过程中和其前后的分娩监护和胎儿监护；危重病人的监护；恢复期病人的监护；治疗病人的监护；长期监护等。监护系统监护系统：危重病人监护、冠心病监护、新生儿和早产儿监护等。疾病诊断、治疗、抢救等。按检测参数分：单参数监护仪、多参数监护仪按使用范围分
3、：床边监护仪、中央监护仪、离院监护仪按功能分：通用监护仪、专用医用监护仪按仪器接收方式分：有线监护仪、无限遥测监护仪按监护仪作用分：纯监护仪、抢救和治疗用监护仪按仪器构造功能分：一体式监护仪、插件式监护仪医用监护仪的分类医用监护仪的分类医用监护仪的结构医用监护仪的结构安全性能与国际标准接轨功能更强大、性能更卓越专用监护仪发展迅速远程监护和家庭监护日益普及医用监护仪的特点医用监护仪的特点主要监护参数主要监护参数一、心电图一、心电图导联:3个或6个,最多12个电极:肢体导联3个或4个; 胸导联3个(R、L、RF） 监护肢体导联和胸导联则至少5个6.2 6.2 临床常用的监护参数以及测量原理临床常用
4、的监护参数以及测量原理心电图机和心电监护的区别心电图机和心电监护的区别仪器类别通频带时间常数测量目的放大器性能要求心电图机0.0580Hz3.2S心电的细微结构(短时间)高心电监护125Hz0.3S心率(长时间)低二、心率：二、心率： 指心脏每分钟搏动的次数指心脏每分钟搏动的次数 瞬时心率：瞬时心率：心电图两个相邻心电图两个相邻R-RR-R间期的间期的倒数倒数F=1/TF=1/T（次（次/ /秒）秒）=60/T=60/T（次（次/ /分钟）分钟） 平均心率：平均心率：在一定计数时间内的在一定计数时间内的R R波的波的个数个数心率变异性分析心率变异性分析数据分析法建模心率变异性（heart ra
5、te variablity,HRV）是指逐次心动周期之间的微小时间变异数。HRV一般用R-R间期来描述，也可以用瞬时心率来描述。HRV分析就是通过对心率微小涨落的变换和处理以获取心血管系统、自主神经系统等有关信息的信号分析过程，对于大多数心血管疾病及其他相关疾病的早期诊断、治疗及预后评价具有重要意义。线性分析法统计学分析(时域分析法)、谱分析和传递函数分析(频域分析法)。非线性分析法Poincare映射图、分数维法、复杂度分析和非线性动力学分析。心率变异性分析方法心率变异性分析方法时域分析法基于统计学方法和几何学方法短时统计学分析指标 平均心率、平均R-R间期、极差、标准差（SDNN）、相邻间
6、期差的标准差（SDSD）、相邻间期差的均方根（rMSSD）、相邻间期差大于50ms的个数（NN50）和NN50占总间期数的百分比几何学分析R-R间期直方图、三角指数时域分析法特点:计算简单、指标意义明确频域分析法可以把复杂的心率波动信号按照不同的频段来描述其能量分布，将各种生理因素的作用适量分离进行分析。Welch法和自回归（AR）模型频域分析法主要计算参数:总功率（TP）、低频功率（LF）、高频功率（HF）、两个频率范围内总功率的比值（LF/HF）、归一化的LF和HF频域分析法特点:具有更高的准确性和灵敏度自回归（AR）模型按照最小均方准则估计参数的全极点模型传递函数随机序列x(n)的AR模
7、型功率谱函数AR模型分析法步骤记录心电信号识别R波（斜率阈值法），计算逐次心跳的R-R间期，以心跳次数为横坐标、心电图中R-R间期大小为纵坐标，得到心率图心率图中R-R间期随心跳次数的变化可被看作一种随机信号，对这种随机信号进行谱分析，可得HRV谱进行谱分解，分组归类计算各个组分的功率并比较并根据得到的心率图进行时域分析分析系统设计三、呼吸 呼吸监护指监护病人的呼吸频率，即呼吸率。呼吸频率是病人在单位时间内呼吸的次数，单位是次/分。1、热敏式呼吸测量用热敏电阻放在鼻孔处，当鼻孔中气流通过热敏电阻时，热敏电阻受到流动气流的热交换，电阻值发生改变。对于换热表面积为A，温度为T的热敏电阻，当感受到鼻
8、孔内温度为Tf的呼吸气流的流动，热敏电阻上的对流换热量为 是对流换热系数，Tf与人体温度接近，且恒温。若呼吸流速大，热交换Q就大,因此，热敏电阻温度T变化也较大 当鼻孔气流周期性地流过热敏电阻时，热敏电阻值也周期性地改变根据这个原理，将热敏电阻接在惠斯通电桥的一个桥臂上，就可以得到周期性变化的电压信号，电压周期就是呼吸周期，因此，经过放大处理后可以得到呼吸率。 2、阻抗式呼吸测量人体呼吸运动时，胸壁肌肉交变弛张，胸廓也交替变形，肌体组织的电阻抗也交替变化，变化量为0.13,称为呼吸阻抗（肺阻抗）。特点：呼吸阻抗电极与心电电极合用电桥激励电源采用20100kHz的高频电源激励源为恒流源脑电头皮电
9、极电阻测试电路四、有创血压 五、无创血压 六、心输出量 *七、体温 八、脉搏 *九、血气 *心输出量血流量 (Blood flow Volume)：单位时间内流过血管某一截面积的血量（mL/min or L/min）。心输出量(Cardiac Output)：是心脏每分钟射出的血量(L/min)。一般用肺动脉或主动脉中的血流量作为心输出量。每搏输出量(Stroke Volume)：每次心搏的血液输出量。 心输出量心输出量= =每搏输出量每搏输出量 心率心率心输出量测量方法:连续输注指示剂稀释法稀释技术:把已知浓度的一些示踪物质注进心脏之前的静脉血流中,指示剂通过心脏之后,在其下游测出稀释后的浓
10、度,由此算出心输出量。质量传输原理: 含有某种指示剂的血液流过机体时,机体向血液吸收或排除该指示剂,于是血液中指示剂浓度将发生变化:1、Fick法在开放血液循环中，以氧作为指示剂，由于肺毛细管与肺泡之间的氧交换量与肺血流量成正比，因此可以通过测量肺动脉和肺静脉的氧浓度测量心输出量。 Q为血流量(mL/min) ；Ca为动脉血氧浓度(mL/L)；Cv为静脉血氧浓度(mL/L)；dV/dt为单位时间内氧消耗量(mL/min)Fick法测量心输出量原理图 dVdt是肺氧消耗量，它等于吸入气氧含量与呼出气氧含量之差，用肺活量计测定，Ca用动脉心导管测定。Fick法测量精度高，是心输出量测定标准方法。2
11、热稀释法 热稀释采用冷生理盐水作为指示剂，具有热敏电阻的SwanGanz漂浮导管作为心导管。热敏电阻置于肺动脉，向右心房注人冷生理盐水。心输出量可由StewartHamilton方程确定： 是由注人冷生理盐水和血液比热及密度有关的常数，b0是单位换算系数，CT是相关系数，Vi和Ti是冷生理盐水的注入量和温度，Tb和Tb是血液温度和变化量。冷生理盐水可以用04 C的冰水液，也可用1925C的室温液。 脉搏 脉搏是动脉血管随心脏舒缩而周期性搏动的现象，脉博包含血管内压、容积、位移和管壁张力等多种物理量的变化 。光电容积式脉搏测量 光电容积式脉搏测量是监护测量中最普遍的，传感器由光源和光电变换器两部
12、分组成，它夹在病人指尖或耳廓上。光源选择对动脉血中氧合血红蛋白有选择性的一定波长的光，最好用发光二极管，其光谱在610-7710-7m。这束光透过人体外周血管，当动脉搏动充血容积变化时，改变了这束光的透光率，由光电变换器接收经组织透射或反射的光，转变为电信号送放大器放大和输出由此反映动脉血管的容积变化。 血气PO2是度量动脉血管中的含氧量，PCO2是度量静脉血管中二氧化碳含量 M是含氧量或含二氧化碳量，是溶解系数，p是PO2或PCO2，P是大气压氧和二氧化碳在血液中以物理溶解和化学结合两种状态存在，正是由于化学结合的存在，才使血液运输O2和CO2的能力大为提高。血液中Po2高时，血液呈鲜红色，
13、Po2低时血液呈暗红色。当光线透过不同Po2的血液时，光线通过光电变换器有不同的灵敏度。通过测量光电变换器的灵敏度，即可测定Po2。呼吸末二氧化碳（PetCO2）监护 呼吸末二氧化碳（PetCO2）是麻醉患者和呼吸代谢系统疾病患者的重要检测指标。监测呼气末二氧化碳浓度，不仅可监测通气而且能反映肺血流，具有无创及连续监测的优点，从而减少血气分析的次数。CO2测量主要采用红外吸收法，即不同浓度的CO2对特定红外光的吸收程度不同。因CO2能吸收红外线，用红外线透照测试气样后，光电换能元件能探测到红外线的衰减程度，所获取信号与参比气信号比较，就能得到CO2浓度。 CO2监护由主流式和旁流式两种。主流式
14、直接将气体传感器放置在病人呼吸气路导管中，直接对呼吸气体中的CO2进行浓度转换，然后将电信号送入监护仪进行分析处理，得到PetCO2参数。旁流式的光学传感器置于监护仪内，由气体采样管实时抽取病人呼吸气体样品，经气水分离器，去除呼吸气体中的水分，送入监护仪中进行CO2分析。血氧饱和度l 在O2运输中，O2主要与血红蛋白以结合形式存在于红细胞内，溶解的量极微，故每100ml血中，血红蛋白结合氧的最大量称氧容量（oxygen capacity，OCP），血红蛋白实际结合的氧量称氧含量（oxygen content，OCN）。l血氧饱和度为两者之比 正常血液中存在四种血红蛋白：即氧合血红蛋白(HbO2
15、)、还原血红蛋白(Hb)、碳氧血红蛋白COHb、高铁血红蛋白(MetHb)，其中Hb与氧作可逆性结合，而COHb和MetHb不与氧结合，所以测量原理 透射法:根据郎伯-比尔定律，当一束光照射到某种物质的溶液上时，物质对光有一定的吸收衰减，透射光强I与入射光强I0之间有以下关系： I =I0e-cd 式中，为物质的吸光系数，c为溶液的浓度，d为光穿过的路径。I0/ I比值的对数称为吸光度D，因此上式可表示为： D=ln（I0/ I）=cd若保持光的路径不变，吸光度便与物质的吸光系数和溶液的浓度成正比。血液中氧合血红蛋白（HbO2）和还原血红蛋白（Hb）对不同波长的光的吸收系数不同，在波长为600
16、nm 700nm的红光区，Hb的吸收系数比HbO2的大；而在波长为800nm 1000nm的近红外区，HbO2的吸收系数比Hb的大；在805nm附近是等吸收点。HbO2与HbR对红光与近红外光的吸收系数曲线测量方法 氧合血红蛋白和非氧合血红蛋白对不同波长红光和红外光的吸收存在差异，且每次脉搏搏动时，动脉血容量变化导致对不同波长光的吸收具有波动成分。所以采用两个波长的红光和红外发光器件依时序发红光不发光红外光不发光，交替工作。指套式血氧探头及其电路结构图血氧饱和度检测原理方框图不发光时光敏二极管检测到背景光和干扰信号产生的电流，发红光和红外光时光敏二极管检测到的是透射过人体组织的透射光的光电流以及背景光和干扰信号产生的光电流之和，通过差动放大器可以滤掉背景光和干扰信号产生的影响，得到发红光和红外光时透射光的光电流。进一步通过信号分离可以得到红光和红外光透射信号的直流和脉动分量(IDC)R,(IDC)IR,(IAC)R,(IAC)IR 求出系数R=(IAC/IDC)R/(IAC/IDC)IR 经验公式：血氧饱和度 SaO2=AR2+BR+C 式中A、B、C为经验常数THANK YOU!
