临床检验分析技及仪器

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1、第三章第三章 临床检验分析技术及仪器临床检验分析技术及仪器 本章主要内容本章主要内容v 体液、血液成份分析技术及仪器体液、血液成份分析技术及仪器 v 人体电生理参数检测仪器人体电生理参数检测仪器 v 人体非电生理参数检测技术及仪器人体非电生理参数检测技术及仪器 v 病人监护仪器病人监护仪器(Patient Monitor) 前言前言l医学仪器定义医学仪器定义 参考国际标准化组织(ISO)对医疗器械(Medical Device)的定义，医学仪器(Merument)是指那些单纯或者组合应用于人体的仪器，包括所需要的软件。其使用目的是：v疾病的预防、诊断、治疗、监护或者缓解疾病的预防、诊断、治疗、

2、监护或者缓解; ;v损伤或残疾的诊监护、缓解或者补偿损伤或残疾的诊监护、缓解或者补偿; ;v解剖或生理过解剖或生理过 简单的说：简单的说：器是以器是以医学临床医学临床和和医学研究医学研究为目的仪为目的仪器器前言前言l医学仪器的分类医学仪器的分类化学分析类仪器化学分析类仪器（人体各种生物、化学物质检测）生理类仪器生理类仪器（电生理、非电生理参数检测）医学成像类仪器医学成像类仪器（X射线成像计算机断层成像、超声成像、磁共振成像等）治疗类仪器治疗类仪器（激光治疗、微波治疗、超声治疗等）前言前言l医学仪器发展简史医学仪器发展简史v2500年前黄帝内经中所述“九针”是人类最早发明、精心制作的医疗器械。v

3、1816年发明听诊器v1850年发明临床体温计 由于19世纪末20世纪初科学的重大发现（以量子力学和相对论为代表）和工业文明（以机械制造和电子工程为代表）的出现。现代医学仪器诞生并迅速发展。v1895年伦琴伦琴发现X射线（1901年首届诺贝尔物理奖）v1903年荷兰生理学家艾萨文艾萨文研制出第一台心电图仪（1924年诺贝尔生理学与医学奖）v1924年法国科学家BergerBerger第一次给出人类癫痫病发作时的脑电图。v1972年HousfieldHousfield与CormackCormack将计算机与X射线结合，发明计算机断层扫描仪（1979年诺贝尔生理与医学奖）v1973年Lauterb

4、urLauterbur与MansfieldMansfield研制出磁共振成像仪（2003年诺贝尔生理与医学奖）第第1 1讲讲 体液、血液成份分析技术及仪器体液、血液成份分析技术及仪器 临床检验分析是研究在生理、病理情况下人临床检验分析是研究在生理、病理情况下人体内物理、化学变化的一门科学。体内物理、化学变化的一门科学。通过测定血液、通过测定血液、体液中一些组分的含量和循环、微循环系统的理体液中一些组分的含量和循环、微循环系统的理化特性，化特性，作为医生对病人进行诊断疾病、观察病作为医生对病人进行诊断疾病、观察病情、设计治疗、判断疗效的依据。情、设计治疗、判断疗效的依据。 随着科学技术的发展，尤

5、其是酶学、免疫化随着科学技术的发展，尤其是酶学、免疫化学、分子生物学、分析化学、化学仪器、电子技学、分子生物学、分析化学、化学仪器、电子技术和计算机技术、传感器技术的快速发展，使临术和计算机技术、传感器技术的快速发展，使临床化学无论在分析技术和仪器研制方面都有很大床化学无论在分析技术和仪器研制方面都有很大的进步，的进步，多指标分析、高精度数字处理及全自动多指标分析、高精度数字处理及全自动化化，是临床化学分析仪器及其他检验仪器的发展，是临床化学分析仪器及其他检验仪器的发展方向。方向。 第第1 1讲讲 体液、血液成份分析技术及仪器体液、血液成份分析技术及仪器 一、自动生化分析仪一、自动生化分析仪

6、用途用途：生化分析仪主要用于检验人体血清、血浆、或尿液中的各种代谢产物、蛋白、电解质等，例如血糖、血脂、三酸甘油酯、心肌酶谱、尿素氮、淀粉酶等，以作为心脏疾病、肾功能、肝功能的检查判据。HITACHI 7080 全自动生化分析仪全自动生化分析仪第第1 1讲讲 体液、血液成份分析技术及仪器体液、血液成份分析技术及仪器 原理原理：生化分析仪的基本原理是光度法光度法，仪器的核心部分是光电比色计或分光光度计。光度法基于朗伯一比尔定律朗伯一比尔定律。当特定波长的光穿过一定厚度一定浓度的有色溶剂的溶液时，入射光强I0与透射光强I之间的关系： I= I0e -Cd 其中是溶质对特定波长的吸收系数吸收系数(波

7、长一定时，是一个常数)，C是溶液浓度，d是光穿过溶液的路径(即比色杯的直径，为一常数)。上式即为朗伯-比尔定律。若测出I0和I，从上式即可计算出物质的浓度C。 几点说明几点说明： (1)入射光在比色杯的表面会产生反射反射，一部分光亦会被比色杯壁和溶剂吸收吸收，为了消除这些因素，测定时还要同时测定一个内装有该溶剂的标准浓度溶液的参考杯参考杯。 (2)现代仪器都用特定波长的光特定波长的光来进行测量，一般使用滤光滤光片片滤光或棱镜棱镜分光获得单一波长的光。用滤光片的仪器称为滤光光度计或用滤光片的仪器称为滤光光度计或比色计比色计，用棱镜的仪器称为，用棱镜的仪器称为分光光度计分光光度计。第第1 1讲讲

8、体液、血液成份分析技术及仪器体液、血液成份分析技术及仪器 组成组成：由光源、单色光器(有滤光片、棱镜、光栅三种类型)、比色杯、光电检测器、放大器、A/D转换器和计算机等部分组成。现代的自动生化分析仪以分光光度计为核心以分光光度计为核心，并将过去手工操作的环节如血清分离、标本输送、标本分配、加试剂混合、控制反应时间、比色、废液处理等，都由计算机控制的机械化装置完成。第第1 1讲讲 体液、血液成份分析技术及仪器体液、血液成份分析技术及仪器 分类分类:从结构上分大体可分为三类：连续流动式连续流动式、分立式分立式和离心式离心式。 1 1连续流动式连续流动式 1957年美国Skeggs博士首先提出了气泡

9、隔离连续流动分析气泡隔离连续流动分析原理。这是世界上第一种临床化学分析自动化仪器，从此临床化学自动化分析仪发展迅速。 这种仪器利用比例泵压缩不同内径弹性塑料管，将标本和试剂按比例地吸收到管道系统中。在一定条件下，标本和试剂在管道内连续流动，同时在流动过程中完成混合、保温，并使标本和试剂产生反应、比色等步骤。最后打印测定结果。 早期的这种仪器为单通道，只用于测定葡萄糖和尿素氮，测试结果以光密度表示。随后分析项目增加了，测试结果也能以数字打印显示。1964年又开发生产了连续多道分析仪，每小时可测60个样本，每个样本可测六个生化指标，直接显示浓度结构。1977年增加了内置计算机控制系统，每小时可测1

10、50个样本，每个样本可测20个指标，使连续流动式分析仪技术达到一个更高水平。 第第1 1讲讲 体液、血液成份分析技术及仪器体液、血液成份分析技术及仪器 2 2分立式分立式 分立式仪器实际上是以自动化方式模仿手工操作方式，在一个个比色杯中自动地定量加样本，加试剂，经加热而产生化学反应，然后一个个比色杯进行比色测定，再将浓度结果打印记录。所以分立式仪器从结构上都由以下五个部分组成，即样本定量取样和加试剂、反应温度和时间控制、比色以及数据显示和记录。 3 3离心式离心式 离心式自动生化分剂和样本相混合，并利用离心力使混合物贮存于转子最外端比色槽中。在离心过程中，试剂和样本进行反应，并由垂直于该转子的

11、光度计进行检测。 转子为该仪器重要平均每分钟500转，离心机启动后，样本和试剂在几秒钟内混合并进入比色槽。光度计同时进行检测，并在记录器上显示测定结果。 该仪器可用于终点法测定的动力法测定，在短时间内可分析约30个样本。其另一特点为试剂及样本用量少，故降低了检测费用。 第第1 1讲讲 体液、血液成份分析技术及仪器体液、血液成份分析技术及仪器l二、电解质分析仪二、电解质分析仪 v电解质对于保持体液的酸碱平衡、维持渗透压等起着重要作用。电解 质分析仪用于测量人体血液中Na+、K+、Cl-、HCO3-、Ca+等离子。v目前测量人体血液中电解质一般都用离子选择性电极离子选择性电极或火焰光度计火焰光度计

12、。v火火焰焰光光度度计计原原理理：每一元素都有其特定发射光谱，即其谱波长特异性。以火焰为激发源，对某些金属元素的发射光谱进行光度分析的称为火焰光度法。v离离子子选选择择性性电电极极原原理理：依靠电极与样本中离子直接接触，通过建立起电位进行测量的。 钠电极为玻璃电极，由玻璃敏感膜制成。 钾电极的敏感膜由PVC和缬氨酶素的混合物制成。 氯电极敏感膜由金属氯化物材料制成。 重碳酸离子一般以二氧化碳总量来测量，所以也是用二氧化碳气敏电极测量。国际上测定血样本中电解质都采用离子选择性电极分析仪，而采用火焰光度计的只是少数。 几种常用电极几种常用电极第第1 1讲讲 体液、血液成份分析技术及仪器体液、血液成

13、份分析技术及仪器l三、血液学分析仪三、血液学分析仪用用途途：测定全血中白细胞、红细胞、血小板、血红蛋白、平均红细胞容积、红细胞压积等。若仪器测定红细胞、白细胞、血红蛋白三种指标，则称为血血细细胞胞计计数数仪仪。(过去血红细胞计数是用显微镜以目测法来计数，误差较大这是一项工作在我国一些医院中特别是县级医院，现在用目测法技术仍占相当大比例。)血细胞计数技术发展情况血细胞计数技术发展情况 50年代库库尔尔特特研制生产了第一代血细胞计数器，这对血液实验室产生了很大影响，使血细胞计数从繁重的目测法劳动中解放出来，库尔特计数仪所用原理为电电导导法法，又称。电路接通后，两个电极通过计数器管的小孔形成一个电路

14、(另一负电极在待测血细胞电解质释放液中)。血细胞与释放液比较，电阻较大。当计数管内抽气形成负压后，管外的血细胞悬浮液流向管内，每一个血细胞通过小孔时，由于电阻变化，瞬间产生了电压变化，并产生微弱脉冲信号，此信号再经过放大和触发计数电路，进行记数。现现在极大部分血球计数器都是利用此原理进行设计制造的在极大部分血球计数器都是利用此原理进行设计制造的。第第1 1讲讲 体液、血液成份分析技术及仪器体液、血液成份分析技术及仪器 这种仪器的计数小孔有时会产生堵塞现象，且有时会有一个以上的血细胞同时通过小孔，造成计数上的偏差。 70年代后期，美国Oetho公司利用光斑产生脉冲以及细胞流经激光束时产生的散射来

15、进行计数，这就是激光血液学测定装置。采用流体动力不聚焦技术，所以不会产生堵塞现象。 血小板计数血小板计数在临床上诊断某些疾病的作用日益重要，现在血小板测定基本上采用离心法较多，利用特定试剂，在离心机上进行分离，红细胞在离心力作用下沉积，而血小板仍悬浮在试液中，一试液于细胞计数器中进行血小板计数。第第1 1讲讲 体液、血液成份分析技术及仪器体液、血液成份分析技术及仪器l四、血气分析仪四、血气分析仪 用用途途：用于测量血液中的PH值、二氧化碳分压(PCO2)和氧分压(PO2)。若在仪器中再输入个PH电极，即使如此，在临床抢救时已发挥了作用。1957年二氧化碳气敏电极问世，它被立即用于血气分析仪。

16、60年代，配备有PH值、二氧化碳及氧电极的血气分析仪开始生产，只须采集血液样本，送入仪器后，测量、计算、清洗、标定等都自动进行。 PH值电极是一种 二氧化碳电极实质上是一只平头膜PH电极，它将二氧化碳分压的变化转化成PH值变化，从而达到测量二氧化碳分压。它的结构是在PH电极敏感膜外部装一片能渗透二从而改变了PH值，也即反映了二氧化碳浓度。 气敏氧电极为一极谱电极，氧的测量基于电解氧原理。被测电流大小正比于分压的高低。l五、尿分析仪五、尿分析仪 尿分析仪是专用于分析尿液的自动生化分析仪。它采用专用的试纸带，利用球球面面积积分分式式双双波波长长反反射射光光度度计计原原理理。由单片机控制，通过测定试

17、纸带颜色变化就可求得尿液中各种成分的浓度。一次检测8个常规指标，有：尿PH、蛋白质、葡萄糖、酮体、隐血、胆红素、尿胆素原、压硝酸盐。 组成组成：尿分析仪由光电系统（光源、球面积分析仪、滤光片、光电检测器）、扫描机构、残尿吸取机构、试纸带位置检测电路以及单片机控制系统组成。 工作原理工作原理：光源灯发出的白光通过球面积分仪的通光筒，照射到浸了尿液的试纸带上。试纸带把光反射到球面积分仪中，球面积分仪具有对反射光的聚焦作用。球面积分仪上有三块滤光片和三个光电检测器。分别对应波长为500nm、620nm、720nm的单色光，其中720nm是参考波长。扫描机构由步进电机驱动带动光电系统对试纸带进行扫描，

18、对标本进行逐一测试。光电转换信号经电流/电压转换器及A/D转换器后进计算机系统进行数据处理，测试结果由微型打印机打印。显示器显示定时间和标本序号，仪器有上电自检功能。 第第1 1讲讲 体液、血液成份分析技术及仪器体液、血液成份分析技术及仪器第第1 1讲讲 体液、血液成份分析技术及仪器体液、血液成份分析技术及仪器l其它医用化学类分析仪器其它医用化学类分析仪器v质谱测量仪质谱测量仪（一种把原子或分子根据它们的质量进行分离的一种分析仪器，已成为当今蛋白组研究的重要手段已成为当今蛋白组研究的重要手段）v色谱仪色谱仪（层析仪，于混合物中的成分在通过一个装有气体或液体的圆柱时由于速度不同而得以分离）v电泳

19、仪电泳仪（在电场中离子的移动导致暴露在电场中的离子产生分离的分析方法）v磁共振波谱仪磁共振波谱仪（在外技术。如果测量的是电子的吸收，称为电子自旋共振；如果测量的是核子的吸收称为核磁共振）第第2 2讲讲 人体电生理参数检测仪器人体电生理参数检测仪器 生物电现象是细胞实现一些最重要功能的关键因素，是生命现象的表现之一。用微电极可以记胞的静息电位和动作电位，一般从几微伏至上百毫伏之间。由细胞电位构成人体的主要电生理电、脑电、肌电、眼震电等。由于它们在一定程度上反映人体生理状况，因而构成了相应的测量仪器用于临床。 第第2 2讲讲 人体电生理参数检测仪器人体电生理参数检测仪器l一、心电图机一、心电图机

20、正常人体内，由窦房结发出的一次电兴奋，按一定途径和时程，依次传向心房和心室，引起整个心脏的兴奋，使心脏周期性地收缩，推动血液在全身循环。因此，每一个心动周期中，心脏各部分兴奋过程中出现的电变化的方向、途径、次序和时间都有一定的规律。这种生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液反映到身体表面上来，使身体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的电变化。把测量电极放置在人体表面的一定部位，记录出来的心脏电变化曲线即为临床常规心电图ECG (Electro cardiogram) (图2-4)。第第2 2讲讲 人体电生理参数检测仪器人体电生理参数检测仪器 将ECG的五个主要的波定义为P、Q、R、S、T波。

21、心脏发生病变时心脏发生病变时心电图会发生异常，所以心电图心电图会发生异常，所以心电图用来诊断心脏疾病。用来诊断心脏疾病。记录心电图常用标准十二导联十二导联法法： I、叫标准肢体导联，以右下肢为参考电极左上肢-右上肢为I肢为导。aVR、aVL、aVF为加压导联，Vl-V6 为胸部6导联。心电图依次测量这12个导联的心电信号并加以描记。 第第2 2讲讲 人体电生理参数检测仪器人体电生理参数检测仪器 心电图机的关键关键是前置放大器，对心电放大器的要求是放大放大倍数高倍数高(约5000倍)，输入阻抗高输入阻抗高(10M)，共模抑制比共模抑制比CMRRCMRR大大(80100dB)频率响应足够宽频率响应

22、足够宽(0.05Hz100Hz)，以及良好的电气安全技术，现都采用浮地电源和光电隔离放大器。图图图图2-5 2-5 2-5 2-5 具有导联自动转换及光电隔离放大器的心电图机方框图具有导联自动转换及光电隔离放大器的心电图机方框图具有导联自动转换及光电隔离放大器的心电图机方框图具有导联自动转换及光电隔离放大器的心电图机方框图导 联选择器前 置放大器光电隔离主放大器描记器光电隔离浮地电源主电源微机按键液晶显示1mV定标器第第2 2讲讲 人体电生理参数检测仪器人体电生理参数检测仪器v现代心电图机装有微处理器，不仅控制导联自动转换，还具有分析功能，叫自动分析心电图机自动分析心电图机。这种心电图机可以自

23、动测量心率心率、各种幅度、间期各种幅度、间期。例如R波幅度、ST段电平、QRS波群宽度、瞬时心率、平均心率等几十个参数，这些参数一同与心电图由阵列式热敏打印机打印出来。自动分析心电图一般采用16位微机，16bit的AD转换器，用4000或8000次秒的采样频率，使分析精度很高。v 90年代出现的心电工作站心电工作站使用个人电脑，采集12导联心电数据，可进行心率失常分析，心电向量图分析以及心室晚电位分析。 第第2 2讲讲 人体电生理参数检测仪器人体电生理参数检测仪器二、脑电图机二、脑电图机 脑电图脑电图：大脑皮层的神经元具有自发生物电活动，因此大脑皮层经常具有持续的节律性电位改变，称为自发脑电活

24、动。临床上采用双极或单极记录方法在头皮上观察大脑皮层的电位变化，记8道或16道脑电波行，用8笔或16笔的墨水笔描记。现代脑电波有64道和128道的。其中前置放大器也采用浮地电源和光隔离技术，由微机控制，键盘操作。 脑脑电电信信号号特特征征：从头皮描记的脑电波强度很小，一一般般为为10105050vv，频率范围从0.5100Hz。国际上对脑电波的分类（按波的重复节律不同）统一为四个阶段： 波 4-138Hz 波 13-408Hz 波 4-8Hz 波 0.5-48Hz 临床应用：临床应用：脑电波形的频率特性似乎比幅度特性在临床上更显得重要脑电波形的频率特性似乎比幅度特性在临床上更显得重要。脑电在时

25、域(Time domain)中不易得到什么特征参数，而若将它们变换到频域(Frequency domain)中就很容易分出波、波、波、波。这四种波是否出现，出现频繁程度等均与生理病理状态有关。临床常用来诊断癫痫等神经病和脑部肿瘤。 第第2 2讲讲 人体电生理参数检测仪器人体电生理参数检测仪器三、诱发电位仪三、诱发电位仪 除了自发脑电波外，用刺激的方法能够引起大脑皮层局部区域的电活动，称为脑诱发电位脑诱发电位EP(Evoked Potential)。刺激方式通常有三种：视觉刺激、听觉刺激和体感刺激，可在与刺听觉诱发电位听觉诱发电位AEP(Auditory Evoked Potential)、体感

26、诱发电体感诱发电位位SEP(Somatic Evoked Potential). 类型 刺激方法测量测量部位部位 临床价值VEP闪光或视觉图形刺激头皮枕叶部多发性脑硬化外周神经伤害神经病SEP电流刺激感知皮层上外周神经纤维和皮层之间脊柱通路的疾病AEP声音（咔嗒声、爆发声、白噪声）脑干上听觉通路缺欠疾病表表2.12.1三种诱发电位的测量部位及临床价值三种诱发电位的测量部位及临床价值 第第2 2讲讲 人体电生理参数检测仪器人体电生理参数检测仪器四四、脑电地形图仪脑电地形图仪(Topographic Brain Mapping) 现代脑电地图仪将脑电图仪、诱发电位仪及自发脑电/诱发脑电地形图集一机

27、，彩色电视监视器上可显示16道脑电图，或16道诱发电位，或脑电地形图。由自发脑电经统计分析绘成的地形图称为自发脑电地形图自发脑电地形图。由诱发脑电各潜伏期作出的地形图称为诱发脑电地形图诱发脑电地形图。脑电地形图对诊断脑部疾病脑电地形图对诊断脑部疾病( (例如癫痫、肿瘤例如癫痫、肿瘤) )比波形更直观。比波形更直观。正常脑电地形图左右两侧对称，视觉诱发脑电地形图呈现不对称性，说明被测者脑部有疾病。 第第2 2讲讲 人体电生理参数检测仪器人体电生理参数检测仪器五、动态脑电记录分析系统五、动态脑电记录分析系统( (脑电脑电HolterHolter系统系统) ) q脑电Holter系统可以把病人在正常

28、生活环境中从事日常活动的脑电活动长时间地(至少24小时)实时记录，然后回放并进行详细观，从而有利于对异常脑电波的发现与诊断，主要用主要用于对癫痫的鉴别和诊断于对癫痫的鉴别和诊断。 q脑电Holter系统由记录器记录器和计算机回放分析系统计算机回放分析系统两部分组成。q记录器一般做成佩带式的，能够24小时大容量多信道无失真的脑电脑电信号存储信号存储。q计算机回放系统有回。分分析析功功能能有：各种形式的脑电地形图；功率谱分析、谱参数提取；各节律能量直方图；压缩功率谱阵图；相关分析、时域分析；伪差滤除；癫痫波自动识别及定位；睡眠波分析等。 第第2 2讲讲 人体电生理参数检测仪器人体电生理参数检测仪器

29、 六、眼震电图仪六、眼震电图仪 当眼球运动时，就可以记录到眼动波形，眼动波形也是一种生物电信号，分水平眼动波形和垂直眼动波形。当前庭器官在受到某种刺激(例如角加速度刺激，冷热水温度刺激)时，就会产生诱发眼震。眼震是一种半节律性变化的眼球摆动，由两个时相慢相和快相组成。由于眼球的角膜和视网膜之间存在着不同的生物电位，眼球的摆动会引起这个电位的变化，且这个变化与眼球的角度近似呈线性关系，记录下这个电位变化，就是眼震电图ENG(Electronystagmogram)。测量其慢相速度、快相速度、眼震频率等各种参数。 在临床上用于诊断眩晕病在临床上用于诊断眩晕病，也是航海航空人员的体检方法之一。 第第

30、2 2讲讲 人体电生理参数检测仪器人体电生理参数检测仪器 七、肌电图仪七、肌电图仪 肌电图(Electromyogram，EMG)是肌肉产生的生理电信号的记录。它可以通过放置在皮肤上的表面电极来测量，也可以用针电极经皮肤插入肌肉来测量。 肌电图的幅度与电极放置部位有关，范范围围大大约约为为5050VV-5-5mVmV，带带宽宽为为2-5002-500HzHz。 肌电图仪由电电极极、前前置置放放大大器器和主主放放大大器器、示示波波器器波波及及描描记记器器组成。肌肌电电图图用用于于诊诊断断神神经经肌肌肉肉麻麻痹痹等等疾疾病病。现代肌电田仪常与诱发电位仪合为一机，由微机控制，成为“五笔描记型”，用电

31、视监视器显示波形，由热阵打印机或激光打印机打印波形。 用微电极插入单个肌纤维测量动作电位可获得分辨率更高的单纤维肌电图。由神经细胞、神经纤维、神经肌肉节及肌纤维组成的综合体称为运动单元，用同心针电极可以测得它的动作电位称为运动单元动作电位(MVAP)。MVAP的持续时间约为2ms-10ms幅度100V-2mV，频带宽度5Hz-10Kz。 第第2 2讲讲 人体电生理参数检测仪器人体电生理参数检测仪器 八、胃电图仪八、胃电图仪 胃电图(Eleetrogastrogram，EGG)是将电极放置在腹部记录到的胃肌电活动信号。胃电图(包括肠电图合称胃肠电图)用用于于肠肠胃胃运运动动功功能能的检测的检测，

32、如非溃疡性消化不良。目前正处于研究阶段。 胃肠电信号是VV量量级级频率范围是：胃电正常范围2.5-3.6次分，在3.7-9.9次分是异常胃动过速，在1-2.4次分范围是异常胃动过缓；结肠电正常范围1-7次分，小肠电正常范围8-12次分。由于胃胃肠肠电电信信号号幅幅度度微微弱弱，频频率率范范围围接接近近直直流流，具具有有随随机机特特性性，所以需要高性能的放大器(具有高增益、低噪噪声、低漂移、高稳定和高灵敏)。 胃肠电是随机信号，单个波形是没有意义的，无法用肉眼直接分析，一定要经过计算机机对胃肠电信号进行统计分析处理。傅立叶频谱分析傅立叶频谱分析是现今对胃肠电分析的最有效方法。是现今对胃肠电分析的

33、最有效方法。 http:/ 3讲讲 人体非电生理参数检测技术及仪器人体非电生理参数检测技术及仪器 l前言前言 人体非非电电生生理理参参数数主要有动动脉脉血血压压、心心音音、体体温温、脉脉搏搏、呼呼吸吸，血血氧饱和度氧饱和度等，这些生理参数在临床诊断上有重要意义。 随着传感器技术、电子技术、计算机技术、光电技术及数字信号处理技术的发展，一些非非电电生生理理参参数数的的电电子子测测量量仪仪器器相继出现，例如电子血压计、电子体温计、光电心率计等，这些仪器与传统的测量手段并驾齐驱，并进入家庭。光光电电无无损损检检测测技技术术是非电生理参数测量的发展方向，特别是血压及血氧饱和度的光电无损检测，是当

34、前研究的热门课题，已有仪器问世。此外一些生化指标如血糖、黄疸等也采用光电法进行无损测量。 非电生理参数也是病人监护仪中监护的主要内容非电生理参数也是病人监护仪中监护的主要内容，例如在多参数监护仪中，除了监护心电外，还监护血压、体温、呼吸、血氧饱和度等。将测量心电、血压、心音、脉博等电生理和非电生理参数的电路做成模块，就组成多道生理信号记录仪。 第第3 3讲讲 人体非电生理参数检测技术及仪器人体非电生理参数检测技术及仪器 一、血压检测一、血压检测 血压检测分为有创检测有创检测和无创检测无创检测。 有创检测是采用动脉插管接压力计或压力传感器的方法，此种方法测量准确，但给病人造成痛苦，只在心血管手术

35、时只在心血管手术时运用运用。 无创检测传统的方法是听诊法听诊法，又称柯氏音法柯氏音法，这种方法是俄国医生Korotkoff于1905年发明的。 无创血压检测的另一种方法叫示波法示波法，此法在放气过程中不是检测柯氏音，而是通过压力传感器检测袖内气体的振荡波。振荡波起源于血管壁的搏动振荡波起源于血管壁的搏动，其包络线与血压之间有固定关系，通过将振荡波放大、滤波后，将包络线检出，再用一定的判据判断包络线与收缩压、舒张压的时相对应关系。示波法避免了柯氏音法易受环境干扰的缺点。目前电子血压目前电子血压计及血压监护仪中大都使用示波法计及血压监护仪中大都使用示波法。 另外光电法光电法也是近年无损检测血压的方

36、法。 第第3 3讲讲 人体非电生理参数检测技术及仪器人体非电生理参数检测技术及仪器 二、心音检测二、心音检测 心音是由于心脏瓣膜的开关、肌腱和肌肉的舒缩、血流的冲击及心血管壁的振动而产生的，是一种复合音复合音。 通常，医生是通过听诊器对心音进行分析，心音为医生提供诊断心心音为医生提供诊断心血管病的重要信息血管病的重要信息。 心音的电子检测方法是通过心音传感器(一种磁电式空气传导传感器)检测心音信号，并通过放大器放大及低通滤波后，送慢扫描示波器显示心音波形，或用描记器描记出心音波形，叫心音图。 心音的主要频谱在心音的主要频谱在4040HzHz一一100100HzHz之间，异常心音的频谱可达数百之

37、间，异常心音的频谱可达数百HzHz。由于受描记器频响的限制，有时心音图不能反映全部信息，传统听诊心音没有得到太大应用。因此随着计算机技术的飞速发展，将放大后的心音信号经AD转换器，用44.1KHz的采样率采样，经计算机进行数字定量分析，分析心音的数字特征(包括时域和频域)从而找到心音和病理之间的联系。下图是一名高血压的双声道数字心音图。 第第3 3讲讲 人体非电生理参数检测技术及仪器人体非电生理参数检测技术及仪器第第3 3讲讲 人体非电生理参数检测技术及仪器人体非电生理参数检测技术及仪器三、体温检测三、体温检测 v传传统统的的体体温温测测量量方法是用水水银银体体温温计计，其测量原理是热膨胀原理

38、。v电电子子体体温温计计使用温温度度传传感感器器，常用的有热敏电阻和半导体温敏器件等。v热敏电阻的电阻值随温度变化，呈非线性关系。在测量电路中，将热敏电阻作为电桥的一个臂，经电阻网络校正后并在一定的测温范围内(例如00C-1000C)，电桥的输出电压与温度成线性关系。电桥的输出电压由差动放大器放大后可由电压表(用温度刻度)读出，或经AD变换后送计算机处理后进行数字显示测量精度可达测量精度可达0.1-0.010.1-0.01。v半导体温敏器件有温敏二极管、温敏三极管等，这类测温器件是利用PN结的结电压随愠度成线性变化这一原理进行测温，其测量电路也常采用电桥式及差动放大电路。 第第3 3讲讲 人体

39、非电生理参数检测技术及仪器人体非电生理参数检测技术及仪器 四、呼吸检测四、呼吸检测 呼吸检测主要用于呼吸监护。呼吸监护包括三个方面：呼吸波形实时显示、呼吸率(次分钟)自动计算及潮气量(每次或每分钟吸入气体体积)的自动计算及显示。 呼吸检测的常用方法是阻抗法阻抗法，即：把人体胸部当作一段导体，当呼吸时由于胸部的扩张使胸部阻抗发生变化，且这种阻抗变化与呼吸活动呈线性关系。因此只要通过胸阻抗变化的测量就可以间接测量呼吸活动通过胸阻抗变化的测量就可以间接测量呼吸活动。 胸阻抗包括感抗、容抗和电阻，但当胸部通以50KHz-100KHz(例如62.5KHz)的高频电流时，胸阻抗可等效为一纯电阻，因此，可以

40、通过检测胸电阻的变化来检测呼吸。具体方法是：在胸前锁骨下放置两对电极，一对通以62.5KHz的高频电流，另一对测量电压信号。将此电压信号经前置放大、解调、滤波及放大后就得到呼吸波。将呼吸彼经AD变换并经计算机数字处理，就可以计算出呼吸率。如果用呼吸流量计定标后，还可以用呼吸波定量计算出潮气量。在监护仪中，呼吸检测与心电检测共享同一对电极。呼吸检测方法还有鼻腔安放热敏电阻法热敏电阻法、微波多普勒法微波多普勒法等。 第第3 3讲讲 人体非电生理参数检测技术及仪器人体非电生理参数检测技术及仪器 五、血氧饱和度检测五、血氧饱和度检测 血血氧氧饱饱和和度度是100ml血液中血红蛋白实际结合的氧与能够结合

41、氧的最大量的比值，此指标是恒恒量量人人的的呼呼吸吸系系统统、循循环环系系统统是是否否正正常常的的重重要要临临床床指指标标。传统的测量血氧饱和度的方法是抽血化验，使用的仪器是分分光光光光度度计计。 20世纪80年代末发展起来的光光电电法法无损检测血氧饱和度的原原理理是是基基于于双双波波长长的的朗朗伯伯比比尔尔定定律律。设溶液中含有两种物质(如含氧血红蛋白和不含氧血红蛋白)，浓度分别为C1和C2，分别用两种波长(如1=650nm，1=805nm)的光穿过溶液，测得的光密度分别为D1和D2) 。根据双波长朗伯比尔定律，有： D1=11 C1+12 C2 D2=21 C1+22 C2 其中11、12

42、和21、22分别是物质1和物质2对波长1、2的吸收系数(常数)。这两方程联解，可求出C1和C2。则通过下式就可计算出血氧饱和度：SaO2=(C1/ C1+ C2)100 第第3 3讲讲 人体非电生理参数检测技术及仪器人体非电生理参数检测技术及仪器 光电法无损检测血氧饱和度的具体方法具体方法是：在搏动的动脉血管床(例如指端)两侧分别安放白光源和两个具有特定波长(650nm和805nm)响应的光探测器，光探测器将透过光变成电信号，经放大及AD转换器后，由计算机处理，计算出血氧饱和度。第第3 3讲讲 人体非电生理参数检测技术及仪器人体非电生理参数检测技术及仪器 六、人体磁场测量六、人体磁场测量 人体

43、磁场包括心磁、脑磁、肺磁、眼磁等。 人体磁场非常微弱人体磁场非常微弱，通常在10fT(1fT=10-15T，1T=104高斯)至50pT(1pT=10-12T)之间，需要用特殊的方法进行测量。如今基于约瑟夫逊效应约瑟夫逊效应的超导量子干涉仪可以测量10-14T的磁场强度，这种仪器采用低温超导及特殊的磁屏蔽等技术，十分昂贵，目前只处于实验室研究阶段，还未进入临床使用。 许多研究报导，心磁和脑磁比心电图和脑电图更确切地反映心电信号和脑电信号，因此有更大的诊断价值有更大的诊断价值。 人体磁场测量是目前研究的热门前沿课题人体磁场测量是目前研究的热门前沿课题。 第第4 4讲讲 病人监护仪器病人监护仪器(

44、 (Patient Monitor) ) 一、前言一、前言 监护的两个意义两个意义：v一是对危重病人必须时刻进行监测，发现险情，立即报警，通知医生及时进行抢救；临床上应用广泛的有：床旁心电监护仪、多参数病人监护仪、四床位或八床位中央监护系统，此外还有用于手术室中抗高频电刀干扰的手术监护仪及用于妇产科的新生儿监护仪和胎儿分娩监护仪。v二是某些病症现象出现时间短暂，需作较长时间的测量(例如24小时)，才能记录到异常现象。如：遥测心电监护仪和Holter系统等。 第第4 4讲讲 病人监护仪器病人监护仪器( (Patient Monitor) ) 二、设计特点二、设计特点必须实现连续监测必须实现连续监

45、测 如：血压不能采用脉压计，血气不能采用取样化验的方法 必须具有抗干扰和基线漂移能力必须具有抗干扰和基线漂移能力 如：仪器要有高CMRR，滤波采用相干平均、相关计算、匹配滤波等技术具有分析、识别、判断能力具有分析、识别、判断能力 如：能识别异常生理指标或判断数据有否越限具有报警功能具有报警功能 如：用声、光报警提醒医护人员及时进行抢救和处理具有多种记录方式具有多种记录方式 如：磁带、纸带等，屏幕显示有冻结功能等。第第4 4讲讲 病人监护仪器病人监护仪器( (Patient Monitor) ) 三、一般监护仪的结构三、一般监护仪的结构(1)(1) 硬件：信号检测前处理A/D信号处理微计算机识别

46、报警显示打印第第第第4 4 4 4讲讲讲讲 病人监护仪器病人监护仪器病人监护仪器病人监护仪器( ( ( (Patient MonitorPatient Monitor) ) ) ) 三、一般监护仪的结构三、一般监护仪的结构(2)(2) 信息输入部分信息输入部分 软件软件 信息分析和显示部分信息分析和显示部分 1 1、 信息输入部分信息输入部分：包括信号输入信号输入和信息输入信息输入。信号输入信号输入是计算机控制多路模拟开关对电极或传感器的信号进行数据采集，同时对采集的数据进行A/D转换，是模拟信号转变为数字信号，以供计算机处理和分析。信息输入信息输入是通过键盘输入病人序号、姓名、年龄、性别、身

47、高、体重等基本信息。 第第第第4 4 4 4讲讲讲讲 病人监护仪器病人监护仪器病人监护仪器病人监护仪器( (Patient Monitor)Patient Monitor) 三、一般监护仪的结构三、一般监护仪的结构(3)(3) 2. 信息分析和显示部分信息分析和显示部分：v主功能菜单 显示监护程序的主要功能及使用提示。v波形显示 移动式显示是波形实时地从右到左显示，固定式显示是波形一帧一帧地显示。v趋势显示 显示1，2，4，8，24小时或任意时刻内监护项目的数据。v列表显示 对监护项目汇成总表显示。v报警显示 显示报警的设定值，提供声、光报警和报警值。v通讯显示 显示某床或几床的病人信息和数据

48、。v分析显示 显示心律失常分析，ST段分析，血流动力学分析结果。v直方图显示 直方图是医学统计常用的一种图形表示方法，每个值常表示为矩形方格图，反映了测量参数的频数分布。第第第第4 4 4 4讲讲讲讲 病人监护仪器病人监护仪器病人监护仪器病人监护仪器( (Patient Monitor)Patient Monitor) 四、常用监护仪器四、常用监护仪器 1 1、床旁心电监护仪、床旁心电监护仪 只监测病人的心电信号，实时地在CRT监视器或液晶显示器上显示病人的心电波形、QRS同步信号、平均心率，并设有心率越限报警(例如高于150次/分、低于40次/分)，停搏报警及电极脱落自动报警，功能更强的心电

49、监护仪还具有监测心律失常及其它报警功能。心电监护仪还能够自动记忆心电异常报警点前后一定时间(例如10秒)的心电波形，自动统计一定时间(例如3小时、6小时、12小时、24小时)内的心率趋势图(Heart Rate Trending)，能够在报警时自动描记心电图和打印数据。 第第第第4 4 4 4讲讲讲讲 病人监护仪器病人监护仪器病人监护仪器病人监护仪器( (Patient Monitor)Patient Monitor) 2.2.多参数监护仪多参数监护仪 多参数病人监护仪除了检测心电外，还监测呼吸、体温、血压(有创血压或无创血压)以及氧分压PO2，二氧化碳分压PCO2等参数。 例如西门子公司SI

50、RESUT960961六道床旁监护仪，可以监护多导心电、有创血压、无创血压、脉搏、呼吸、呼吸末CO2分压、体温、血氧饱和度、心输出量等参数。它使用黑白(960型)或彩色(961型)CRT监视显示6道波形和各种参数值，并具备3级报警。它具备很强的计算机系统，从而可进行多达20种不同类型的心律失常分析可存储64个5秒长度的心律失常波形，有S-T段分析、血液动力学计算、心输出量计算、20个参数24小时的趋势图等多种分析功能，使该机远远超过了单纯的病人监护的范畴，而成为电脑式智能化分析监护仪。 第第第第4 4 4 4讲讲讲讲 病人监护仪器病人监护仪器病人监护仪器病人监护仪器( (Patient Mon

51、itor)Patient Monitor) 3.3.中心监护系统中心监护系统 中心监护系统由一一个个中中心心监监护护仪仪和1-81-8个个床床旁旁监监护护仪仪组成，监护参数可以是单心电参数的也可以是多参数的(通常有四十参数：心电、血压，体温及呼吸率)。床旁监护仪与中心监护仪通讯可以是有线的也可以是无线遥测的。 床旁监护仪承承担担病病人人的的生生理理信信号号的的数数据据的的采采集集、预预处处理理、报报警警阈阈值值的的设设置置、参参数数及及波波形形的的显显示示及及报报警警等等功功能能。床旁监护仪受中心监护仪的控制。在中心监护仪的控制下，床旁监护仪中的数据能够传送到中心监护仪中去作进一步的分析处理。

52、 中心监护仪常装有性能更强的微型计算机，它可以对对各各床床旁旁监监护护仪仪的的参参数数经经过过选选择择，将将其其部部分分或或全全都都的的异异常常参参数数及及波波形形，一一方方面面进进行行显显示示同同时时进进一一步步地地分分析析处理及判断，另一方面控制描记和打印床位号、时间、波形、参数及趋势图等。处理及判断，另一方面控制描记和打印床位号、时间、波形、参数及趋势图等。 总之，床旁监护仪只监测一个病人的各个参数，而中心监护仪则可以同时监测各个病人的心电波形或一个病人的各个参数，有各种组合方式。例如美国生理控制公司的CMS8000型中心监护系统，可检测心电、血压、呼吸及体温等参数，它的中心监护仪可对四

53、床位的各7秒的心电波形显示报警，或对八床位各3秒的心电波形显示报警，或对单床位各参数波形显示报警，或对单床位参数波形显示及2小时或8小时参数趋势图显示。 以上所述监护仪或监护系统被广泛应用于现代化医院中CCU(Coronary Caring Unit冠心病人监护病房)、ICU(Intensive Caring Unit危重病人监护病房)及OR(Operation Room手术室)中。 第第第第4 4 4 4讲讲讲讲 病人监护仪器病人监护仪器病人监护仪器病人监护仪器( (Patient Monitor)Patient Monitor) 4.4.胎儿心电心率监护仪胎儿心电心率监护仪 从原理上分，有

54、利用超声多普勒原理胎儿心率监护仪，有直接在胎儿头皮上放置电极的胎儿心电分娩监护仪胎儿心电分娩监护仪，也有在母体腹部放置电极的围产期胎儿心电监护仪以及胎儿心音监护仪。母体腹部电极法胎儿心电监护仪在孕妇腹部检测心电信号，但这个心电信号是母亲心电和胎儿心电混合在一起利用16位微处理机和高速数字信号处理器及信号处理方法，从母亲心电中将胎儿心电提取出来，在监视器上可同时显示出母亲腹部心电波形和胎儿心电波形及胎儿心率，并设置上、下限报警，也可用记录仪记录下来以供分析。这种胎儿监护仪可对胎儿进行长期地、完全无损地监护。 但我们的研究认为围产期胎儿胎动厉害、母亲呼吸波影响和其它干扰使得很难长时程地提取（分离）

55、胎儿心电信号，国内兄弟院校报告了一些研究成果，但还不知道其重复性如何，也未见产品出现。胎儿监护仪还使用一个压力传感器检测宫缩，在屏幕上同时显示出宫缩曲线。 第第第第4 4 4 4讲讲讲讲 病人监护仪器病人监护仪器病人监护仪器病人监护仪器( (Patient Monitor)Patient Monitor) 5. 5.遥测心电监护仪遥测心电监护仪 这种监护仪适用于医院内可走动的病人的长时间检测这种监护仪适用于医院内可走动的病人的长时间检测。 无线电遥测发射器配带于病人身上，检测心电信号、放大并进行调制发射。发射，载波频率一般采用174MHz216MHz，接受距离60米1000米不等。 接收器将接

56、收到的无线电信号进行放大和解调，还原成心电信号送监护仪。为了扩大监护仪的使用范围，常将监护仪设计成两用的，既可作遥测监护，又可做床旁监护。 目前，遥测心电不仅应用于医院中，而且还应用于体育运动员、飞行员和宇航员，检测的参数也是多种的，有心电、脑电、肌电、体温、呼吸、血压、血氧饱和度等多种参数。 第第第第4 4讲讲讲讲 病人监护仪器病人监护仪器病人监护仪器病人监护仪器( (Patient Monitor)Patient Monitor) 6.6.动态心电监护系统（动态心电监护系统（HolterHolter系统）系统）vHolter系统即磁带记录式心电监测系统磁带记录式心电监测系统，是美国人Hol

57、ter1961年发明的。vHolter系统由两部分组成：(1)心磁带记录器，(2)心电磁带回放仪。vHolter系统利用磁带记录器将心电图调制后记录在磁带上，病人可以把磁带记录器带在身上，可以回家正常生活工作，然后记录下24小时的心电图，再送回医院由专用计算机控制的回放仪进行回放分析诊断。磁带记录时采用极低的转速记录，而在回放时，以高速回放（60或120），以便在很短的时间内分析完24小时的心电图。计算机自动高速处理心电数据，检测心律不齐，当捕捉到异常心律时又能以慢速（2）回放，以便医生进行仔细观察。v心电磁带回放仪实际上是一种高性能的心律失常分析仪，能完成自动诊断，自动显示诊断结果并打印报告

58、。vHolter系统能检测出短时间发作的异常心电，是目前特别适用于诊断冠特别适用于诊断冠心病心病的仪器。 第第第第4 4 4 4讲讲讲讲 病人监护仪器病人监护仪器病人监护仪器病人监护仪器( (Patient Monitor)Patient Monitor) 最近几年，又出现一种新型的称为固态记录的Holter系统，并且有取代磁带式记录Holter系统的趋势。 它不使用磁带记录，因而也没有驱动磁带转动的电机，而是采用超大规模集成电路高容量的静态（或动态）存储器，直接存储心电数据，由于目前这种大容量的存储器仍然不满足容量的需要，所以只能记录短时间的心电数据(例如8小时)，或采用数据压缩算法，减小数

59、据存贮量后才可存储到24小时的心电数据，但经过数据压缩后的记录到的信息不是全信息。 附：激光多普勒血流仪附：激光多普勒血流仪附：激光多普勒血流仪附：激光多普勒血流仪l一、激光常识 1960年，MaimanMaimanMaimanMaiman发明世界第一台红宝石激光器。 1961年，激光用于眼科的视网膜焊接。 1960-1990，激光的快速发展使之成为一门应用性很强的科学 激光的优点激光的优点（与普通光相比）： 亮度极高、方向性极好、单色性极好、相干性极好亮度极高、方向性极好、单色性极好、相干性极好 激光为什么会在医学中得到广泛应用？激光为什么会在医学中得到广泛应用？ 因为激光的能量被生物组织吸

60、收后，会产生一系列的生物效应，包括：热效应、光化学效应、压力效应、电磁效应、生物刺激效应等附：激光多普勒血流仪附：激光多普勒血流仪附：激光多普勒血流仪附：激光多普勒血流仪l二、激光在医学中新技术激光血管成形术激光多普勒血流仪激光多普勒血流仪光动力学疗法激光细胞工程流式细胞仪附：激光多普勒血流仪附：激光多普勒血流仪附：激光多普勒血流仪附：激光多普勒血流仪( ( ( (Laser Doppler Laser Doppler flowmeterflowmeter) ) ) )l三、激光多普勒血流仪三、激光多普勒血流仪微血管中血流参数测定现状微血管中血流参数测定现状 微血管中血流参数测定，是当代生物医

61、学工程中一项重要工作。从1980年以来，国内外许多学者先后介绍了近10种测定方法。但大部分属于侵入性，不能获得即时测量，很难应用到临床。采用激光多普勒血流仪的优点采用激光多普勒血流仪的优点 保证了正常组织的完整无损，且具有连续、快速、定时测定等优点。有利于获得更可靠、准确、详尽的定性定量的血流变化信息数据。附：激光多普勒血流仪附：激光多普勒血流仪附：激光多普勒血流仪附：激光多普勒血流仪( ( ( (Laser Doppler Laser Doppler flowmeterflowmeter) ) ) )激光多普勒血流仪的工作原理激光多普勒血流仪的工作原理 多普勒效应多普勒效应：当一束单一频率的

62、激光入射到一个运动微粒上时，其反射光或散射光的频率将偏离入射光的频率，即运动的微粒引起光的多普勒频移。其频移量的大小和粒子的运动速度成正比，与光源的波长成反比。 尽管频移频率与光源频率相比是很微小的，但是它与光源带相比还是足够大的。因此，利用光混频技术，把两种不同频率的光束同时入射到一个具有平方律检波特性的光电探测器上，光电探测器上的电流就随二束光的频率之差而变化。由此，可以把由微粒运动而引起多普勒频移的光的差频信号检测出来。如配上摄像系统，可实时地自动获得血管管径的数据、血流平均速度和脉动波形等。附：激光多普勒血流仪附：激光多普勒血流仪附：激光多普勒血流仪附：激光多普勒血流仪( ( ( (L

63、aser Doppler Laser Doppler flowmeterflowmeter) ) ) )临床应用临床应用测定血液中粒子的速度血管管径的自动测量用于病、生理研究确定药物对微循环的作用参考文献参考文献参考文献参考文献l邓亲恺，现代医学仪器设计原理现代医学仪器设计原理，科学出版社， 2004l齐颂扬，医学仪器医学仪器，高等教育出版社，1991l张唯真，生物医学电子学生物医学电子学，清华大学出版社，1992本章思考题本章思考题l1.1.医学仪器的定义及分类。医学仪器的定义及分类。l2.2.简述自动生化分析仪的原理和组成。简述自动生化分析仪的原理和组成。l3.3.血液学分析仪主要的测量内容有那些？血液学分析仪主要的测量内容有那些？l4.4.试述各种电生理参数检测仪的主要用途？试述各种电生理参数检测仪的主要用途？l5.5.非电生理检测仪测量的非电生理参数包括那些内容？非电生理检测仪测量的非电生理参数包括那些内容？l6.6.试述病人监护仪的设计特点与结构（结构用框图表示）。试述病人监护仪的设计特点与结构（结构用框图表示）。