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1、郑驰超,第二章 生物电测量仪器,前言 生物医学信息测量仪器2.1 生物电位的基础知识2.2 生物医学电极2.3 心电图机2.4 脑电图机2.5 肌电图机,生物信息测量仪器是医学仪器中重要的组成部分，它分为生物电信号测量仪器和非生物电信号测量仪器。,传感器,检测与处理系统,存储与显示系统,辅助系统,1 生物信息测量仪器构成,（1）传感器被测对象、传感器或电极,（2）生物信息检测处理系统放大、滤波、变换、运算等预处理方式,（3）生物信息的记录与显示系统直接描记式记录器半导体存储器/磁盘记录式数字式显示器,直接描记式记录器/胶片式,半导体存储器/磁盘记录式,数字式显示器,（4）辅助系统人机交互刺激器
2、数据通信信号源,1.2仪器的工作方式,直接和间接实时和延时间断和连续模拟和数字,1.3医学仪器的特性与分类,医学仪器主要技术指标准确度精密度输入阻抗灵敏度频率响应信噪比零点漂移共模抑制比,灵敏度 灵敏度是指仪器在稳态下输出量变化与输入量变化之比，可表示为:,S为灵敏度，A0和Ai分别为输出量变化和输入量变化,生物医学测量仪器的主要技术指标,频率特性 频率特性是指仪器输出量和相位与输入正弦信号频率的关系。使仪器的输出幅度随频率的变化不超过规定值（如3dB）的输入信号频率范围称为响应频率，又称为通频带。部分常见生理信号的频率范围可参考表1-3。,部分常见生理信号的频率范围,精密度 精密度简称精度，
3、用相同条件下重复测量间的最大偏差与仪器满量程之比表示，即,Ai、Aj分别为任意两次测量的结果值，为仪器的最大测量范围,准确度 准确度用仪器的实际测量结果值同真值（理想值）间的最大偏差与仪器满量程之比来表示，即,Ea为仪器的测量准确度，A max为实测值与真值间的最大偏差，H为仪器的满量程,非线性度 非线性度用实测值和与相应输入量成正比关系的理论值间最大偏差同满量程之比表示，即,EL为仪器的线性度，A Lmax为全量程内的实测值与理论值之间的最大偏差，H为全量程,仪器非线性度的示意图,漂移 漂移是指仪器的输出量随时间或外部环境变化而变化的程度，主要包括零点漂移、温度漂移和灵敏度温漂等指标。零点漂
4、移：用无输入信号和恒定环境条件下的仪器输出量在一定时间内的最大变化与满量程之比来表示，即,Dz为零点漂移，Azmax 为指定时间内在输入量为零时输出量的最大变化，H为仪器的满量程,温度漂移：用无输入信号条件下仪器的输出量随环境温度的变化与仪器的满量之比来表示，即,DT为温度漂移，AT为环境温度变化T时引起的仪器输出量变化,灵敏度温漂：用一定环境温度变化范围内仪器灵敏度的最大相对变化量来表示，即,Ds为灵敏度温漂，Smax为一定温度变化范围内仪器灵敏度的最大变化,分辨力 分辨力是指仪器分辨出最小的信息变化的能力。按被测信息的性质和仪器用途的不同，仪器分辨力分为幅度分辨率、频率分辨率、时间分辨率和
5、空间分辨力等指标。幅度分辨率一般用仪器最小可分辨的输出信号幅度或大小与仪器满量程之比来表示，即,R为幅度分辨率，又称为分辨率，Amin为仪器最小可分辨的输出信号幅值或大小，H为仪器的满量程。R愈小，仪器的幅度分辨率愈高,输入阻抗和输出阻抗 输入阻抗：指从一测量系统或线路环节的输入端测得的系统自身的阻抗，即,Zi为系统的输入阻抗，Vi和Ii分别为从系统输入端测得的输入电压和输入电流,输出阻抗：指从一测量系统或线路环节的输出端测得的系统自身的阻抗，即,Zo为系统的输出阻抗，Zh为输出端接入的负载阻抗，Vo和Vh分别为系统输出端开路和接入负载阻抗Zh时的输出电压,第二章 生物电测量仪器,2.1 生物
6、电位的基础知识2.2 生物医学电极2.3 心电图机2.4 脑电图机2.5 肌电图机,概述,对于能够通过电极提取的体表生物电信号，其测量仪器的结构基本相同，不同的只是因信号的频率和幅值不同，对电路的要求不同。常见的生物电信号有：心电（ECG）：0.015mV 0.05100Hz脑电（EEG）：2200V 0.1100Hz肌电（EMG）：0.025mV 52000Hz,增益不同,滤波参数不同,通道数不同,传感器规格不同,2.1 生物电位的基础知识,静息电位动作电位生物电信号测量的生理学基础人体电阻抗,静息电位,静息电位（resting potential）：在静息状态下(即细胞未受刺激的情况下)，
7、细胞膜内外两侧的电位差。,其他概念,极化状态(polarization)：在生理学中，将静息状态下细胞膜跨膜电位内负外正的状态。超极化超极化(hyperpolarization)：膜内负电位增大(例如从-70mv变为-90mv)。去极化(depolarization)：膜内负电位减小(例如从-70mv变为-60mv)。复极化(repolarization)：细胞膜去极化后再向原来静息电位方向恢复。动作电位(action potential)：在原有静息电位的基础上，膜电位发生的迅速的倒转和恢复。锋电位(spike)：动作电位是细胞兴奋的表现，主要表现为一个尖锋形的电位波动。,膜电位超过0电位的
8、部分称为超射。在恢复到静息电位之前，膜电位还有一些微小的波动，称为后电位。去极化后电位(负后电位)，超极化负后电位(正后电位)。,动作电位的时相示意图,心电如何产生？,2.2 生物医学电极,2.2.1 生物医学电极的概念2.2.2 电极的极化2.2.3 常用的生物医学电极,2.2.1 生物医学电极的概念,电极由金属浸在含该金属离子的溶液中所构成的体系成为电极。用电极引导生物电信号时，与电极直接接触的是电解质溶液（如导电膏、人体汗液或组织液等），因而形成一个金属-电解质界面，从而，金属与溶液间形成电荷分布双电层。生物医学电极指经过一定处理的金属板或金属丝、金属网等。,2.2.2 电极的极化,电极
9、的极化：电极与电解液界面形成双电层，在有电流流过时，界面电位发生变化的现象；电极电位（极化电压）：电极与电解液的界面电位差；,电极阻抗：电极与电解液界面的系统阻抗电极阻抗与电流密度、电极面积及温度基本成反比；影响电极阻抗的最大因素是频率。当频率增加时，电极阻抗明显减小；电极阻抗不够大或因频率变化而减小时，会引起信号衰减，因此可在放大器之前增加缓冲放大器或电压跟随器等方法，以增大输入阻抗。当电极之间直接用平均电阻相连时，电极阻抗之间的差异会引起测量误差和放大器共模抑制比的减小，可以采用威尔逊网络来平衡。,2.2.3 常用的生物医学电极,体表电极体内电极,体表电极,基本要求：电极电势稳定，阻抗小，
10、容易放置而不脱落，不易产生伪迹，可长期检测，无毒性，对人体刺激小。使用时要涂导电膏，因此界面的等效电路更加复杂：,如何使用体表电极,除电极特性外，皮肤阻抗特性也要考虑进来。角质层薄（40m）而且电阻率高（50100kcm-1)，还会随频率变化。若用砂纸打磨，去掉一些角质层，Re会明显减小。若不用导电膏，Re能增大10倍，Ce会减小几倍，使皮肤阻抗增大10倍以上。若电极相对于电解质慢运动（呼吸，体育运动等），会搅乱界面上的电荷分布，在测量信号中出现慢变的伪迹。可用不极化电极和砂纸打磨来减小伪迹。,常用体表电极,1）金属板电极临床中常用银镍合金、镀银钢板电极和Ag-AgCl电极，测量ECG；不锈钢
11、、铂、镀银的圆盘状、长方形电极测量EMG，EEG。2）柔性电极为适应体表各种形状，用银丝编织而成，贴在胶布上使用，特别适用于早产新生儿的ECG监护。有的产品能允许透过X光。,3）浮式电极用导电膏充填在电极与皮肤之间，使电极不直接与皮肤接触，不易出现电极在皮肤上的相对运动；导电膏不失水，能长期保持稳定。,4）干电极导电膏的缺点是时间长了容易干，若盐分过高会引起皮炎。干电极不用导电膏。可以将高输入阻抗放大器放置在电极内。但采用电容耦合，对频率很低的信号的灵敏度低，要求放大器的输入阻抗很高（100M-1G），噪声也易通过静电耦合串入。5）绝缘电极在金属板上制作绝缘薄膜，用其电容进行交流耦合，拾取信号
12、中的交变分量。不用导电膏，,6）一次性电极 目前很多医院采用一次性电极记ECG。右边是一种用离子传导性聚醚系粘胶剂代替导电膏的一次性体表电极。它粘着性能好，没有盐分析出，显著减小基线漂移和噪声。,2.体内电极,插入体内，有细胞外液存在，不用导电膏，但要求材料的生物相容性好，安全。Ag-AgCl材料不适用，会与含蛋白质的溶液发生反应。,AB-针电极：测量EMG，用不锈钢制作。C-丝电极：用注射针将它插到待测部位，慢慢抽出针管，使它能长期留在体内。将倒钩拉直后即可取出。可能会移位，折断等。D-螺线管电极：能克服丝电极的缺点.,2.3心电图机,前言,心电电极-连接到人体体表，用来监测心电信号的传感器
13、。心电导联-连接到人体体表的任意两个心电电极所组成的回路。标准导联亦称双极肢体导联，反映两个肢体之间的电位差。,在心肌中，有一些特殊的心肌细胞，它们或聚集成团，形成了大大小小的“发电厂”，不断地发出脉冲电流。位于右心房上腔静脉入口处的窦房结，是生物电的“源头”。在正常情况下，房室结和一些分布于心脏肌肉内的内的“小发电厂”（神经节）不发出生物电，以保证整个心脏用同一节律跳动。窦房结发出的电流，经过房室束，传到房室结，然后再经希氏束，分左、右两条束支，传到左、右心室。每一次窦房结发出的脉冲生物电，就是经过这一线路，顺序传递到整个心脏，引发心脏的搏动。心脏所发出的生物电流是极为微弱的，需用特殊的“电
14、表”才能将它测出来。,心脏是人体血液循环的动力装置。正是由于心脏自动不断地进行有节奏的收缩和舒张活动，才使得血液在封闭的循环系统中不停地流动，使生命得以维持。心脏在搏动前后，心肌发生激动。在激动过程中，会产生微弱的生物电流。这这样，心脏的每一个心动周期均伴随着生物电变化。这种生物电变化可传达到身体表面的各个部位。由于身体各部分组织不同，距心脏的距离不同，心电信号在身体不同的部位所表现出的电位也不同。对正常心脏来说，这种生物电变化的方向、频率、强度是有规律的。若通过电极将体表不同部位的电信号检测出来，再用放大器加以放大，并用记录器描记下，就可得到心电图形。,心电图：利用心电图机从体表记录心脏每一
15、心动 周期所产生电活动变化的曲线图形。英文名：Electrocardiograph英文缩写：ECG,心电图作用,1、对心律失常和传导障碍具有重要的诊断价值。2对心肌梗塞的诊断有很高的准确性，它不仅能确定有无心肌梗塞，而且还可确定梗塞的病变期部位范围以及演变过程。3对房室肌大、心肌炎、心肌病、冠状动脉供血不足和心包炎的诊断有较大的帮助。4能够帮助了解某些药物（如洋地黄、奎尼丁）和电解质紊乱对心肌的作用。5心电图作为一种电信息的时间标志，常为心音图、超声心动图、阻抗血流图等心功能测定以及其他心脏电生理研究同步描纪，以利于确定时间。6心电监护已广泛应用于手术、麻醉、用药观察、航天、体育等的心电监测以
16、及危重病人的抢救。,1.心电图机的工作过程,是以人体与心电图导联连接成某一个导联所产生的心电电压作为信号，通过电极输入到心电放大器，经过放大后，推动记录工具描笔，使其在记录纸上作相应运动，同时记录纸以匀速沿笔尖垂直方向运动，这样就描出心电图波形，或直接在LCD上显示。,2.心电图及其导联,导联的理论基础,心电轴,等边三角形,心电图的导联（标准12导联）标准（肢体）导联：加压导联：aVR aVL aVF胸导联：V1、V2、V3、V4、V5、V6,标准导联是双极导联，主要测量肢体之间的电位差。,心电图的导联（标准12导联）,标准（肢体）导联：是以两肢体间的电位差为所获取的体表心电：左上肢（LA）接
17、放大器正输入端，右上肢（RA）接负输入端：左下肢（LL）接放大器正输入端，右上肢（RA）接负输入端：左下肢（LL）接放大器正输入端，左上肢（LA）接负输入端,单级导联,标准导联只是反映体表某两点之间的电位差，而不能探测某一点的电位变化，如果把心电图机的负极接在零电位点上（无关电极），把探查电极接在人体任一点上，就可以测得该点的电位变化，这种导联方式称为单极导联。Wilson提出把左上肢，右上肢和左下肢的三个电位各通过5k欧姆的高电阻，用导联线连接在一点，称为中心电端。理论和实践均证明，中心电端可以与电偶中心的零电位等效。在实际上，就是将心电图机的无关电极与中心电端连接，探查电极连接在人体的左上
18、肢，右上肢或左下肢，分别得出左上肢单极肢体导联（VL）、右上肢单极肢体导联（VR），和左下肢单极肢体导联（VF）。,心电图的导联（标准12导联）加压导联：在单极导联的基础上，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，称为单极皮肤加压导联，简称加压导联。可增加电压信号幅度50%aVR aVL aVF,肢体导联系统反映额状面情况,心电图的导联（标准12导联）胸导联：探查电极安放在前胸壁上的六个固定的位置，将心电信号送入放大器的正输入端，参考电极接放大器的负输入端的导联方式。V1、V2、V3、V4、V5、V6,胸前导联系统反映心脏横截面
19、情况,3.心电图机的分类,心电图机从功能上可大至分为以下几种：单道手动心电图机。单道自动心电图机。多道全自动心电图机。具有自动分析诊断功能的智能型心电图机。,除了从功能上分类外，还可按心电图机描记输出方式分类：有间接描记方式和直接描记方式。间接描记式目前已基本不使用，现多用直接描记方式。直接描记式还分为：喷墨式、墨水笔式、热笔式、热阵打印头式。目前的单道心电机多用热笔式，多道心电机多用热阵打印头式或打印机。,4.心电图机的结构,1.输入部分,2.放大部分,3.记录部分,6.电源部分,5.控制部分,4.走纸部分,输入部分,放大部分,记录部分存储部分,走纸部分,控制显示部分,电,源,1.输入部分,
20、包括电极、导联线、过压保护、高频滤波和导联选择电路。主要作用：从人体提取心电信号，并按要求组合成导联，将选定导联的心电信号送入到后级放大器，同时滤除电磁波干扰和防止高电压损坏仪器。,过压保护和高频滤波电路是因有时心电图机与除颤器、高频电刀同时使用，为确保病人安全和心电图机免遭高压冲击，同时为了阻止外界高频干扰信号进入心电图机的前置级而设置的。缓冲放大器实际上就是起阻抗变换的作用，它输入阻抗高输出阻抗低便于与威尔逊网络输入阻抗相匹配。,电极：不锈钢电极,（1）导联线作用：将电极上获得的心电信号送到放大器的输入端。要求：要求抗干扰能力强，采用屏蔽线，且屏蔽层可靠接地；为克服分布电容的影响，一般采用
21、屏蔽驱动电路。,（2）过压保护作用：防止其它医疗仪器（例如心脏除颤器、高频电刀等）的使用产生的高压脉冲而损坏心电图机。组成：高压保护电路、中压保护电路和低压保护电路。,（3）高频滤波器作用：隔离高频干扰。组成：RC低通网络，截止频率：10KHz。,（4）缓冲放大器作用：提高电路的输入阻抗，减少心电信号的衰减和匹配失真。组成：电压跟随器。,（5）导联选择器作用：将同时接触人体各部位的电极的导联线按需要切换组合成某种导联方式。组成：威尔逊网络、多路模拟开关,威尔逊网络是由9个电阻组成，6个20K组成一个三角形电路，每一个三角形顶点分别与3个30K组成一个星形电路三个点相连，星形公共点是威尔逊网络的
22、中心端，这点的电位与人体电偶中心点电位相等，均可视为零点。,三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，三角形三个边的中点是三个加压肢体导联的相应参考点。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的不同部位。,威尔逊网络的应用,2.放大部分作用：将0.015mV级，频率为0.05100Hz的带噪声的心电信号经放大、滤波后，到达可以记录和观察的水平；在放大部分，除了放大心电信号外，还要滤去干扰信号，因此一般采用多级放大电路；组成：前置放大电路、中间级放大电路、功率放大电路、1mV标准信号发生器和其它辅助电路。,（1）前置放大器是心电信号放大的第一级，由于心电信号幅值非常
23、小，且混杂了一些其它干扰信号和直流极化电压；作用：滤除共模干扰、对心电信号进行适当放大。,前置放大器的要求低噪声：内部噪声应比心电信号微弱，将其折算到输入端应小于15V；高输入阻抗：由于电极与皮肤间的接触电阻比较高，所以要求前置放大器应有高输入阻抗，一般应在2M以上；高共模抑制比：由于电磁干扰信号为共模信号，所以要求提高CMRR，80100dB；,低零点漂移：因为前置放大器的漂移经后级放大后，会严重影响记录；宽线性工作范围：由于存在较大的极化电压，导致工作点漂移，为使工作于放大器的线性工作区，要求宽的线性工作范围综上，前置放大器常用仪用放大器（INA）例如：AD620，INA128,仪表放大器
24、,AD620,（2）1mV标准信号发生器作用：为了衡量描记的心电波形的幅值，校准心电图机的灵敏度，产生1mV的矩形波信号，送入前置放大器，作为“定标”电压，从而在记录纸上描计出10mm的矩形波；位置：前置放大器输入端组成：标准电池分压或机内稳压电源分压或自动1mV定标产生器,（3）时间参数电路（阻容耦合电路）作用：隔去前置放大器的直流电压和直流极化电压，耦合心电信号位置：在前置放大器和后级电压放大器之间。要求：3.2S,（4）中间放大器作用：是将心电信号进一步放大；组成：直流放大器（一般采用差分放大）增益调节（记录笔输出幅度不够时调节）阻尼调节（方波不够理想时调节）增益选择（1/2、1、2）5
25、0Hz电源滤波（去除电源引起的干扰）35Hz肌电滤波（去除肌电引起的干扰）闭锁电路、位移（调整热笔在合适的位置）,（5）功率放大器作用：把经过前置放大和中间级放大后的心电信号再经过功率放大，以便又足够的电流去驱动去驱动记录器进行心电描记。组成：对称互补级输出的单端推挽电路。,3.记录部分作用：利用热笔记录心电信号组成：热记录器（热笔）、记录笔调温电路、记录器组成。,4.走纸部分作用：带动记录纸做匀速运动；组成：走纸马达（交流电机）调速、稳速电路、齿轮传动机构等；走纸速度：25mm/s，50mm/s,而调速、稳速电路都采用锁相环技术，通过锁相环输入不同参考频率信号来改变速度，通过速度反馈信号与输
26、入参考信号相位比较，锁相环输出不同电位来稳定速度。,记录笔调温电路采用调宽脉冲方式，改变脉冲宽度（占空比）来改变笔的温度。记录器采用位置反馈式记录器，它是由笔马达和同轴电位器式位置检测器组成。利用电位器转动臂与记录器线圈同轴的特点，使位置反馈式记录器的线性好，描记的心电图清晰。,5.控制部分作用：系统的控制核心，负责信号采集、放大滤波参数调节、A/D变换、存储、分析、显示、通信和记录控制等。组成：CPU（如：单片机）系统、ADC、接口等。,6.电源一般心电机电源都有交直流两种方式供整个机器电路工作。电源、DC-DC变换、蓄电池充电电路等。,具有导联自动转换及光电隔离放大器的心电图机框图,心电图
27、机的性能指标,1.输入电阻2.灵敏度3.噪声4.抗干扰能力5.频率响应6.绝缘性能,对于不同指标，国家标准明确的给出了测量方法。,ECG6511型单导心电图机,概述单导心电图机交直流两用50Hz工频和35Hz肌电干扰抑制主要技术指标,输入部分,主放大部分,按键控制部分,扫描走纸部分,电源,普通式心电图机放大部分结构,人体,输入保护电路,1mv定标,高频滤波,导联选择,前置放大,隔离电路,电压放大,功率放大,DC-DC,浮地电源,电源,结构组成：浮地前置放大电路（输入部分）键控电路主放大电路电源电路扫描走纸电路,浮地前置放大电路,心电图机信号通道部分电路,输入部分（输入电路，威尔逊电阻网络）时间
28、常数电路放大电路导联切换复零电路1mv定标电路电极脱落检测电路起搏脉冲抑制电路肌电滤波电路50Hz滤波电路灵敏度选择电路光耦隔离电路,浮地放大电路,1输入部分,2威尔逊网络,3导联选择,4电极脱落检测,5、1mv定标,6、时间常数及复位,8、50Hz滤波电路,7肌电滤波电路,9灵敏度选择,输入部分保护电路高频滤波电路输入缓冲放大器威尔逊网络导联选择电路屏蔽驱动电路,一.输入部分,高压保护,高频滤波HF,低压保护,1.高压保护,原理：当电压大于氖泡的起辉电压时，氖泡两端电压被限制在6070V之间，从而使输入端的高压成分不能向后面电路传送。,2.高频滤波,RC电路组成低通滤波器，将输入端的高频信号
29、过滤掉，由公式,3.低压保护及输入缓冲电路,返回,4.威尔逊电阻网络,返回,5.导联选择,4052是两组多路开关，双4选1,(1)TEST,0 0 0,(1)TEST,相当于没有输入可用于调整水平基线,(2)导联I,同理，导联II，III也是经过10K电阻到达放大器A1,0 1 0,(3)加压导联AVR,0 0 0,0 0 1,(3)加压导联AVR,10K,20K,20K,(4)胸导联,1 1 0,1 1 1,(4)胸导联,威尔逊中心端,返回,前置放大电路前置放大器1mv定标电路起搏脉冲抑制电路闭锁电路光电耦合电路,返回,1.前置放大器,返回,IC107(LM308):差分放大器、增益：20；
30、IC108A(TL062):差分放大器、增益：4,2.1mv定标电路,由电路图可知,Vp,返回,6v,3.导联切换复零电路（又称闭锁电路）,由T2,T3组成，当A端输入一个高电平，此时T2，T3导通，电容C1对地迅速放电，使得电路上的电流迅速减少到零.,A,返回,中间放大电路增益调节放大器高频滤波灵敏度/滤波选择电路交流/肌电干扰滤波电路比例运算放大器基线置零电路电极脱落检测电路,1.电极脱落检测电路,由A7和A8组成的比较器以及4个33K的电阻组成,当A1的输入|Vi|200mv，通过A1的放大此时 a点|Va|4V，从而使A7或A8输出高电平，使得二极管导通，该高电平通过光电耦合器驱动键控
31、电路板上的电极监测发光二极管发光报警，表示电极已经脱落。,a,4V,返回,-4V,2.时间常数,高通滤波器主要功能是隔直流（人体上的极化电压跟放大器的漂移电压）,其中R 热噪声 C Zc 从而使得滤波的截止频率降低，保护了心电的低频成分,但电容的噪声也增大,因此时间常数必须适中,3.肌电滤波电路,当EMG键按下时，低电平输入，使得T5导通，从而二极管截止，场效应管导通。由84.5k和0.047u组成的RC滤波电路，过滤40Hz的肌电信号,返回,4.50Hz滤波,Cd4053,返回,5.灵敏度选择电路,返回,35.7K,6.屏蔽层驱动电路,1.功能选择按键电路2.电子开关电路3.闭锁控制电路4.
32、上升/下降编码电路5.译码电路6.电机转速控制电路,心电图机控制电路图,功能按键,电子开关,上升/下降编码电路,闭锁电路,电机转速控制电路,译码电路,二进制可逆计数器,施密特触发器,BCD十进制译码器,顺逆,延时电路,1、编码电路和译码电路,该电路主要实现导联选择和导联显示的功能,导联选择用4位二进制可置数的加/减计数器U212（14516B）来完成。,导联显示电路,组成：二-十译码器U213、U214，发光二极管，反相器U215E、U206、U207等组成。U213：译码显示07导联（Q0Q7）U214：译码显示812导联（Q0Q4）译码器在相应的位上输出“1”经反相后，使相应的LED导通发
33、光。,施密特触发器翻转一下，产生一个时钟信号计数一次，再通过BCD译码器译码给前置放大电路的4052选择相应的导联，同时通过反相器与发光二极管相连，使其发光显示相应导联情况,没有键按下时,-,+,+,-,当ADV键按下时,-,-,+,+,当RED键按下时,+,-,-,-,Up/Down当ADV（前进）按钮SW201按下时，8V加到计数器的第10脚U/D上，同时产生一个CLK，计数器做加法运算。当ADV（前进）按钮SW201未按下时，“0”电平加到计数器的第10脚U/D上，同时当RED（后退）按钮SW202按下时，产生一个CLK，计数器做减法运算。,CLK 无论按ADV还是RED，或非门IC20
34、5A都有一端输入“1”电平，经反相器IC203B反相后，输出“1”电平，即输出正脉冲，送入计数器的计数脉冲输入端（CLK）。其中R203，C201作为消抖动电路，确保按键每按一次只输出一个脉冲。,RST 由于使用十二导联，当计数器收到第13个计数脉冲后，如再按ADV按钮，导联显示应回到“0”导联（清零），第14个计数脉冲到来时，使译码器IC214的输入“0101”（即Q3Q2Q1Q0=1101），故使Q5端被置“1”电平，它通过或门IC204D送到计数器的RST端使计数器置“0”。或门IC204D的另一端的信号来自由电阻R205，电容C210，反相器IC203A组成的开机清零电路。,PE 机器
35、清零后，如按RED键，应置“12”导联（V6导联），它是利用计数器的预置数来实现的。按RED计数器应作减法，从“0000”的计数状态到“1111”，这时译码器IC214的输入“0111”，输出Q7=“1”，PE=“1”（同步置数），将预置数装入计数器，即此时计数器输入为：Q3Q2Q1Q0=P3P2P1P0=1100 即使“12”导联（V6）被选中。,同顺移一样，只是由于U/D脚为低电平所以来一个时钟信号减一次；而当移到TEST导联时，相应有Q3Q2Q1Q00000，再来一个减数脉冲，则Q3Q2Q1Q01111，此时第二个14028B的Q脚输出一个高电平到PE端，则计数器复位到1100，即V6导
36、联。,2、电子开关电路,初始时灵敏度选择在1，初始工作状态为stop,组成：互锁电子开关（触发器）U202 TC9135 可组成一个6位互锁电子开关或两个3位互锁触发器,肌电和50Hz滤波器,组成：自锁电子开关 TC9130,由初始置零电路和基线置零控制电路组成。有以下几个来源：1.初始开机置零电路2.连续描记信号，在转换导联时同时产生INST3.手动闭锁开关RESET键4.工作方式转到“stop”,3、闭锁电路,电路分析,微分型单稳态,-,导联切换时,按下RESET键时,+8V,+8V,stop状态,TI公司ECG方案,Maxim公司的ECG方案,ADI公司的ECG方案,如何设计一个性能优良
37、且价格不贵的心电图机至今仍然是一个不断有人研究的课题。例如如何保证心电图机的基线稳定不漂移，干扰噪声尽可能小，如何保证电源浮地、光电隔离等。,高质量的放大器也是其他电生理仪器如脑电图机、肌电图机、胎儿心电图机、眼电图机、诱发电位仪以及多道生理信号记录仪等的核心部件及共同的研究课题。描记器现仍多使用热笔，热笔的稳定性、线性问题也在不断改进。热笔只能描记波形，不能打印字符，目前先进的阵列式热敏打印机不仅可描记波形，还可以打印字符。,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。这种心电图机可以自动测量心率、各种幅度、间期。例如R波幅度、ST段电平、QRS波群宽
38、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。,心律失常分析仪也装有功能很强的微机，不仅具有测算功能，而且还具有自动判别（模式识别）功能，能自动诊断几十种心律失常的病症。90年代出现的心电工作站使用个人电脑，采集12导联心电数据，可进行心律失常分析、心电向量分析以及心室晚电位分析。,2.2 脑电图机,2.2 脑电图机,1、脑电图基础知识 自发脑电 诱发电位 诱发电位的种类2、脑电图的导联 系统电极安放 导联3、脑电图机的结构和原理 基本结构 脑电图机原理 与心电图机的区别,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
39、发脑电活动。临床上将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而记录到的脑电波称为脑电图（Electroencephalograph，EEG）。,1、脑电图基础知识,1.1 脑电图,脑电图机通常有8通道或16通道，同时测量和描记8道或16道脑电波形，用8笔或16笔的墨水笔记录仪描记或彩色打印机打印输出。现代脑电图机还有64道及128道。,从头皮描记的脑电波强度很小，一般为10100v，频率范围为0.1100Hz。国际上将脑电波按波的重复节律不同分类，统一为以下四个频段：波：813Hz 20100V 波：1830Hz 520V波：47Hz 1050V波：13.5Hz 20200V 其波
40、形如右图所示。,（1）波：可在头颅枕部检测到，频率为813Hz，振幅为20100V，它是节律性脑电波中最明显的波；整个皮层均可产生波。波在清醒，安静、闭眼时即可出现，波幅由小到大，再由大到小作规律性变化，呈棱状图形。睁眼、思考问题或接受其它刺激时，波消失，这一现象称为波阻断，如果被测者安静闭目，则波又重新出现,（2）波：波在额部和颞部最为明显，频率约为1830Hz，振幅约为520 V，是一种快波，波的出现一般意味着大脑比较兴奋。（3）波：波频率为47Hz，振幅约为1050V（它是在困倦时，中枢神经系统处于抑制状态时所记录的波形。（4）波：在睡眠、深度麻醉、缺氧或大脑有器质性病变时出现，频率为1
41、-3.5Hz，振幅为20200V。,脑电波形的频率特性比幅度特性在临床上更显得重要。脑电在时域中不易得到特征参数，而若将它们变换到频域中就很容易分出波、波、波和波。(变换常采用傅里叶变换、小波变换等）。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。,一般来说，当脑电图由高振幅的慢波变为低振幅的快波时，兴奋过程加强。反之，当脑电图由低振幅的快波变为高振幅的慢波时，则抑制过程进一步发展。,1.2 诱发电位(Evoked potential),给机体以某种刺激，也会导致脑电信号的改变，这种电位称为脑诱发电位。诱发电位是指中枢神经系统在感受外在或内在刺激过
42、程中产生的生物电活动，是代表中枢神经系统在特定功能状态下的生物电活动的变化。,诱发电位的测量部位及临床价值,非特异性诱发电位：给予不同刺激时产生相同的反应。一般没有临床价值。特异性诱发电位：指在给予刺激后经过一定的潜伏期，在脑的特定区域出现的电位反应，其特点是诱发电位与刺激信号之间有严格的时间关系。,1.3 诱发电位的种类,1视觉诱发电位：模式翻转视觉诱发电位（pattern reversal visual evoked potential，PR-VEP）；视觉诱发电位是指向视网膜给予视觉刺激时，在两侧后头部所记录到的由视觉通路产生的电位变化,2听觉诱发电位：脑干听觉诱发电位（brain st
43、em auditory evoked potential,BAEP）听觉诱发电位是指给予声音刺激，从头皮上记录到的由听觉通路产生的电位活动，因其电位源于脑干听觉通路，故又称为脑干听觉诱发电位。,3体感诱发电位：短潜伏期体感诱发电位（short-latency somatosensory evoked potential,SLSEP）体感诱发电位是指驱体感觉系统在受外界某一特定刺激（通常是脉冲电流）后的一种生物电活动，它能反映出躯体感觉传导通路神经结构的功能。,2.1系统电极安放,目前脑电图机的导联还没有明确的标准，但是电极的安装位置已经有了相对统一的位置。,2 脑电图机的导联,为了区分电极和两
44、大脑半球的关系，通常右侧用偶数，左侧用奇数。从鼻根至枕骨粗隆连一正中矢状线，再从两瞳孔向上。向后与正中矢状线等距的平行线顺延至枕骨粗隆称左右瞳枕线；,目前，国际上已广泛采用10一20系统电极法，其前后方向的测量是以鼻根到枕骨粗隆连成的正中线为准，在此线左右等距的相应部位定出左右前额点（FP1，FP2）、额点（F3，F4）、中央点（C，C）、顶点（P3，P4）和枕点（O1，O2），前额点的位置在鼻根上相当于鼻根至枕骨粗隆的10 处，额点在前额点之后相当于鼻根至前额点距离的二倍即鼻根正中线距离20处，向后中央、顶、枕诸点的间隔均为20，10一20系统电极的命名即源于此。,2.2 脑电图机的导联,单
45、极导联作用(活动)电极：头皮.参考(无关)电极：耳垂优点：能记录活动电极下脑电位变化的绝对值，其幅值较高且稳定；缺点：参考电极不能保持0电位，容易引入生物电干扰,平均电压法没有参考电极，多个电极信号平均作为参考电极,解决干扰问题。,双极导联仅利用两个活动电极，不使用无关电极，记录的是两个电极部位脑电变化的差值。优点：减少了干扰，可排除参考电极引起的误差；缺点：记录幅值较低且不稳定,脑电图机结构,结构,人体,接线盒,脑电图主机,辅助设备,上图是脑电图机的框图。其前置放大器一般也采用浮地电源及光电隔离技术，由微机控制，键盘操作。,脑电图机详细结构图,脑电图机与心电图机,主要单元脑电放大器的工作原理
46、与心电放大器基本相同，但由于脑电信号（10100V）比心电信号（0.015mV）小两个数量级，电路参数要求不同，主要区别有如下几点。,脑电图机与心电图机主要区别,CMMR（100dB）电源（纹波系数）电极（Ag-AgCl）输入阻抗（100M）导联（8,16,32,64,128）多通道放大器和记录器（同时记录）走纸电路（速度：7.5/15/30/60 mm/s）接触电阻测量装置（接触电阻 20K）增益调节（脑电幅值变化大）,常见临床脑电机,热笔式脑电图机无纸化脑电图机脑电地形图仪脑电监护仪脑电“Holter”（动态脑电监护）,脑地形图仪,现代脑电地形图仪将脑电图仪、诱发电位仪及自发脑电/诱发脑电
47、地形图集于一体，在彩色电视监视器上可显示16通道脑电图，或16通道诱发电位，或脑电地形图。,脑电地形图（Brain Atlas，简称 BA），是继 CT和 MRI（磁共振成像）技术之后，又在成像技术的重大发展，是基于电子计算机分析脑生物电的一种新的诊断技术。,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；由诱发脑电各潜伏期作出的地形图称为诱发脑电地形图。脑电地形图对诊断脑部疾病比波形更直观。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患。,脑地形图的原理,脑电功率地形图显示：脑电 各个频段的功率沿头皮表面的空间分布。步骤：按一定导联形式采集脑电信号（数字
48、信号）；FFT变换，转换成能反映能量的功率谱形式；频带分类：按频率不同，分为；插值计算：根据已知点的功率谱，推算出大脑其它部分的功率值；求等效电位，并根据电位大小用不同颜色显示在颅骨模型上。,脑地形图的临床应用,脑血管病的诊断各种脑肿瘤的定位精神疾病,高分辨率的脑电图,脑电图优点：时间分辨率高 ms级缺点：空间分辨率低增加电极方法的局限性：因颅骨内的点源在头皮上扩散的面积直径为2.5cm的圆斑（低通作用），所以电极数增加到128256导后，再增加导联已无意义。,提高脑电空间分辨率的办法：依据电磁场的基本规律，由头皮测得电位，再逆推皮层表面上的电位分布，从而克服颅骨层的低通作用。,肌电图机,正常肌肉不同用力收缩时的肌电图,肌电图机方框图,本章到此结束谢谢,
