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1、医用监护仪器,主要内容,监护仪概述监护病房和监护仪监护仪的主要技术指标 监护仪使用中的安全问题一个例子,什么是监护仪？,监护仪与临床诊断仪器不同，它能在几小时甚至几百小时的时间段内连续监护病人生理参数的变化，并可与医生设定好的界限值进行比较，出现超差便发生警报，有的监护仪还可以进行应急治疗。监护仪所测量的参数分为电量和非电量两种，电量信号如心电信号，直接由电极拾取；非电量信号如血压、体温、呼吸、血氧等都需要通过各种传感器拾取，然后转换为与之有确定函数关系的电信号，再经过放大、滤波、计算、处理等记录和显示。,监护仪的基本框架,监护仪的组成,传感器：主要是指各种电极和换能器。起两方面作用：首先是拾
2、取人体生理或生化参数，其次是把拾取到的生理信号转换成相应的电信号输出。例如：体表接触电极，用作测ECC，EEG等，pH电极，用作测酸碱度；压力换能器，用作测脉管内压力或呼吸；其他还有气流速度与血流速度等检测器。信号处理系统：主要是指电子线路和数字逻辑电路或是微处理机等。其作用是：对传感器输出的电信号进行检测，放大，滤波和信号转换。对生理或生化参数做出逻辑分析和计算，如做出心输出量估计，呼吸参数的计算、ECG的判读等。-从输入信号中截取所需信息，或是把处理以后的数据进行图像重建，并通过显示装置加以显示。把处理分析结果与参考电平作比较，判断它是否超越正常范围，做出自动报警信息。显示装置：主要有指针
3、式指示器、数字显示器、示波器或信号灯几种，报警装置主要分音响和视觉两类报警器。该部分也包括用作永久记录的各种记录复制装置。控制系统：主要是指电子和机械的自动控制电路。在监护中如检测到参数异常，除了报警和显示外，也可以由机内控制系统自动对病人施行控制使异常的参数恢复到正常值。例如，根据排尿量和中心静脉压的情况，由控制系统自动控制静脉输液速度。记录装置：用记录仪作永久的记录，将监视参数记录下来作为档案保存。,常用监护仪监护的生理参数,心电(ECG);血压(BP);呼吸(Resp);脑电(EEG);体温(Temp);,心输出量(CO);饱和血氧浓度(SpO2);经皮氧和二氧化碳分压(tpO2/CO2
4、);呼气末二氧化碳（etCO2）。,一台监护仪往往可以监护多个参数，具体监护什么，不同的监护仪可有不同的配置。监护仪可分为床边监护仪和中央监护仪。专用监护仪：如胎儿监护仪等。,Common Measurands,Summery:Key Technologies,sensor:invasive,micro-invasive,non-invasivesignal conditioning/instrumentation EMI reduction,医学信号提取,auto analysisinformation integrationmedical expert system,生理信息综合分析,di
5、gital signal processingpattern recognition&extraction,医学信号处理与特征提取,多路生理信号采集监护系统原理框图,监护仪器需要解决的关键技术主要有：,(1)信号的隔离 由于监护仪的主电源都是交流供电的，而测量电极有的直接置入血管内，有的虽置于体表但靠近心脏，交流漏电可能导致病人生命危险，必须有良好的电源和信号隔离。(2)不同信号间的串扰与交叉调制 各路信号间可能会通过公共地线、电源内阻、空间电磁耦合而发生串扰和交叉调制，这就要求各路信号放大器之间有良好的隔离和屏蔽。,(3)不同采样率和采样精度间的协调 根据不同生理参数特性调整选择合适的电位动
6、态放大措施及采样频率。如心电和脑电的采样频率可设为:250500Hz。(4)实时自动分析技术 实现对反映病情的各关键生理参数的自动监护，如分析心率失常严重性、心肌梗塞和心肌缺血程度等。(5)数据的存储与回顾 由于监测是连续进行的，数据量大，因而可以将监测的数据选择存储，供会诊或进行深入的医学研究和分析所用。,(6)多参数显示技术 设置显示缓冲区动态滚动显示波形并显示各参数。(7)安全性和可靠性 应保持系统长时间正常监测患者参数及可靠工作。(8)价格和使用费用 要求监护仪器性价比高。,Basic ICU Design,PatientArea,CentralStation,床边监护仪 中央监护仪,
7、监护仪的主要监护项目,心电监护,心电监护的项目,心电是最基本的监护参数，几乎所有的监护仪都有心电监护。心电监护最基本的项目有:心率显示心率上下限报警心电波形的实时显示。24小时动态分析的专用监护系统。,心电监护的项目,心电监护仪的常见被选功能：心律不齐检测S-T段分析回忆波形显示趋势图分析电极脱落报警电源故障处理数据储存和传送,R波检测技术,微分法,y1(n)=|x(n)2x(n 2)+x(n 4)|y2(n)=1.3y0(n)+1.1y1(n)。以1.0为阈值对y2(n)作检测，如果有连续8个采样点的值超过阈值，则认为是QRS波。y3是将y2经8点滑动平均（MA）滤波后的波形,心电信号x(n
8、)，设差分信号y0和y1：y0(n)=|x(n)x(n 2)|,呼吸频率的测量,呼吸波与呼吸率呼吸测量是肺动能检查的重要部分。在监护仪中，通常测量呼吸波并测定呼吸（频）率（次/分钟）。呼吸频率的测量可通过热敏电阻（传感器）直接测量呼吸气流的温度变化，经过电桥电路将这一变化变换成电压信号，也可采用阻抗法来测量呼吸频率，因为呼吸运动时，胸壁肌肉交变张驰，胸廓交替变形，肌体组织的电阻抗也随之交替变化。测量呼吸阻抗值的变化可采用电桥法、调制法、恒压源法和恒流源法等多种方式。在监护仪中，呼吸阻抗电极可与心电电极合用，在检测心电信号时可同时检测呼吸阻抗变化和呼吸频率。,呼吸率测量电桥,体温,体温体温是了解
9、生命状态的重要指标。监护仪中，体温的测量常采用负温度系数的热敏电阻作为温度传感器，采用电桥作为检测电路。现在已有集成化测温电路可供选用。高档的监护仪可提供两道以上的测温电路，以测量两个不同部位的温差T=T2T1。体温探头（传感器）可采用体表探头和体腔探头，分别用来监护体表和腔内温度。在一些特殊场合，为了避免交叉传染，亦可以采用红外非接触测温技术。监护仪中，测温精度应在0.1，应有较快的测温响应。,血压的测量和监护,血压,血压是指血液对血管壁的侧压，是压强（即单位面积上的压力）。血压是相对压强，是相对大气压的。当我们说血压100mmHg时，是指血压比大气压高100mmHg，测量血压时则是以大气压
10、作为0mmHg,间接测压和直接测压法,间接测压通常仅能测得收缩压和舒张压；直接测量法可以测得血压波形曲线。由于测量方法和部位不同，所测值往往难以相互比较。,血压的直接测量,经皮由动脉穿刺留置导管后固定，测压管通过换能器连接于监视器，可显示动脉压力波形。最常用的是桡动脉，其次是股动脉或肱动脉。不仅可以连续测压，还可反复采集血标本以检测血气。,压力传感器,床边监护仪,输液架,针管,冲洗压力源,间接血压测量原理,有多种方法可实现血压的无创测量，在多生理参数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
11、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。,血压测量袖带的缠绕 方法图,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和PM）。测振法获得脉搏振动波的方法可借助微音器和压力传感器。,心输出量和心功能测量,心输出量的测量方法,1、指示剂稀释法：它的测定是通过某一方式将一定量的指示剂注射到血液中，经过在血液中的扩散，测定指示剂的变化来计算心输出量的。Fick法染料稀释法热稀释法：2、阻抗法3、成像法：超声、磁共振,心排量测定：Fick法,1870年由德国医生Adolph Fick首先描述它假定机体氧耗量率为血流速率（单
12、位时间内的流量）及血液携带氧量的乘积的函数一定时间内血流量等于在同一时间内进入血流的物质量除以该物质进入循环后在血液上游（动脉）和下游（腔静脉）之间的浓度差Fick公式：机体氧耗量（mlmin）心排量（L/min）=动静脉血氧含量差（%）10Fick法缺点：操作不方便，不易获得稳定的耗氧量数据,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。,心输出量热稀释法在监护仪中，心输出量的测量常采用热稀释法，将冷液（生理盐水或葡萄糖液）注入漂浮导管中，当冷液与血流混合后将会发生温度变化，温度变化由导管前端的热敏电阻
13、检出，并通过计算获得心输出量，这种方法可高精度反复测量不同时间的心输出量，其测量间隙最短可达2分钟。,染料稀释法,心阻抗图,（impedance cardiogram,ICG）是根据胸腔电阻抗的动态变化，来测定心功能的一种非创伤性方法。它反映了血管容积或血流变化引起的阻抗变化。年代后，国内外学者对Kubicek公式及方法有过众多的争议，目前改良的ubicek 公式可算出心排出量等重要的心功能指标。,4对电极分别至于颈部及胸部电信号通过胸部传导电信号循阻力最小路径传导-主动脉每次心跳，主动脉内血流速度/容量变化，测得阻抗通过阻抗变化计算出SV,血气监护,血氧饱和度血氧饱和度是衡量人体血液携带氧的
14、能力的重要参数。血氧饱和度的测量目前广泛应用透射法（或反射法）双波长（红光R：660nm和红外光IR：920nm）光电检测技术，检测红光和红外光通过动脉血的光吸收引起的交变成分之比IIR/IR和非脉动组织（表皮、肌肉、静脉血等）引起光吸收的稳定分量（直流）值，通过计算可得到血氧饱和度值SPO2。由于光电信号的脉动规律与心脏搏动的规律一致，所以根据检出信号的周期可同时确定脉率，因而亦称该方法为脉搏血氧饱和度测量。,郎伯一比尔定律(LambertBeer Law),当一束光打在某物质的溶液上时，透射光强I与发射光强I0之间有以下关系：I=I0eCdI和I0的比值的对数称为光密度D，因此上式也可表示
15、成：D=In(II0)=kCdC是溶液(例如血液)的浓度，d为光穿过血液的路径，k是血液的光吸收系数。若保持路径 d 不变，血液的浓度便与光密度 D成正比。,血液中的HbO2和Hb,血液中的HbO2和Hb对不同波长的光的吸收系数不一样:在波长为600-700nm的红光(RED)区，Hb的吸收系数远比HbO2的大；在波长为8001000nm的红外光(IR)区，Hb的吸收系数要比HbO2的小；在805nm附近是等吸收点。,搏动式动脉血氧饱和度监护仪,血氧饱和度是指血液中(血红蛋白)实际结合的氧气(氧含量)占血液中(血红蛋白)所能结合氧气的最大量(氧容量)的百分比。因此，血氧饱和度的定义可表示为：S
16、p02=含氧血红蛋白(含氧血红蛋白+血红蛋白)。,搏动式血氧饱和度监护原理,SaO2=KlR2+K2R+K3K1、K2、K3是经验常数，R是在某个很小的时间间隔上，两种光电信号的幅度变化量之比，即：R=RED/IR,胎儿监护,胎儿监护仪,识别和记录心率:胎儿心率(FHR)变化曲线。胎儿心率通常是指平均心率，正常在120bpm-160bpm(14020bpm)，心率的变异约在5-30bpm之间。探测及记录子宫收缩或胎动:子宫收缩变化曲线（围产期）。子宫收缩(UP:Uterine Pressure,UC:Uterine Contraction)并不一定对FHR产生影响，但是，是否有影响，以及FHR
17、曲线的形状及与子宫收缩的时间关系，具有诊断意义。也有些监护仪记录胎动(FM)。,监护仪和监护病房（CU),监护病房,由监护仪系统，再加上其它必要的设备，可组成监护病房。最常见的有 手术中监护和手术后护理病房（RecoveryRoom/SICU）冠心病护理病房（CCU）儿科和新生儿病房（PICU/NICU）,General Neurological Surgical Paediatric/neonatal Coronary care Cardio-thoracic Burns Renal Spinal injuries Respiratory,Types of Intensive Care Un
18、its,Neonatal Care,Cardiac Care,Anesthesia Care,Critical Care,重症监护病房（ICU）,病房设计：一般采用U形设计，环绕中央控制台有6-8个带玻璃窗的或布帘，彼此相互隔音的小室或房间。,What is ICU?,ICU:Intensive Care Unit,ICUs are special care units designed to offer the advantages of a low nurse-patient ratio and concentration of the equipment and resources ne
19、eded to take care of critically ill or seriously injured patients.,A key factor of ICU is the INFORMATION available to the staff.,Goal of ICU,提高危重病人抢救成功率降低死亡率减少并发症 在ICU工作的各个环节中，处处体现质量为本，效率优先的原则。,ECG signalsblood pressurerespirationcardiac output,In the ICU,most information of the patients comes from
20、 the typical physiological signals/parameters that are monitored,which include:,Ventilators（呼吸机）Hypothermia(低温治疗仪）Defibrillators（除颤器）,Additionally,other equipment may be present for use as required.,Patient Monitoring,Therapeutic,prosthetic,emergency handling,etc.,Devices Used in ICU,信号的隔离不同信号间的串扰与交
21、叉调制不同采样率与采样精度的协调实时自动分析数据存储与回顾多参数显示安全性可靠性：自检与电极脱落报警,Design Issues of Bedside Monitors,ICU 测定的项目有：,血压：直接法动静脉压或间接法动脉压，包括收缩压、舒张压和平均压。脉搏：测出脉搏数并判断脉搏性质，如强、弱等。呼吸：测出每分钟的呼吸数，测定呼吸压力及呼吸量。体温：每隔几小时测定一次。ECG：通常用II导联连续监视，心肌功能状况，心律失常、严重血压下降、临死前预兆等。EEG：诊断意识不清病人的障碍所在，了解病情有无好转。一般采用便携式单导记录。血气分析：测量动脉血的pH、PO2和PCO2。了解人工呼吸的疗
22、效。并据此控制吸入氧气的浓度和必要的换气量。除了做抽血离体检查外，在ICU中常用呼吸气体的分析方法，如：采用红外CO2分析器连续进行CO2气体成份的测量；用氧分析器连续测定吸氧疗法时吸入的氧浓度；经皮PO2和经皮PCO2的测量等。,ICU病房设备配备：,除空调、氧气、压缩空气和水龙头外，还应配备有 床边监护仪、小型脑电图机、心脏复苏设备(起搏器和除颤器)、人工呼吸机及氧气瓶或氧气袋等,Summery:Developing Trends,生理信息提取新技术新型传感器的研制:micro-invasive and non-invasive,integrated小型化、无线化、一体化自动分析技术与多参
23、数综合分析“监”与“护”的统一新的监护领域：颅内出血的监护、烧伤病人皮肤伤情的监护等,Therapeutic and Prosthetic Equipments in ICU,Ventilators,The function of the ventilator is to help get oxygen into the patient and carbon dioxide out.,Negative Pressure vs.Positive Pressure,Negative Pressure胸廓外加压-负压也叫做体外通气机（铁肺）同生理状态 参数不好控制 少用,Positive Press
24、ure呼吸道直接加压-正压,Forms of Mechanical Ventilation used in ICU,Intermittent positive pressure ventilation(IPPV)via an endotracheal（气管内的）or tracheostomy（气管切开术）tube.Non-invasive positive pressure ventilation(NIPPV or NIV)via a nasal（鼻腔）or facial mask.,General Modes of Ventilation,Controlled modes(e.g.CMV)控
25、制式通气Machine does all the work,patient is sedated or unconscious.Any tendency toward spontaneous ventilation on the patients part does not affect the machine and can even oppose it.呼吸机按照预定呼吸频率、潮气量、呼吸时比、气道压力完全替代患者的自主呼吸。该模式主要适用于有严重的呼吸抑制或伴有呼吸暂停等情况。优点是保证稳定的通气量，最大限度地减轻呼吸机负荷，但对有自主呼吸的病人易产生人机对抗。Assistive mod
26、es(e.g.PSV)辅助呼吸模式Patient initiates every breath but is assisted by the machine during each breath.The ventilator detects the patients attempt at ventilation and augments it mechanically.,Control Mechanism,The progression of the cycles of the ventilators is controlled by the volume of air administere
27、d to the patient.There is always a pressure-override value in this mode.,Volume Control（容积转换型-定容型-预定潮气量）,Pressure Control（压力转换型-定压型-预定肺内压力、呼吸频率）,Air is administered to the patient until the pressure reaches a predetermined value.,A simplified block diagram of a control structure for breath delivery,
28、主要内容,监护仪概述监护病房和监护仪监护仪的主要技术指标 监护仪使用中的安全问题一个例子,监护仪的主要技术指标,1.测量范围 对各生理参数测量均在一定的范围内进行定标，量程范围应视不同生理参数而定，例如：体温测量范围在1945间，脉率范围35次/min250次/min，SPO2范围0100，无创血压范围，PS：60mmHg250mmHg，PD和PM：45mmHg235mmHg。,2.灵敏度 在量程范围内，仪器在稳态时，输出信号变化量与输入信号变化量之比称为灵敏度，一般希望灵敏度高，且在满量程范围内保持稳定。3.线性度 线性度反映仪器偏离输出与输入关系曲线呈线性的程度，通常用输出量与输入量的实际
29、关系曲线偏离直线的最大偏移值与输出满量程之比的百分值来表示非线性误差。,4.漂移仪器在无输入情况下，输出朝一个方向偏移的现象称漂移，在零输入的情况下，输出值随时间的漂移称为零点漂移。由温度变化引起输出值的偏移称为温度漂移。5.迟滞迟滞是指仪器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间，输出与输入关系曲线的不重合程度。迟滞的大小由正反行程的输出信号间的最大偏差与满量程输出的百分比来表示。,6.分辨力是指仪器所能检测出的输入信号最小变化的能力，例如测温的分辨力0.1，测距的分辨力为1mm等。7.瞬态响应当仪器输入一个单位阶跃时，其输出端的响应称瞬态响应。在输出响应上可测定响应时间、延迟时间、超调量、稳态误差等数值。,8.频率响应当用正弦信号作为输入时，仪器输出与输入之间的幅值比、相位延滞随输入正弦信号频率而变，前者称幅度频率响应，后者称相位频率响应。9.环境对仪器的影响温度、湿度、大气压、振动、电源电压与频率等环境因素变化时也将引起监护仪的性能发生变化，工程设计应将这些因素导致的变化控制在允许范围之内。,
