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文档简介
1、MEDICAL INSTRUMENTATION: Application and Design,2017,School of Life Science and Technology,3.1 ECG 3.2 EEG 3.3 EMG 3.4 其他,第三章 生物电势的测量,New terms 窦房结 心房 心室 希氏束 浦肯野氏纤维网 起搏点;起搏器 偶极子 容积导体 导联,3.1 ECG 3.1.1 心肌细胞的电行为 3.1.2体表电势 3.1.3 心电图导联 3.1.4 心电图功能块 3.1.5 常见问题 3.1.6 共模和其他干扰抑制电路,3.1.1心肌细胞的电行为,1. 心脏传导系统,窦房结
2、,窦 房 结,心脏的正常起搏点 静息状态下60-100 BPM,窦房结,房室结,房 室 结 从窦房结接受脉冲 给浦肯野细胞系统提供脉冲 如果SA节点无法传递脉冲,则为40-60 BPM,BUNDLE OF HIS,窦房结,房室结,希氏束,希 氏 束 传导到心室 房室交界区组织: 40-60 BPM,房室结,窦房结,希氏束,束支,浦肯野氏纤维,分支结构 浦肯野氏纤维 传导冲动通过心室产生收缩 提供“逸搏心律”: 20-40 BPM,THE PURKINJE NETWORK 浦肯野氏纤维网,心脏传导系统,Isochronous lines of ventricular activation of
3、the human heart (心室激活的同步传导线),2. Electrical behavior,偶极子电荷相等但符号相反,并且有一定(通常是很小的)距离。 偶极矩是矢量,方向为负电荷指向正电荷,数值大小相当于每个电荷的强度乘以电荷之间的距离。,去极化方向,-,+,去极化,复极化,复极化方向,-,+,Why is a Wave Biphasic?,A,B,C,向量ECG -偶极矩,当R波最大时,心脏的偶极场在心脏处的分布,容积导体 具有特定的电导率和介电常数,且内部驻留源电流的容积 区域。 当激活时,可兴奋组织将在细胞内部以及细胞外的导电介 质中产生电流。 后一被动区域的电特性可用容积导
4、体加以 描述。,3.1.2体表电位,容积导体场 (CVFV) 由浸润在容积导体介质(例如体液)中的可兴奋细胞产生的电场。 例如: 心脏组织的激活导致兴奋波在整个心肌中的传播; 这些兴奋波依次产生细胞外电场。这些电场可以通过容积导体的几何形状、导电性,以及源电流的距离、方向和强度来表征。,VCF的特征,单纤维的细胞外介质中的电位随着与纤维的径向距离的增加而在幅度上指数衰减- 电位幅度取决于介质性质。,心室去极化的瞬时和平均向量,Mean Vector,平均向量表示所有心室去极化力的总和。 方向是平均电轴。,心电图问题 点A和B是躯干上的任意观察点,RAB是它们之间的电阻,RT1,RT2是集总胸部
5、介质电阻。 双极ECG标量导联电压为A - B。这些电压都是相对于某一参考电位测量得到的。,(Vector ECG Lead Vectors),a2,a1,M,+,1,vai = |M| cos qi,va2,2,va1,P,B,A,+,-,Zero potential,Peak Potential,心房去极化P波(Lead I),房室间隔去极化 - Q波,Q,+,-,0,B,A,-,+,心室去极化 - R波,3,4,R,+,-,0,B,A,-,+,心室去极化 - S波,S,+,-,0,B.,A,-,+,B.,A,心室复极化 - T波,+,-,+,-,0,A,B,+,-,ECG形成过程回顾,结
6、论,ECG 心电图,2D-1D projection 平面心电向量第二次投影,3D-2D projection 立体心电向量环第一次投影,Instantaneous resultant ECG vector 瞬时综合心电向量,ECG Vector 心电向量,Polarization 心肌细胞极化,Dipole 电偶,3.1.3 ECG 导联,Einthoven三角 威尔逊的中心端 增强导联 胸前导联,1. Eindhoven三角导联,在额面中的三个导联矢量 由三个电极(左臂,右臂和左腿)产生 右腿用于接地 艾恩德霍芬三角 导联I(LA至RA) 导联II(LL至RA) 导联 (LL至LA) 根据
7、基尔霍夫定律 I+III-II=0,I=Vl-Vr II=Vf-Vr III=Vf-Vl,V1:左臂的电位; Vr:右臂的电位; Vf:左腿的电位。,2.威尔逊单极导联,等效参考电极 取三个肢体电极上的电压的平均值 最小化载入: 使用三个等值电阻( 5 M) 使用电压跟随器 所得电极电压为VL,VR和VF,+ VL , VR +,+ VF ,(Vr-VC)/R+(Vl-VC)/R+(Vf-VC)/R=0 VC=1/3 (Vr+Vl+Vf) VR=Vr-VC=1/3(2Vr-Vl-Vf) VL=Vl-VC=1/3(2Vl-Vr-Vf) VF=Vf-VC=1/3(2Vf-Vl-Vr),aVL, a
8、VR, aVF 断开被测肢和威尔逊端子(R / 2)之间的连接。 注意,导联矢量III,aVF,II,-aVR,I和aVL之间的角度都是30。,图(a),(b),(c)为三个肢体导联的电极连接示意图。 (d)矢量图展示了在额面上标准和增强导联向量的方向。,-aVR,3. 增强导联,将增强导联与标准威尔士中心端导联进行比较,(a),VR=Vr-VC=1/3(2Vr-Vl-Vf),增强导联不影响导联矢量的方向,但使信号幅度增加50。,横切面向量ECG,胸前导联用于记录这些电极与威尔逊中心端之间的电位差.,V1,V2,V3,V4,V5,V6,锁骨中线,前腋线,腋中线,V1:在第四肋间隙(介于第四和第
9、五根肋骨之间)胸骨的右侧 V2:在第四肋间隙(介于第四和第五根肋骨之间)胸骨的左侧 V3:介于V2和V4导联之间. V4:在第五肋间隙(介于第五根肋骨和第六根肋骨之间)和锁骨中线处(从肋间向下延伸的一条假想线) V5:和V4处于同一水平线,但处于前腋线(前腋线是自锁骨中部和锁骨外侧端中点延伸向下的一条假想线,锁骨外侧端是近臂端) V6:在腋中线上和V4、V5处于同一水平线(腋中线是自患者腋窝向下延伸的一条假想线),胸前导联在胸壁上的位置,胸前导联向量在横断面上的方向,3.1.4 ECG的功能模块,右腿电极,控制程序,微型计算机,ECG分析程序,输出,键盘,右腿 连接电路,放大保护电路,导联选择
10、器,感知电极,导联失败 检测,前置放大,自动校准,基线恢复,隔离电源,隔离电路,驱动放大,模数转换,存储单元,记录来自不同导联刺激的平行电路,记录,1. 保护电路:保护电路包括了保护器件用以防止在某些情况下心电图仪输入端出现的高压对仪器的损坏 2. 导联选择器: 用以决定特定的导联需要哪些电极连接到后续电路 3. 校准信号: 1mv校准信号引入心电图机中的记录通道进行校准 4. 前置放大器: 输入端前置放大器级执行心电图的初始放大功能。此级应该具有高阻抗和高共模抑制比,输入端的电压保护方案,限压器件,前置防大器,放大电路的第一级 必须是低噪声器件 输出经被放大很多倍,参杂的噪声也被放大很多倍
11、应直流耦合到电极 在输入导联不包含串联电容(输入偏置电流会在串联输入电容上累积电荷) 为了保留输入信号中的低频成分.,前置放大器的增益相对较低 输入偏置电流会在极化电极上堆积电荷,因此在输入信号上产生一个直流的偏置电压 使用高输入阻抗来减少这种荷电效应 高增益会使前置放大器的输出饱和 在放大器电路的后级使用电容耦合,以避免饱和效应。,导联脱落报警,用心脏监视器检测电极阻抗增加、引线故障或电极脱落的系统框图。当电极开始脱落,阻抗增加,使50kHz的电压上升到阈值。 当达到阈值时,警报发出声响。齐纳二极管将电压限制在电流源输出电压并且保护病人和其他电子元器件不受高压损害。,5. 隔离电路: 电路包
12、括对来自电源线(50或60Hz)的电流传递通路的屏障 6. 右腿电路: 电路在病人身上提供了一个参考电位,而该参考电位原本通常是地电位 7. 驱动放大器: 将心电信号放大到适于在记录器上记录的水平。其输入为交流耦合,这样经前置放大器放大的偏置电压就不会出现在驱动放大器的输入端。这些直流成分如果在这一级被放大的话就会造成放大器饱和。与此同时,这一级也执行心电图机的带通滤波。此外它还有零点漂移的控制功能,以便在记录仪上对信号定位,控制调节输出信号的直流电平。,8. 存储器系统: 在内存中存储心电图同时将它们打印在记录仪上. 9. 微型计算机:微机控制心电图机的整体操作. 10. 记录仪-打印机:提
13、供记录的ECG信号的硬拷贝。,心电图,3.1.5常见问题,频率失真 高频损耗使QRS波的尖锐边缘变的圆滑 低频损失会使基线(不再水平)或造成单相波形出现双相。 饱和/截止失真 输入振幅和失调电压组合驱动放大器进入饱和状态 正向饱和 :R波顶部消失 反相饱和:Q,S,P和T波消失,频率失真,饱和或截止失真,正常状态,正相饱和,反相饱和,接地回路 患者身体连接到多个设备,每个都有接地线(电力线或室内接地线) 如果有不止一个的仪器有一个接地电极连接到病人身上,就存在一个接地回路。由于每个设备的电源地线不同,会有电流流过病人身体并且引入共模干扰噪声 导联线断开 可以被阻抗监测电路检测到,接地回路-1,
14、接地回路-2,电压瞬变伪迹,心电图机的瞬态大电压输入会导致放大器饱和,这就需要一定的时间让电荷充分释放从而使心电图机恢复到放大器正常的工作区间。这个时间遵循系统的一阶恢复。,不需要的电压瞬变 病人的移动 电刺激信号,如除颤 放大器饱和 基线的一阶恢复 由带通放大器的低频角频率决定的恢复时间,电压瞬变伪迹,电子设备的干扰,上图:60 Hz电力线噪声耦合 电网、仪器、病人和接线之间的电场耦合 下图:耦合肌电(EMG)噪声 心电图记录时胸肌紧绷的例子,电力线耦合,心电图机从供电线中电场拾取的机制。电源火线和导联线间的耦合电容导致电流通过皮肤电极阻抗流向地。,Electro- cardiograph,
15、A,Power line,220 V,B,G,C3,C1,Z1,Z2,ZG,C2,Id1,Id2,Id1+ Id2,小的寄生电容连接电源线和RA、LA导联和仪器的接地外壳 产生小的交流位移电流Id1 和Id2 身体阻抗约500欧,可以忽略不计 VA - VB = Id1 Z1 - Id2 Z2 如果Id1 和 Id2 近似相等: VA - VB = Id1 (Z1 - Z2) = (6 nA) (20 K ) = 120 V 补救措施 用屏蔽电极和心电图机连接线的方式来减少 Id 减小或匹配电极-皮肤阻抗(最小化Z1 - Z2 ),电力线耦合,电流从电源线流过,通过身体和接地阻抗,从而在体表各
16、处产生共模电压。由于放大器输入端射频旁路电容的作用,Zin不仅是电阻, 同时还有无功分量。,Electrocardiograph,Power line,120 V,A,Zin,Z1,Cb,idb,ZG,Z2,ucm,B,G,Zin,ucm,ucm,idb,电力线耦合到人体 产生小的交流位移电流Idb ,从而产生共模电压 Vcm = Idb ZG = (0.2 A) (50 K ) = 10 mV 放大器的输入: VA - VB = Vcm (Z1 - Z2)/ Zin = (10 mV) (20 K / 5 M) = 40 V 补救措施: 减小或匹配皮肤电极阻抗(最小化Z1 - Z2 ) 增加
17、 Zin,静电屏蔽 减小电场干扰,磁场耦合,心电图机的磁场拾取: (a)当电路包含心电图机和人体时,导联形成一个闭环 (阴影区)。通过该区域的磁场变化导致环路中电流的产生。 (b) 将导联线扭合在一起并将其靠近身体以减小和身体所围成的面积,就可以使这种效应最小化,补救措施 -屏蔽 -远离潜在干扰源 -减少单匝线圈的有效面积(导线绞合),其他噪声源,电磁辐射 病人导联可视为天线,尤其是是在导联脱落时 来源 收音机;电视; 雷达; 研究设备; 移动电话; 外科电子设备; 补救措施 使用电容将输入端接地 (例如, 200 pF). 不要降低放大器的输入阻抗,3.1.6 共模和其它干扰抑制电路,右腿驱
18、动系统,Minimizes common- mode interference,病人没有和地连接 共模电压是由两个平均电阻检测(Ra) 电阻输出反转,放大,并反馈到右腿 负反馈减小共模信号值 身体的位移电流流入反相运算放大器 安全性:如果运放饱和,就会触发警报;Ro将反馈运放输出电流的大小,右腿驱动系统的等效电路,当电力线耦合的位移电流流过病人体表时,右腿驱动系统决定病人体表的共模电压。选择合适的阻抗值,从而使共模电压达到最小值,并且当辅助运放饱和时,只有一条高阻通路到地。 当id=0,2uA时,vcm是多少,Rf 和Ro 为5 M 左右; Ra 的典型值为25 k; RL 为100 k.,心
19、率计,心跳瞬时心率计系统框图,心率计的时序图,孕妇的腹部心电图,从母体腹部获得的典型心电图。F代表胎儿QRS波群; M代表母体的QRS波群.产妇心电图和胎儿心电图(直接记录胎儿)的比较。,胎心电,从包含母婴心电信号的腹部信号中分离出胎儿心电的功能框图,总结,3.1.1心肌细胞电行为 1.心脏传导系统 窦房结;房室结;希氏束;束分支;浦肯野纤维 2. 电性质 偶极子;偶极矩;使用偶极子来描述去极化和复极化过程 心电图正常激活;,3.1.2体表电位 容积导体;导体场;VCF的特点 体表电位心电图 ECG 向量偶极矩; ECG 向量 导联向量 瞬时和平均心室除极向量; 心房去极化-P波; 室间隔去极
20、化- Q波; 心室去极化R波; 心室去极化S波; 心室复极化的T波,3.1.3 ECG导联 埃因霍芬三角; Wilson中央端; 增强导联; 胸前导联 3.1.4心电图功能块 1.保护电路;前置选择器;校准信号;前置放大器;隔离电路;驱动右腿电路;驱动放大器;存储系统;微机;记录器;打印机,3.1.5 经常遇到的问题 频率失真;饱和/截止失真;接地回路;开路导 线;伪迹;电气设备干扰;电力线耦合;磁场耦合;其他噪声源 3.1.6共模和其它干扰抑制电路 右腿驱动电路; 心率计 胎心电,作业: 6.10; 6.11,Exercise: 1. An electrocardiograph has a
21、broad frequency response so that its amplifier has a first-order time constant of 16 s. The electrocardiograph amplifier has a broad dynamic range of input voltages, but any input voltage greater than 2mV will be out the range of its display and cut off. While recording the ECG of a patient, a transient occurs that has an amplitude of 10 mV, and this causes the ECG to fall out of the range of the instruments display. If the ECG R wave has an amplitude of 1 mV, how long will it take for the entire signal to be visi
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