电子系统设计课件：第4讲 电子系统综合设计-生物电子学仪器

1、电子系统设计监护仪器0308医用监护仪器能够对人体的生理参数进行长时间连续监测，并且能够对检测结果进行存储、显示、分析和控制，出现异常情况时能够发出警报提醒医护人员及时进行处理。医用监护仪的临床应用根据临床护理对象和监护目的不同，临床监护仪用于以下护理监护：手术中和手术后的监护；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（肾透析、高压氧舱、放射线治疗、精神病等）的监护；为确诊所进行的长期监护。在临床上根据需要在科室和病房中使用各种专用的监护仪，也称为监护系统，主要有：危重病人监护仪、冠心病监护仪、分娩监护仪、新生儿和早产儿监护仪、颅内压监护仪、麻醉监护仪、睡眠监护仪等。监护

2、仪监测的生理和生化参数：如心电图监测、呼吸监测、无创血压监测、有创血压监测、气道二氧化碳监测、气道氧气监测、血液体积辅助监测、血氧饱和度/血液体积监测、温度监测、pH值监测、血气监测等医用监护仪除有监护功能外，还有疾病诊断和治疗的功能，同时还有抢救功能，如动态心电图（HOLTER）和血压监测信、心脏除颤监护仪等。医用监护仪的分类按检测参数分类： 单参数监护仪； 多参数监护仪。按使用范围分类： 床边监护仪； 中央监护仪； 离院监护仪。按功能分类： 通用监护仪； 专用监护仪。按仪器接收方式分类： 有线监护仪； 无线遥测监护仪。按监护仪作用分类：纯监护仪和抢救、治疗用监护仪。按仪器构造功能分类：一体

3、式监护仪；插件式监护仪。医用监护仪的结构传感器与电极：各种传感器和电极用以获取各种生理参数。监护系统中的传感器要求能长期稳定地检出被测参数，且不能给病人带来痛苦和不适等。多路模拟处理系统：它主要是将传感器获得的信号加以放大，同时减少噪声和干扰提高信噪比，实现采样、调制、解调、阻抗匹配等。计算机系统：计算机系统是医用监护仪器的控制核心，主要负责信号的存储、运算、分析及诊断。监护仪具备的功能主要由计算机系统实现，具体包括： 阈值比较； 计算； 分析； 建模信号的显示、记录和报警治疗部分医用监护仪的特点安全性能与国际标准接轨功能更加强大、性能更加卓越专用监护仪发展迅速远程监护和家庭监护日益普及。临床

4、常用的监护参数及测量原理心电图 心电图是多参数监护仪最基本的监护参数。测量原理心电监护原理与常规心电图机的检测原理基本相同。心电监护仪一般能监护36个导联，标准、导联及加压导联aVR、aVL、aVF，能同时显示其中的一个或两个导联的波形。功能强大的监护仪可监护12个心电导联。最简单的监护仪一般有3个监护电极。监护导联电极的颜色标识有AHA（美国心脏协会）和IEC（国际电工委员会）两个标准见表6-1。监护导联线电极的颜色标识标准电 极右臂R、右上胸部左臂L、左上胸部左腿F、左下胸部右腿N、右下胸部胸部或V1V6AHA白色黑色红色绿色棕色IEC红色黄色绿色黑色白色当监护仪有3个监护电极时，监护电极

5、放置于胸部的位置如图6-2所示。影响ECG精确测量的因素 电极放置正确； 电极与皮肤接触良好； 导联选择正确； 排除外部干扰。虽然心电监护原理与常规心电图机的检测原理基本相同，但心电监护功能并不能完全替代常规心电图机。目前监护仪的心电波形一般不能提供更细微的结构，也就是说其细微结构的诊断能力还不强，这是由于两者的目的不同。心电监护的目的是长时间、实时地监测患者的心率情况。两种仪器在测量电路中，放大器的通带宽度及时间常数都不一样。心率心率：是指心脏每分钟搏动的次数。心率测量是根据心电波形测定瞬时心率和平均心率。瞬时心率是指心电图两个相邻R-R间期的倒数。即： 平均心率是在已知时间内计算脉搏数，即

6、用R波个数来决定 。即：QRS波的识别是心率测量的关键。对心电信号h(t)进行微分得：若微分值e(t)大于阈值E，则可确定该时刻的心电图波为R波。三、血氧饱和度血液中的有效氧分子，通过与血红蛋白（Hb)结合后形成氧合血红蛋白（HbO2），氧合血红蛋白占全部血红蛋白的百分比称为血氧饱和度。血氧饱和度是衡量人体血液携带氧的能力的重要参数。血氧饱和度的测量通常分电化学法和光学法两类。电化学法属于有创测量，操作复杂，分析周期长，不能连续监测。脉搏血氧测定法是一种克服这些缺点的新型光学测量方法。在符合临床要求的前提下，实现无创伤、长时间连续监测血氧饱和度，为临床提供了快速、简便、安全可靠的测定方法。由于

7、它的明显优点，已在临床中得到广泛应用特别是在临床监护、急救护理和手术麻醉中，它被认为是监护仪所必备的性能监护仪中对脉搏血氧饱和度的测量，采用的是光电技术，通常有两种方法：透射法和反射法。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：I0/I比值的对数称为吸光度D，因此上式可表示为：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600700nm的红光区，Hb的吸收系数比HbO2的大；而在波长为800 100

8、0nm的近红外光区， HbO2的吸收系数比Hb的大；在805nm附近是吸收点。HbO2和Hb的光吸收系数 基于氧合血红蛋白HbO2和还原血红蛋白（Hb）的这种光谱特性，血氧饱和度探头中的发光元件发出两种波长的光信号，通常用660nm的红光和925nm的近红外光照射被测组织，将含动脉血管的部位（如手指、脚趾、耳垂等）放在发光管和一个光电管之间，如图所示。 光电管所接收的光吸收或者光透射信号包含两种成分：一种是脉动成分（即交流信号AC），它是由脉动的动脉血的光吸收引起的交变成分；另一种是稳定成分（即直流信号DC），它反映各非脉动组织（如表皮、肌肉、骨骼和静脉等）引起光吸收的大小。能反映血氧饱和度变

9、化的仅仅是两波长的交流信号幅度之比，而两波长的直流信号可用于对交流信号定标。由于血液中的HbO2和Hb浓度随着血液的脉动做周期性的改变，因此，它们对光的吸收也在脉动地变化，因此引起光电管输出的电信号强度也随血液脉动而周期性改变。由于光电管能将接收到的光信号转变为电信号，但不能区分光的波长，监护仪电路中用一个定时电路来控制两个发光管的发光次序。两种波长的光交替通过检测部位，由光电元件检测透射光强，并将两个信号的脉动成分分离出来，根据下式计算对应的血氧饱和度值：由于光电信号的脉动规律与心脏的搏动一致，根据检出的信号重复周期可确定脉率，所以称之为脉搏血氧饱和度检测。反射法采用透射原理的传感器，只能局

10、限于在指尖和耳垂部位进行测量，不能实现体表大多数部位的血氧饱和度监测。虽然从指尖或耳垂检测能反映全身的动脉血氧饱和度变化，却不能反映由于局部组织（如脑组织）发生循环障碍或局部组织（如肌肉组织）大量耗氧等情况下组织血氧状态的变化。采用反射式血氧饱和度传感器的设计，可避免透射式传感器透射深度有限的缺点，适用于全身各处肌肉组织氧含量的测量。反射式血氧饱和度的检测原理与透射式的电路部分基本相同，不同的只是传感器。反射式传感器也由两种波长的发光二极管和光敏元件组成。由于光线在组织中的运动呈现随机性，光线从光源发射经组织传播到光敏元件接收，走过的是一条香蕉状路线，所以，光源与光敏元件的距离是一个重要的参数

11、，一般设置为410mm四、脉搏脉搏：是动脉血管随心脏舒缩而周期性搏动的现象。脉搏包含血管内压、容积、位移和管壁张力等多种物理量的变化。脉搏测量有几种方法：一是从心电信号中提取；二是从测量血压时压力传感器测到的波动来计算脉率；三是光电容积法。下面重点介绍光电容积法测量脉搏。 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分组成，它夹在病人指尖或耳廓上，如图6-10所示。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

12、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。 脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号，动脉血管容积也周期性地变化，光电变换器的电信变化周期就是脉搏率。光电容积法脉搏测量五.远程监护 远程监护是指检测病人的各项生理参数，然后利用通信网络将检测的数据传送到时异地进行远程诊断的病人监护技术。远程监护缩短了医生和患者之间的距离，医生可以根据这些远程传来的生理信息为患者提供及时的医疗服务。（一）远程监护的临床意义(1) 有利于医疗资源共享，解决偏远地区病人就医问题，减轻病人负担。(2) 对自理能力较差的老年人和残疾人的日常生活状态实施远程监护，不仅能提高医护人员的护理水平和患者的生活

13、质量，还可以评估监护对象的独立生活能力和健康状况。(3) 远程监护可以在患者熟悉的环境中进行，减少了患者的心理压力，提高了诊断的准确性。(4) 对健康人群的远程监护，可以发现疾病的早期症状，从而达到保健和预防疾病的目的。 （二）远程监护系统的体系结构远程监护系统一般包括三个部分：病人监护设备、通信网络、医院监护中心，其结构如图6-29所示。根据监护对象和监护目的不同将病人监护设备分为三大类：第一类为上述和各种病人生理参数监护仪。这类设备使用范围最为广泛，能帮助医生掌握监护对象的病情并提供及时的医疗指导。检测的生理信息包括：心电图、心率、血压、脉搏、呼吸、血气(氧分压和二氧化碳分压)、血氧饱和度、体温、血糖等。这类设备要求无创或微创检测，操作方便，便于携带。重要生理参数监测设备一般具有异常或危重情况报警功能。病人监护设备医院监护中心通讯网络第二类为日常活动监测设备，如监护对象坐、卧、走等活动状