医学仪器原理-心电图基础

生物电测量仪器一、心电图机二、脑电图机三、肌电图机1、心电图：心脏在机械性收缩之前，首先产生电激动。心肌激动所产生的微小电流可经过身体组织传导到体表，使体表的不同部位产生不同的电位。在体表放置两个电极，分别用导线连接到心电图机的两端，就会按心脏激动的时间顺序，将体表两点间的电位差记录下来，形成一条连续的曲线，就是心电波形，简称心电图。

心电图是从体表记录的心脏电位变化曲线，它反映出心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电位变化。

2、心脏兴奋的特殊传导系统正常情况下窦房结发出的兴奋通过结间束和心房肌传到左右心房和房室交界，然后由希氏束（房室束）传到左右束支，最后通过浦肯野氏纤维网，引起心室肌兴奋，心室肌将兴奋由内膜侧向外膜侧心室肌扩散，引起整个心室兴奋。心电图反映的就是兴奋由心房到心室的传导的时间先后顺序及相应的兴奋强度。3、典型的心电图波形P波：最早出现，反映心房除极；P-R段：反映心房复极及房室结，房室束的电活动；P波与P-R段合计为P-R间期，始自心房开始除极终于心室开始除极；QRS波：反映心室除极的全过程；ST段：心室复极的缓慢期；T波：心室复极的快速期。4、心电图的典型波形意义

P波：由心房的激动所产生，前一半主要由右心房所产生，后一半主要由左心房所产生。正常P波的宽度不超过0.11s，最高幅度不超过2.5mm。

QRS波群：反映左、右心室的电激动过程，称QRS波群的宽度为QRS时限，代表全部心室肌激动过程所需要的时间，正常人最高不超过0．10s。

T波：代表心室激动后复原时所产生的电位影响。在R波为主的心电图上，T波不应低于R波的1／10。U波：位于T波之后，可能是反映心肌激动后电位与时间的变化，人们对它的认识仍在探讨之中。5、典型间期（1）房室交界的传导速度最慢，冲动通过这一部位要延搁0.1S。房室交界是兴奋由心房进入心室的唯一通道，从心房到心室保持一定的传导延搁，使心房和心室不至于同时兴奋；当心房收缩时，心室仍处于舒张状态，这对于保证心脏按顺序激动和心室有足够的充盈时间。（2）心房内和心室内兴奋传导的速度较快是保证兴奋几乎同时传到所有的心房肌和心室肌，从而使所有的心房肌和心室肌几乎同时发生收缩。由于心脏的生理功能与心电图之间存在着密切的对应关系，可以从心电图的波形变化上，诊断出心脏生理功能失常的情况与变化趋势，这对医学研究和临床都有重要意义。心电图的临床应用窦性心律及窦性心律失常凡起源于窦房结的心律称为窦性心律心电图特点：

1.P波规律出现,形态表明激动来自窦房结；

2.P-R间期﹥0.12s；

3.频率40-150次/分。正常窦性心律的频率为60-100次/分。窦性心律及窦性心律失常窦性心动过速：窦性心律的频率在成人超过100次/分。常见于运动、精神紧张、发热、甲状腺功能亢进、贫血、失血、心肌炎和拟肾上腺素类药物作用时。窦性心动过缓：窦性心律的频率低于60次/分。老人及运动员正常心率可较缓，颅内压增高、甲状腺功能低下或β-受体阻滞剂可引起窦性心律不齐：同一导联上P-P间期差异大于0.12s。多见于青少年或自主神经功能不稳定者。在人体体表记录心电图时，必须解决两个问题：电极的放置位置电极与放大器的连接形式临床上为了统一和便于比较所获得的心电图波形，对描记的心电图的电极位置和引线与放大器的联接方式都有严格的统一规定。六.心电图导联将记录心电图时，电极在人体体表的放置位置，及电极与放大器的连接方式称为心电图导联或导联。目前广泛应用的是国际标准十二导联体系，分别记为：Ι,Ⅱ,Ⅲ,aVR、aVL、aVF、V1～V6.其中Ι,Ⅱ,Ⅲ导联为双极导联，aVR、aVL、aVF、V1～V6为单极导联。获取两个测试点的电位差时，用双极导联；获取某一点相对于参考点的电位时，用单极导联。电极的安放位置在国际标准十二导联体系中，需要在人体安放10个电极，分别位于左臂（LA），右臂（RA），左腿（LL），右腿（RL）以及胸部6个电极（V1～V6）。在记录心电图时，右腿电极一般为参考电极，其余9个电极作为心电电极。肢体电极采用的是平板式电极，胸电极采用吸附式电极。心电图机球状吸附式胸电极常见的导联方式标准导联单极肢体导联加压单极肢体导联单极胸导联双极胸导联（一）标准导联最早记录心电图(ECG)的方法是荷兰生理学家威廉·爱因霍文发明的（1903）。爱氏（Einthoven）发明了双极标准肢体导联（简称标准导联），又叫做Ι,Ⅱ,Ⅲ导联的方法，首先在临床上采用，用来记录心电信号。它是以两肢体间的电位差为所获取的体表心电。

1．标准导联的理论基础（Einthoven原理）基于以下三点假设：（1）人体的左肩、右肩及臀部三点与心脏距离相等，构成等边三角形的三个顶点，心脏产生的电流均匀地传播于体腔，四肢仅作为传导体，肢体上任何一点的电位等于该肢体与体腔连接处的电位。(2)等边三角形的中心为心脏，并与三角形在同一平面上。(3)体腔是一个均匀导电的、相对心脏来说是很大的球形容积导体。心脏的电活动过程为一对电偶，位于容积导体的中央，其偶极矩的方向斜向左下方并与水平线成一角度，称为心电轴，如图所示。以上所述称为爱因霍文三角学说(或称爱因霍文三角形)，从人体不是均匀导体来看，它是一个近似的模拟方法。2.标准导联连接方式：第Ι导联的心电信号是心脏活动时传导到左手和右手上的心电电位差，第Ⅱ导联是传导到右手与左脚之间的电位差，第Ⅲ导联是传导到左手与左脚之间的心电电位差。这种方法就是通常所说的爱氏三角形法，如图所示。爱氏三角形的三个顶点分别是右手、左手和左脚。设心脏活动时传导到右手、左手和左脚的心电电位分别是UR、UL和UF，那么第Ι,Ⅱ,Ⅲ导联的组合原理可由下式表达：第Ι导联：左手－右手第Ⅲ导联：左手－左脚第Ⅱ导联：右手－左脚URULUF三种双极标准导联如下图3所示，图中A为放大器，Acm为右腿驱动电路。电极安放位置以及与放大器的连接为：标准导联时，右下肢(RL)始终接Acm的输出端，间接接地。Ι导联：左上肢(LA)接放大器正输入端,右上肢(RA)接放大器负输入端。Ⅱ导联：左下肢(LL)接放大器正输入端，右上肢(RA)接放大器负输入端。Ⅲ导联：左下肢(LL)接放大器正输入端,左上肢(LA)接放大器负输入端.标准导联的特点是能比较广泛地反映出心脏的大概情况，如后壁心肌梗塞、心律失常等，在Ⅱ导联或Ⅲ导联中,可记录到清晰的波形改变。标准导联只能说明两肢间的电位差，不能记录到单个电极处的电位变化。以VL、VR、VF分别表示左上肢、右上肢、左下肢的电位值，则：每一瞬间都有:（二）单极肢体导联最先由物理学家威尔逊(Wilson)（1932）提出。记录心电图时，将一个电极安放在左臂，右臂或左腿，称为探查电极，另一个电极放置在零电位点，称为参考电极。探查电极所在部位电位的变化即为心脏局部电位的变化。单极性导联法就是设置一个星形电阻网络，即在爱氏三角形的三个顶点上，分别接入一个等值电阻，三个电阻的另一端接在一起，视为中性点，叫做威尔逊网络的中心点。然后分别测定某个顶点到威尔森网络中心点之间的心电电位。5kΩ（5～300kΩ）

(平衡电阻）威尔逊网络的中心端的电位与人体电偶中心点的电位相等,即可视为零电位。单极肢体导联的三种连接方式，记为VR,VL,VF。用这种方法所获得的单极性胸导联心电信号是真实的，但所获取的电位由于电阻R的存在而减弱，比实际的幅度要低，不便进行测量分析。（三）加压单极肢体导联是由一个叫戈德伯杰(Goldberger）的科学家对电阻网络进行了改进（1942）。在单极肢体导联基础上，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。如图6所示。在测定爱氏三角形某一顶点的心电信号时，去掉这一顶点到威尔森中心点的连接电阻，其他条件不变。用这种网络所获取的心电图叫做单极肢体导联心电图，即通常所说的增广肢体导联，分别叫做aVR，aVL，aVF。单肢体导联的组合原理可用下式表达：加压导联获得的电压分别记为aVR、aVL，aVF。设威尔逊中心电端电位实际为Vc。则aVR、aVL、aVF与VR、VL、VF之间的关系为:（四）单极胸导联由Wilson于1942年提出。测量心电图时，为了探测心脏某一局部区域电位的变化，将探测电极安放在靠近心脏的胸壁上，参考电极置于威尔逊中心端，探测电极所在部位电位的变化，即为心脏局部电位的变化，这种导联称为单极性胸导联。探测电极安放在前胸壁上的六个固定位置，将心电信号送入放大器正输入端，参考电极接到中心端接放大器负输入端。单极性胸导联心电图一般有6个导联，以V1～V6表示，分别叫做V1，V2，V3,V4,V5,V6，如下图所示。探测电极安放在前胸壁上的六个固定位置:V1在右胸骨边缘第四肋间V5为腋下线前与V4同水平V6在腋下线上与V4同水平V2在左胸骨边缘第四肋间V3在V2和V4中间V4在锁骨中线与左第五肋间的交点单极性胸导联心电图的6个导联，V1，V2，V3,V4,V5,V6，可用下式表达：

式中，Vn为V1～V6。Vcn为胸部特定部位C1～C6的心电电位。临床诊断时常用单极胸导联。由于探测电极离心脏很近，获得的心电波形有较大振幅、有利于观测。（五）双极胸导联测定人体胸部特定部位与三个肢体之间的心电电位差，即探测电极放置于胸部六个特定点，参考电极分别接到三个肢体上。双极胸导联在临床上应用极少，其导联法的临床意义有待于探索和研究。

综上所述，心电图一般有12个标准导联：标准双极性肢体导联(Ι,Ⅱ,Ⅲ）,单极性增广肢体导联(aVR、aVL、aVF）和单极胸导联(V1～V6)。由于这12种导联的心电信号，通常能反映出人体心脏某些特定部位的健康状况，在临床诊断上具有重要意义。正确地安装导联电极，在临床诊断中有很强的指导意义，例如确定心梗的部位等。心电导联在临床诊断学上的意义正确地连接导联电极所获得的心电图，通常能说明心脏每一部位的病理变化情况。各种心电导联与心脏每一部位的对应关系如图和表所示。头胸（HC）导联1973年由第一军医大学尹炳生教授设计出的头胸导联是一种全新的导联系统，它以右前额为参比点，接地点与参比点相距2-5mm，测试点数目据诊断要求而定，取1-24点。这样测得的心电图称为头胸导联心电图（HCECG）。特点：无假性倒P，假性倒T和假性Q波，能较好地排除常规导联的各种假性改变。心电图机的基本结构（一）输入部分包括从电极到导联线、导联选择器、输入保护及高频滤波器等。1．导联线由它将电极上获得的心电信号送到放大器的输入端。电极部位、电极符号及相连的导联线的颜色均有统一规定。2．导联选择器它的作用是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一种导联方式。每切换一次导联都需按顺序进行，不能跳换。3．输入保护及高频滤波器使用心电图机时，既要保护病人安全，又要避免因病人进行除颤治疗或施行高频电刀手术而损坏同时使用的心电图机。（二）放大部分1．前置放大器它是心电放大的第一级，因输入的心电信号很微弱，对前置放大器具体要求是：低噪声、高输入阻抗、高抗干扰能力、低零点漂移、线性工作范围2．1mV标准信号发生器

a.校准灵敏度（定标）

b.测量时间常数

c.检测阻尼3．中间放大器中间放大器在RC耦合电路之后，称为直流放大器。它不受极化电压的影响，增益可以较大，一般由多级直流电压放大器组成。心电图机的一些辅助电路（如增益调节、闭锁电路、50Hz干扰和肌电干扰抑制电路等）都设置在这里。4．功率放大器功率放大器的作用是将中间放大器送来的心电信号电压进行功率放大，以便有足够的电流去推动记录器工作，把心电信号波形描记在记录纸上，获得所需的心电图。因此功率放大器亦称驱动放大器。

（三）记录器部分：包括记录器、热描记器（简称热笔）及热笔温控电路。（四）走纸传动机构带动记录纸并使它沿着一个方向做匀速运动的机构称为走纸传动装置，它包括电机与减速装置及齿轮传动机构。（五）电源部分电源采用220V／110v交流市电经整流、滤波及稳压构成的稳定直流电源供电，或用于电池、蓄电池等直流电源供电。也有采用交直流两用方式供电的。为适应不同需要，电源部分还有充电及充电保护电路、蓄电池过放电保护电路、交流供电自动转换蓄电池供电电路及电池电压指示等。心电图机的主要性能参数1．输入电阻心电图机的输入电阻即为前置放大器的输入电阻，一般要求大于2MΩ。输入电阻愈大，因电极接触电阻不同而引起的波形失真越小，共模抑制比就越高。

2．灵敏度心电图机的灵敏度是指输入lmV电压时，描笔偏转的幅度，通常用mm/mV表示，它反映了整机放大器放大倍数的大小。一般将心电图机的灵敏度分为三挡（5mm/mV、10mm/mV、20mm/mV），且分挡可调。

3．噪声和漂移噪声指的是心电图机内部元器件工作时，由于电子热运动等产生的噪声，不是因使用不当外来干扰形成的噪声，这种噪声使心电图机在没有输入信号时仍有微小杂乱波输出，噪声的大小可以用折合到输入端的作用大小来计算，一般要求低于相当于输入端加入几微伏至几十微伏以下信号的作用。国际上规定≤15μV。

4．时间常数若给RC串联电路接通直流电压E后，电容器的充电电流并不是一个常量，而是时间t的函数。表达式为：式中：τ——时间常数；ic(t)——t时刻电容两端的充电电流

心电图机的时间常数τ的数值，是指在直流输入时，心电图机描记出的信号幅度将随时间的增加而逐渐下降，输出幅度自100%下降到37%左右所需的时间。这个指标一般要求大于3.2s，若过小，幅值就下降过快，甚至会使输入信号为方波信号时输出信号变成尖峰波，这就不能反映心电波形的真实情况。检测方法：心电图机工作在标准灵敏度。导联选择开关置于“Test”位（lmV位），将描笔基线调置记录纸中心线上，走纸，按下1mV定标电压开关，直到记录笔回到记录纸中心线再松开，停止走纸。计算波幅从10mm下降到3.7mm时所经过的时间，就是该机的时间常数5、线性：线性好的心电图机，在输入信号幅度变化时，输出信号应与输入信号成正比变化，如当心电图机处于10mm/mV标准灵敏度情况时，给心电图机分别输入0.1mV，0.2mV，0.3mV，…，不同的幅值信号时，如果输出描记下来的信号高度分别为lmm，2mm，3mm，…，则说明心电图机线性好，线性误差为零。

6．阻尼心电图机的阻尼是指抑制记录器产生自激振荡的能力，调节适当就可防止记录器按固有频率振荡运动。心电图机的阻尼过大时，心电图上微小