临床检验分析技术及仪器.ppt

第三章 临床检验分析技术及仪器 本章主要内容本章主要内容 v 体液、血液成份分析技术及仪器 v 人体电生理参数检测仪器 v 人体非电生理参数检测技术及仪器 v 病人监护仪器(Patient Monitor) 前言 l医学仪器定义 参考国际标准化组织(ISO)对医疗器械(Medical Device) 的定义，医学仪器(Medical instrument)是指那些单纯或者组 合应用于人体的仪器，包括所需要的软件。其使用目的是： v疾病的预防、诊断、治疗、监护或者缓解; v损伤或残疾的诊断、治疗、监护、缓解或者补偿; v解剖或生理过程的研究、替代或者调节; v妊娠控制。 简单的说：医学仪器是以医学临床和医学研究为 目的仪器 前言 l医学仪器的分类 化学分析类仪器（人体各种生物、化学物质检测） 生理类仪器（电生理参数、非电生理参数检测） 医学成像类仪器（X射线成像、X射线成像计算机断层成 像、超声成像、磁共振成像等） 治疗类仪器（电治疗、激光治疗、微波治疗、超声治疗 等） 前言 l医学仪器发展简史 v2500年前黄帝内经中所述“九针”是人类最早发明、精心制作的 医疗器械。 v1816年发明听诊器 v1850年发明临床体温计 由于19世纪末20世纪初科学的重大发现（以量子力学和相对论为代 表）和工业文明（以机械制造和电子工程为代表）的出现。现代医学仪 器诞生并迅速发展。 v1895年伦琴发现X射线（1901年首届诺贝尔物理奖） v1903年荷兰生理学家艾萨文研制出第一台心电图仪（1924年诺贝尔生 理学与医学奖） v1924年法国科学家Berger第一次给出人类癫痫病发作时的脑电图。 v1972年Housfield与Cormack将计算机与X射线结合，发明计算机断层 扫描仪（1979年诺贝尔生理与医学奖） v1973年Lauterbur与Mansfield研制出磁共振成像仪（2003年诺贝尔生 理与医学奖） 第1讲 体液、血液成份分析技术及仪器 临床检验分析是研究在生理、病理情况下人 体内物理、化学变化的一门科学。通过测定血液 、体液中一些组分的含量和循环、微循环系统的 理化特性，作为医生对病人进行诊断疾病、观察 病情、设计治疗、判断疗效的依据。 随着科学技术的发展，尤其是酶学、免疫化 学、分子生物学、分析化学、化学仪器、电子技 术和计算机技术、传感器技术的快速发展，使临 床化学无论在分析技术和仪器研制方面都有很大 的进步，多指标分析、高精度数字处理及全自动 化，是临床化学分析仪器及其他检验仪器的发展 方向。 第1讲 体液、血液成份分析技术及仪器 一、自动生化分析仪 用途：生化分析仪主要用于检验人体血清、血浆 、或尿液中的各种代谢产物、蛋白、电解质等， 例如血糖、血脂、三酸甘油酯、心肌酶谱、尿素 氮、淀粉酶等，以作为心脏疾病、肾功能、肝功 能的检查判据。 HITACHI 7080 全自动生化分析仪 第1讲 体液、血液成份分析技术及仪器 原理：生化分析仪的基本原理是光度法，仪器的核心部分 是光电比色计或分光光度计。光度法基于朗伯一比尔定律 。当特定波长的光穿过一定厚度一定浓度的有色溶剂的溶 液时，入射光强I0与透射光强I之间的关系： I= I0e -Cd 其中是溶质对特定波长的吸收系数(波长一定时， 是一个常数)，C是溶液浓度，d是光穿过溶液的路径(即比 色杯的直径，为一常数)。上式即为朗伯-比尔定律。若测 出I0和I，从上式即可计算出物质的浓度C。 几点说明： (1)入射光在比色杯的表面会产生反射，一部分光亦会被比 色杯壁和溶剂吸收，为了消除这些因素，测定时还要同时 测定一个内装有该溶剂的标准浓度溶液的参考杯。 (2)现代仪器都用特定波长的光来进行测量，一般使用滤光 片滤光或棱镜分光获得单一波长的光。 用滤光片的仪器称为滤光光度计或比色计，用棱镜的仪器称为分光光度计。 第1讲 体液、血液成份分析技术及仪器 组成：由光源、单色光器(有滤光片、棱镜、光栅三种类型) 、比色杯、光电检测器、放大器、A/D转换器和计算机等部分 组成。现代的自动生化分析仪以分光光度计为核心，并将过 去手工操作的环节如血清分离、标本输送、标本分配、加试 剂混合、控制反应时间、比色、废液处理等，都由计算机控 制的机械化装置完成。 第1讲 体液、血液成份分析技术及仪器 分类:从结构上分大体可分为三类：连续流动式、分立式和 离心式。 1连续流动式 1957年美国Skeggs博士首先提出了气泡隔离连续流动分析原 理。这是世界上第一种临床化学分析自动化仪器，从此临床化学 自动化分析仪发展迅速。 这种仪器利用比例泵压缩不同内径弹性塑料管，将标本和试 剂按比例地吸收到管道系统中。在一定条件下，标本和试剂在管 道内连续流动，同时在流动过程中完成混合、保温，并使标本和 试剂产生反应、比色等步骤。最后打印测定结果。 早期的这种仪器为单通道，只用于测定葡萄糖和尿素氮，测 试结果以光密度表示。随后分析项目增加了，测试结果也能以数 字打印显示。1964年又开发生产了连续多道分析仪，每小时可测 60个样本，每个样本可测六个生化指标，直接显示浓度结构。 1977年增加了内置计算机控制系统，每小时可测150个样本，每 个样本可测20个指标，使连续流动式分析仪技术达到一个更高水 平。 第1讲 体液、血液成份分析技术及仪器 2分立式 分立式仪器实际上是以自动化方式模仿手工操作方式，在一个个比 色杯中自动地定量加样本，加试剂，经加热而产生化学反应，然后一个 个比色杯进行比色测定，再将浓度结果打印记录。所以分立式仪器从结 构上都由以下五个部分组成，即样本定量取样和加试剂、反应温度和时 间控制、比色以及数据显示和记录。 3离心式 离心式自动生化分析仪是20世纪70年代以来发展很快，目前已占绝 对优势。它的原理是利用离心力使试剂和样本相混合，并利用离心力使 混合物贮存于转子最外端比色槽中。在离心过程中，试剂和样本进行反 应，并由垂直于该转子的光度计进行检测。 转子为该仪器重要部件之一，由透明有机玻璃制成，为圆盘状，有 约30个长条反应槽呈辐射状排列。转速平均每分钟500转，离心机启动后 ，样本和试剂在几秒钟内混合并进入比色槽。光度计同时进行检测，并 在记录器上显示测定结果。 该仪器可用于终点法测定的动力法测定，在短时间内可分析约30个 样本。其另一特点为试剂及样本用量少，故降低了检测费用。 第1讲 体液、血液成份分析技术及仪器 l二、电解质分析仪 v电解质对于保持体液的酸碱平衡、维持渗透压等起着重要作用。电解 质分析仪用于测量人体血液中Na+、K+、Cl-、HCO3-、Ca+等离子。 v目前测量人体血液中电解质一般都用离子选择性电极或火焰光度计。 v火焰光度计原理：每一元素都有其特定发射光谱，即其谱波长特异性。以 火焰为激发源，对某些金属元素的发射光谱进行光度分析的称为火焰光度 法。 v离子选择性电极原理：依靠电极与样本中离子直接接触，通过建立起电位 进行测量的。 钠电极为玻璃电极，由玻璃敏感膜制成。 钾电极的敏感膜由PVC和缬氨酶素的混合物制成。 氯电极敏感膜由金属氯化物材料制成。 重碳酸离子一般以二氧化碳总量来测量，所以也是用二氧化碳气敏电极 测量。国际上测定血样本中电解质都采用离子选择性电极分析仪，而采用 火焰光度计的只是少数。 几种常用电极 第1讲 体液、血液成份分析技术及仪器 l三、血液学分析仪 用途：测定全血中白细胞、红细胞、血小板、血红蛋白、平均红细胞容积 、红细胞压积等。若仪器测定红细胞、白细胞、血红蛋白三种指标，则称 为血细胞计数仪。(过去血红细胞计数是用显微镜以目测法来计数，误差较 大这是一项工作量大的工作，在我国一些医院中特别是县级医院，现在用 目测法技术仍占相当大比例。) 血细胞计数技术发展情况 50年代库尔特研制生产了第一代血细胞计数器，这对血液实验室产生 了很大影响，使血细胞计数从繁重的目测法劳动中解放出来，库尔特计数 仪所用原理为电导法，又称电阻法。在含有血细胞悬浮的电解质释放液中 ，侵入有正电极的计数器管(上有一小孔)。电路接通后，两个电极通过计 数器管的小孔形成一个电路(另一负电极在待测血细胞电解质释放液中)。 血细胞与释放液比较，电阻较大。当计数管内抽气形成负压后，管外的血 细胞悬浮液流向管内，每一个血细胞通过小孔时，由于电阻变化，瞬间产 生了电压变化，并产生微弱脉冲信号，此信号再经过放大和触发计数电路 ，进行记数。现在极大部分血球计数器都是利用此原理进行设计制造的。 第1讲 体液、血液成份分析技术及仪器 这种仪器的计数小孔有时会产生堵塞现象，且有时会有 一个以上的血细胞同时通过小孔，造成计数上的偏差。 70年代后期，美国Oetho公司利用光斑产生脉冲以及细 胞流经激光束时产生的散射来进行计数，这就是激光血液学 测定装置。采用流体动力不聚焦技术，所以不会产生堵塞现 象。 血小板计数在临床上诊断某些疾病的作用日益重要， 现在血小板测定基本上采用离心法较多，利用特定试剂，在 离心机上进行分离，红细胞在离心力作用下沉积，而血小板 仍悬浮在试液中，一试液于细胞计数器中进行血小板计数。 第1讲 体液、血液成份分析技术及仪器 l四、血气分析仪 用途：用于测量血液中的PH值、二氧化碳分压(PCO2)和氧分压(PO2)。若 在仪器中再输入大气压，病人体温及血红蛋白等数据，可进一步计算得到 HCO3、二氧化碳总量、硷过量（BE）等数据。 最初的血气分析仪只有一个PH电极，即使如此，在临床抢救时已发 挥了作用。1957年二氧化碳气敏电极问世，它被立即用于血气分析仪。 60年代，配备有PH值、二氧化碳及氧电极的血气分析仪开始生产， 只须采集血液样本，送入仪器后，测量、计算、清洗、标定等都自动进行 。 PH值电极是一种对氢离子具有选择性敏感的玻璃膜离子选择电极。 它的结构形式大部分为平头膜PH电极。 二氧化碳电极实质上是一只平头膜PH电极，它将二氧化碳分压的变 化转化成PH值变化，从而达到测量二氧化碳分压。它的结构是在PH电极敏 感膜外部装一片能渗透二氧化碳的薄膜，当血样本通过此薄膜时，二氧化 碳气体透过薄膜进入电极外缓冲液，从而改变了PH值，也即反映了二氧化 碳浓度。 气敏氧电极为一极谱电极，氧的测量基于电解氧原理。被测电流大 小正比于分压的高低。 l五、尿分析仪 尿分析仪是专用于分析尿液的自动生化分析仪。它采用专用的试纸 带，利用球面积分式双波长反射光度计原理。由单片机控制，通过测定 试纸带颜色变化就可求得尿液中各种成分的浓度。一次检测8个常规指 标，有：尿PH、蛋白质、葡萄糖、酮体、隐血、胆红素、尿胆素原、压 硝酸盐。 组成：尿分析仪由光电系统（光源、球面积分析仪、滤光片、光电检测 器）、扫描机构、残尿吸取机构、试纸带位置检测电路以及单片机控制 系统组成。 工作原理：光源灯发出的白光通过球面积分仪的通光筒，照射到浸了尿 液的试纸带上。试纸带把光反射到球面积分仪中，球面积分仪具有对反 射光的聚焦作用。球面积分仪上有三块滤光片和三个光电检测器。分别 对应波长为500nm、620nm、720nm的单色光，其中720nm是参考波长。扫 描机构由步进电机驱动带动光电系统对试纸带进行扫描，对标本进行逐 一测试。光电转换信号经电流/电压转换器及A/D转换器后进计算机系统 进行数据处理，测试结果由微型打印机打印。显示器显示定时间和标本 序号，仪器有上电自检功能。 第第1 1讲讲 体液、血液成份分析技术及仪器体液、血液成份分析技术及仪器 第1讲 体液、血液成份分析技术及仪器 l其它医用化学类分析仪器 v质谱测量仪（一种把原子或分子根据它们的质量进行分离的 一种分析仪器，已成为当今蛋白组研究的重要手段） v色谱仪（层析仪，其原理是基于混合物中的成分在通过一个 装有气体或液体的圆柱时由于速度不同而得以分离） v电泳仪（在电场中离子的移动导致暴露在电场中的离子产生 分离的分析方法） v磁共振波谱仪（在外部磁场作用下，基于对电子或核子吸收 电磁射线进行测量与分析的技术。如果测量的是电子的吸收 ，称为电子自旋共振；如果测量的是核子的吸收称为核磁共 振） 第2讲 人体电生理参数检测仪器 生物电现象是细胞实现一些最重要功能 的关键因素，是生命现象的表现之一。用微电 极可以记录到细胞的静息电位和动作电位，一 般从几微伏至上百毫伏之间。由细胞电位构成 人体的主要电生理信号有心电、脑电、肌电、 眼震电等。由于它们在一定程度上反映人体生 理状况，因而构成了相应的测量仪器用于临床 。 第2讲 人体电生理参数检测仪器 l一、心电图机 正常人体内，由窦房结发出的一次电兴奋，按 一定途径和时程，依次传向心房和心室，引起整个 心脏的兴奋，使心脏周期性地收缩，推动血液在全 身循环。因此，每一个心动周期中，心脏各部分兴 奋过程中出现的电变化的方向、途径、次序和时间 都有一定的规律。这种生物电变化通过心脏周围的 导电组织和体液反映到身体表面上来，使身体各部 位在每一心动周期中也都发生有规律的电变化。把 测量电极放置在人体表面的一定部位，记录出来的 心脏电变化曲线即为临床常规心电图ECG (Electro cardiogram) (图2-4)。 第2讲 人体电生理参数检测仪器 将ECG的五个主要的波定义为P 、Q、R、S、T波。心脏发生病变 时心电图会发生异常，所以心电 图用来诊断心脏疾病。 记录心电图常用标准十二导联 法： I、II、aVR、aVL、 aVF、V1-V6。其中I、叫 标准肢体导联，以右下肢为参考 电极左上肢-右上肢为I导左 下肢-右上肢为导，左下肢-左 上肢为导。aVR、aVL、aVF为 加压导联，Vl-V6 为胸部6导联 。心电图依次测量这12个导联的 心电信号并加以描记。 第2讲 人体电生理参数检测仪器 心电图机的关键是前置放大器，对心电放大器的要求是放大 倍数高(约5000倍)，输入阻抗高(10M)，共模抑制比CMRR 大(80100dB)频率响应足够宽(0.05Hz100Hz)，以及良 好的电气安全技术，现都采用浮地电源和光电隔离放大器。 图图2-5 2-5 具有导联自动转换及光电隔离放大器的心电图机方框图具有导联自动转换及光电隔离放大器的心电图机方框图 导 联 选择器 前 置 放大器 光 电 隔 离 主放大器描记器 光电隔离浮地电源主电源 微机 按键液晶显示 1mV定标器 第2讲 人体电生理参数检测仪器 v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。自动分析心电图一般 采用16位微机，16bit的AD转换器，用4000或 8000次秒的采样频率，使分析精度很高。 v 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，可进行心率失常分析，心电向量图 分析以及心室晚电位分析。 第2讲 人体电生理参数检测仪器 二、脑电图机 脑电图：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，称为自发脑电活动。临床上采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，记录到的脑电波称为脑电图EEG（Electroencephalogram）。 脑电图机：通常有8道或16道，同时测量或描记8道或16道脑电波行，用8笔或16笔的墨 水笔描记。现代脑电波有64道和128道的。其中前置放大器也采用浮地电源和光隔离技 术，由微机控制，键盘操作。 脑电信号特征：从头皮描记的脑电波强度很小，一般为1050v，频率范围从0.5 100Hz。国际上对脑电波的分类（按波的重复节律不同）统一为四个阶段： 波 4-138Hz 波 13-408Hz 波 4-8Hz 波 0.5-48Hz 临床应用：脑电波形的频率特性似乎比幅度特性在临床上更显得重要。脑电在时域 (Time domain)中不易得到什么特征参数，而若将它们变换到频域(Frequency domain) 中就很容易分出波、波、波、波。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。 第2讲 人体电生理参数检测仪器 三、诱发电位仪 除了自发脑电波外，用刺激的方法能够引起大脑皮层局部区域的电活动，称为 脑诱发电位EP(Evoked Potential)。刺激方式通常有三种：视觉刺激、听觉刺激和 体感刺激，可在与刺激感觉信道相对应的头皮部位测到诱发电位，分别为视觉诱 发电位SEP(Visial Evoked Potential)、听觉诱发电位AEP(Auditory Evoked Potential)、体感诱发电位SEP(Somatic Evoked Potential). 类型 刺激方法测量 部位 临床价值 VEP闪光或视觉 图形刺激 头皮 枕叶部 多发性脑硬化外周神经 伤害神经病 SEP电流刺激感知 皮层上 外周神经纤维和皮层之 间脊柱通路的疾病 AEP声音（咔嗒声、 爆发声、白噪声） 脑干上听觉通路缺欠疾病 表2.1三种诱发电位的测量部位及临床价值 第2讲 人体电生理参数检测仪器 四、脑电地形图仪(Topographic Brain Mapping) 现代脑电地图仪将脑电图仪、诱发电位仪及自发脑电/诱发 脑电地形图集一机，彩色电视监视器上可显示16道脑电图， 或16道诱发电位，或脑电地形图。 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(例如癫痫、肿瘤)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病。 第2讲 人体电生理参数检测仪器 五、动态脑电记录分析系统(脑电Holter系统) q脑电Holter系统可以把病人在正常生活环境中从事日常活动 的脑电活动长时间地(至少24小时)实时记录，然后回放并进 行详细观察、分析和处理，从而有利于对异常脑电波的发现 与诊断，主要用于对癫痫的鉴别和诊断。 q脑电Holter系统由记录器和计算机回放分析系统两部分组成 。 q记录器一般做成佩带式的，能够24小时大容量多信道无失真的脑电 信号存储。 q计算机回放系统有回放、分析、存储及打印等功能。回放功能包括 快速、常速、全览、选时回放等方式。分析功能有：各种形式的 脑电地形图；功率谱分析、谱参数提取；各节律能量直方图； 压缩功率谱阵图；相关分析、时域分析；伪差滤除；癫痫 波自动识别及定位；睡眠波分析等。 第2讲 人体电生理参数检测仪器 六、眼震电图仪 当眼球运动时，就可以记录到眼动波形，眼动波形也是 一种生物电信号，分水平眼动波形和垂直眼动波形。当前庭 器官在受到某种刺激(例如角加速度刺激，冷热水温度刺激) 时，就会产生诱发眼震。眼震是一种半节律性变化的眼球摆 动，由两个时相慢相和快相组成。由于眼球的角膜和视 网膜之间存在着不同的生物电位，眼球的摆动会引起这个电 位的变化，且这个变化与眼球的角度近似呈线性关系，记录 下这个电位变化，就是眼震电图ENG(Electronystagmogram)。 测量其慢相速度、快相速度、眼震频率等各种参数。 在临床上用于诊断眩晕病，也是航海航空人员的体检方法之 一。 第2讲 人体电生理参数检测仪器 七、肌电图仪 肌电图(Electromyogram，EMG)是肌肉产生的生理电信号的记录。它 可以通过放置在皮肤上的表面电极来测量，也可以用针电极经皮肤插入 肌肉来测量。 肌电图的幅度与电极放置部位有关，范围大约为50V-5mV，带宽为 2-500Hz。 肌电图仪由电极、前置放大器和主放大器、示波器波及描记器组成 。肌电图用于诊断神经肌肉麻痹等疾病。现代肌电田仪常与诱发电位仪 合为一机，由微机控制，成为“五笔描记型”，用电视监视器显示波形 ，由热阵打印机或激光打印机打印波形。 用微电极插入单个肌纤维测量动作电位可获得分辨率更高的单纤维 肌电图。由神经细胞、神经纤维、神经肌肉节及肌纤维组成的综合体称 为运动单元，用同心针电极可以测得它的动作电位称为运动单元动作电 位(MVAP)。MVAP的持续时间约为2ms-10ms幅度100V-2mV，频带宽度 5Hz-10Kz。 第2讲 人体电生理参数检测仪器 八、胃电图仪 胃电图(Eleetrogastrogram，EGG)是将电极放置在腹部记录到的胃肌 电活动信号。胃电图(包括肠电图合称胃肠电图)用于肠胃运动功能的 检测，如非溃疡性消化不良。目前正处于研究阶段。 胃肠电信号是V量级频率范围是：胃电正常范围2.5-3.6次分 ，在3.7-9.9次分是异常胃动过速，在1-2.4次分范围是异常胃动过缓 ；结肠电正常范围1-7次分，小肠电正常范围8-12次分。由于胃肠电 信号幅度微弱，频率范围接近直流，具有随机特性，所以需要高性能的 放大器(具有高增益、低噪噪声、低漂移、高稳定和高灵敏)。 胃肠电是随机信号，单个波形是没有意义的，无法用肉眼直接分析 ，一定要经过计算机机对胃肠电信号进行统计分析处理。傅立叶频谱分 析是现今对胃肠电分析的最有效方法。 第3讲 人体非电生理参数检测技术及仪器 l前言 人体非电生理参数主要有动脉血压、心音、体温、脉搏、呼吸，血 氧饱和度等，这些生理参数在临床诊断上有重要意义。 随着传感器技术、电子技术、计算机技术、光电技术及数字信号处 理技术的发展，一些非电生理参数的电子测量仪器相继出现，例如电子 血压计、电子体温计、光电心率计等，这些仪器与传统的测量手段并驾 齐驱，并进入家庭。光电无损检测技术是非电生理参数测量的发展方向 ，特别是血压及血氧饱和度的光电无损检测，是当前研究的热门课题， 已有仪器问世。此外一些生化指标如血糖、黄疸等也采用光电法进行无 损测量。 非电生理参数也是病人监护仪中监护的主要内容，例如在多参数监 护仪中，除了监护心电外，还监护血压、体温、呼吸、血氧饱和度等。 将测量心电、血压、心音、脉博等电生理和非电生理参数的电路做成模 块，就组成多道生理信号记录仪。 第3讲 人体非电生理参数检测技术及仪器 一、血压检测 血压检测分为有创检测和无创检测。 有创检测是采用动脉插管接压力计或压力传感器的方法 ，此种方法测量准确，但给病人造成痛苦，只在心血管手术 时运用。 无创检测传统的方法是听诊法，又称柯氏音法，这种方 法是俄国医生Korotkoff于1905年发明的。 无创血压检测的另一种方法叫示波法，此法在放气过程 中不是检测柯氏音，而是通过压力传感器检测袖内气体的振 荡波。振荡波起源于血管壁的搏动，其包络线与血压之间有 固定关系，通过将振荡波放大、滤波后，将包络线检出，再 用一定的判据判断包络线与收缩压、舒张压的时相对应关系 。示波法避免了柯氏音法易受环境干扰的缺点。目前电子血 压计及血压监护仪中大都使用示波法。 另外光电法也是近年无损检测血压的方法。 第3讲 人体非电生理参数检测技术及仪器 二、心音检测 心音是由于心脏瓣膜的开关、肌腱和肌肉的舒缩、血流的冲击及 心血管壁的振动而产生的，是一种复合音。 通常，医生是通过听诊器对心音进行分析，心音为医生提供诊断心 血管病的重要信息。 心音的电子检测方法是通过心音传感器(一种磁电式空气传导传感 器)检测心音信号，并通过放大器放大及低通滤波后，送慢扫描示波器 显示心音波形，或用描记器描记出心音波形，叫心音图。 心音的主要频谱在40Hz一100Hz之间，异常心音的频谱可达数百Hz 。由于受描记器频响的限制，有时心音图不能反映全部信息，传统听诊 心音没有得到太大应用。因此随着计算机技术的飞速发展，将放大后 的心音信号经AD转换器，用44.1KHz的采样率采样，经计算机进行数 字定量分析，分析心音的数字特征(包括时域和频域)从而找到心音和病 理之间的联系。下图是一名高血压的双声道数字心音图。 第3讲 人体非电生理参数检测技术及仪器 第3讲 人体非电生理参数检测技术及仪器 三、体温检测 v传统的体温测量方法是用水银体温计，其测量原理是热膨胀 原理。 v电子体温计使用温度传感器，常用的有热敏电阻和半导体温 敏器件等。 v热敏电阻的电阻值随温度变化，呈非线性关系。在测量电路中，将热 敏电阻作为电桥的一个臂，经电阻网络校正后并在一定的测温范围内 (例如00C-1000C)，电桥的输出电压与温度成线性关系。电桥的输出电 压由差动放大器放大后可由电压表(用温度刻度)读出，或经AD变换 后送计算机处理后进行数字显示测量精度可达0.1-0.01。 v半导体温敏器件有温敏二极管、温敏三极管等，这类测温器件是利用 PN结的结电压随愠度成线性变化这一原理进行测温，其测量电路也常 采用电桥式及差动放大电路。 第3讲 人体非电生理参数检测技术及仪器 四、呼吸检测 呼吸检测主要用于呼吸监护。呼吸监护包括三个方面：呼吸波形实 时显示、呼吸率(次分钟)自动计算及潮气量(每次或每分钟吸入气体体 积)的自动计算及显示。 呼吸检测的常用方法是阻抗法，即：把人体胸部当作一段导体，当 呼吸时由于胸部的扩张使胸部阻抗发生变化，且这种阻抗变化与呼吸活动 呈线性关系。因此只要通过胸阻抗变化的测量就可以间接测量呼吸活动 。 胸阻抗包括感抗、容抗和电阻，但当胸部通以50KHz-100KHz(例如 62.5KHz)的高频电流时，胸阻抗可等效为一纯电阻，因此，可以通过检测 胸电阻的变化来检测呼吸。具体方法是：在胸前锁骨下放置两对电极，一 对通以62.5KHz的高频电流，另一对测量电压信号。将此电压信号经前置 放大、解调、滤波及放大后就得到呼吸波。将呼吸彼经AD变换并经计算 机数字处理，就可以计算出呼吸率。如果用呼吸流量计定标后，还可以用 呼吸波定量计算出潮气量。在监护仪中，呼吸检测与心电检测共享同一对 电极。呼吸检测方法还有鼻腔安放热敏电阻法、微波多普勒法等。 第3讲 人体非电生理参数检测技术及仪器 五、血氧饱和度检测 血氧饱和度是100ml血液中血红蛋白实际结合的氧与能够结合氧的最 大量的比值，此指标是恒量人的呼吸系统、循环系统是否正常的重要临床 指标。传统的测量血氧饱和度的方法是抽血化验，使用的仪器是分光光度 计。 20世纪80年代末发展起来的光电法无损检测血氧饱和度的原理是基于 双波长的朗伯比尔定律。设溶液中含有两种物质(如含氧血红蛋白和不含 氧血红蛋白)，浓度分别为C1和C2，分别用两种波长(如1=650nm， 1=805nm)的光穿过溶液，测得的光密度分别为D1和D2) 。根据双波长朗 伯比尔定律，有： D1=11 C1+12 C2 D2=21 C1+22 C2 其中11、12 和21、22分别是物质1和物质2对波长1、2的吸收系 数(常数)。这两方程联解，可求出C1和C2。则通过下式就可计算出血氧饱 和度：SaO2=(C1/ C1+ C2)100 第3讲 人体非电生理参数检测技术及仪器 光电法无损检测血氧饱和度的具体方法是：在搏 动的动脉血管床(例如指端)两侧分别安放白光源 和两个具有特定波长(650nm和805nm)响应的光探 测器，光探测器将透过光变成电信号，经放大及A D转换器后，由计算机处理，计算出血氧饱和度 。 第3讲 人体非电生理参数检测技术及仪器 六、人体磁场测量 人体磁场包括心磁、脑磁、肺磁、眼磁等。 人体磁场非常微弱，通常在10fT(1fT=10-15T，1T=104高 斯)至50pT(1pT=10-12T)之间，需要用特殊的方法进行测量。 如今基于约瑟夫逊效应的超导量子干涉仪可以测量10-14T的磁 场强度，这种仪器采用低温超导及特殊的磁屏蔽等技术，十 分昂贵，目前只处于实验室研究阶段，还未进入临床使用。 许多研究报导，心磁和脑磁比心电图和脑电图更确切地 反映心电信号和脑电信号，因此有更大的诊断价值。 人体磁场测量是目前研究的热门前沿课题。 第4讲 病人监护仪器(Patient Monitor) 一、前言 监护的两个意义： v一是对危重病人必须时刻进行监测，发现险情，立即报警 ，通知医生及时进行抢救；临床上应用广泛的有：床旁心 电监护仪、多参数病人监护仪、四床位或八床位中央监护 系统，此外还有用于手术室中抗高频电刀干扰的手术监护 仪及用于妇产科的新生儿监护仪和胎儿分娩监护仪。 v二是某些病症现象出现时间短暂，需作较长时间的测量( 例如24小时)，才能记录到异常现象。如：遥测心电监护 仪和Holter系统等。 第4讲 病人监护仪器(Patient Monitor) 二、设计特点 必须实现连续监测 如：血压不能采用脉压计，血气不能采用取样 化验的方法 必须具有抗干扰和基线漂移能力 如：仪器要有高CMRR，滤波采 用相干平均、相关计算、匹配滤波等技术 具有分析、识别、判断能力 如：能识别异常生理指标或判断数 据有否越限 具有报警功能 如：用声、光报警提醒医护人员及时进行抢救和处 理 具有多种记录方式 如：磁带、纸带等，屏幕显示有冻结功能等。 第4讲 病人监护仪器(Patient Monitor) 三、一般监护仪的结构(1) 硬件： 信号检测前处理 A/D 信号处理 微计算机 识别 报警 显示 打印 第4讲 病人监护仪器(Patient Monitor) 三、一般监护仪的结构(2) 信息输入部分 软件 信息分析和显示部分 1、 信息输入部分：包括信号输入和信息输入。 信号输入是计算机控制多路模拟开关对电极或传感器的 信号进行数据采集，同时对采集的数据进行A/D转换，是 模拟信号转变为数字信号，以供计算机处理和分析。 信息输入是通过键盘输入病人序号、姓名、年龄、性别 、身高、体重等基本信息。 第4讲 病人监护仪器(Patient Monitor) 三、一般监护仪的结构(3) 2. 信息分析和显示部分： v主功能菜单 显示监护程序的主要功能及使用提示。 v波形显示 移动式显示是波形实时地从右到左显示，固定式显 示是波形一帧一帧地显示。 v趋势显示 显示1，2，4，8，24小时或任意时刻内监护项目的 数据。 v列表显示 对监护项目汇成总表显示。 v报警显示 显示报警的设定值，提供声、光报警和报警值。 v通讯显示 显示某床或几床的病人信息和数据。 v分析显示 显示心律失常分析，ST段分析，血流动力学分析结 果。 v直方图显示 直方图是医学统计常用的一种图形表示方法，每个 值常表示为矩形方格图，反映了测量参数的频数分布。 第4讲 病人监护仪器(Patient Monitor) 四、常用监护仪器 1、床旁心电监护仪 只监测病人的心电信号，实时地在CRT监视器或液晶显示器上显示病人的心电波形、 QRS同步信号、平均心率，并设有心率越限报警(例如高于150次/分、低于40次/分) ，停搏报警及电极脱落自动报警，功能更强的心电监护仪还具有监测心律失常及其 它报警功能。心电监护仪还能够自动记忆心电异常报警点前后一定时间(例如10秒) 的心电波形，自动统计一定时间(例如3小时、6小时、12小时、24小时)内的心率趋 势图(Heart Rate Trending)，能够在报警时自动描记心电图和打印数据。 第4讲 病人监护仪器(Patient Monitor) 2.多参数监护仪 多参数病人监护仪除了检测心电外，还监测呼吸、体温 、血压(有创血压或无创血压)以及氧分压PO2，二氧化碳分 压PCO2等参数。 例如西门子公司SIRESUT960961六道床旁监护仪，可 以监护多导心电、有创血压、无创血压、脉搏、呼吸、呼吸 末CO2分压、体温、血氧饱和度、心输出量等参数。它使用 黑白(960型)或彩色(961型)CRT监视显示6道波形和各种参数 值，并具备3级报警。它具备很强的计算机系统，从而可进 行多达20种不同类型的心律失常分析可存储64个5秒长度 的心律失常波形，有S-T段分析、血液动力学计算、心输出 量计算、20个参数24小时的趋势图等多种分析功能，使该机 远远超过了单纯的病人监护的范畴，而成为电脑式智能化分 析监护仪。 第4讲 病人监护仪器(Patient Monitor) 3.中心监护系统 中心监护系统由一个中心监护仪和1-8个床旁监护仪组成，监护参数可以是 单心电参数的也可以是多参数的(通常有四十参数：心电、血压，体温及呼吸率) 。床旁监护仪与中心监护仪通讯可以是有线的也可以是无线遥测的。 床旁监护仪承担病人的生理信号的数据的采集、预处理、报警阈值的设置、 参数及波形的显示及报警等功能。床旁监护仪受中心监护仪的控制。在中心监护 仪的控制下，床旁监护仪中的数据能够传送到中心监护仪中去作进一步的分析处 理。 中心监护仪常装有性能更强的微型计算机，它可以对各床旁监护仪的参数经 过选择，将其部分或全都的异常参数及波形，一方面进行显示同时进一步地分析 处理及判断，另一方面控制描记和打印床位号、时间、波形、参数及趋势图等。 总之，床旁监护仪只监测一个病人的各个参数，而中心监护仪则可以同时监 测各个病人的心电波形或一个病人的各个参数，有各种组合方式。例如美国生理 控制公司的CMS8000型中心监护系统，可检测心电、血压、呼吸及体温等参数， 它的中心监护仪可对四床位的各7秒的心电波形显示报警，或对八床位各3秒的心 电波形显示报警，或对单床位各参数波形显示报警，或对单床位参数波形显示及 2小时或8小时参数趋势图显示。 以上所述监护仪或监护系统被广泛应用于现代化医院中CCU(Coronary Caring Unit冠心病人监护病房)、ICU(Intensive Caring Unit危重病人监护病房)及 OR(Operation Room手术室)中。 第4讲 病人监护仪器(Patient Monitor) 4.胎儿心电心率监护仪 从原理上分，有利用超声多普勒原理胎儿心率监护仪，有直接在胎 儿头皮上放置电极的胎儿心电分娩监护仪，也有在母体腹部放置电极的 围产期胎儿心电监护仪以及胎儿心音监护仪。母体腹部电极法胎儿心电 监护仪在孕妇腹部检测心电信号，但这个心电信号是母亲心电和胎儿心 电混合在一起利用16位微处理机和高速数字信号处理器及信号处理方 法，从母亲心电中将胎儿心电提取出来，在监视器上可同时显示出母亲 腹部心电波形和胎儿心电波形及胎儿心率，并设置上、下限报警，也可 用记录仪记录下来以供分析。这种胎儿监护仪可对胎儿进行长期地、完 全无损地监护。 但我们的研究认为围产期胎儿胎动厉害、母亲呼吸波影响和其它干 扰使得很难长时程地提取（分离）胎儿心电信号，国内兄弟院校报告了 一些研究成果，但还不知道其重复性如何，也未见产品出现。胎儿监护 仪还使用一个压力传感器检测宫缩，在屏幕上同时显示出宫缩曲线。 第4讲 病人监护仪器(Patient Monitor) 5.遥测心电监护仪 这种监护仪适用于医院内可走动的病人的长时间检测。 无线电遥测发射器配带于病人身上，检测心电信号、放大并进行调制发射 。发射，载波频率一般采用174MHz216MHz，接受距离60米1000米不等。 接收器将接收到的无线电信号进行放大和解调，还原成心电信号送监护仪 。为了扩大监护仪的使用范围，常将监护仪设计成两用的，既可作遥测监护 ，又可做床旁监护。 目前，遥测心电不仅应用于医院中，而且还应用于体育运动员、飞行员和 宇航员，检测的参数也是多种的，有心电、脑电、肌电、体温、呼吸、血压 、血氧饱和度等 多种参数。 第4讲 病人监护仪器(Patient Monitor) 6.动态心电监护系统（Holter系统） vHolter系统即磁带记录式心电监测系统，是美国人Holter1961年发明的 。 vHolter系统由两部分组成：(1)心磁带记录器，(2)心电磁带回放仪。 vHolter系统利用磁带记录器将心电图调制后记录在磁带上，病人可以 把磁带