心电图机原理及应用介绍.ppt

1 心电图机 ElectroCadioGraph 江苏省人民医院临床医学工程处许迎新newelcome 2010 9 2 心电图机 3 历史 1903年 荷兰生理学教授威廉 爱因霍文应用弦线电流计 将体表心电图记录到感光片上 1924年 获诺贝尔生理学及医学奖 WilliamEinthoven 4 历史 1934年 美国的心脏科专家威尔逊 FrandNWilson 定义了后来被称为 Wilson中心电端 的概念 提出了VR VL和VF导联 FrankNWilson 1890 1952 5 心电图基础知识 心电图是记录人体心脏电活动的一种检查方法 是从体表记录心脏每一心动周期所产生电活动变化的曲线图形 6 心电图 ECG 简介 与心脏生理功能存在着密切的联系 在临床应用已经100多年 在临床心脏疾病初筛检查中仍然使用 是冠心病诊断中最早 最常用和最基本的诊断方法 是一种简单方便 最直观和重复性好 无创 无损害且费用低廉的诊断方法 7 ECG产生的机理 在正常人体内 窦房结发出的兴奋首先传到右心房 使右心房开始收缩 同时兴奋经过房间束传到左心房 引起左心房的收缩 兴奋随后沿着结间束传到房室结 再由房室结通过房室束及其左右分支浦肯野纤维传到心室 引起心室的激动 8 ECG的特点 在每一个心动周期中 心脏各部分兴奋过程中出现的电信号变化的方向 途径 次序和时间都具有一定的规律 这种电信号变化通过心脏周围的导电组织和体液传导到身体表面 使身体各部位在每一个心动周期中也都发生有规律的电变化 9 12导联心电图波形 心电图是由一系列的波组所构成 每个波组代表着每一个心动周期 10 心电图的典型波形 P波QRS波群T波U波P R间期S T段Q T间期 11 心电图的典型波形 P波反映两心房去极化过程的电位变化 QRS波群反映两心室去极化过程的电位变化 T波反映两心室复极化过程的电位变化 P R间期指始自心房开始除极至心室开始除极的时间 ST段代表心室缓慢复极化过程 Q T间期代表心室开始去极化到全部复极化完毕所需时间 12 ECG各波形时间和幅度典型值范围 13 心电图临床的应用 分析和鉴别心律失常 观察心肌梗塞部位及其发展过程 判断心脏药物治疗或其他疾病的要去治疗对心脏功能的影响 指示心脏房室肥大情况 在心脏手术及导管检查时 进行心电图直接描记 指导手术的进行并提醒进行必要的药物处理 14 心电信号的物理特性 在体表记录到的电位强度 V 与下列因素有关 与心肌细胞的数量 E 成正比 与探查电极的位置和心肌细胞的距离 R 的平方成反比 与探查电极的方位和心脏去极的方向所构成的角度 有关 角度越大电位越小 V E COS R2 15 心电信号的物理特性 ECG信号属于内源信号 internalsourcesignal 通常 心电信号用体表电极进行测量 幅度范围 10 V 5mV频率范围 0 05 100Hz 16 ECG的作用 心电图反映心脏兴奋的产生 传导和恢复过程中的生物电变化 对ECG的观察指标主要体现在三个方面 时间 s 振幅 mV 和形态 心电图所记录的只是心脏的生物电位变化 17 心电图的导联 定义 心电图的专业术语中 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的导联 18 国际标准十二导联体系 目前国际上广泛采用 六个肢体导联 I II III 1903年 Einthoven发明 aVR aVL aVF 1942年 Goldberger提出 六个胸导联 V1 V6 1942年 Wilson提出 19 电极和导联线 国际标准十二导联体系 10个电极 4个肢体导联 LA RA LL RL6个胸部电极 V1 V6导联线 多股带屏蔽层的电缆 颜色 20 记录ECG存在的问题 目的 为了统一和便于比较所获得的心电图波形 记录ECG必须解决的两个问题 电极的放置位置 电极与放大器的连接形式 21 放大器与导联的接法 22 ECG的导联 肢体导联 肢体导联 limbleads 反映心脏额面情况双极肢体导联 加压单极肢体导联 aVR aVL aVF采用四个平板式电极 LA RA LL RL 23 Einthoven三角形理论 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 等边三角形的中心为心脏 并与三角形在同一平面上 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 24 Einthoven三角形 RA LA LL 25 肢体导联连接方式 26 双极肢体导联连接方式 导联I LA RA 导联II LL RA 导联III LL LA 27 I II III导联 VI VL VR VII VF VR VIII VF VL每一瞬间都有VII VI VIII 矢量和 标准导联测量两肢体间的电位差 不能记录到单个电极处的电位变化 28 Wilson单极理论 1940年 Wilson首先提出了单极肢体导联的连接方式 记录单极肢体导联方式的心电图时 将一个电极安放在LA RA或LL 称为探查电极 另一个电极放置在零电位点 称为参考电极 单极导联可以更准确地反映探查电极下局部心肌的电位变化情况 但是ECG信号幅度较小 不便于测量分析 不常用 29 加压单极肢体导联 1942年 Goldberger对Wilson的单极肢体导联进行了一定的改进 将被测肢体与中心电端之间所接平衡电阻断开 中心电端只与其他两个肢体相连 这种接法称为加压单极肢体导联 由于断开后该肢体电极与中心端间的分流作用不再存在 故该导联的电位就会加大 30 加压单极肢体导联连接方式 单极加压 31 aVR aVL aVF VR VF aVR aVL aVF L VL Wilson中心电端 32 加压单极肢体导联 由此可见 加压单极肢体导联与单级肢体导联相比 所获波形形状不变 波幅增加50 33 R F aVR aVL aVF 大小相等方向相反 aVR aVL L 加压单极肢体导联 aVR aVL aVF 0 34 R F L aVR aVL aVF 心脏额面六轴系统 30o 35 单极胸导联 1942年 Wilson提出单极胸导联的连接方式测量心电图时 为了探测心脏某一局部区域电位变化 将探查电极安放在靠近心脏的胸壁上 参考电极置于Wilson中心电端 探查电极所在部位电位的变化即为心脏局部电位的变化 V1 V6 Wilson中心电端 36 单极胸导联 胸导联 chestleads 反映心脏水平面情况单极胸导联 V1 V6采用六个吸附式电极 37 单极胸导联 放置位置 38 特殊胸导联 放置位置 39 双极胸导联 NehbElectrode 测量胸部特定位置与肢体导联之间的心电电位差 CR Vcn VR CL Vcn VL CF Vcn VF 其中Vcn为胸部电极V1 V6的心电电位CR CL CF表示分别接到三个肢体上的参考电极 不常用 40 ECG导联体系小结 I II III Einthoven等边三角形 接法 aVR aVL aVF Wilson中心电端 接法 以及与单极肢体导联异同 V1 V6 接法 41 心电图机 1911年 根据Einthoven的论文 英国电器工程师杜德尔 WilliamduBoisDuddell 设计出了第一批推向市场的心电图机 42 ECG的主要分类一 按通道数分类单道 导心电图机多道 导心电图机 单导ECG 十二导ECG 三导ECG 43 ECG的主要分类二 按信号处理方式分类模拟式心电图机数字式心电图机 上海光电ECG 6511 美国GEMaquetteMAC 5500 44 模拟式心电图机 可以认为只是一台记录仪 它将人体心电信号转化为可读的固定格式的机械位移信号 据此测量电压与时间的关系 光电ECG 6511 45 数字式心电图机 GEMaquetteMAC1200 定义 采用了数字信号处理技术 A D转换 的所有具有心电记录功能的装置 46 福田FX 7402外观正面图 47 FX 7402外观侧后图 48 ECG的结构框图 49 数字式ECG结构框图 输入部分 放大部分 数字化 50 心电图机 Electrocardiograph 在学术上的定义心电图机是把心脏产生的微弱电流 mV级 接收 放大并记录出心电图的装置 信号接收 放大 滤波 显示 记录 电源 51 ECG的原理框图 信号采集 52 一 输入部分 主要包括 电极和导联线 过压保护 高频滤波电路 缓冲放大器 屏蔽驱动电路 威尔逊网络 导联选择电路 右腿驱动电路 53 一 输入部分 主要作用 从人体提取心电信号 按照要求组合导联 滤除空间电磁波的干扰 防止高电压损坏仪器 54 1 电极和导联线 体表电极 应满足如下要求 电极电位稳定 阻抗小 安放容易且不易脱落 不易产生运动伪迹 可长期监测 无毒安全 对人体刺激要小 导联线 应柔软耐折 各接插头的连接牢靠 外加屏蔽层 并且屏蔽层接地 抗干扰 皮肤的角质层虽然极薄 约40 m 但具有很高的电阻率 一般在电极表面涂上一层含有Cl 离子的导电膏 以保持良好接触 当电极相对于电解液运动时 使界面处电荷分布打乱 会产生运动伪迹 55 1 电极与导联线 电极 导联线 56 2 过压保护 过压保护 防止心电导联线窜入高压信号 采用电阻和气体放电管 氖管 作为高电压限幅放电器 70V 57 2 过压保护 采用2支反向并联二极管作为中低电压限幅器 0 7V 58 3 高频滤波电路 目的 滤去不需要的高频信号 以减少高频干扰而确保心电信号的通过 59 生物信号及干扰源频率分布 ECG采用RC低通滤波电路组成高频滤波器 截止频率为10kHz左右 60 电磁感应等进入ECG的路径 61 4 缓冲放大器 目的 主要是为了提高电路的输入阻抗 减小心电信号衰减和匹配失真 一般采用电压跟随器实现 输入阻抗高 减少ECG信号失真 62 5 屏蔽驱动电路 目的 消除导联线芯线与屏蔽层之间分布电容引起的干扰 导联线分布电容 63 5 屏蔽驱动电路 保证屏蔽层的地与信号地之间是等电位 将屏蔽层的地与信号地隔离 屏蔽驱动电路 64 6 威尔逊网络 作用 与导联选择电路相配合 可减小均压电阻对心电信号的衰减又不影响放大器的输入阻抗 65 威尔逊网络连接原理图 66 7 导联选择电路 对人体上放置的10个电极进行组合 构成需要的国际标准12导联的装置 导联选择电路采用模拟电子开关集成电路 可以自动或手动选择各导联 采用4个编码控制的电子开关实现 67 8 右腿驱动技术 目的 减少位移电流 保护人体安全 抑制共模信号的作用 68 二 放大部分 主要包括 前置放大器1mV定标电路起搏脉冲抑制器光电耦合电路中间放大电路交流 肌电滤波电路功率放大电路 69 二 放大部分 主要作用将mV级的心电信号放大到可以观察和记录的水平 滤除干扰信号 70 1 前置放大器 信号放大的第一级放大器 主要功能 滤除一些共模干扰信号对心电信号进行有限度的放大前置放大器的特殊要求 高输入阻抗 高共模抑制比低零点漂移 低噪声宽的线性工作范围 71 2 1mV定标电路 作用 定标用于时间常数的测量和阻尼的检测1mV的标准电压信号 作为衡量所描记的心电图波形幅度的标准 一般来说 使用前需要进行定标检查 72 2 1mV定标电路 由V100 ZD100 VR100和分压电阻R135 R134组成lmV定标信号发生器 在R134上得到1mV电压 1mV的调整由调节可变电阻VR100实现 1mV 73 3 起搏脉冲抑制电路 具有限幅作用的高频电路 作用 是降低起搏脉冲信号 脉宽1 3ms 重复频率约1Hz 的幅度 限幅电压约为0 7V 74 3 起搏脉冲抑制电路 起搏脉冲信号和心电信号同时输入心电图机 易引起放大器阻塞和基线漂移 由于正常心电信号幅度较小 该电路对心电信号没有影响 75 3 起搏脉冲抑制电路 由D120 D121 C111 C112组成起搏脉冲抑制电路 降低起搏脉冲的幅度 限幅电压为0 7V 起搏脉冲使D120 D121瞬时导通并给C111 C112充电 使其幅度被减小并展宽 心电图上可以见到起搏脉冲 但不影响心电图波形的真实情况 76 4 光电耦合电路 作用 将与患者相连的输入部分和前置放大部分的地线同整机地线相隔离 防止微电击 77 5 中间放大电路 主要作用 采用直流放大器 对心电信号进行电压放大 一般均采用差分式放大电路 包括 增益调节 闭锁电路 50Hz干扰抑制电路 肌电干扰抑制电路 78 增益调节电路 增益调节放大器由IC115A VR102等组成 调节VR102可改变前置放大电路的总增益 正常情况下 调节VR102应使1mV标压信号在前置放大电路的输出为0 5V 在标准灵敏度时 该级增益为16倍 X0 5 X1 X2与R159 R191 VR101 C117 R160有关 如果C117漏电对增益影响较大 79 6 交流 肌电滤波电路 有源陷波网络的交流滤波电路 抑制50Hz交流干扰并将其衰减为原振幅的1 8 抑制35Hz肌电干扰并将其衰减3dB 工频干扰 肌电干扰 80 6 交流 肌电滤波电路 由IC116A IC116B和R161 R166 C118 C120组成有源陷波网络的交流滤波电路 抑制50Hz 衰减1 8 由R167 C121组成肌电干扰抑制滤波电路 用驱动器V105 V106来控制 抑制35Hz肌电干扰 衰减3dB 81 7 功率放大器 作用 进行功率放大 以便有足够的电流去推动记录器工作 因此 功率放大器亦称驱动放大器 功率放大器采用对称互补级输出的单端推挽电路比较多 82 三 记录部分 记录部分包括记录器 热描记器 简称热笔 及热笔温控电路 记录器是将心电信号的电流变化转换为机械 记录笔 移动的装置 现在常用的有动圈式记录器和位置反馈式记录器以及热阵打印式记录器 83 四 走纸部分 作用 使记录纸按规定速度随时间做匀速移动 记录笔随心电信号变化的幅度值 便被 拉 开描记出心电图 为了准确地描记心电图 要求走纸速度稳定 速度转换迅速可靠 一般设有稳速和调速电路 需要时可随时校准速度 84 五 控制部分 目前绝大多数心电图机尤其是多导同步记录心电图机都采用微处理器控制 控制部分的核心是微处理器 负责整机各部分电路的控制 如信号采集 放大 A D变换 存储 分析 显示 记录等 85 六 电源部分 一般都采用交直流两用供电模式 交流电源 一般采用开关电源 直流电源 一般用蓄电池或干电池 电池充电电路 交直流自动切换装置 86 ECG的主要性能参数 输入电阻噪声和漂移线性阻尼共模抑制比绝缘性能 灵敏度时间常数极化电压频率响应走纸速度 87 1 输入电阻 是在前置放大器输入端测量的等效阻抗 它影响放大电路的总增益 一般使用缓冲放大器 88 1 输入电阻 体表电极等效电阻为10 150K 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 国内要求大于2 5M 国际上要求大于50M 89 2 灵敏度 是指输入1mV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 一般分为三挡 5 10 20mm mV 数字心电图有自动增益档 正常状态下 ECG的标准灵敏度为标准灵敏度为10 0 2mm mV 90 2 灵敏度 检测方法导联选择开关置于 Test 位 灵敏度选择开关置于 10mm mV 在走纸过程中不断地打出矩形波 描记幅度应正好为10mm 最大允许相对偏差为 0 5mm 91 3 噪声和漂移 噪声指的是心电图机在没有输入信号时仍有微小杂乱波输出 由内部元器件电子热运动等产生的 不是因使用不当 外来干扰形成的 92 3 噪声和漂移 噪声包括低频噪声 热噪声 散粒噪声 低频噪声是影响生物信号提取的主要障碍 93 3 噪声和漂移 漂移是指输出电压偏离原来起始点而上下漂动缓慢变化的现象 由于晶体管参数随温度的变化而产生 放大器电源电压的波动引起静态工作点产生变化 电路元件老化 其参数随着使用时间的延长而改变 94 3 噪声和漂移 检测方法 机器接通电源 走纸 观察记录笔迹应是一条很平稳光滑的直线 若笔迹有微小抖动 则是噪声所致 若基线位置缓慢移动 则是漂移所致 95 3 噪声和漂移 要求 噪声和漂移越小越好 在描记的曲线中应看不出 ECG计量规范要求 噪声 35uV 60s内基线漂移 5mm 96 4 时间常数 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 97 4 时间常数 时间常数 是RC滤波电路特性指标 RC 电容器C的充电电流i t 是时间t的函数 98 4 时间常数 当t等于时间常数 时 其值衰减到初始值的1 e 即37 ECG规定时间常数 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 99 4 时间常数 检测方法 心电图机工作在标准灵敏度 将描笔基线调置记录纸中心线上 走纸 按下lmV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 100 5 线性 ECG的线性包括 移位的线性和测量电压的线性 影响线性指标的因素 晶体管的输入 输出特性 差动放大器电路的对称性 放大器工作点的设置 101 5 线性 移位的线性在描记宽度允许的范围内 处于任何位置时 输入相同幅度的信号 描笔偏转的幅度若相同 则线性良好 描笔偏转的幅度若不同 则线性不好 102 5 线性 移位的线性的检测 将描笔基线调到记录纸的下沿处 灵敏度选择开关置10mm mV 走纸 并不断给出1mV标准信号 同时调节基线电位器 改变描笔在记录纸上的基线位置 103 5 线性 测量电压的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 规定 当工作频率在0 05 100Hz范围内时 要求描笔记录幅度在 20mm之内 线性误差应小于10 104 5 线性 测量电压的线性检测方法灵敏度选择开关置10mm mV 分别输入0 1mV 0 2mV 不同的幅值信号时 如果描记下来的信号高度分别为1mm 2mm 则说明心电图机线性好 线性误差为零 实际上由于心电放大器非线性失真等原因 心电图总是存在一定线性误差 105 6 耐极化电压 极化电压 是当电流通过电极界面时电极电位偏离平衡电位的变化电压 极化电压的大小会直接影响检测器的灵敏度 会产生基线漂移等现象 极化电压最高时可达数十毫伏乃至上百毫伏 由于温度的变化以及电场和电磁场的影响 电极易产生极化电压 一般为200 300mV 106 6 耐极化电压 规定要求加 300mV的直流极化电压 灵敏度变化不大于 5 目前 一般心电图机在误差允许范围内 可耐受 500mV以上的直流极化电压 107 7 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 当心电图机的阻尼过大时 心电图上微小的波形幅值降低 严重时甚至描记不出来 当阻尼过小时 心电图上的尖峰波 如R波 S波等 幅值会增加 108 7 阻尼 检测方法 灵敏度调于10mm mV 走纸 不断打出标准电压的矩形波 并观察波形 阻尼正常 过阻尼 欠阻尼 数字式ECG是否测试阻尼 109 7 阻尼 模拟ECG计量规程要求 内定标电压误差 5 过冲 10 数字式心电图机因使用热阵式记录器 不会产生阻尼的问题 110 8 频率响应特性 心电图输入相同幅值 不同频率信号时 其输出信号幅度随频率变化的关系称为频率响应 主要影响ECG的频率响应的因素 放大器记录器 111 8 频率响应特性 人体心电波形并不是单一频率的 而是可以分解成不同频率 不同比例的正弦波成分 而且心电信号含有丰富的高次谐波 放大器对不同频率的信号的放大能力并不是完全一样的 要求 频率响应越宽越好 一般心电放大器比较容易满足频宽要求 而记录器是决定频率响应的主要因素 112 8 频率响应特性 截止频率是反映电路频率特性的特殊频率 定义 当信号频率降低或升高使得增益A 下降到中频增益A0的0 707倍时 对应的频率 分别称为增益的低端截止频率fL和高端截止频率fH 113 8 频率响应特性 数字ECG计量规程 以10Hz正弦波为参考值滤波器关闭时 在0 5 50Hz内随频率变化 幅度的最大允许偏差 10 5 在50 75Hz内随频率变化 幅度的最大允许偏差 30 5 符合使用说明书的要求 滤波器接通时 应符合使用说明书的要求 目前心电图机频响范围能达到0 05 150Hz 114 9 共模抑制比 CMRR 指心电图机的差模信号 心电信号 放大倍数Ad与共模信号 干扰和噪声 放大倍数Ac之比 CMRR Ad AcECG一般都采用差动式电路 这种电路对于共模信号有抑制作用 115 9 共模抑制比 干扰信号以共模信号的方式从放大器两端输入 116 9 共模抑制比 CMRR一般用分贝 dB 表示CMRR dB 20log Ad Ac 规定要求 各导联CMRR 89dB 28 000倍 目前国际上规定 ECG 100dB 100 000倍 共模抑制比表示抗干扰能力的大小 CMRR越高 抗干扰能力越强 117 10 走纸速度 规定 记录纸上横坐标代表时间 纵坐标代表波形的幅度 每大格为0 5mV 0 2s 直接影响准确性 v x t 当走纸速度为25mm s 灵敏度为10mm mV时 则横坐标上1mm代表0 04s 纵坐标上1mm代表0 1mV 时间 电压 118 11 绝缘性能 为了保证医务人员和患者的安全 心电图机应具有良好的绝缘性 绝缘性通常用电源对机壳的电阻来表示 有时也用机壳的漏电流表示 一般要求电源对机壳的绝缘电阻 20M 或漏电流应 100 A 119 11 绝缘性能 浮地技术所谓浮地技术就是指将与病人直接相连的电路 如输入部分 前置放大部分 的地线悬空 与后级主放大电路 记录器驱动电路及走纸部分的地线隔离 以保证病人与大地之间绝缘 120 接地的概念 设备的信号接地 工作接地 是以设备中的一点或一块金属来作为信号的接地参考点 它为设备中的所有信号提供了一个公共参考电位 设备接地 保护接地 在工程实践中 通常将设备的信号地 机壳与大地连在一起 以大地作为设备的接地参考点 两者概念不同 目的也不同 121 浮地技术 浮地 即该电路的地与大地无导体连接 优点 该电路不受大地电性能的影响 缺点 该电路易受寄生电容的影响 而使该电路的地电位变动和增加了对模拟电路的感应干扰 122 ECG的浮地技术 ECG采用浮地技术主要是出于安全的考虑实现方法 一般采用光电耦合电路进行信号传递 在电源部分通过隔离变压器实现接地与浮地的隔离 电磁耦合 123 心电图机安全性能 根据 GB9706 1 2007医用电气设备第一部分安全通用要求 和 GB10793 2000医用电气设备第二部分心电图机安全专用要求 规定心电图机应用部分分为 B型 应用部分没有隔离 BF型 应用部分浮地隔离 可用于体外和体内 但不能直接用于心脏 CF型 应用浮地隔离 对电击有高度防护 可直接用于心脏 124 心电图机安全性能 设备保护接地电阻 0 2 125 心电图介绍 ECG 6511 ECG 6511型心电图机 生产商 日本光电公司 上海光电公司属于单道模拟式心电图机 交直流两种方式供电 126 ECG 6511主要规格 导联 标准12导联幅度频率特征 0 05 75Hz 3dB至 0 4dB 时间常数 3 2s记录方式 热笔式记录纸 50 30mm卷纸安全性 类内部电源CF型特点 模拟ECG 单道手动记录 热笔描记 127 ECG 6511原理框图 128 6511的输入部分 过压保护 氖管 二极管 RC高频滤波电路 缓冲放大电路 Wilson网络 导联选择电路 屏蔽驱动电路 没有右腿驱动电路 129 灵敏度 滤波选择电路 由IC115B R175 R176 R178和负反馈电阻R169组成负反馈放大器和模拟开关集成电路IC119等组成灵敏度 滤波