第7章 生物医学信号检测

第七章 生物医学信号检测,授课老师：王伟联系方式：586426607.1 生物电测量电极一、电极理论和特性 半电池电位 当电极与生物体的组织表面相接触时，会在电极和组织之间出现半电池的电动势。电极的极化与电极电位 电极电位往往比被测生物电信号大很多，而且是一个变化量。测量时应尽量使电极电位稳定，而且降低其数值。跨膜电位 不同电解质的溶液之间的界面上以及同一种电解质而溶度不同的两溶液之间的界面上，也可以产生电位，原因在于溶液中离子的扩散速度不同。,二、生物电位电极的种类体表电极（皮肤表面电极）,针形电极微电极金属微电极充满电解质的玻璃微电极,7.2 心电测量及仪器7.2.1心电的产生和心电图,心脏兴奋沿传导系统的传导过程有一定时间：窦房结与房室结之间动作电位的传递时间约为40ms，房室交界处的延迟时间约为110ms，兴奋进入希氏束只需30ms就可到达普氏纤维，心室肌外层由普通心室肌传导，右心室约10ms，左心室约30ms。,P波：代表左右两心房兴奋过程。P波形小而圆钝，随各导联而稍有不同。P波的宽度一般不超过0.11秒，电压不超过0.25mv。P-R间期：是从P波起点到QRS波群起点的时间距离，代表心房开始兴奋到心室开始兴奋所需的时间，一般成人约为0.120.20秒，小儿稍短。超过0.21秒为房室传导时间延长。QRS复合波：代表两个心室兴奋传播过程的电位变化。QRS复合波所占时间代表心室肌兴奋传播所需时间,正常人在0.060.10秒之间。,ST段：由QRS波群结束到T波开始的平线，反映心室除极后缓慢恢复极化过程所形成的微弱电压变化。正常时接近于等电位线，ST段下降不应低于0.05mv。偏高或降低超出上述范围，便属异常心电图。T波：是继QRS波群后的一个波幅较低而波宽较长的电波，反映心室兴奋后再极化过程U波：T波后0.020.04秒出现宽而低的波，波高多在0.05mv以下，波宽约0.20秒。一般认为可能由心舒张时各部产生的负后电位形成，也有人认为是浦肯野氏纤维再极化的结果。,7.2.2 体表心电图导联,标准导联,加压单极肢体导联,Vw = (VL+VF)/2 aVR = VR VwVR = VR (VR+VL+VF)/3aVR:VR = 3:2同理 aVR+aVL+aVF=0,胸导联,7.2.3 心电图机,（一）输入部分1.导联线2.导联选择器3.输入保护及高频滤波器,（二）放大部分1.前置放大器2.1mV标准信号发生器3.时间常数电路4.中间放大器5.功率放大器,（三）记录器部分（四）走纸传动装置（五）电源部分,1 输入电路（1）输入缓冲电路HL100HL108 高压保护电路C100C108 抗高频干扰电容IC100IC102 集成电压跟随器D100D117输入保护电路（2）威尔逊网络（3）导联选择开关（4）屏蔽驱动电路,心电图机技术指标灵敏度噪声阻尼线性共模抑制比时间常数频率响应走纸速度输入阻抗示波输出安全指标,导联：标准12导联 输入方式:浮地及除颤防护 输入阻抗：50M ECG输出：1V/mV5；单端输出100 患者漏电流：10A 输入回路电流：0.04A 定标电压：1mV2% 频响：0.05150Hz 时间常数：3.2S 共模扼制比（CMRR）：100dB 滤波器：交流50Hz（20dB）、肌电3545Hz，漂移0.45Hz 增益：2.5、5、10、20mm/mV 耐极化电压：500mV 噪声电平：15Vp-p 安全类别：I类CF型 显示：320240图形液晶显示（配有背光源） 记录系统：热点阵打印 操作方式：自动或手动操作 走纸速度：5/6.5、10/12.5、25、50mm/s3 分析功能：心电参数自动测量，自动分析 记录纸：63mm30mm高速热敏卷纸,7.2.4 心电向量图,心电活动不论是右、左心房(P波)，或是代表启动心室搏动的心电活动(QRS波群)，都是既有方向，又有大小(量)的心电活动，就称为心电向量。它反映在各导联上也不尽相同，这是由于各导联(无论是额面或横面导联)的角度不同。我们为什么要在三个标准导联以外，在额面上还要三个加压肢体导联，此外还要做六个胸壁导联?原因就在于可以自不同角度了解心电活动上下，左右，前后的综合心电向量，从而观察其正常与否等等。,心电向量与心电图正常心脏激动发源于右心房上部，上腔静脉入口处的窦房结，激动通过传导系统依次传递至心房、心室各部，使之除极和复极。心脏是一个立体脑器，其各部位的电激动的传导有方向性，且其量的大小不同，这称为向量。在同一瞬间，心肌内有许多驶向各个方向的电偶，向量综合法用平行四边形的对角线代表一个瞬间的综合心电向量，在一个心电周期中，瞬间综合心电向量在不断变动，这样形成一个向量环：心房除极和心室除极分别拼成P向量环及QRS向量环；心室复极构成T向量环。这种立体的向量图(VCG)称为空间心电向量，其在额面、矢状面及水平面的投影，构成平面心电向量图，临床应用较少。平面心电向量图在各心电图导联轴上的投影便构成心电图,7.2.5 希氏束电图,希氏束电图（HBE）是描记心内传导系统电位变化的曲线。可用于心律失常的鉴别诊断；确定房室传导阻滞部位，尤其是度房室传导阻滞，以提供安装心脏起搏器的客观指标；分析抗心律失常药物对心脏传导系统的影响；对预激综合征进行鉴别；对老年人进行希氏束电图检测，有利于早期发现传导阻滞。希氏束电信号极其微弱，只有1-10V 左右，体表很难检测到如此微弱的电信号。可采用QRS波触发的信号平均技术检测希氏束电图，因为在大多数情况下，希浦系统电活动形成的反折在心电图上总是位于心室波前，且与心室波有一相对固定的时间间期；,7.2.6 心室晚电位,心室晚电位（VLP）是心肌局部延迟除极的一种高频率、低振幅的碎裂电活动，体表记录到的这种电活动通常出现在QRS 波终末处，并延伸至ST 段内。VLP是一种病理现象，与心肌梗塞或缺血有关。 心肌存在3种改变： 梗死区； 损伤区或缺血区； 正常区。在损伤缺血区，一方面可能存在小块心肌，这些散在的、存活的心肌电活动可能是不同步的，从而形成碎裂的心室电活动。另一方面 ，也可能由于缺血损伤程度不同，细胞膜电位改变极不均一，也是形成VLP 病理基础。,VLP检测方法 VLP的记录技术包括有创直接记录和无创体表记录两大类。 无创体表记录法简便易行，可重复进行，大多数临床研究均采用体表信号平均心电图的分析方法，具体又分为时域分析和频域分析。临床多采用时域分析方法检测。时域分析检测指标为 滤过的QRS 时限（QRST）； 滤过的QRS终末40ms 的电压（V40）；滤过的QRS 终末电压持续低于40V 的时限（D40）。频域方法在一定程度上可以弥补域分析难以发现的异常心电信息及有束枝阻滞或心室内阻滞情况下的误判。但其方法学、诊断标准尚有待规范统一 ，目前仍处于探讨阶段。,7.2.7 高频心电图分析仪,常规心电图仅能反映100Hz以下的心电低频成分，100Hz 以上的高频成分被滤除，因而失去了许多对疾病有诊断价值的信息。高频心电图（high frequency electro-cardiogram，HFECG）与常规ECG相比，在记录上有频率响应加宽、扫描速度加快、信号放大提高的特点，有助于心肌损伤的早期发现，对心血管疾病的早期诊断和病情观察具有重要的临床意义。 高频心电的记录方法 检测仪器必须具备以下三大特点： 频响宽， 常规心电图机频响范围是0.1100Hz， 高频心电图机频响范围要求为0.051000Hz； 扫描速度快， 常规心电图走纸速度为2550mm/s， 高频心电图机走纸速度要求为100500mm/s； 灵敏度高，常规心电图为10mm/mV ，高频心电图机为2050mm/mV。,高频成分在心电图的表现切迹（notching，N ）指在某一波的上升或下降支上出现的既有斜率改变又有方向改变的节段（R顶，S低除外） ， 时程10ms 为高频切迹， 10ms 为低频切迹； 扭挫（slurring，S）指仅有斜率改变而无方向改变的节段，时程同切迹； 顿结（beading，B）指QRS 波上的圆点样改变。 这些高频成分必须在图象的同一位置连续出现三次以上 ，且形态、方向相同方能确认， 否则为伪切迹。,心电高频产生机制 高频成分产生机制目前尚不十分清楚。特制的心脏模型和动物实验研究发现，凡能影响心肌局部功能或造成心肌结构改变的因素，均可不同程度地造成局部电活动异常，引起心电向量改变，破坏QRS向量环的光滑性，在心电图上表现为高频成分增多。有研究指出，在生理情况下，高频切迹的产生是由于扩展方向不同的2或3个除极波面，在经过传导性不同的心肌各层组织时表面电位发生重叠所致。在病理情况下，心肌缺血导致的心肌坏死、纤维化，甚至瘢痕影响心肌激动波的正常传导，局灶性或散在的病变影响浦氏纤维的正常传导，使心肌各部除极的先后、快慢发生变化，QRS波群上出现高频切迹或扭结。,高频成分分析方法及诊断标准 分析方法目前多是用目测或微机的微分图自动计数，也可以两法对照，观察QRS 波上升及下降支上的切迹及扭挫数。 导联选择有多种： 6导组合导联，三个肢导和V4V6三个胸导联； 9组合导联，上述6组合导联加上V1、V2、V3； 12导联，即常规心电图应用的12导联；Frank 正交向量导联。诊断标准尚不一致，目前国内应用的诊断标准是1993年全国第四届高频心电图研讨会制订。,7.2.8心电地形图仪,体表电位标测（Body surface potential mapping，BSPM ）是在胸部和背部放置多个电极，同时记录下每个采样瞬间各电极部位的心电波形。它可以提供体表上众多的心电信息，所描绘出的体表等电位图可综观心电场在体表分布的全貌，了解心周期内心电活动的概括。也可以画出极值轨迹图，以反映某一心电间期内心电的极大值和极小值的运动轨迹。临床上常用于心肌梗塞、心肌缺血、缺血部位的判定、传导阻滞、心房心室肥大及心律失常所引起的电活动异常的诊断。,7.3 脑电测量及仪器7.3.1 脑电的产生和脑电图,自发脑电：人的大脑皮层有自发的电活动，其电位随时间发生变化，用电极将这种电位波形提取出来并加以记录就可以得到脑电图。诱发脑电：如果给机体以某种刺激，也会导致脑电信号的改变，这种电位称为脑诱发电位。,7.3.2 脑电图机,国际1020系统其特点是：电极有各自的名称：位于左侧的是奇数，右侧的是偶数。按近中线的用较小的数字，较外侧的用较大的数字。电极名称包括电极所在头部分区的第一个字母。诸点电极的间隔均以10%和20来测量。,为了区分电极和两大脑半球的关系，通常右侧用偶数，左侧用奇数。从鼻根至枕骨粗隆连一正中矢状线，再从两瞳孔向上、向后与正中矢状线等距的平行线顺延至枕骨粗隆称左右瞳枕线。从枕骨粗隆向上约2cm，左右旁开3cm与左右瞳枕线相交处为左右枕极(9、10)。沿瞳枕线人发际约1cm处为左右额前极(1、2)。左右外耳道连线与左右瞳枕线相交处为左右中央极(5、6)。左右额前极与中央极之中点处为左右额极(3、4)。左右中央极与枕极之中点处为左右顶极(7、8)。左右中央极与外耳道之中点处为左右颞中极(11、 12)。左右瞳孔与外耳道中点处为左右颞前极(13； 14)。左右乳突上发际内约1cm处为左右颞后极(15、 16)。两耳垂电极的连接方式有两种：(1)两耳垂连在一起，同时与地线相连，而将无关电极放在头顶中部或鼻根部，或第七颈椎处。(2)两耳垂分别或共同作为作用电极与头皮电极配对作为脑电图机输入端。另在头顶处，附加一个电极与地线相连。,单极导联法 单极导联法是将活动电极置于头皮上，并通过导联选择开关接至前置放大器的一个输人端(G1)；无关电极置于耳垂，并通过导联选择开关按至前置放大器的另一个输入端(G2)。,无关电极一般选两侧耳垂，它与活动电极有多种配对方式：1一侧耳垂无关电极对应同侧头皮活动电极。2一侧耳垂无关电极与另一侧头皮活动电极相对应。3 左右两侧耳垂的电极连接在一起作为无关电极使用(也可接地)，再与各活动电极(每次只能取一种)配对,单极导联法优缺点优点:能记录活动电极下脑电位变化的绝对值，其波幅较高且较稳定，异常波常较局限，这有利于病灶的定位。缺点：参考电极(无关电极)不能保持0电位，易混进其他生物电干扰。例如当振幅大的异常波出现于颞部时，耳垂电极由于靠近颞部而受其电场的影响，这样有可能记录到与颞部电位数值相近的异常电位。,双极导联法双极导联法不使用无关电极，只使用头皮上的两个活动电极。优点：记录下来的是两个电极部位脑电变化的差值，可以大大减小干扰，并可排除无关电极引起的误差。缺点：如果双极导联的两个活动电极间距离在3cm以内，来自较大范围(距离大于3cm)的脑电位被两个活动电极同时记录下来，结果电位差值互相抵消，记录的波幅较低，所以两电极的距离应在3-6cm。,利用脑电图确定位病灶和诊断病情，并非只由一对电极来实现，而是要用多对电极(多个导联)，根据不同的情况和要求，连接成不同的方式，记录多个波形，分析这多个波形的基本特征和相互联系才能完成病灶定位和疾病诊断。这就要求脑电图机有多个放大器，同步记录8、16或32导波形。,脑电图机的结构,1 输入部分电极盒头皮电极电阻抗测量电路导联选择器标准电压信号发生装置2 放大电路部分前置放大电路增益调节器时间常数调节器高频滤波器后级电压放大器功率放大器,3 记录部分4 电源部分5 脑电图机的辅助部分头皮电极电阻测试电路原理图,脑电放大电路设计要求 脑电波形频率主要集中在030Hz内，平均幅度50uV，但老人一般在20uV左右，儿童可达100uV至数百uV。灵敏度：250uV/div带宽：DC150Hz输入阻抗：200M共模抑制比：80dB系统噪声：5uVrms头皮电极接触阻抗：5k,7.3.3 脑电信号分析,波：可在头颅枕部检测到，频率813Hz，振幅20100V，是节律性脑电波中最明显的波。波：频率约为1330Hz，振幅约为520V，是一种快波，波的出现一般意味着大脑比较兴奋。 波：波频率为48Hz，振幅约为1050V，是在困倦时，中枢神经系统处于抑制状态时所记录的波形。 波：在睡眠、深度麻醉、缺氧或大脑有器质性病变时出现，频率为0.54Hz，振幅为100V。,临床用脑电检测癫痫临场用脑电监测睡眠,7.3.4 诱发脑电技术,诱发电位是指在给予刺激后经过一定的潜伏期，在脑的特定区域出现的电位反应，其特点是诱发电位与刺激信号之间有严格的时间关系，通过诱发电位可以反映出神经系统的功能与病变。诱发电位较小，完全淹没在自发脑电信号中。内源性诱发电位与认知功能有关外源性诱发电位与感觉或运动功能有关 (1)视觉诱发电位 (2)听觉诱发电位 (3)体感诱发电位,7.4 其他生物电测量及仪器,肌电图 肌电图是对肌肉电活动的记录，反映肌肉本身以及神经肌肉接头、周围神经或神经元的功能状态。肌电假肢 肌电控制假肢能够接收大脑经由肢残肌肉传来的生物电信号，作为控制和操纵肌电假肢各种功能的初始信号，经安装在假肢臂筒内的电子和机械系统处理产生动作。肌电控制假肢分为前臂假肢和上臂假肢两大类，一般都具有手指开合和旋腕功能。肌电反馈仪 将细微的肌电变化转化成直观的光带及声音变化以及肌电数码值和肌电波，以此表征肌肉的活动状态，并通过视觉、听觉反馈给受检者，使受检者能感知这种变化，让受检者知道自己的心身压力，促进其试着去修正它们，并进行反复的调控训练，使其有意识地调节和控制自身的心理，同时利用舒畅放松的音乐和语言的针对性的疏导。,肌电图EMG（Electromyogram）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50V5mV，带宽为2500Hz。 肌电图仪由电极、前置放大器和主放大器、示波器波形显示及描记器组成。现代肌电图仪常与诱发电位仪合为一体，由微机控制，为“无笔描记型”，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。 肌电图检测在神经源性和肌源性疾病的鉴别诊断方面，以及对神经病变的定位，损害程度和预后判断方面有重要价值。,胃电 胃电图EGG（Electrogastrogram）是将电极放置在腹部记录到的胃肌电活动信号。胃电图（常包括肠电图，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