现代信号处理技术在监护仪器中应用

现代信号处理技术

在监护仪器中的应用主讲：邱力军

Telmail：qiulij@QQ：1119876290监护仪器……2/7/20231Nightingale倡导的集中护理和观察危重病人的理念，伴随着基本生理参数测量技术的发展，奠定了现代监护的雏形。30~40％12~15％

1854年克里米战争期间监护（Monitoring

）伤员死亡率2/7/20232监护的意义临床上需要长时间持续检测病人的生理信号实践证明监护可使疾病的诊断和治疗水平有一个飞跃监护仔细看，不停看看护，保护1.危重病人，发现险情及时报警2.某些症状出现时间短暂，需长时间检测才能记录2/7/20233参数少：体温、血压、呼吸、脉搏等时间短：间隔一定时间手动测量效率低：手动记录和分析....工程和物理测量方法为主宏观、大体水平监测监护的发展人工完成监护仪器传感器电子技术计算机

医用监护仪器是一种用以长时间连续监测病人生理参数、并且能够对监测结果进行存储、显示和分析，可与已知设定值进行比较，如果出现超差可发出报警的装置和系统。监护仪（Monitor）

参数多：从体温、ECG到生化指标一应俱全。水平高：自动化程度高、技术含量高，具有自动记录、报警和分析功能。时间长：全天候、持续多天连续监测。从先前的物理测量手段

医学电子检测技术为主监护仪的特点实时性准确性功能多对监护仪的性能要求比对一般诊断仪器的要高（1）性能良好、固定可靠的换能器电极所用材料和固定方法；无损检测血压的换能器及测量方法。（2）更强的抑制噪声和抗干扰的能力抗高频干扰；新的信号处理方法。（3）具有自动诊断的能力模式识别；判据、判别方法。监护仪的特点2/7/20237监护仪（Monitor）

种类繁多功能各异检测参数大同小异原理方法非常类似2/7/20238心电ECG1、检测原理3、影响检测精度的因素与常规心电图机的检测原理相同电极因素2、检测方法检测电极心电检测电路后处理一般能监护3~6个导联，标准导联及加压导联导联选择干扰信号同时显示1~2个或多个导联的波形2/7/20239与常规心电检测比较（1）电极放置位置的差异（2）心电检测模块设计的差异心电图仪：监护仪：肢体导联，放置在手腕和脚腕处放置在胸腹部位采样精度的差异：频带范围的差异：心电图仪：监护仪：精度高精度低心电图仪：监护仪：频率范围宽频率范围窄2/7/202310心电图机和心电监护的区别仪器类别通频带时间常数测量目的放大器性能要求心电图机0.05~80Hz≥3.2S心电的细微结构(短时间)高心电监护1~25Hz≥0.3S心率(长时间)低心电监护功能

≠

替代常规心电图机2/7/202311心率平均心率心率检测多数用心电波形中的R波测定瞬时心率F=N/T(次/min)F=1/T(次/s)R波测定是心率检测的关键，通常的方法如下：1）对心电信号先微分处理；2）设定阈值，进行识别。也可以从主动脉波、指脉波或心音信号来计算心率。

1、检测原理2、检测方法心脏每分钟搏动的次数2/7/202312心率检测心电检出波形中，一般R波幅值高、变化快，所以R波的识别是心率测量的关键。为检出R波，通常是对心电信号先行微分，以除去低频噪声和基线漂移，同时对低频的T波和P波进行衰减，快变的R波进一步突出，降低了T波引起的双计数误差。对心电信号h(t)进行微分得：当微分值大于设定阈值，则可确定该时刻的心电波为R波。R波的识别方法有哪些？2/7/202313一般采用中心频率在10～25Hz之间带宽为5～10Hz的带通滤波器，用于减除ECG信号中的非QRS波频率成分，提高信噪比。ECG的QRS复合波进行准确的检测，对离线ECG分析、Holter磁带记录分析以及心脏病人实时监护十分重要。ECG的QRS复合波的检测经典的QRS波检测方法包括：⑴线性滤波：⑵非线性变换：非线性变换的目的是将每个QRS波信号变换为单向正波峰。⑶决策规则：一般用峰值检测器或自适应阈值检测器来检测QRS波。2/7/202314微分法构成了许多QRS复合波检测方法的基础。具有高通滤波器的特性，增强较高频率特征的QRS复合波，削弱较低频率成分的P波和T波。微分法原始ECG平滑和整流后的一次微分平滑和整流后的二次微分平滑后的(b)和(c)的之和对应于每一个QRS复合波的方波脉冲输出微分法的信号处理过程2/7/202315判别yd(nT)是否达到或超过给定的阈值，即

yd(iT)≥1.0yd(iT)中有一数据点满足此条件，后8个数据点就同这个阈值相比较。微分法如果这8个数据点中有6个或更多点等于或超过此阈值，那么这一段就可能是QRS复合波的部分。

算法的优点：它能产生一个宽度与QRS复合波成比例的脉冲。

算法的缺点：是对高频噪声特别敏感。2/7/202316因此，人们一直致力于采用新的信号处理方法来分析QRS波，常用的有人工神经网络算法和小波变换算法。由于心电信号是非平稳随机信号，利用经典的QRS波检测算法往往受到以下两个因素的制约：ECG的QRS复合波的检测⑴QRS复合波的信号带宽对于不同的病人乃至同一病人的不同心搏均有所不同。⑵各种噪声与QRS波的通带相互交叠。2/7/202317实时采集的心电信号x(n)如下：基于小波变换的QRS波形检测①实时采集的心电信号x(n)通过上限截止频率25Hz的三阶巴特沃兹低通滤波器，滤除高频干扰，得y1(n)；②采用高斯函数一阶导数导出的小波，对y1(n)进行尺度S=22的小波变换，突出信号特征点，消除基线漂移，得y2(n)；2/7/202318③对y2(n)计算差分，取绝对值，并进行三点平滑，得y3(n)；基于小波变换的QRS波形检测④对y3(n)再计算差分，取绝对值、平滑，得y4(n)；⑤对y3(n)与y4(n)逐点求和，再平滑，得y5(n)；2/7/202319⑥进行阈值检测：取连续前3秒内的待检测信号y5(n)的振幅P（可自适应调整)，设检测阈值d1=0.25P，d2=0.15P，对超过d1的信号再降低阈值以d2作双向检测，大于d2则赋值为1，得QRS模板信号y6(n)，并记录每个模板区内y5(n)的峰值时刻和峰值；⑦修正策略：对连续两个模板缝隙在0.09秒内的模板进行合并，对连续两个模板峰值时刻<0.22秒的模板进行误差判断，峰值低者认为是误差。基于小波变换的QRS波形检测2/7/2023202/7/202321——统计学分析(时域分析法)、谱分析和传递函数分析(频域分析法)。——Poincare映射图、分数维法、复杂度分析和非线性动力学分析。心率变异性分析

心率变异性（heartratevariablity,HRV）是指逐次心动周期之间的微小时间变异数。HRV一般用R-R间期来描述，也可以用瞬时心率来描述。心率检测出后的作用？HRV分析就是通过对心率微小涨落的变换和处理以获取心血管系统、自主神经系统等有关信息的信号分析过程，对于大多数心血管疾病及其他相关疾病的早期诊断、治疗及预后评价具有重要意义。心率变异性常见分析方法：线性分析法非线性分析法2/7/202322有创血压检测有创血压测量临床常见方法：1）导管刺入，测量点接近刺入点，体外传感器检测；2）导管插入，测量点远离刺入点，体外传感器检测；3）传感器在导管端口，测接触点压力；4）传感器植入血管或心脏。1、检测原理2、检测方法连通器，液体传递压力在ICU中，中心静脉压、左房压、心输出量和心脏漂浮导管等监护都用有创血压测量。

2/7/202323影响因素有创血压测量注意事项1、标定仪器2、压力传感器和心脏保持同一水平3、防止血管中的血凝1、压力传感器、病人导管连接不正确2、测量位置因素3、病人和压力传感器的位置多用于ICU病房，危重病人或开胸手术病人的监护。操作复杂、有一定痛苦、精度高。2/7/202324无创血压检测1、电子柯氏音检测法2、振动法检测原理：人工柯氏音法的电子化组成：充气系统、袖带、柯氏音传感器、音频放大器、增益调节电路、AD转换器、微处理器、显示部分检测原理：脉搏振动幅度判定血压组成：气动控制部分、压力传感器、放大滤波电路、多路模数转换、单片机微处理器大多数监护仪采用的方法2/7/202325影响无创血压测量的因素测量的局限性1）病人活动2）心律不齐3）血压变化4）严重休克5）肥胖病人6）心率太高或太低7）心肺机8）导管的移动

袖带尺寸袖带放置位置人为因素采用这种方法病人舒适，医护人员使用也方便，但不能提供连续的血压值。2/7/202326血氧饱和度（SpO2）用以表示血液中血氧的浓度，它是被氧结合的氧合血红蛋白（oxygenatedhemoglobin,HbO2）的容量占全部血红蛋白（hemoglobin,Hb）的容量的百分比，即式中，HbR称为脱氧的或还原的血红蛋白（redu-cedordeoxyenatedhemoglobin,HbR）。Hb主要由HbO2与HbR两部分组成。血氧饱和度血氧饱和度：氧合血红蛋白（HbO2）占全血红蛋白的百分比正常血液中血红蛋白（Hb）还包括：碳氧血红蛋白(COHb)、高铁血红蛋白(MetHb)，其中HbR与氧作可逆性结合，而COHb和MetHb不与氧结合。2/7/202327

无创测量：利用分光光度测定原理(光电容积法)

。由于血液中不同成份对同一种光线的吸收率各不相同，通过测量穿过血液中不同光线的衰减程度，可换算出血液中不同成份的含量。测量方法电化学法有创测量：对血液抽样后进行血气分析。光学法透射法反射法

2/7/202328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：

I=I0e-cd式中，为物质的吸光系数，c为溶液的浓度，d为光穿过的路径。

ln（I0/I）=cd=D（吸光度）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。测量方法2/7/202329通常采用红光和近红外光照射血液中氧合血红蛋白（HbO2）和还原血红蛋白（HbR）对不同波长的光的吸收系数不同。λ2=805nmλ1=650nm测量方法2/7/202330透射法检测方式：夹在手指、脚趾或耳垂。采用两个波长的红光和红外发光器件依时序发红光——不发光——红外光——不发光，交替工作。2/7/202331血氧饱和度测量原理框图透射法2/7/202332不发光背景光干扰信号电流发红光和红外光透射光+背景光干扰信号电流信号分离红光红外光直流分量脉动分量R=(IAC/IDC)R/(IAC/IDC)IR

SpO2=AR+BA、B为经验常数透射法光敏二极管检测到2/7/202333反射法透射法的局限（位置、深度），提出反射法。反射式传感器示意图注意：光线、位置等都会影响测量精度。2/7/202334

呼吸监护指监护病人的呼吸频率，即呼吸率。呼吸频率是病人在单位时间内呼吸的次数，单位是次/分。

平静呼吸时，新生儿60~70次/min，成人12~18次/min。

呼吸频率的测量方法有：

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热敏式呼吸测量

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阻抗式呼吸测量呼吸2/7/202335用热敏电阻放在鼻孔处，当鼻孔中气流通过热敏电阻时，热敏电阻受到流动气流的热交换，电阻值发生改变。热敏式呼吸测量2/7/202336

对于换热表面积为A，温度为T的热敏电阻，当感受到鼻孔内温度为Tf的呼吸气流的流动，热敏电阻上的对流换热量为

是对流换热系数，它受呼吸流速、粘性等多种因素的影响。Tf与人体温度接近，且恒温。若呼吸流速大，热交换Q就大，因此，热敏电阻温度T变化也较大。热敏式呼吸测量热敏电阻具有负阻特性。即R0是温度T0时的电阻值，是常数。T越高，RT就越小。2/7/202337

当鼻孔气流周期性地流过热敏电阻时，热敏电阻值也周期性地改变。根据这个原理，将热敏电阻接在惠斯通电桥的一个桥臂上，就可以得到周期性变化的电压信号，电压周期就是呼吸周期，因此，经过放大处理后可以得到呼吸率。热敏式呼吸测量2/7/202338

人体呼吸运动时，胸壁肌肉交变弛张，胸廓也交替变形，肌体组织的电阻抗也交替变化，变化量约为0.1Ω~3Ω，称为呼吸阻抗（肺阻抗）。

可见，呼吸阻抗与肺容量存在一定的关系，即肺阻抗随肺容量的增大而增大。因此，根据肺阻抗这一变化特征来实现阻抗式呼吸测量。阻抗式呼吸测量电极放置位置2/7/202339

根据这个原理，将两测量电极（L、R或L、RF

）之间的阻抗作为待测阻抗Zx，接在惠斯通电桥的一个桥臂上，就可以得到周期性变化的电压信号，电压周期就是呼吸周期。注意：电桥要采用高频电源供电，以免引起心脏的刺激作用。

阻抗式呼吸测量阻抗式呼吸测量2/7/202340体温监护测量方法采用热敏电阻作为温度传感器。热敏电阻作为惠斯通电桥的一个桥臂，通过测量电桥的不平衡输出测量温度。监护体温：体腔内温度，体表温度体温反应了机体新陈代谢的结果，是机体进行正常功能活动的条件之一。身体内部的温度称“体核温度”（bodycoretemperature）。统计表明，口腔温36.7～37.7C，腋下温36.9~37.4C，直肠温36.9～37.9C。

2/7/202341呼吸末二氧化碳监护呼吸末二氧化碳（PetCO2）是麻醉患者和呼吸代谢系统疾病患者的重要检测指标。监测呼气末二氧化碳浓度，不仅可监测通气而且能反映肺血流，具有无创及连续监测的优点，从而减少血气分析的次数。

CO2测量主要采用红外吸收法，即不同浓度的CO2对特定红外光的吸收程度不同。因CO2能吸收4.3μm红外线，用红外线透照测试气样后，光电换能元件能探测到红外线的衰减程度，所获取信号与参比气信号比较，就能得到CO2浓