ECG原理与技术.ppt

1、心电图机原理与技术,解放军总医院医学工程中心,引言 心电图机的起源与发展 一、心电图机技术基础(医学基础,心电生理 二、心电图和导联 三、心电图机的结构 四、心电图机的性能技术指标 五、MAC 1200心电图机 ECG原理结构 ECG各部件功能介绍及常见故障 ECG电路分析及常见故障处理,概况（electrocardiogram）,1903年 Einthoven 应用弦线电流计，首次将体表心电图记录 在感光片上，标志心电学科的建立； 1906年 首次用于抢救心脏病人，是世界上第一次从病人身上记 录下来的心电图； 1924年 Einthoven 因发明心电图而获得诺贝尔医学奖； 1930s 弦线

2、式心电图机才逐渐被电子管式和晶体管放大式心电 图机所替代； 1980s Marquette 公司首先推出数字化心电图机，从此，心电 图进入了数字化、自动化、网络化管理的新时代。,一、心电图机技术基础,1、医学基础 心电图机是用来记录心脏活动时所发生的生理电信号的仪器。,心脏是人体血液循环的动力装置，心脏自律不断地进行有节奏的收缩和舒张活动，使血液在闭锁的循环系统中不停的流动，使生命得以维持。,2.心电产生的原理,2.1心肌细胞极化状态 心肌细胞在静息状态下，细胞膜外带正电荷，膜内带同等数量的负电荷，这种电荷稳定的分布状态称极化状态。静息状态下细胞内外的电位差称为静息电位（resting pot

3、ential）这种稳恒状态又称极化状态。,极化状态图,2.2静息电位计算,各种离子由于化学浓度梯度穿过细胞形成的膜电位与其细胞莫内外浓度有关，根据Nernst方程计算： Em =RT/ZFln(Co/Ci) 其中Em是膜电位，R是气体常数，T 是绝对温度，Z是离子价，F 法拉第常数，Co 及Ci 分别是细胞外及细胞内离子的浓度。Na+ 和K+ 的Z是1，T为37oC ，则以对数形式写为： Em=61.5log(Co/Ci) 细胞内的 K+浓度为140 mmol/L, K+在细胞外浓度为4 mmol/L，则心肌细胞处于静息状态时Em为： Em=61.5log(4/140)=61.5log0.02

4、9=90mV,心肌细胞除极复极时电位变化与离子活动心电图关系示意图,心肌细胞的除极、复极过程和动作电位心肌细胞在兴奋时所发生的电位变化称为动作电位，即心肌细胞的除极和复极过程（如图）。,2.3跨膜动作电位变化过程,心电信号的发生及形成过程,二、心电图和导联,1. 心电图机 心电图（Electrocardiogram， ECG）机是运用测量电极采集体表不同部位的电信号，用放大器加以放大、用记录器描记下的图形。心电图能反映出兴奋在心脏内传播的过程及心脏的机能状态。如果心脏的传导系统发生障碍或某部分心肌发生病变，则心电图的波形将发生变化。,心电图的典型波形及描述,心电图的典型期间和典型段,P-R间期

5、：是从P波起点到QRS波群起点的间隔时间，代表从心房激动开始到心室开始激动的时间。这个期间随着年龄的增长而有加长的趋势。 QRS间期：从Q波开始至S波终了的时间间隔。代表两侧心室肌（包括心室间隔肌）的电激动过程。 S-T段：从QRS波群的终点到T波起点的一段。此时心室全部处于去极化状态，无电位差存在，所以正常人的S-T段是接近基线的，与基线间的距离一般不超过0.05mm。 P-R段：从P波后半部分起始端至QRS波群起点。这段等待时间是为了让血液充分流至心房，同样，这一段正常人也是接近基线的。 Q-T间期：从QRS波群开始到T波终结相隔的时间，它代表心室肌去极化和复极化的全过程。正常情况下，Q-

6、T 间期的时间不大于0.04s。 正常人的心电图典型值：P波：0.2mV；Q波：0.1mV；R波：051.5mV；S波：0.2mV；T波：0.10.5 mV；P-R间期：0.120.2s；QRS间期：0.060.1s；S-T段0.120.16s；P-R段：0.040.08s。,2.心电图导联,将两个电极置于人体表面上不同的两点，通过导线与心电图机相连，就可以描出一种心电图波形。描记心电图时的电极安放位置及导线与放大器的联接方式称为心电图导联。心电图是通过多个导联而得出的体表电位差的不同时间的记录。临床诊断上，为便于统一和比较，对常用的导联做出了严格的规定。 现在广泛应用的是标准十二导联，分别记

7、为I、II、III、aVR、aVL、aVF、V1V6。其中I、II、III为双极导联，aV R、aVL、aVF为单极肢体加压导联，V1V6为单极胸导联。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。,心电导联连接方式,电极部位、电极符号及相连的导联线的颜色，均有统一规定。,三、心电图机的结构,1.组成 模拟式心电图机，由下列各基本部分组成：,2.输入部分,它包括电极、导联线、导联选择开关、输入保护、高频滤波器、缓冲放大器以及一些辅助电路等。 （1）导联线 心电图机所用的导联线是一条多芯的带金属屏蔽网的电缆。屏蔽的作用是防止外界电磁波的干扰。导联线的一端接心电

8、图机的输入插座，另一端由不同颜色来区分，接到相应电极上。它的作用是将电极上获得的心电信号送到放大器输入端，电极部位、电极符号及相连的导联线的颜色，均有统一规定。 胸导联线有3根或6根，分别各有一个带吸球的胸电极，使用时全部吸在胸部相应的部位上，然后转换导联选择开关即可切换成各种胸导联。,输入部分,（ 2）导联选择开关 它的作用是将同时接触人体各部位的五个以上电极的导联线按需要切换组合成某一种导联方式。导联选择器的结构形式，一般有机械转换式开关选择方式和电子开关式选择方式，常用的有以下几种：圆形波段开关、琴键开关直接式导联选择电路、带有缓冲放大器及威尔逊网络的导联选择电路和自动导联选择电路。每切

9、换一次导联都需按顺序进行，不能跳换。 （3）输入保护 在临床抢救上，心电图机往往要和除颤器同时使用。使用心电图机时，既要保护病人安全，又要避免因对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。输入保护电路主要设置了低压放电管，以消除心电图机在除颤时进入输入电路的高压，防止电路被高压击穿。一般采用电压限制器，分低、中、高压分别限制。,输入部分,（4）高频滤波器 高频电磁波会对心电图机产生高频干扰。如理疗机、电梯、电焊的火花发出的电磁波等。为了减少和避免干扰，选用RC低通滤波电路组成高频滤波器，滤波器的截止频率选为10kHz左右。滤去不需要的高频信号，确保心电信号的通过。 （5）缓冲

10、放大器 由电极拾取的心电信号，通过导联线首先传输到心电图机的第一级放大器即输入缓冲放大器。缓冲放大器的目的主要是为了提高电路的输入阻抗，减少心电信号衰减和匹配失真，对电压增益一般要求不高。,电极 电极片属于表皮电极。一个由盐溶液和胶组成的电极膏和皮肤之间可以 形成跨膜电位。活体组织相当于含有许多金属离子的电解质；人体汗液 成分：水(99%)、有机物、K+、Na+、Cl-、尿、硫酸盐等，也相当于电 解质；当金属电极与皮肤接触后，产生极化现象，形成半电池电位或极 化电位或扩散电位；在人体皮肤与心电电极片接触时，会产生半电池电 位和极化电位。心电信号的幅度为0.75mV4mV，而极化电位可达200m

11、v, 其很容易淹没心电信号，所以如何消除或抑制其影响对生物电测量是非 常重要。,上图代表了人体皮肤和心电电极系统的连接图。 上图的V 代表了心电测 量中两点的电位差。当心电电极朝着电解液方向运动时，会改变极化电 极界面上的双离子层上的电荷分布。这将迅速改变半电池电位。,3. 放大部分,放大部分的作用是将幅度为mV级、频率在0.05Hz100Hz的心电信号，放大到可以观察和记录的水平。心电图机的放大部分包括：前置放大器、电压放大器和功率放大器。此外还有lmV标准信号发生器。 （1）前置放大器 前置放大器是心电放大的第一级，是决定心电图机性能的关键部分，其主要要求是具有良好的抗干扰能力（即高共模抑

12、制比）、高的输入阻抗及高的信噪比。,放大部分,（ 2）1mV标准信号发生器 心电图机均备有1mV标准信号发生器。它产生标准幅度为1mV的电压信号，作为衡量所描记的心电图波形幅度的标准，即所谓“定标”。 （3）时间常数电路 时间常数电路实际上是阻容耦合电路，常接在前置放大器与后一级的电压放大器之间。其作用是隔去前置放大器的直流电压和直流极化电压，耦合心电信号。,放大部分,（4）电压放大器 电压放大器又称为中间放大器，它的任务是将前置放大后的心电信号进行电压放大，以推动后级放大器工作。一般心电图机在中间放大器中采用隔断直流，双T型滤波电路消除50Hz市电干扰，还包括一些辅助，如基线移位控制、增益调

13、节、闭锁电路等。电压放大器多采用恒流源式对称差分放大电路。 （5）功率放大器 功率放大器的作用是将电压放大器送来的心电信号进行功率放大，以便有足够的电流信号去推动记录器使其偏转，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为驱动放大器，进口心电图机的说明书中亦称主放大器。功率放大器多采用对称式互补射级输出的单端推挽放大电路。,4.记录部分,包括记录器、热笔及热笔温控电路。 记录器是将心电信号的电流转换为机械（记录笔）运动的装置。心电信号经心电图机导联选择以及心电放大器放大后，驱动记录器，使记录器上转轴随心电信号的变化而产生偏移，在转轴上固定一支记录笔，笔也随之摆动，从而在

14、记录纸上描记出随时间变化的心电图曲线来。现在常用的有动圈式记录器和位置反馈式记录器。,旧式的心电图机多数采用热笔在热敏纸上记录波形,存在着打 印效率低、噪声大、波形失真等缺点;而热敏打印机的热敏头 是由一排体积很小( 8个/mm)的加热单元组成的,每个加热单 元加热时与之相接触的热敏纸的对应位置将会变黑,通过控 制各个加热器件的加热与否即可控制每一行的打印内容,再由 步进电机控制走纸换行,从而在热敏纸上绘制出各种图形。由 于热敏打印机具备体积小、重量轻、可靠性高、打印字符清 晰、噪声小、走纸均匀等特点,因此成为新型心电图机的首选,5.走纸传动装置,带动记录纸并使它沿着一个方向做匀速运动的机构称

15、为走纸传动装置，它包括电机与减速装置及齿轮传动机构。它的作用是使记录纸按规定要求随时间做匀速移动，记录笔随心电信号变化的幅度值，便被“拉”开描记出心电图。走纸速度规定为25mm/s和50mm/s两种速度的转换可以通过改变快慢齿轮来实现，若采用直流电机，则通过改变它的工作电流来实现；如采用交流电机，则通过倒换齿轮转向来实现。,6.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，或用干电池、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、交直流供电自动转换电路及电池电压指示等。,四、心

16、电图机的性能技术指标,1.灵敏度 心电图机的灵敏度是指输入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。一般将心电图机的灵敏度分为三挡（5mm/mV、10mm/mV、20mm/mV），且分挡可调。心电图机的标准灵敏度为10mm/mV，规定标准灵敏度的目的是为了便于对各种心电图进行比较。 2.噪声 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，这种噪声如果过大，不但影响图形美观，而且还影响心电波的正常性，因此要求噪声越小越好，在描记的曲线中应看不出噪声

17、波形。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15V。,3.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。心电图机采用了将直流信号或变化极缓慢的信号进行放大的直流放大器，级间采用直接藕合的方式，当放大器的输入端短路时，输出端也有缓慢变化的电压产生，这种现象叫做漂移，也叫零点漂移。一般情况下，放大器的级数越多，零点漂移越严重，当漂移电压的大小可以和心电信号电压相比时，就会造成分辨困难。 4.时间常数 心电图机的时间常数的数值，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

18、%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。,5.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，心电图上微小的波形幅值降低，严重时甚至描记不出来。而阻尼过小时，心电图上的尖峰波（如R波，S波等）幅值会增加。故需将其调至适中状态，以保持不失真的记录波形。 6.共模抑制比 心电图机一般都采用差动式电路。这种电路对于同相信号（又称共模信号，例如周围电磁场所产生的干扰信号）有抑制作用，对异相信号（又称差模信号，欲

19、描记的心电信号就是异相信号）有放大作用。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，表示抗干扰能力的大小。,7.线性 心电图机的线性包括两方面： （1）移位非线性：心电图机的描笔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，则此心电图机的线性良好，描笔偏转的幅度若不同、则此心电机线性不好。 影响心电图机线性指标的因素较多。如晶体管的输入特性、输出特性，差动放大器电路的对称性，以及放大器工作点的设置等等，都影响整机的线性。 （2）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

20、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。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，线性误差越小，说明非线性失真越好。当工作频率在0.05Hz100Hz范围内时，要求描笔记录幅度在20mm之内，线性误差应小于10%。,8.频率响应特性 若心电图机对不同频率的信号有相同的增益，则描记出来的波形就不会失真。但是放大器对不同频率的信号的放大能力并不是完全一样的。心电图机输入相同幅值、不

21、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。心电图机的频率响应主要取决于放大器和记录器的频率响应。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，而记录器是决定频响的主要因素。 9.耐极化电压 皮肤和表皮电极之间会因极化而产生极化电压。这主要是由于心动电流流过后形成的电压滞留现象，极化电压对心电图测量的影响很大，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。处理不好极化电压，产生的干扰将是很严重的。 尽管心电图机使用的电极已经采用了特殊材料，但是由于温度的变化以及电场和磁场的影响，电极仍产生极化电压，一般在200mV300mV左右，这样就要求心电图机要有一个

22、不受极化电压影响的放大器和记录装置。,右腿驱动电路 现代ECG记录系统，患者通常是不接地的。代之的是将右腿电极与辅助放大器的输出相连接（如图）。身体的共模电压由两个分压电阻Ra检测，反转后，通过Ro反馈回右腿。这个电路实际驱动了非常小的电流（小于1uA）进入右腿，等于流经人体的位移电流。因此，人体成为反馈环路中的求和结点，这个电路的负反馈将共模电压降至最小。 这一电路也有助于提高患者的安全。如在由于漏电流或其它方式，造成异常高电压时，右腿驱动电路中的辅助放大器的会饱和。由于放大器不能驱动右腿，可在患者与地之间起到有效隔离。电阻Ro通常为几兆欧姆，因此可保护患者。如以一5M电阻，电源为10V，放

23、大器在2uA饱和。,五、MAC 1200心电图机,主要技术指标,12SLTM金标准分析程序 屏幕3通道显示，12导可同步打印 自动，手动，心率失常模式 内置欧洲标准的HEART分析软件QTD的精确分析 报告准确，格式多样 交直流两用 可升级运动测试系统 抗漂移系统(ADS)及自动基线调整,主要规格： 导联：标准12导联 增益转换：5，10，20，40mV，手动或自动 记录纸：GE marquette-hellige式对比度热敏纸300*210mm 电源：交流电源：85-264V,直流电源：内置电池 外形尺寸：370*320*95（mm） 重量：5.6Kg（含电池组）,走纸速度 5/25/50(

24、mm/s)： 在25mm/s和50mm/s 误差精度1%； 在5mm/s的误差精度10% 心率显示范围30BPM300BPM 电池： 18V，1300mAh; 最大充电时间4小时 ADS（Anti-drift system):对由极化电压引起的基线波动进行自动补偿,常见故障,走纸故障 电源故障：电源指示灯是否点亮 心电干扰 电池故障：充电指示灯 屏幕无显示：指示灯；自检声音10s；对比度设置；背景光； 图形显示模块或主板,Device cannot be switched on even though power plug is plugged in - green power lamp LE

25、D is off and device cannot be switched on: - Power cable defective or not plugged in correctly? - Primary fuses in the mains input module defective? - Connector from the mains input module to the mains switching power supply plugged in correctly, or cable defective? - Connector from the mains switch

26、ing power supply to connector POSUP/ on the PCB Control plugged in correctly, or cable defective? - Keypad via connector KEYB/ on PCB Control plugged in correctly? - 26,5V on the connector POSUP? if no: - mains switching power supply defective if yes: - PCB Control defective - or keypad defective -

27、green power lamp LED is on, but device still cannot be switched on: - PCB Control defective - or keypad defective,Device cannot be switched on when being battery-operated only - Is the battery depleted? - Plug in power plug, green power lamp LED should glow and the device can be activated, if not: -

28、 refer to Device cannot be switched on even though power plug is plugged in”. - By connecting the power plug, rapid charging is activated, LED1 on the PCB Battery Charge is activated if not: - PCB Battery Charge is defective - With power plug plugged in, let unit charge for 10 minutes, then disconne

29、ct power plug. Can the device be switched on and can a recording be started? if yes: - Function OK., continue loading with plugged mains plug if not: - Battery disconnected or cable defective? - Battery defective (no capacity)? - PCB Battery Charge defective ( Si1?)?,No display on the screen - Does

30、the yellow Stop LED on the keypad glow after the device is switched on? if not: - refer to Device cannot be switched on .” if yes: - continue - Does a beep sound approx. 10s after switching on the MAC1200 occur (indicates the successful power up self-test)? if not: - Self test error, PCB Control def

31、ective if yes: - continue - Contrast badly adjusted? - Can the background illumination be activated by pressing a key? - Can the display test in Section 3.3 be applied successfully? if not: - graphics display module defective - or PCB Control defective,MAC 1200 fails to give printout, no paper transport Perform the following test in the 6-lead operating mode: - Paper available? Paper correctly inserted? Paper transport problems (jam)? - Paper feed flap correctly engaged on