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第二章 生理参数测量仪器. 人体电生理参数检测仪器 人体非电生理参数检测技术及仪器 病人监护仪器. 细胞是所有生物电的发生源，生物电或电位是细胞内部与外部间产生的电位差，也就是细胞膜两面产生的电位差。生物电现象是细胞实现一些最生要功能的关键因素，是生命现象的表现这一。因此，通过研究生物电现象，可以了解生物体的生理活动。. 2.1 人体电生理参数检测仪器.
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第二章 生理参数测量仪器 人体电生理参数检测仪器 人体非电生理参数检测技术及仪器 病人监护仪器
细胞是所有生物电的发生源，生物电或电位是细胞内部与外部间产生的电位差，也就是细胞膜两面产生的电位差。生物电现象是细胞实现一些最生要功能的关键因素，是生命现象的表现这一。因此，通过研究生物电现象，可以了解生物体的生理活动。 2.1 人体电生理参数检测仪器
进行生物电学研究的第一步，是把生物电信号拾取出来，并用仪器进行记录。有关脑电、心电、肌电的记录，是在皮肤表面做间接记录；记录视网膜电位、耳蜗电位和鼻电位就比较复杂了，要分别把记录电极安放在眼睛角膜表面、耳蜗圆窗表面和鼻粘膜中；而最复杂且要求最高的技术则是感受器电位、神经元的动作电位和神经纤维上传导的冲动电位的记录，这需要将符合尺寸的引导电极插进细胞或纤维中。进行生物电学研究的第一步，是把生物电信号拾取出来，并用仪器进行记录。有关脑电、心电、肌电的记录，是在皮肤表面做间接记录；记录视网膜电位、耳蜗电位和鼻电位就比较复杂了，要分别把记录电极安放在眼睛角膜表面、耳蜗圆窗表面和鼻粘膜中；而最复杂且要求最高的技术则是感受器电位、神经元的动作电位和神经纤维上传导的冲动电位的记录，这需要将符合尺寸的引导电极插进细胞或纤维中。
早在20年代就出现了用检流计测定的心电图机。60年代以前，心电放大器一直采用电子管，性能上不断改进，描记器由光点改为热笔描记。60年代，晶体管心电图机的出现使其体积大大缩小。70年代，出现了浮地式心电放大器，进一步提高了其安全可靠性。目前，心电放大器均由采用集成电路，遥测心电和多道生理记录仪也得到了不断地改进和完善。80年代，又广泛采用了微机构成的智能化电生理仪器，这也将是今后医用电生理仪器的发展方向。
心电图机 脑电图机 诱发电位仪 脑地形图仪 动态脑电记录分析系统 眼震电图仪 肌电图仪 胃电图仪 人体电生理参数检测仪器
2.1.1 心电图机 人体内由窦房结发出的一次电兴奋，按一定的途径和时程，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。 在每一个心动周期中，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，使身体各部分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 。可用来诊断心脏疾病。
记录心电图常用标准十二导联法：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、aVR、aVL、aVF、V1-V6。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ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Ⅱ导，左下肢—左上肢为Ⅲ导。aVR、aVL、aVF为加压导联，V1-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。
心电图机的种类很多，从功能上可大 至分为以下五种 ： ⑴单道手动心电图机。 ⑵单道自动心电图机 。 ⑶多道全自动心电图机 。 ⑷具有自动分析诊断功能的智能型心电图机 。 ⑸具有自动分析诊断功能的智能型多功能心 电机 。
具有自动分析诊断功能的智能型多功能心电机：如国产BK-400、BK-500心电多功能综合分析仪，这类仪器是将人体的心电、向量、晚电位信号通过电极输入给特制的采集卡式电路板，采集卡式电路板可直接插在微型计算机扩展槽中，形成一个基于心电、向量及晚电位综合数据采集分析系统。可做出心电图、向量图、心频图、心室晚电位图等，并可自动分析采集的数据，由打印机输出诊断结果。具有自动分析诊断功能的智能型多功能心电机：如国产BK-400、BK-500心电多功能综合分析仪，这类仪器是将人体的心电、向量、晚电位信号通过电极输入给特制的采集卡式电路板，采集卡式电路板可直接插在微型计算机扩展槽中，形成一个基于心电、向量及晚电位综合数据采集分析系统。可做出心电图、向量图、心频图、心室晚电位图等，并可自动分析采集的数据，由打印机输出诊断结果。
心电图机的基本构成 1.输入电路 包括过压保护、高频滤波、缓冲放大器、威尔逊网络、导联选择电路。过压保护和高频滤波电路是因有时心电图机与除颤器、高频电刀同时使用，为确保病人安全和心电图机免遭高压冲击，同时为了阻止外界高频干扰信号进入心电图机的前置级而设置的。缓冲放大器实际上就是起阻抗变换的作用，它输入阻抗高输出阻抗低便于与威尔逊网络输入阻抗相匹配。
20K RA LA 30K LF 威尔逊网络是由9个电阻组成，6个20KΩ组成一个三角形电路，每一个三角形顶点分别与3个30KΩ组成一个星形电路三个点相连，星形公共点是威尔逊网络的中心端，这点的电位与人体电偶中心点电位相等，均可视为零点。 三角形的三个顶点分别引入人体右手、左手、左脚三个肢导的信号，三角形三个边的中点是三个加压肢体导联的相应参考点。导联选择电路是控制人体信号的输入，不同的导联选自人体的不同部位。
2.放大电路 放大电路基本上是由前置放大电路、中间级放大电路和功率放大电路组成。前置放大的主要任务是提高共模抑制也就是抑制干扰信号，放大心电信号。1mv发生器就加在这级的输入端。中间级放大是将心电信号进一步放大，一些在心电机面板上可调整的和可用的功能基本在这级实现。如增益调节（记录笔输出幅度不够时调节）、阻尼调节（方波不够理想时调节）、增益选择（输出幅度有3档可选：1/2、1、2）、50Hz电源滤波（去除电源引起的干扰）、35Hz肌电滤波（去除肌电引起的干扰）、位移（调整热笔在合适的位置）等。功率放大电路是把经过前置放大和中间级放大后的心电信号再放大到使记录笔能够产生恰当偏转的电平，驱动记录器进行心电描记。
3.记录电路 现在的心电机记录电路都是由走纸马达（交流电机）调速、稳速电路、记录笔调温电路、记录器组成。而调速、稳速电路都采用锁相环技术，通过锁相环输入不同参考频率信号来改变速度，通过速度反馈信号与输入参考信号相位比较，锁相环输出不同电位来稳定速度。记录笔调温电路采用调宽脉冲方式，改变脉冲宽度（占空比）来改变笔的温度。记录器采用位置馈式记录器，它是由笔马达和同轴电位器式位置检测器组成。利用电位器转动臂与记录器线圈同轴的特点，使位置反馈式记录器的线性好，描记的心电图清晰。
4.电源 一般心电机电源都有交直流两种方式供整个机器电路工作。 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（>10MΩ），共模抑制比CMRR大（80~100dB），频率响应足够宽（0.05Hz~100Hz），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。
1mV定标器 光 电 隔 离 前 置 放大器 导 联 选择器 主放大器 描记器 光电隔离 浮地电源 主电源 液晶显示 微机 按键 具有导联自动转换及光电隔离放大器的心电图机框图
如何设计一个性能优良且价格不贵的心电图机至今仍然是一个不断有人研究的课题。例如如何保证心电图机的基线稳定不漂移，干扰噪声尽可能小，如何保证电源浮地、光电隔离等。高质量的放大器也是其他电生理仪器如脑电图机、肌电图机、胎儿心电图机、眼震电图机、诱发电位仪以及多道生理信号记录仪等的核心部件及共同的研究课题。描记器现仍多使用热笔，热笔的稳定性、线性问题也在不断改进。热笔只能描记波形，不能打印字符，目前先进的阵列式热敏打印机不仅可描记波形，还可以打印字符。
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A/D转换器，用4000或8000次/秒的采样频率，分析精度高。
心律失常分析仪也装有功能很强的微机，不仅具有测算功能，而且还具有自动判别（模式识别）功能，能自动诊断几十种心律失常的病症。 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，可进行心律失常分析、心电向量分析以及心室晚电位分析。
2.1.2 脑电图机 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。临床上将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而记录到的脑电波称为脑电图EEG。 脑电图机通常有8通道或16通道，同时测量和描记8道或16道脑电波形，用8笔或16笔的墨水笔记录仪描记。现代脑电图机还有64道及128道。
从头皮描记的脑电波强度很小，一般为10~50μv，频率范围为0.5~100Hz。国际上将脑电波按波的重复节律不同分类，统一为以下四个频段：从头皮描记的脑电波强度很小，一般为10~50μv，频率范围为0.5~100Hz。国际上将脑电波按波的重复节律不同分类，统一为以下四个频段： α波：8~13Hz β波：13~40Hz θ波：4~<8Hz δ波：0.5~<4Hz 其波形如右图所示。
脑电波形的频率特性比幅度特性在临床上更显得重要。脑电在时域(Time domain）中不易得到特征参数，而若将它们变换到频域（Frequency domain）中就很容易分出α波、β波、θ波和δ波。(变换常采用傅里叶变换、小波变换等）。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。
2.1.3 诱发电位仪 除了自发脑电波外，采用刺激的方法还能够引起大脑皮层局部区域的电活动，称之为脑诱发电位EP（Evoked Potential）。刺激的方式通常有三种：视觉刺激、听觉刺激和体感刺激，刺激时，可在与刺激感觉通道相对应的头皮部位测到诱发电位，分别称为视觉诱发电位 VEP（Visial Evoked Potential）、听觉诱发电位AEP（Auditory Evoked Potential）和体感诱发电位SEP（Somatic Evoked Potential）。
上图是视觉诱发电位曲线，幅度范围为1~20μV，带宽1~300Hz，持续时间为200ms。P表示正相波，N表示负相波，以平均潜伏期（Latency）作为下角注，如P100表示潜伏期为100ms的波峰。由于诱发电位幅度极小，埋没在自发脑电及噪声中，所以常用迭加平均方法将多次刺激（多达1000次以上）的诱发电位迭加，再去除噪声后，才能获得诱发电位。
上图是二通道诱发电位仪的方框图。它具有高性能的全浮地前置放大器，高速A/D 转换器进行数据采集，由高性能的微机控制，并配有高速数字处理器进行迭加平均运算。由电视监视器实时显示波形，具备测量功能，由X-Y绘图仪绘制波形图。多通道的诱发电位仪还有4、8、16、32和64通道的。
2.1.4 脑地形图仪 现代脑电地形图仪将脑电图仪、诱发电位仪及自发脑电/诱发脑电地形图集于一体，在彩色电视监视器上可显示16通道脑电图，或16通道诱发电位，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患。
2.1.5 动态脑电记录分析系统 动态脑电记录分析系统（脑电Holter系统）是受动态心电记录分析系统（心电Holter系统）的启发，由临床需要提出来的。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，从而有利于异常脑电波的发现与诊断，目前主要用于对癫痫的鉴别和诊断。
脑电Holter系统由记录器和计算机回放分析系统两部分组成。记录器一般为佩带式，能进行24小时大容量多通道无失真的脑电信号存储，且功耗低。除记录脑电信号外，还可同步记录心电（ECG）、眼电（EOG）及呼吸波等多种生理信号。佩带式记录器目前主要有两种：⑴磁带式，采用普通磁带进行EEG记录；⑵固态式，采用低功耗大容量静态存储器（SRAM）进行EEG的数据记录。
固态式记录器是今后的发展方向。由于目前大容量静态存储器的存储容量尚不能满足24小时记录的所需容量，所以在存储时常采用小压缩比的数据压缩算法。除了上述两种记录器外，还可利用大容量硬盘进行记录，其优点是数字式全信息24小时记录，而缺点是不适合于佩带。固态式记录器是今后的发展方向。由于目前大容量静态存储器的存储容量尚不能满足24小时记录的所需容量，所以在存储时常采用小压缩比的数据压缩算法。除了上述两种记录器外，还可利用大容量硬盘进行记录，其优点是数字式全信息24小时记录，而缺点是不适合于佩带。
计算机回放系统有回放、分析、存储及打印功能。回放功能包括快速、常速、全览、选时回放等多种方式。分析功能有：⑴各种形式的脑电地形图；⑵功率谱分析、谱参数提取；⑶各节律能量直方图；⑷压缩功率谱阵图；⑸相关分析、时域分析；⑹伪差滤除；⑺癫痫波自动识别及定位；⑻睡眠波分析等。
2.1.6 眼震电图仪 眼球运动时记录到的眼动波形也是生物电信号，分为水平眼动波形和垂直眼动波形。当前庭器官受到某种刺激（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，由慢相和快相两个时相组成。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，并且该变化与眼球摆动的角度近似呈线性关系，记录该电位的变化就是眼震电图ENG，可测量其慢相速度、快相速度、眼震频率等各种参数，在临床上常用于诊断眩晕病。这也是航海航空人员的体检方法之一。
现代眼震电图仪装有计算机，可采集、存储数据并进行分析和计算。右图是清华大学研制的眼震电图机分析系统的框图。 该系统不但可以进行描记，还可以由计算机控制采集160秒长度的数据，波形在CRT监视器屏幕上既可以实时滚动刷新显示又可以回顾显示，波形与字符可以同屏幕显示，有测量标记，可手动或自动测量计算各参数，并由小型四色X-Y记录仪绘制波形、统计图形和打印数据。
2.1.7 肌电图仪 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50μV~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。⑴神经源性疾病：周围神经病损（包括糖尿病、酒精中毒、尿毒症等）颈椎病、单瘫运动元性病、面神经麻痹、多发性神经炎、脊髓前角病损、脱髓鞘病、交叉瘫以及神经源性性功能障碍的诊断等。⑵肌源性疾病：肌营养不良症、肌萎缩、周期性麻痹、重症肌无力、肌强直综合征、神经与肌肉接头病等。 ⑶结缔组织病：多发性肌炎、皮肌炎、多发性硬化病、红斑狼疮病、废用性肌萎缩、风湿性关节炎等病。
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100μV~2mV，频带宽度5Hz~10KHz。
2.1.8 胃电图仪 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，如非溃疡性消化不良、肠易激综合症等疾病。 胃肠肌电活动是在神经、激素和其他因素的调节下进行的。基本的胃电活动是：⑴慢波：是胃平滑肌的基本电节律，正常值为3次/分（CPM）。⑵快波：峰电位或动作电位，是环形肌收缩时的电活动。通常体表胃电测量的仅是慢波成分。
胃肠电信号是μV量级，频率范围为：胃电的正常范围是2.5~3.6次/分，在3.7~9.9次/分范围内的是异常胃动过速；在1~2.4次/分范围内的是异常胃动过缓；结肠电的正常范围是1~7次/分，小肠电的正常范围是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，因此需要高性能的放大器，即要求其放大器具有高增益、低噪声、低漂移、高稳定和高灵敏的特点。
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，一定要经过计算机对胃肠电信号进行统计分析处理。傅里叶频谱分析是现今对胃肠电分析的最有效的方法。常用频谱图（横坐标表示频率，纵坐标表示功率强度）和运行图谱（X轴表示频率，Y轴表示时间，Z轴表示功率强度）来进行分析。测量频谱图上的峰值功率Pd及其相对应的主频Fpo（又称基频）；在胃肠电波形图上测量平均峰值幅值Ap和信号平均过零次数Fz，这些参数对诊断有重要意义。
2.2 人体非电生理参数检测技术及仪器 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。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，非生理参数的电子测量仪器相继出现，如电子血压计、电子体温计、光电心率计等，逐步进入家庭。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。如在多参数监护仪中，除监护心电外，还监护血压、体温、呼吸、血氧饱和度等。将测量心电、血压、心音、脉搏等电生理和非电生理参数的电路做成模块，就可以组成多道生理信号记录仪。
血压检测 心音检测 体温检测 呼吸检测 血氧饱和度检测 人体磁场测量 多道生理信号记录仪 非电生理参数检测
2.2.1 血压检测 测量血压可进行有创检测和无创检测。有创检测采用的方法为动脉插管接压力计或压力传感器，这种方法测量准确，但给病人造成痛苦，因此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。
柯氏音法是用一个13×23cm的气袖缠于上臂中部，输出管连于水银压力计，气袖下方肱动脉搏动处放置听诊器。用橡皮球向气袖打气，当袖内压大于收缩压（PS，即所谓“高压”）时，动脉被压闭。然后以2~3mmHg/秒的速率放气，并监听柯氏音。柯氏音是血流通过被压闭又逐渐开启的动脉血管时产生的断续声音。柯氏音分为五相，第一相对应着袖内压刚刚低于收缩压，血管内开始出现断续的血流时产生的，因此此时水银压力计的指示的就是收缩压；第五相对应着袖内压刚刚低地舒张压（PD，即所谓“低压”），血流在血管内开始连续通过，柯氏音由减弱变为消失，此时水银压力计的指示就是舒张压。
20世纪70年代以来，出现了多种柯氏音法电子血压计，由微处理器控制，手动或用气泵自动打气，手动或用电磁阀自动放气，通过微音器自动监测柯氏音，并由微处理器自动判断及自动测量，由液晶数字显示收缩压、舒张压、平均压及心率等。
柯氏音法的关键在于辨别血流的声音信号，以声音变化为依据。其优点为同一般临床应用相一致，容易被医生们认同。其缺点为电子器件的拾音器易受外界噪声干扰，结果偏差较大，不能直接测量动脉平均压。因此在血压测量的技术中，渐渐被振荡法所代替。
