医用电子仪器——非电生理参数测量

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6821 医用电子仪器设备

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4 非电生理参数测量 人体除了生物电信号，伴随生命现象并作为生理机能特征信号，还有物理的、机械的、声学的、化学的、流体的和生物磁信号等。如血压、脉搏、心音、血流、体温、呼吸等非生物电生理参数，在临床诊断、疾病治疗和生理学研究中都具有极为重要的意义。

4 非电生理参数测量 血压测量 心音检测 血流测量 体温测量 呼吸测量 血氧饱和度测量

4.1 血压测量 4.1.1 血压概述 血液循环 人体血液循环是由心脏泵提供的动力和压力以周期性的收缩和舒张方式来完成的，血液循环在毛细血管处通过物质交换供应人体所必需的营养。

4.1.1 血压概述 血压：血管内血液在血管壁单位面积上垂直作用的力称为血压。 血压信号是随心动周期变化的动态时间函数。血液循环系统中各部位测量到的血压值是不同的，临床上通过测量心脏的不同房室和外围血管系统的血压值，有助于医生判断心血管系统的整体功能。

左心室 左心室 心血管系统血压分布图

心脏各腔室压力

动脉血压波形 心血管系统的压力测量，是人类生理压力测量中最重要的部分，其中动脉压尤为重要。

4.1.1 血压概述 收缩压（SP）：心脏收缩时所达到的最高压力称为收缩压。它把血液推进到主动脉，并维持全身循环。 舒张压（DP）：心脏扩张时所达到的最低压力称为舒张压，它使血液能回流到右心房。 脉压差：收缩压和舒张压的差称为脉压差，它表示血压脉动量，一定程度上反映心脏的收缩能力，是反映动脉系统特性的重要指标。

4.1.1 血压概述 血压是反映血流动力学状态的最主要的指标之一。影响人体血压的因素很多，①心率、 ②外周循环阻力、 ③每搏输出量、 ④循环血量，⑤动脉管壁的弹性等。 若血压过高，则心室射血量必然要对抗较大的血管阻力，使心脏负荷增大，心脏易于疲劳；若血压过低，则心室射出的血流量不能满足组织的正常代谢需要。

4.1.1 血压概述 血压测量技术可分为直接法和间接法两种。 直接法特点：测量值准确、定点明确，连续测量、有创测量。 间接法特点：测量精度低、不能进行连续测量、不能用以测定心脏、静脉系统的压力、无创测量。

4.1.2 血压直接测量法——导管术 1728年Hales把一根直径为4.23mm的玻璃管插入马的动脉内，粗糙的测出动脉压力。 1828年Poiseuille用U形水银压力计代替Hales的压力计管。 随着技术的发展，应用测压传感器和复杂电子系统取代了原始的压力计管。 导管法可测量动脉压、中心静脉压、肺动脉和肺毛细血管楔入压和左心房心室压等。

一、体外传感器测量 通过一根充满液体的导管将压力传递到体外的压力传感器。

一、体外传感器测量 1)用抗凝药冲洗防止血凝。 2)消除导管中的气泡防止在血管中造成气栓，且气泡会导致血压波形失真。 3)传感器的感压面的压力零点与心脏处于同一水平面上。

二、体内传感器测量 压力传感器可放置在导管的顶端直接测出端部所在点的血压值。 由于没有传导压力量的液体，频响和时延均能达到更理想的指标。 传感器的选择 应力传感器，如电阻应变片、硅压敏电阻传感器等 光纤传感器

二、体内传感器测量 利用光纤束导入光纤，射在导管端部的金属薄膜上，体内压力作用在金属膜上，压力改变时，膜发生形变，从而造成反射角的变化，将放射光由光纤束引出，透射到光敏器件上，可转换为相应的电信号。

4.1.3 血压间接测量法 血压直接测量方法：有创测量。为了取得血压值首先必须刺破血管，然后把导管放在血管或心脏内。这一手术要在X光监视下进行，一般限于危重病人或开胸手术病人。 无创伤的间接测量方法：近100多年来大家都致力发展无创伤的间接测量方法。这种方法简单易行、使用方便；其缺点是精度较差，只限于对动脉压力的测量。对低血压的病人，如危重病人、休克病人的血压很难检测。

一、柯式音法 1905年俄国军医柯罗特可夫提出：动脉（在正常的情况下—不受压)或完全受压的动脉并不产生任何声响，只有当动脉不完全受阻时才出现声音，因此可用声音来确定人体的血压。当动脉不完全受阻时，血液喷射形成涡流或湍流，它使血管振动并传到体表即为柯氏音。

一、柯式音法 柯式音法血压测量计由血压计、袖带和听诊器组成

柯式音法精度较差的原因 (1) 就心脏血压而言，血压的读数随传感器的部位和高度而变。不在心脏水平高度所取得的读数应补加上以心脏为基准的相应读数。 (2) 如用听诊器，则读数将受使用者听力的影响。 (3) 血压测量对移动特别敏感，如握拳、手臂弯曲和移动及身体的移动等。若病人在休克状态，因其脉搏微弱，柯氏音振动很低。 (4) 无论对正常人还是对情绪紧张的人，触摸手臂(相当于压力效应)都能改变读数。另一方面，换气过度可以有减小压力的效应。

柯式音法精度较差的原因 (5) 错误的测量方法如末端的位置不适当、袖带放气速度不适当、水银压力计不垂直、听诊器间隙及袖带放置不适当等。 注意：若病人心脏无节律跳动，这时每搏输出量和血压在不同周期内变化，所测出的血压值显然是不正确的。 尽管存在诸多问题，柯式音法至今仍被大多数标准化组织视为无创血压测量的标准，且还常用此评估无创测量方法。

二、超声法 多普勒效应：（奥地利科学家多普勒最先发现）声源由远而近时声调由粗变尖（即声音的频率增高）；声源由近而远时声调由尖变粗（即声音的频率降低）。 超声法测量原理是利用超声波对血流和血管壁运动的多普勒效应来检测收缩压，采用两个超声波传感器，一个用于发射，一个用于接收。

血压的超声测量法原理

二、超声法 在一个心周期内，随着袖带压力的增加，血管的开放和闭合的时间间隔随之减小，直到二点重合，即为收缩压 相反，当袖带压力减低时，开放和闭合的时间间隔增加，直到此时的闭合信号与下一次脉搏的开放信号相重合，即为舒张压。

二、超声法 优点是它的适用范围比较广，它既适用于成人也适用于婴儿和低血压的患者，同时可以用于噪声很强的环境中。另一优点是可以完整地再现动脉波，这时以心电图的R波作为基准点，当动脉开放时，用袖带压力与心电图R波之间的时间关系，描绘出动脉波的上升部分；相反，在动脉闭合期间能绘出动脉波的下降部分。 缺点是受试者身体的活动可以引起传感器和血管之间超声波途径的变化。

三、示波法 示波法和柯式音法都需要采用充气袖套来阻断动脉血流，但是在放气过程中不是检测柯式音，而是检测气袖内气体的振荡波，该振荡起源于血管壁的搏动。 收缩压 平均压 舒张压

三、示波法 只要在气袖放气过程中连续测量振荡波（一般呈现近似抛物线包迹），振荡波形的包络线所对应的气袖压力间接地反映了动脉血压。 柯式音法与示波法 测量时，心音与脉 搏波的时相关系对 比。

三、示波法 优点： 缺点： 与柯式音法比较，省去了脉搏音部分 不易受被测人的脉搏强的影响，因为其特征点的识别是与最大脉搏波成比例。 重复性、一致性比较好。 缺点： 易受外界振动的影响，如人为的振动袖带、气管的振动，人的身体运动等。 低压测量易受放气速度和气管的刚性度影响。

4.2 心音检测 心音：瓣膜关闭和血流撞击心室壁引起的振动所产生的声音，可在胸壁一定部位用听诊器听取。 心音可分为第一心音（S1）第二心音（S2）。（正常情况下均可听到）。第三心音(S3通常仅在儿童及青少年可听到)，第四心音（S4正常情况很少听到）。

心音 正常心音主要由第一和第二心音组成， 第一心音出现在心脏的收缩期，是心室收缩的标志。其构成主要是二尖瓣和三尖瓣的关闭。 特点：音调低，持续时间较长。心肌收缩力越强，第一心音越响。 第二心音出现在心脏的舒张期，是心室舒张开始的标志，主要是由于血流在主动脉与肺动脉内突然减速和半月瓣关闭所引起的振动。 特点：音调较高，持续时间较短。

正常心音与杂音时的瓣膜状态 正常瓣膜状态 正常心音 瓣膜异常 杂音 房室瓣关闭 第一心音 房室瓣闭锁不全 动脉瓣开放 动脉瓣狭窄 房室瓣开放 房室瓣狭窄 动脉瓣关闭 第二心音 动脉瓣闭锁不全 收缩期 收缩期杂音 舒张期 舒张期杂音

心音图机 心音图：用换能器将此机械振动转换为电信号并记录下来的图形。 记录心音图的电子仪器称为心音图机（心音检测仪）。 心音信号检测： 频率分布20~600Hz，并常伴有较强干扰。要求传感器具有高灵敏度、超轻量、高精度、高稳定性、频响宽、响应平直、动态范围大等特征。另外需滤波来消除干扰噪声。

心音图机 心音信号处理： 心脏搏动是一个动态过程，因此要获得心脏的动力学特征，就要研究心音信号频率成分随时间的变化。 典型的心音时频分析有短时傅立叶变换、自回归模型、维格纳分布、小波变换等。人们将这些方法应用于第一心音、第二心音分析、心杂音分析等。

心音检测仪的基本构成 信号 预处理 电路 A/D 转换 电路 单片机或 微型计算机 心音 传感器 新型心音检测仪的发展： 1）由传统的模拟技术转向数字技术 2）在心音信号的获取、处理、存储、分析中广泛使用计算机 3）结合人工智能技术进行计算机辅助人工分析 4）心音信号遥测技术

4.3 血流测量 血流测量的一个很重要的原因是计算心输出量。 心输出量： 心脏每分钟射出的血量，等于每搏输出量*心率 衡量心功能的重要指标 有创：费式法、电磁流量计法、染料稀释法等 无创：超声心动图、胸部电阻抗图等。

4.3.1 指示剂稀释法 在医学上用于测量血流量，进行血流灌注定量分析，也可测量呼吸流量。 基本思想：在血流的上游加进某种指示剂使之与血流混合均匀，然后在下游取样测血液中指示剂含量，据此来计算血流量。上游一般选为动脉某部位，下游选为静脉某部位。内循环心输出量测量正相反。

4.3.1 指示剂稀释法 优点：不必切开或暴露血管，只需用注射器向血管中注射，但它只能测量一定时间内的平均血流量。 对指示剂的要求：可测定的，对人体无害的，不通过血管壁扩散到血管外的，可很快从人体内消失以便重复进行测量。 常用的指示剂：染料、放射性核素（同位素）、电解质、热量等。

4.3.2 胸阻抗法——阻抗容积描记法 采用生物阻抗法进行心排血量的测量。 特点：无创伤性，可测量范围十分广泛，易实现，可长时期连续测量。 测量原理：胸阻抗法有简便的二电极系统及规范的四电极系统。通常情况下，采用四电极系统来测量心排出量。

为消除皮肤阻抗的因素，采用四条带状电极，激励电流由恒流源产生，频率为20~100kHz，电流为1~5 mA，恒流源输出阻抗远大于人体阻抗，前置放大器输入阻抗远大于人体总阻抗，从而确保阻抗测量的精确性。 根据第一和第二心音求出射血间期TS，以及测得的阻抗值，利用Kubicek公式计算出每搏心排出量。

4.3.3 心磁血流量计 电磁流量计可以测定血流的瞬时搏动流量，它比只能测量平均流量的指示剂稀释法应用更广。 优点：可用任何导电液体（如血液或生理盐水）方便的进行标定。 原理：电磁感应原理。一根处于磁场内的导管，血液的流速相应于导体的运动速度，这样就会在血液的垂直方向感应电动势E。

4.3.4 超声波流量计 用超声波测量血流可采用时差流量计和多普勒血流测量计的方法。由于时差流量计属于侵入式测量法，在医学临床应用中很少采用，但此方法广泛应用工业管道流量的测量中。 多普勒血流测量方法：非侵入式测量，操作简便，广泛应用于医学临床血流的常规测量中。 连续波多普勒血流计 脉冲多普勒血流计

连续波多普勒血流计 两个超声换能器，一个专门用于发射（连续发射）单一正弦波频率，另一个专门用于连续不断的接收反射回波

连续波多普勒血流计 优点：单一频率的滤波器选通性能较好，信号幅度大。 缺点：测得的是声路径的所有回波信息，而缺乏空间位置信息。

脉冲多普勒血流计 单一既发射又接收的换能器，它将多普勒系统与脉冲发射与回声接收分时工作系统相结合。

脉冲多普勒血流计 优点：不仅能测得血流速度，同时也能测出血管大小和被测运动目标的位置和深度，通过控制采样门的时间距离达到深度选择的目的。 缺点：在最大探测深度与最大可测流速之间存在一个相互制约关系。 可与现代扇形B超结合，实现直观的心内血流量的测量，并通过多点采样，可实现彩色多普勒血流成像。

4.4 体温测量 体温：身体内部的问题。由下丘脑体温调节中枢调节、维持产热与散热的动态平衡。 体温是由糖、脂肪、蛋白质三大营养物质氧化分解而产生的。 体温过高：又称发热，是指机体在致热源的作用下，体温调节中枢的调定点上移而引起的调节性的体温升高。

4.4.2 体温测量 1）水银体温计： 2）红外辐射式体温计： 示值准确，稳定性高，价格低廉，操作简单。 但容易破碎，测量时间比较长，对急重症患者、老人、婴幼儿等使用不方便，读数比较费时，不利于数据采集。 2）红外辐射式体温计： 借助红外温度传感器，测量人体发出的热辐射量，经过转换得到体温值。 非接触、无损伤测温 但测量结果易受影响，要求规范操作，价格贵。

4.4.2 体温测量 3）电子体温计 核心元件：温度传感器，分为分立式温度传感器（如热敏电阻和热电偶等）和集成式温度传感器。 电子体温计由温度传感器检测体温，经转换、放大，调整为易于处理的电信号，最后由单片机控制，并根据需要执行相应的扩展功能。 优缺点：直接以数字显示温度，读数直观，灵敏度高，价格适中，测温快捷，但显示值准确度受电子元件及电池供电情况等因素的影响。

4.5 呼吸测量 肺功能测量的物理参数： 肺活量：呼吸气体体积的大小，反映呼吸能力。 呼吸流速（流量）：单位时间内呼吸气体体积的大小，反映气管内的通畅性。 呼吸压力：呼吸所需的驱动力，反映呼吸阻力和胸肺的顺应性。 气体成分：呼吸过程中的气体含量分析，如CO2、CO、O2等。

4.5 呼吸测量 肺功能的测量仪器主要由肺量计、气体分析仪及压力计组成，可对肺功能大多数指标做出测定。 1）肺量计：用于测定肺的气体容量或流量的仪器。分为水封式、干式滚筒式和电子式肺量计。

4.5 呼吸测量 2）气体分析仪 主要用作测定气体成分（定性）和气体浓度或压力（定量） 用于肺弥散功能、运动心肺功能、心排出量、氧耗量、二氧化碳产生量等肺功能测定。 常用的气体分析仪：物理气体分析仪、电子分析仪、电化学分析仪、质谱仪、气相色谱仪、红外线气体分析仪。

4.5 呼吸测量 热敏式呼吸检测原理 鼻孔气流周期性的流过热敏电阻时，热敏电阻值也周期性的改变，得到周期性改变的电压信号，从而得到呼吸率。 如果将热敏电阻丝置于呼吸通道内，呼吸通道的直径已知，则可测量出呼吸流量、潮气量等。

4.5 呼吸测量 阻抗法呼吸测量原理 人体呼吸运动时，胸壁肌肉交变弛张，胸廓也交替变形，伴随呼吸肌的舒缩使胸阻抗也产生相应的交替变化，呼吸阻抗（肺阻抗）与肺容量成正比关系，由此设计出阻抗式呼吸测量。 在监护测量中利用心电电极同时检测心电信号和呼吸阻抗，因而这种阻抗法检测混有心电信号，要增加抗心电干扰滤波器来消除呼吸信号中的心电信号。

4.6 血氧饱和度测量 血氧饱和度：血液中氧含量占氧容量的百分比。 血氧饱和度测量的用途： 手术中麻醉和手术后监测 高山运动缺氧监测 有害气体中毒后的监测 新生儿和早产儿的监测 呼吸道疾病的监测 重症患者的监测等。

4.6 血氧饱和度测量 动脉血采样：需要动脉穿刺或插管，不能连续监测和及时抢救。 无创测量：采用脉搏血氧的测量方法，将传感器直接置于体表动脉处（手指、耳垂、脚趾等），连续测量动脉血氧饱和度。

本章小结 非电生理参数测量 血压测量 心音检测 血流测量 体温测量 呼吸测量 血氧饱和度测量