現(xiàn)代信號處理技術(shù)在監(jiān)護(hù)儀器中應(yīng)用

現(xiàn)代信號處理技術(shù)

在監(jiān)護(hù)儀器中的應(yīng)用主講：邱力軍

Telmail：qiulij@QQ：1119876290監(jiān)護(hù)儀器……2/7/20231Nightingale倡導(dǎo)的集中護(hù)理和觀察危重病人的理念，伴隨著基本生理參數(shù)測量技術(shù)的發(fā)展，奠定了現(xiàn)代監(jiān)護(hù)的雛形。30~40％12~15％

1854年克里米戰(zhàn)爭期間監(jiān)護(hù)（Monitoring

）傷員死亡率2/7/20232監(jiān)護(hù)的意義臨床上需要長時(shí)間持續(xù)檢測病人的生理信號實(shí)踐證明監(jiān)護(hù)可使疾病的診斷和治療水平有一個(gè)飛躍監(jiān)護(hù)仔細(xì)看，不?？纯醋o(hù)，保護(hù)1.危重病人，發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情及時(shí)報(bào)警2.某些癥狀出現(xiàn)時(shí)間短暫，需長時(shí)間檢測才能記錄2/7/20233參數(shù)少：體溫、血壓、呼吸、脈搏等時(shí)間短：間隔一定時(shí)間手動測量效率低：手動記錄和分析....工程和物理測量方法為主宏觀、大體水平監(jiān)測監(jiān)護(hù)的發(fā)展人工完成監(jiān)護(hù)儀器傳感器電子技術(shù)計(jì)算機(jī)

醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀器是一種用以長時(shí)間連續(xù)監(jiān)測病人生理參數(shù)、并且能夠?qū)ΡO(jiān)測結(jié)果進(jìn)行存儲、顯示和分析，可與已知設(shè)定值進(jìn)行比較，如果出現(xiàn)超差可發(fā)出報(bào)警的裝置和系統(tǒng)。監(jiān)護(hù)儀（Monitor）

參數(shù)多：從體溫、ECG到生化指標(biāo)一應(yīng)俱全。水平高：自動化程度高、技術(shù)含量高，具有自動記錄、報(bào)警和分析功能。時(shí)間長：全天候、持續(xù)多天連續(xù)監(jiān)測。從先前的物理測量手段

醫(yī)學(xué)電子檢測技術(shù)為主監(jiān)護(hù)儀的特點(diǎn)實(shí)時(shí)性準(zhǔn)確性功能多對監(jiān)護(hù)儀的性能要求比對一般診斷儀器的要高（1）性能良好、固定可靠的換能器電極所用材料和固定方法；無損檢測血壓的換能器及測量方法。（2）更強(qiáng)的抑制噪聲和抗干擾的能力抗高頻干擾；新的信號處理方法。（3）具有自動診斷的能力模式識別；判據(jù)、判別方法。監(jiān)護(hù)儀的特點(diǎn)2/7/20237監(jiān)護(hù)儀（Monitor）

種類繁多功能各異檢測參數(shù)大同小異原理方法非常類似2/7/20238心電ECG1、檢測原理3、影響檢測精度的因素與常規(guī)心電圖機(jī)的檢測原理相同電極因素2、檢測方法檢測電極心電檢測電路后處理一般能監(jiān)護(hù)3~6個(gè)導(dǎo)聯(lián)，標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)及加壓導(dǎo)聯(lián)導(dǎo)聯(lián)選擇干擾信號同時(shí)顯示1~2個(gè)或多個(gè)導(dǎo)聯(lián)的波形2/7/20239與常規(guī)心電檢測比較（1）電極放置位置的差異（2）心電檢測模塊設(shè)計(jì)的差異心電圖儀：監(jiān)護(hù)儀：肢體導(dǎo)聯(lián)，放置在手腕和腳腕處放置在胸腹部位采樣精度的差異：頻帶范圍的差異：心電圖儀：監(jiān)護(hù)儀：精度高精度低心電圖儀：監(jiān)護(hù)儀：頻率范圍寬頻率范圍窄2/7/202310心電圖機(jī)和心電監(jiān)護(hù)的區(qū)別儀器類別通頻帶時(shí)間常數(shù)測量目的放大器性能要求心電圖機(jī)0.05~80Hz≥3.2S心電的細(xì)微結(jié)構(gòu)(短時(shí)間)高心電監(jiān)護(hù)1~25Hz≥0.3S心率(長時(shí)間)低心電監(jiān)護(hù)功能

≠

替代常規(guī)心電圖機(jī)2/7/202311心率平均心率心率檢測多數(shù)用心電波形中的R波測定瞬時(shí)心率F=N/T(次/min)F=1/T(次/s)R波測定是心率檢測的關(guān)鍵，通常的方法如下：1）對心電信號先微分處理；2）設(shè)定閾值，進(jìn)行識別。也可以從主動脈波、指脈波或心音信號來計(jì)算心率。

1、檢測原理2、檢測方法心臟每分鐘搏動的次數(shù)2/7/202312心率檢測心電檢出波形中，一般R波幅值高、變化快，所以R波的識別是心率測量的關(guān)鍵。為檢出R波，通常是對心電信號先行微分，以除去低頻噪聲和基線漂移，同時(shí)對低頻的T波和P波進(jìn)行衰減，快變的R波進(jìn)一步突出，降低了T波引起的雙計(jì)數(shù)誤差。對心電信號h(t)進(jìn)行微分得：當(dāng)微分值大于設(shè)定閾值，則可確定該時(shí)刻的心電波為R波。R波的識別方法有哪些？2/7/202313一般采用中心頻率在10～25Hz之間帶寬為5～10Hz的帶通濾波器，用于減除ECG信號中的非QRS波頻率成分，提高信噪比。ECG的QRS復(fù)合波進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測，對離線ECG分析、Holter磁帶記錄分析以及心臟病人實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)十分重要。ECG的QRS復(fù)合波的檢測經(jīng)典的QRS波檢測方法包括：⑴線性濾波：⑵非線性變換：非線性變換的目的是將每個(gè)QRS波信號變換為單向正波峰。⑶決策規(guī)則：一般用峰值檢測器或自適應(yīng)閾值檢測器來檢測QRS波。2/7/202314微分法構(gòu)成了許多QRS復(fù)合波檢測方法的基礎(chǔ)。具有高通濾波器的特性，增強(qiáng)較高頻率特征的QRS復(fù)合波，削弱較低頻率成分的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)的之和對應(yīng)于每一個(gè)QRS復(fù)合波的方波脈沖輸出微分法的信號處理過程2/7/202315判別yd(nT)是否達(dá)到或超過給定的閾值，即

yd(iT)≥1.0yd(iT)中有一數(shù)據(jù)點(diǎn)滿足此條件，后8個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)就同這個(gè)閾值相比較。微分法如果這8個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)中有6個(gè)或更多點(diǎn)等于或超過此閾值，那么這一段就可能是QRS復(fù)合波的部分。

算法的優(yōu)點(diǎn)：它能產(chǎn)生一個(gè)寬度與QRS復(fù)合波成比例的脈沖。

算法的缺點(diǎn)：是對高頻噪聲特別敏感。2/7/202316因此，人們一直致力于采用新的信號處理方法來分析QRS波，常用的有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和小波變換算法。由于心電信號是非平穩(wěn)隨機(jī)信號，利用經(jīng)典的QRS波檢測算法往往受到以下兩個(gè)因素的制約：ECG的QRS復(fù)合波的檢測⑴QRS復(fù)合波的信號帶寬對于不同的病人乃至同一病人的不同心搏均有所不同。⑵各種噪聲與QRS波的通帶相互交疊。2/7/202317實(shí)時(shí)采集的心電信號x(n)如下：基于小波變換的QRS波形檢測①實(shí)時(shí)采集的心電信號x(n)通過上限截止頻率25Hz的三階巴特沃茲低通濾波器，濾除高頻干擾，得y1(n)；②采用高斯函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)導(dǎo)出的小波，對y1(n)進(jìn)行尺度S=22的小波變換，突出信號特征點(diǎn)，消除基線漂移，得y2(n)；2/7/202318③對y2(n)計(jì)算差分，取絕對值，并進(jìn)行三點(diǎn)平滑，得y3(n)；基于小波變換的QRS波形檢測④對y3(n)再計(jì)算差分，取絕對值、平滑，得y4(n)；⑤對y3(n)與y4(n)逐點(diǎn)求和，再平滑，得y5(n)；2/7/202319⑥進(jìn)行閾值檢測：取連續(xù)前3秒內(nèi)的待檢測信號y5(n)的振幅P（可自適應(yīng)調(diào)整)，設(shè)檢測閾值d1=0.25P，d2=0.15P，對超過d1的信號再降低閾值以d2作雙向檢測，大于d2則賦值為1，得QRS模板信號y6(n)，并記錄每個(gè)模板區(qū)內(nèi)y5(n)的峰值時(shí)刻和峰值；⑦修正策略：對連續(xù)兩個(gè)模板縫隙在0.09秒內(nèi)的模板進(jìn)行合并，對連續(xù)兩個(gè)模板峰值時(shí)刻<0.22秒的模板進(jìn)行誤差判斷，峰值低者認(rèn)為是誤差?；谛〔ㄗ儞Q的QRS波形檢測2/7/2023202/7/202321——統(tǒng)計(jì)學(xué)分析(時(shí)域分析法)、譜分析和傳遞函數(shù)分析(頻域分析法)?！狿oincare映射圖、分?jǐn)?shù)維法、復(fù)雜度分析和非線性動力學(xué)分析。心率變異性分析

心率變異性（heartratevariablity,HRV）是指逐次心動周期之間的微小時(shí)間變異數(shù)。HRV一般用R-R間期來描述，也可以用瞬時(shí)心率來描述。心率檢測出后的作用？HRV分析就是通過對心率微小漲落的變換和處理以獲取心血管系統(tǒng)、自主神經(jīng)系統(tǒng)等有關(guān)信息的信號分析過程，對于大多數(shù)心血管疾病及其他相關(guān)疾病的早期診斷、治療及預(yù)后評價(jià)具有重要意義。心率變異性常見分析方法：線性分析法非線性分析法2/7/202322有創(chuàng)血壓檢測有創(chuàng)血壓測量臨床常見方法：1）導(dǎo)管刺入，測量點(diǎn)接近刺入點(diǎn)，體外傳感器檢測；2）導(dǎo)管插入，測量點(diǎn)遠(yuǎn)離刺入點(diǎn)，體外傳感器檢測；3）傳感器在導(dǎo)管端口，測接觸點(diǎn)壓力；4）傳感器植入血管或心臟。1、檢測原理2、檢測方法連通器，液體傳遞壓力在ICU中，中心靜脈壓、左房壓、心輸出量和心臟漂浮導(dǎo)管等監(jiān)護(hù)都用有創(chuàng)血壓測量。

2/7/202323影響因素有創(chuàng)血壓測量注意事項(xiàng)1、標(biāo)定儀器2、壓力傳感器和心臟保持同一水平3、防止血管中的血凝1、壓力傳感器、病人導(dǎo)管連接不正確2、測量位置因素3、病人和壓力傳感器的位置多用于ICU病房，危重病人或開胸手術(shù)病人的監(jiān)護(hù)。操作復(fù)雜、有一定痛苦、精度高。2/7/202324無創(chuàng)血壓檢測1、電子柯氏音檢測法2、振動法檢測原理：人工柯氏音法的電子化組成：充氣系統(tǒng)、袖帶、柯氏音傳感器、音頻放大器、增益調(diào)節(jié)電路、AD轉(zhuǎn)換器、微處理器、顯示部分檢測原理：脈搏振動幅度判定血壓組成：氣動控制部分、壓力傳感器、放大濾波電路、多路模數(shù)轉(zhuǎn)換、單片機(jī)微處理器大多數(shù)監(jiān)護(hù)儀采用的方法2/7/202325影響無創(chuàng)血壓測量的因素測量的局限性1）病人活動2）心律不齊3）血壓變化4）嚴(yán)重休克5）肥胖病人6）心率太高或太低7）心肺機(jī)8）導(dǎo)管的移動

袖帶尺寸袖帶放置位置人為因素采用這種方法病人舒適，醫(yī)護(hù)人員使用也方便，但不能提供連續(xù)的血壓值。2/7/202326血氧飽和度（SpO2）用以表示血液中血氧的濃度，它是被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白（oxygenatedhemoglobin,HbO2）的容量占全部血紅蛋白（hemoglobin,Hb）的容量的百分比，即式中，HbR稱為脫氧的或還原的血紅蛋白（redu-cedordeoxyenatedhemoglobin,HbR）。Hb主要由HbO2與HbR兩部分組成。血氧飽和度血氧飽和度：氧合血紅蛋白（HbO2）占全血紅蛋白的百分比正常血液中血紅蛋白（Hb）還包括：碳氧血紅蛋白(COHb)、高鐵血紅蛋白(MetHb)，其中HbR與氧作可逆性結(jié)合，而COHb和MetHb不與氧結(jié)合。2/7/202327

無創(chuàng)測量：利用分光光度測定原理(光電容積法)

。由于血液中不同成份對同一種光線的吸收率各不相同，通過測量穿過血液中不同光線的衰減程度，可換算出血液中不同成份的含量。測量方法電化學(xué)法有創(chuàng)測量：對血液抽樣后進(jìn)行血?dú)夥治?。光學(xué)法透射法反射法

2/7/202328根據(jù)郎伯-比爾定律，當(dāng)一束光照射到某種物質(zhì)的溶液上時(shí)，物質(zhì)對光有一定的吸收衰減，透射光強(qiáng)I

與入射光強(qiáng)I0之間有以下關(guān)系：

I=I0e-cd式中，為物質(zhì)的吸光系數(shù)，c為溶液的濃度，d為光穿過的路徑。

ln（I0/I）=cd=D（吸光度）若保持光的路徑不變，吸光度便與物質(zhì)的吸光系數(shù)和溶液的濃度成正比。測量方法2/7/202329通常采用紅光和近紅外光照射血液中氧合血紅蛋白（HbO2）和還原血紅蛋白（HbR）對不同波長的光的吸收系數(shù)不同。λ2=805nmλ1=650nm測量方法2/7/202330透射法檢測方式：夾在手指、腳趾或耳垂。采用兩個(gè)波長的紅光和紅外發(fā)光器件依時(shí)序發(fā)紅光——不發(fā)光——紅外光——不發(fā)光，交替工作。2/7/202331血氧飽和度測量原理框圖透射法2/7/202332不發(fā)光背景光干擾信號電流發(fā)紅光和紅外光透射光+背景光干擾信號電流信號分離紅光紅外光直流分量脈動分量R=(IAC/IDC)R/(IAC/IDC)IR

SpO2=AR+BA、B為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)透射法光敏二極管檢測到2/7/202333反射法透射法的局限（位置、深度），提出反射法。反射式傳感器示意圖注意：光線、位置等都會影響測量精度。2/7/202334

呼吸監(jiān)護(hù)指監(jiān)護(hù)病人的呼吸頻率，即呼吸率。呼吸頻率是病人在單位時(shí)間內(nèi)呼吸的次數(shù)，單位是次/分。

平靜呼吸時(shí)，新生兒60~70次/min，成人12~18次/min。

呼吸頻率的測量方法有：

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熱敏式呼吸測量

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阻抗式呼吸測量呼吸2/7/202335用熱敏電阻放在鼻孔處，當(dāng)鼻孔中氣流通過熱敏電阻時(shí)，熱敏電阻受到流動氣流的熱交換，電阻值發(fā)生改變。熱敏式呼吸測量2/7/202336

對于換熱表面積為A，溫度為T的熱敏電阻，當(dāng)感受到鼻孔內(nèi)溫度為Tf的呼吸氣流的流動，熱敏電阻上的對流換熱量為

是對流換熱系數(shù)，它受呼吸流速、粘性等多種因素的影響。Tf與人體溫度接近，且恒溫。若呼吸流速大，熱交換Q就大，因此，熱敏電阻溫度T變化也較大。熱敏式呼吸測量熱敏電阻具有負(fù)阻特性。即R0是溫度T0時(shí)的電阻值，是常數(shù)。T越高，RT就越小。2/7/202337

當(dāng)鼻孔氣流周期性地流過熱敏電阻時(shí)，熱敏電阻值也周期性地改變。根據(jù)這個(gè)原理，將熱敏電阻接在惠斯通電橋的一個(gè)橋臂上，就可以得到周期性變化的電壓信號，電壓周期就是呼吸周期，因此，經(jīng)過放大處理后可以得到呼吸率。熱敏式呼吸測量2/7/202338

人體呼吸運(yùn)動時(shí)，胸壁肌肉交變弛張，胸廓也交替變形，肌體組織的電阻抗也交替變化，變化量約為0.1Ω~3Ω，稱為呼吸阻抗（肺阻抗）。

可見，呼吸阻抗與肺容量存在一定的關(guān)系，即肺阻抗隨肺容量的增大而增大。因此，根據(jù)肺阻抗這一變化特征來實(shí)現(xiàn)阻抗式呼吸測量。阻抗式呼吸測量電極放置位置2/7/202339

根據(jù)這個(gè)原理，將兩測量電極（L、R或L、RF

）之間的阻抗作為待測阻抗Zx，接在惠斯通電橋的一個(gè)橋臂上，就可以得到周期性變化的電壓信號，電壓周期就是呼吸周期。注意：電橋要采用高頻電源供電，以免引起心臟的刺激作用。

阻抗式呼吸測量阻抗式呼吸測量2/7/202340體溫監(jiān)護(hù)測量方法采用熱敏電阻作為溫度傳感器。熱敏電阻作為惠斯通電橋的一個(gè)橋臂，通過測量電橋的不平衡輸出測量溫度。監(jiān)護(hù)體溫：體腔內(nèi)溫度，體表溫度體溫反應(yīng)了機(jī)體新陳代謝的結(jié)果，是機(jī)體進(jìn)行正常功能活動的條件之一。身體內(nèi)部的溫度稱“體核溫度”（bodycoretemperature）。統(tǒng)計(jì)表明，口腔溫36.7～37.7C，腋下溫36.9~37.4C，直腸溫36.9～37.9C。

2/7/202341呼吸末二氧化碳監(jiān)護(hù)呼吸末二氧化碳（PetCO2）是麻醉患者和呼吸代謝系統(tǒng)疾病患者的重要檢測指標(biāo)。監(jiān)測呼氣末二氧化碳濃度，不僅可監(jiān)測通氣而且能反映肺血流，具有無創(chuàng)及連續(xù)監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)，從而減少血?dú)夥治龅拇螖?shù)。

CO2測量主要采用紅外吸收法，即不同濃度的CO2對特定紅外光的吸收程度不同。因CO2能吸收4.3μm紅外線，用紅外線透照測試氣樣后，光電換能元件能探測到紅外線的衰減程度，所獲取信號與參比氣信號比較，就能得到CO2濃