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多参数监护仪的基本原理

监护仪功能各异, 其具体工作原理也不同,但一般都是通过传感器感应各种生理变化,然后放大器会把信息强化,再转换成电信息,这时数据分析软件就会对数据进行计算,分析和编辑,未尾在显示屏中的各个功能模块显示出来,或根据需要记录,打印下来,当监测的数据超出设定的指标时,就会激发警报系统,发出信号引起医护人员的注意。

硬件构成

测量服务器(包括生理感受器(即传感器),信号放大器,数据模拟处理,数据分析处理,数据输出接口等。)

数据分析及记录和警报系统 

1  监护仪的基本结构

    1.1  监护仪的物理结构

    监护仪是由各种传感器的物理模块和内置计算机系统构成的。各种生理信号由传感器转换成电信号,经前置放大处理后送人计算机进行结果的显示,存储和管理。按其物理结构大致可划分为三种。

    1.1.1  单参数监护仪:如血压监护仪、血氧饱和度监护仪、心电监护仪等。

    1.1.2  多功能、多参数综合监护仪:可同时监护心电、呼吸、体温、血压、血氧等参数。

    1.1.3  插件式组合监护仪:它是由各个方面分立可拆卸的生理参数模块和一台监护仪主机构成,用户可按照自己的要求选购不同的插件模块组成一个适合自己特殊要求的监护仪。

    1.2  监护仪中的显示技术

    包括:数码管,主要用于单参数监护;CRT显示器;LCD显示器;EL显示器;真彩色TFT显示器;目前多功能监护仪所采用的主要是TFT等离子显示器,显示模式一般为VGA模式,分辨率为640×480像素

 2  多参数监护仪

    2.1  心电ECG的监护

    心肌中的可兴奋细胞的电化学活动会使心肌发生电激动,进而使心脏发生机械性收缩。心脏的这种激动过程所产生的闭合动作电流,在人体容积导体内流动,并传播到全身各个部位,从而使人体不同表面部位产生了电位差变化。心电图ECG就是把体表变动着的电位差实时记录下来。

    导联的概念是指人体两个或两个以上体表部位之间的电位差随心动周期变化的波形图。

    目前,临床上所使用的标准心电图机在测量ECG时,其肢体电极是安放在手腕和脚腕处,而作为心电监护中的电极则等效地安放在病人的胸腹区域。虽然安放位置不同,但它们是等效的,其定义也是相同的。因此,监护仪中的心电导联与心电图机中的导联是对应的,它们具有相同极性和波形。

    监护仪一般都能监护36个导联,可同时显示其中一个或两个导联的波形,并可直接显示心率,功能强大的监护仪可监护12导联ECG;可对波形做进一步分析,提取出ST段波形和心率失常事件。

    监护仪ECG并不能完全替代标准心电图机,因为目前的多参数监护的ECG波形一般不能提供ECG波形更细微的波形图,细微结构诊断能力还不很强,这主要是由于两者的目的不同,监护的目的主要是长时间、实时地监测病人的心率情况,而心电图机的结果是在特定条件下,短时间的结果。前者的测量条件是十分恶劣的,而后者在测量时有较好的条件。所以两种仪器的测量电路中放大器的通带度不一样,心电图机至少要求0.05Hz~80Hz,而监护仪一般在1Hz~25Hz

    心电信号是一种很微弱的电信号,很容易受到外界的干扰。监护仪的生产厂家在产品设计时,充分考虑并采取了一些抗干扰措施,但有些干扰仍旧不可克服。

    2.1.1  肌电干扰。粘贴在心电极片下的肌肉收缩时,产生肌电信号对心电信号产生干扰,因为这类干扰和ECG信号的频谱带宽相同。

    2.1.2  运动干扰。病人的活动会引起ECG信号的变化,影响程度要视活动的幅度和频率,如在心电放大器带宽内,仪器很难克服。

    2.1.3  电极接触干扰。从人体到ECG放大器的通路上任何干扰都会造成强烈的噪声,可能会使ECG波形变的模糊不清,主要原因是电极与病人的皮肤接触不良。仪器应有良好接地,这样可抗干扰又能保护病人和操作者的安全。 

    2.1.4  高频电刀的干扰。当手术中使用高频电刀或电凝时,加在病人身体上的电能量所产生的电信号幅值远远大于心电信号,频率成分十分丰富,使心电放大器到达饱和无法观察正常的ECG波形。在监护仪标准中的抗高频电刀干扰部分中要求,高频电刀撤消后5s内,监护仪恢复正常状态。

    2.2  无创血压NIBP监护

    监护仪在测量血压时一般分手动和自动测量,可以根据需要设定。血压就是指血液对血管壁的压力,心脏每一次收缩与舒张过程中,血流对血管的压力也随之变化,而且动脉血管与静脉血管内的压力也不相同,不同部位的血管压力也不同。临床上以人体上臂与心脏同高度处的动脉血管内对应心脏收缩期和舒张期的压力值表征人体血压,分别称为收缩压高压和舒张压低压。人体的动脉血压是一个易变化的生理参数,与人的心理状态、情绪状态、运动的姿态和体位有很大关系。

    振动法是测量血压的方法。它的原理是利用袖带充气到一定压力时完全压迫动脉血管并阻断动脉血流,然后随着袖带压力减小,动脉血管将出现:完全阻闭-渐开-全放开的变化过程。在全过程中,动脉血管壁的搏动将在袖带内的气体中产生气体振荡,这种振荡与动脉收缩压、舒张压和平均压存在确定的对应关系。因此通过测量、记录和分析放气过程中袖带内的压力振动波即可获得被测部位的收缩压、平均压和舒张压。

    振动法消除了人为因素,其测量更具客观性和可复性,如果保证测量条件,也有很高的一致性。

    振荡法的前提是要找到规则的动脉压力脉动。如果测量的条件使这种检波方式发生困难的情况下,测量值就可能变得不可靠,测量时间也会增加,甚至测量不出来。如:在测量中,由于病人的运动或外界干扰影响袖带内的压力变化时,仪器将无法测到规则的动脉波动,因此就可能导致测量失败。

    现在,有些监护仪已采用了抗干扰措施,如采用阶梯放气法,由软件来自动判断干扰与正常的动脉脉动波,从而在一定程度上具有抗干扰能力,但是若干扰太严重或持续时间太长,这种抗干扰措施也无能为力。

    所以,在无创血压监护过程中,应尽量保证有良好条件,同时注意袖带尺寸的选择,放置的部位和捆绑的松紧度。

    2.3  动脉血氧饱和度Sp02监护

    氧是人生存的第一生存条件,血液中的有效氧分子是通过与血红蛋白Hb结合形成氧合血红蛋白Hb02而被输送到全身各组织中。

用来表征血液中氧合血红蛋白比例的数值称为氧饱和度。定义式为:HbO2/HbO2+Hb

血氧饱和度探头类似于右图所示 使用时探头夹在手指上。测量是根据血液中血红蛋白和氧合血红蛋白对光的吸收特性不同,通过采用两种不同波长的红光660nm和红外光940nm分别透过组织后再由光电接收器转换成电信号上壁固定了两个并列放置的发光二极管LED,发出波长为660nm的红光和940nm的红外光。下壁有一个光电检测器,将透射过手指动脉血管的红光和红外光转换成电信号,它所检测到的光电信号越弱,表示光信号穿透探头部位时,被那里的组织,骨头和血液等吸收掉的越多。而皮肤、肌肉、脂肪、静脉血,色素和骨头等对这两种光的吸收系数是恒定的,因此它们只对光电信号中的直流分量大小发生影响。但是血液中的HbO2Hb浓度随着血液的脉动作周期性改变,因此它们对光的吸收也在脉动地变化,由此引出光电检测器输出的信号强度随血液中的HbO2Hb浓度比脉动地改变,即可得出SPO2值。

光电信号的脉动规律是和心脏的搏动一致,因此检测出信号的重复周期,还能确定出脉率。

该方法能测量动脉血中的血氧饱和度,测量的必要条件是要有脉动的动脉血流,临床上采用有动脉血流而且组织厚度较薄的位置安放传感器,如手指、脚趾、耳垂等部位。

测量中会受到限制测量的原因:如被测部位出现剧烈运动时,将会影响规则脉动信号的提取,而无法进行测量,病人的末梢循环严重不畅时,会导致被测部位的动脉血流减小,将使测量不准或无法测量;严重失血病人,测量部位体温较低时,外界强光照射到探头上,可能会使光电接收器的工作偏离正常范围,导致测量不准确,应尽量避免强光对探头的照射。

2.4  呼吸Resp监护

多参数监护仪中呼吸测量大多是采用胸阻抗法。人在呼吸过程中的胸廓运动会造**体体电阻的变化,变化量约为0.1Ω,称为呼吸阻抗。监护仪一般是通过ECG导联的两上电极,用10kHz100kHz的载频正弦波恒流向人体注入0.5mA5mA的安全电流,从而在相同的电极上拾取呼吸阻抗变化的电信号,这种呼吸阻抗的变化图就描述了呼吸的动态波形,并可提取呼吸频率参数。胸廓的运动、身体的非呼吸运动都会造成人体电阻的变化。当这种变化频率与呼吸通道的放大器的频带同宽时,监护仪就很难判断哪是正常的呼吸信号,哪是干扰信号。当病人出现严重持续身体活动时,呼吸率的测量就会不准。

2.5  体温Temp监护

多参数监护仪体温的测量一般多采用负温度系数的热敏电阻作为温度传感器,根据热敏电阻的阻值随温度变化而变化的特性而获得的。监护仪一般提供单道体温,高档监护仪可提供双道体温。体温探头有体表探头和腔内探头两种。

在给病人测量体温时,被测部位与探头存在一个热平衡。开始安放时,由于传感器还没有完全与人体温度达到热平衡,此时显示的温度不准确,必须经过一段时间(3min5min)达到热平衡之后,才能真正反映实际温度。

在进行体表温度测量时,注意保持传感器与病人体表接触良好,如不粘贴牢或病人活动使传感器与皮肤之间有间隙,则可能造成测量值偏低。

2.6  呼吸末二氧化碳PetC02监护

呼吸末二氧化碳是麻醉患者和呼吸代谢系统疾病患者的重要监护指标。C02的主要测量方法是红外吸收法,主要是根据不同浓度的C02对特定红外线光的吸收程序不同。C02监护主要有主流式(main-stream)和旁流式(side-stream)两种。主流式是直接将气体探头放置在病人呼吸气路导管中,直接对呼吸气体中的C02进行浓度转换,后将电信号送人监护仪中进行分析处理,得到PetC02参数。旁流式的光学传感器是置于监护仪器内,由气体采样管实时抽取病人呼吸气体进入监护仪中进行浓度分析。

直流式C02监护时,应注意的问题:因C02传感器是一种光学器件,在使用中应注意避免病人分泌物等对传感器的严重污染。

旁流式C02监护仪一般带有气水分离器,可将呼吸气体中的水分去掉。注意经常检查气水分离器是否有效工作,否则气体中的水分会影响测量的准确度。