现代信号处理技术在监护仪器中的应用课件

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,现代信号处理技术,在监护仪器中的应用,主讲：邱力军,Tel：13572103485,Email：,QQ：1119876290,监护仪器,12/4/2024,1,现代信号处理技术在监护仪器中的应用主讲：邱力军监护仪器,Nightingale倡导的集中护理和观察危重病人的理念，伴随着基本生理参数测量技术的发展，奠定了现代监护的雏形。,3040,1215,1854年克里米战争期间,监护（,Monitoring,）,伤员死亡率,12/4/2024,2,Nightingale倡导的集中护理和观察危重病人的理念，伴,监护的意义,临床上需要长时间持续检测病人的生理信号,实践证明监护可使疾病的诊断和治疗水平有一个飞跃,监,护,仔细看，不停看,看护，保护,1.危重病人，发现险情及时报警,2.某些症状出现时间短暂，需长时间检测才能记录,12/4/2024,3,监护的意义临床上需要长时间持续检测病人的生理信号实践证明监护,参数少：,体温、血压、呼吸、脉搏等,时间短：,间隔一定时间手动测量,效率低：,手动记录和分析,.,工程和物理测量方法为主,宏观、大体水平监测,监护的发展,人工完成,监护仪器,传感器 电子技术 计算机,参数少：体温、血压、呼吸、脉搏等.工程和物理测量,医用监护仪器是一种用以,长时间,连续监测病人生理参数、,并且能够对,监,测结果进行存储、显示和分析,，可与已知设定值进行比较，如果出现超差可发出报警的,装置,和,系统,。,监护仪（Monitor）,医用监护仪器是一种用以长时间连续监测病人生理参数、,参数多：,从体温、ECG到生化指标一应俱全。,水平高：,自动化程度高、技术含量高，具有自动记录、报警和分析功能。,时间长：,全天候、持续多天连续监测。,从先前的物理测量手段,医学电子检测技术为主,监护仪的特点,实时性,准确性,功能多,参数多：从体温、ECG到生化指标一应俱全。从先前的物理测量,对监护仪的性能要求比对一般诊断仪器的要高,（1）性能良好、固定可靠的换能器,电极所用材料和固定方法；无损检测血压的换能器及测量方法。,（2）更强的抑制噪声和抗干扰的能力,抗高频干扰；新的信号处理方法。,（3）具有自动诊断的能力,模式识别；判据、判别方法。,监护仪的特点,12/4/2024,7,对监护仪的性能要求比对一般诊断仪器的要高（1）性能良好、固定,监护仪（Monitor）,种类繁多,功能各异,检测参数大同小异,原理方法非常类似,12/4/2024,8,监护仪（Monitor）种类繁多检测参数大同小异8/7/2,心电,ECG,1、检测原理,3、影响检测精度的因素,与常规心电图机的检测原理相同,电极因素,2、检测方法,检测电极,心电检测电路,后处理,一般能监护36个导联，标准导联及加压导联,导联选择,干扰信号,同时显示12个或多个导联的波形,12/4/2024,9,心电 ECG 1、检测原理3、影响检测精度的因素与常规心电图,与常规心电检测比较,（1）电极放置位置的差异,（2）心电检测模块设计的差异,心电图仪：,监护仪：,肢体导联，放置在手腕和脚腕处,放置在胸腹部位,采样精度的差异：,频带范围的差异：,心电图仪：,监护仪：,精度高,精度低,心电图仪：,监护仪：,频率范围宽,频率范围窄,12/4/2024,10,与常规心电检测比较（1）电极放置位置的差异（2）心电检测模块,心电图机和心电监护的区别,仪器,类别,通频带,时间,常数,测量,目的,放大器性能要求,心电,图机,0.05,80Hz,3.2S,心电的细微结构(短时间),高,心电,监护,1,25Hz,0.3S,心率(长时间),低,心电监护功能,替代常规心电图机,12/4/2024,11,心电图机和心电监护的区别仪器通频带时间测量放大器性能要求心电,心率,平均心率,心率检测多数用心电波形中的R波测定,瞬时心率,F=N/T (次/min),F=1/T (次/s),R波测定是心率检测的关键，通常的方法如下：,1）对心电信号先微分处理；,2）设定阈值，进行识别。,也可以从主动脉波、指脉波或心音信号来计算心率。,1、检测原理,2、检测方法,心脏每分钟搏动的次数,12/4/2024,12,心率平均心率心率检测多数用心电波形中的R波测定瞬时心率F=N,心率检测,心电检出波形中，一般R波幅值高、变化快，所以R波的识别是心率测量的关键。,为检出R波，通常是对心电信号先行微分，以除去低频噪声和基线漂移，同时对低频的T波和P波进行衰减，快变的R波进一步突出，降低了T波引起的双计数误差。对心电信号,h,(t),进行微分得：,当微分值大于设定阈值，则可确定该时刻的心电波为R波。,R,波的识别方法有哪些？,12/4/2024,13,心率检测 心电检出波形中，一般R波幅值高、变化快，所以R,一般采用中心频率在1025Hz之间带宽为510Hz的带通滤波器，用于减除ECG信号中的非QRS波频率成分，提高信噪比。,ECG的QRS复合波进行准确的检测，对离线ECG分析、Holter磁带记录分析以及心脏病人实时监护十分重要。,ECG的QRS复合波的检测,经典的,QRS,波检测方法包括：,线性滤波：,非线性变换：,非线性变换的目的是将每个QRS波信号变换为单向正波峰。,决策规则：,一般用峰值检测器或自适应阈值检测器来检测QRS波。,12/4/2024,14,一般采用中心频率在1025,微分法构成了许多QRS复合,波,检测方法的基础,。具有高通滤波器的特性，增强较高频率特征的QRS复合波，削弱较低频率成分的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,对应于每一个,QRS,复合波的方波脉冲输出,微分法的信号处理过程,12/4/2024,15,微分法构成了许多QRS复合波检测方法的基础。具有高通,判别,y,d,(nT)是否达到或超过给定的阈值，即,y,d,(iT)1.0,y,d,(iT)中有一数据点满足此条件，后8个数据点就同这个阈值相比较。,微分法,如果这8个数据点中有6个或更多点等于或超过此阈值，那么这一段就可能是QRS复合波的部分。,算法的优点：,它能产生一个宽度与QRS复合波成比例的脉冲。,算法的缺点：,是对高频噪声特别敏感。,12/4/2024,16,判别yd(nT)是否达到或超过给定的阈值，即微分法,因此，人们一直致力于采用新的信号处理方法来分析QRS波，常用的有,人工神经网络算法,和,小波变换算法,。,由于心电信号是非平稳随机信号，利用经典的QRS波检测算法往往受到以下两个因素的制约：,ECG的QRS复合波的检测,QRS复合波的信号带宽对于不同的病人乃至同一病人的不同心搏均有所不同。,各种噪声与QRS波的通带相互交叠。,12/4/2024,17,因此，人们一直致力于采用新的信号处理方法来分析QRS,实时采集的心电信号x(n)如下：,基于小波变换的QRS波形检测,实时采集的心电信号x(n)通过上限截止频率25Hz的三阶巴特沃兹低通滤波器，滤除高频干扰，得y1(n)；,采用高斯函数一阶导数导出的小波，对y1(n)进行尺度S=2,2,的小波变换，突出信号特征点，消除基线漂移，得y2(n)；,12/4/2024,18,实时采集的心电信号x(n)如下：基于小波变换的QRS波形检,对y2(n)计算差分，取绝对值，并进行三点平滑，得y3(n)；,基于小波变换的QRS波形检测,对y3(n)再计算差分，取绝对值、平滑，得y4(n)；,对y3(n)与y4(n)逐点求和，再平滑，得y5(n)；,12/4/2024,19,对y2(n)计算差分，取绝对值，并进行三点平滑，,进行阈值检测：取连续前3秒内的待检测信号y5(n)的振幅P（可自适应调整)，设检测阈值d1=0.25P，d2=0.15P，对超过d1的信号再降低阈值以d2作,双向检测,，大于d2则赋值为1，得QRS模板信号y6(n)，并记录每个模板区内y5(n)的峰值时刻和峰值；,修正策略：对连续两个模板缝隙在0.09秒内的模板进行合并，对连续两个模板峰值时刻0.22秒的模板进行误差判断，峰值低者认为是误差。,基于小波变换的QRS波形检测,12/4/2024,20,进行阈值检测：取连续前3秒内的待检测信号y5(n,12/4/2024,21,8/7/202321,统计学分析(时域分析法)、谱分析和传递函数分析(频域分析法)。,Poincare映射图、分数维法、复杂度分析和非线性动力学分析。,心率变异性分析,心率变异性,（heart rate variablity,HRV）是指逐次心动周期之间的微小时间变异数。HRV一般用R-R间期来描述，也可以用瞬时心率来描述。,心率检测出后,的作用？,HRV分析就是通过对心率微小涨落的变换和处理以获取心血管系统、自主神经系统等有关信息的,信号分析过程,，对于大多数心血管疾病及其他相关疾病的早期诊断、治疗及预后评价具有重要意义。,心率变异性常见分析方法：,线性分析法,非线性分析法,12/4/2024,22,统计学分析(时域分析法)、谱分析,有创血压检测,有创血压测量临床常见方法：,1）导管刺入，测量点接近刺入点，体外传感器检测；,2）导管插入，测量点远离刺入点，体外传感器检测；,3）传感器在导管端口，测接触点压力；,4）传感器植入血管或心脏。,1、检测原理,2、检测方法,连通器，液体传递压力,在ICU中，中心静脉压、左房压、心输出量和心脏漂浮导管等监护都用有创血压测量。,12/4/2024,23,有创血压检测有创血压测量临床常见方法：1）导管刺入，测量点接,影响因素,有创血压测量注意事项,1、标定仪器,2、压力传感器和心脏保持同一水平,3、防止血管中的血凝,1、压力传感器、病人导管连,接不正确,2、测量位置因素,3、病人和压力传感器的位置,多用于,ICU,病房，危重病人或开,胸手术病人的监护。操作复杂、,有一定痛苦、精度高。,12/4/2024,24,影响因素有创血压测量注意事项1、标定仪器2、压力传感器和心脏,无创血压检测,1、电子柯氏音检测法,2、振动法,检测原理：人工柯氏音法的电子化,组成：充气系统、袖带、柯氏音传感器、音频放大器、,增益调节电路、AD转换器、微处理器、显示部分,检测原理：脉搏振动幅度判定血压,组成：气动控制部分、压力传感器、放大滤波电路、,多路模数转换、单片机微处理器,大多数监护仪采用的方法,12/4/2024,25,无创血压检测1、电子柯氏音检测法2、振动法检测原理：人工柯氏,影响无创血压测量的因素,测量的局限性,1）病人活动,2）心律不齐,3）血压变化,4）严重休克,5）肥胖病人,6）心率太高或太低,7）心肺机,8）导管的移动,袖带尺寸,袖带放置位置,人为因素,采用这种方法病人舒适，医护人员使用也方便，但不能提供连续的血压值。,12/4/2024,26,影响无创血压测量的因素测量的局限性1）病人活动 袖带尺寸采,血氧饱和度（,SpO,2,）用以表示血液中血氧的浓度，它是被氧结合的氧合血红蛋白（oxygenated hemoglobin,HbO,2,）的容量占全部血红蛋白（hemoglobin,Hb）的容量的百分比，即,式中，HbR称为脱氧的或还原的血红蛋白（redu-ced or deoxyenated hemoglobin,HbR）。Hb主要由HbO,2,与HbR两部分组成。,血氧饱和度,血氧饱和度：,氧合血红蛋白（HbO,2,）占全血红蛋白的百分比,正常血液中血红蛋白（Hb）还包括：碳氧血红蛋白(COHb)、高铁血红蛋白(MetHb)，其中HbR与氧作可逆性结合，而COHb和MetHb不与氧结合。,12/4/2024,27,血氧饱和度（SpO2）用以表示血液中血氧的浓度，它,无创测量：,利用分光光度测定原理(,光电容积法,),。由于血液中不同成份对同一种光线的吸收率各不相同，通过测量穿过血液中不同光线的衰减程度，可换算出血液中不同成份的含量。,测量方法,电化