體征模型與測量原理分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u30913體征模型與測量原理分析概述 148671.1ECG 1108441.1.1ECG模型 1274921.1.2心電圖的測量方法 299281.2皮膚阻抗 2322781.1.1皮膚阻抗模型 333081.1.2皮膚阻抗的測量方法 41.1ECG心電圖（ECG）是體征監(jiān)測中最常見的信號，也是多項心血管疾病診斷的依據(jù)。下面會對ECG信號的模型進(jìn)行介紹，并對心電信號的測量方法進(jìn)行說明。1.1.1ECG模型心肌細(xì)胞處于靜息狀態(tài)時，細(xì)胞膜兩側(cè)的離子濃度分布具有較大差異，存在著電勢差。當(dāng)心肌細(xì)胞收縮時，細(xì)胞膜的通透性發(fā)生改變，使得心肌細(xì)胞兩側(cè)的電勢差迅速向0變化，這個過程也叫做去極化。去極化過程會引起皮膚表面的電位發(fā)生很小的改變，這個電位變化可以被電極捕捉到從而形成心電圖信號。醫(yī)學(xué)上通常采用一種被稱作心電描記術(shù)（Electrocardiography，簡稱為ECG）的方法，通過在人體皮膚表面的特定位置布置一定數(shù)量的電極，來監(jiān)測心臟收縮舒張而導(dǎo)致的皮膚電位變化[16]。心電圖并不是某一個心房或者心室細(xì)胞的電位變化的表現(xiàn)，而是反映了心臟整體的一個電位變化。心電圖通常以波形的形式來呈現(xiàn)，如圖1.1所示，其波形主要由P波、QRS波組、T波構(gòu)成。心房的收縮在電位波形的變化上體現(xiàn)為P波，時限一般為0.12秒，電位有輕微地上漲和跌落過程；心室的收縮向主動脈射出大量動脈血，其膜電位的變化體現(xiàn)為QRS波組，電位先大幅增加后跌落至最低點，再回復(fù)到靜息值，時限通常小于0.11秒；T波是由心室的舒張形成，也就是心室的復(fù)極，電位波形上的表現(xiàn)與P波類似；在T波后的0.02~0.04s為U波，U波幅度較小，一般認(rèn)為是全心舒張時心臟各部產(chǎn)生的負(fù)后電位。評估心電圖的參數(shù)中最具代表性的是心率，它代表R波與R波的間隔時間。圖1.1心電信號波形圖1.1.2心電圖的測量方法從心電信號的形成原理可以發(fā)現(xiàn)，心臟各部位活動引起的電位變化會在皮膚電位上體現(xiàn)，所以在皮膚的適當(dāng)位置貼上電極片就可以采集到對應(yīng)的心電信號。電極片的導(dǎo)聯(lián)方式很多種，較為常用的有兩種，分別如下：（1）十二導(dǎo)聯(lián)：現(xiàn)在的醫(yī)療監(jiān)測儀器往往采用12導(dǎo)聯(lián)的方式來獲得ECG信號。12導(dǎo)聯(lián)又分為6個肢體導(dǎo)聯(lián)和6個胸導(dǎo)聯(lián)，肢體導(dǎo)聯(lián)的電極布置于四肢上，胸導(dǎo)聯(lián)的6個電極接在胸骨肋間以及腋下的特定部位。由于選擇的導(dǎo)聯(lián)多，提高了檢測靈敏度，有助于心肌缺血的診斷，同時也更加容易診斷出心率失常疾病，為國際通用導(dǎo)聯(lián)體系。（2）單導(dǎo)聯(lián)：單導(dǎo)聯(lián)心電圖只能評價一個方向，一般為從左手到右手，這種測量方式適用于單次的ECG測量，常見于各種心電測量芯片，因為體積小巧便于隨身攜帶，在家用心電記錄儀中應(yīng)用較多，如國內(nèi)邁瑞的MR.Wear產(chǎn)品與CarePatch的心電卡。電極與皮膚的一種連接方式如圖1.2所示。圖1.2單導(dǎo)聯(lián)雙電極連接方式1.2皮膚阻抗1.1.1皮膚阻抗模型皮膚的結(jié)構(gòu)可簡化為圖1.3，最外層為表皮（包括角質(zhì)層與汗腺孔），真皮與皮下組織位于表皮層的下方，其中有大量的血管。從阻抗的角度來看，真皮和皮下組織的容抗較低，可以近似看作純電阻R，表皮則可以看作是漏電電容，表皮的阻抗Z的大小計算公式如下：Z=公式（2-1）中的R'為表皮的電阻等效值，C'為表皮的電容等效值，ω圖1.3皮膚結(jié)構(gòu)簡化圖皮膚的阻抗電路可以等效為表皮與真皮的串聯(lián)，即一個電阻R和漏電電容Z的串聯(lián)，如圖1.4所示。圖1.4人體皮膚阻抗模型影響人體皮膚阻抗大小的因素較多，典型的有電壓、測量頻率以及皮膚濕度、呼吸狀況等。電壓小于50V時，皮膚阻抗受溫度、接觸面積、呼吸等影響較大，當(dāng)電壓大于50V時，皮膚阻抗會大幅下降。測量頻率越高，由公式（2-1）可以看出，皮膚的阻抗值會越小。另外，皮膚的濕度越大，阻抗就會越接近于零。1.1.2皮膚阻抗的測量方法測量皮膚阻抗一般需要測出阻抗的幅值和相位兩個量，反相放大器可以通過設(shè)計一個合適大小的參考電阻，比較反相放大器的輸入與輸出，就可以測出待測電阻的幅值和相位，反相放大器的結(jié)構(gòu)如圖1.5所示。圖1.5測量皮膚阻抗的反相放大器Rx為待測的皮膚阻抗，Rf為參考電阻，U1為輸入信號,施加激勵信號U1,幅