生物信号处理(yuanshi)(7)

差较大。但脉搏式血氧饱和度的测量误差已经可以控制在1％以内，基本达到临床使用的要求。 3-4-3 无创性血氧饱和度检测原理

人体不同的组织有不同的吸收光谱。氧合血红蛋白吸收波长为660nm，还原型血红蛋白的吸收波长为940nm。 临床上多用功能氧饱和度来反映血液中氧含量的变化。无创性血氧饱和度测量是基于动脉血液对光的吸收随动脉搏动而变化的原理来进行测量的。研究表明，氧合血红蛋白和非氧合血红蛋白对不同波长的入射光有着不同的吸收率。当某一单色光垂直照射人体的某一组织，动脉血液对光的吸收将随透光区域动脉血管的搏动而变化。当用两种特定波长的单色光λ1、λ2照射手指时，根据功能氧饱和度的定义可推出动脉血氧饱和度的近似公式为：

SaO2=KA氧合型血红蛋白的吸光度+b

A还原型血红蛋白的吸光度+A 氧合型血红蛋白的吸光度 式中：K、b为常数。

注意到生物组织是一个强散射、弱吸收的复杂光学介质，因此在实际测量中无法用一个严格的公式来描述，所以一般是通过测量双光束吸光度变化之比，然后通过经验定标曲线最终获取氧饱和度。而在选择双光束波长时，一般选择入射光波长为660nm和940nm。 血氧传感器按外形主要可以分为指套型、耳垂型、包裹型和粘附型，按用途又可分为成人型和儿童型、婴儿型几种。不论外形和类型如何，血氧传感器的原理结构是一样的，它们均由发光器件和接收器

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件组成。发光器件是由波长为660nm(650nm)的红光和波长为940nm(910nm)的红外光发射管组成。光敏接收器件大都采用接收面积大，灵敏度高、暗电流小、噪声低的光敏二极管，由它将接收到的光信号转换成电信号。

脉搏血氧饱和度检测是目前较为常用的一种检测方法，多采用指套式或耳垂夹子式传感器探头。使用时探头套在指尖上或夹在耳垂上。指套式上壁固定了两个并列放置的发光二极管，发光波长分别为660nm红光和940nm红外光。下壁是一个光敏接收器件，它将透射过手指的光信号转换成电信号。当两束入射光经过手指时，被血液及组织吸收，动脉血的光吸收随动脉的搏动变化而改变，而其他组织成份所吸收的光强（DC）几乎不变，保持相对稳定。最终形成脉搏的光吸收波（AC）如图3-5所示

图3-5

通过光电感应器可测得穿过手指的透过光强度，对λ1入射光：搏动时氧合血红蛋白吸收的光强度较搏动间隙时吸收多，变化的数值即是氧合血红蛋白所吸收的光强度。同理可得对λ2入射光时还原型血红蛋白的吸光度。这样，可以计算两个波长的光吸收比率R

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R=

AC660/DC660

AC940/DC940R与SpO2 呈负相关如图3-6所示，

图3-6

在标准曲线上可得到SpO2与R的对应关系，如当R为1时，SpO2

约为85%。标准曲线由一群正常人的数据经校正后建立数据库，存贮在微机内进行按需调用。 3-5呼吸检测 3-5-1呼吸的测量原理

呼吸的测量采用两种方法，一种是热敏式呼吸法，另一种是阻抗式呼吸法。热敏式呼吸法采用鼻夹式热敏电阻来测量呼吸气流的温度变化，当呼吸气流流过热敏电阻Rt 时，Rt阻值发生变化，经测量电桥检测后，可获得与呼吸同步的交变电压信号输出，经前置放大后通过带宽为0.05-10Hz滤波器，经光耦的调制解调电路送至可变增益放大器，再经A/D变换送至CPU处理。并测定呼吸频率。由于热敏式呼吸法的测量受周围环境温度的影响较大，尤其在环境温度接近人体体温时，测量灵敏度会受到影响。因此，目前常用阻抗法测量呼吸波

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和呼吸率。阻抗呼吸波测量根据呼吸过程中胸壁肌肉张弛，胸廓交替变形时会导致机体组织的电阻抗发生变化的原理进行设计。人体在呼吸过程中的胸廓运动会造成人体胸阻抗的变化，变化量为0.1-3欧姆。监护仪一般是通过ECG导联的两个电极用30-100KHz的正弦载频恒流向人体注入一个安全电流（恒流的值一般在0.1-1mA范围选择），当高频振荡电流通过胸部时，就能将胸阻抗的变化变换成电压的变化，胸阻抗测量可采用两电极法和四电极法，LL和RA两个电极之间的阻抗作为测量电桥的一臂。呼吸过程中的电阻抗变化通过电桥检测电路变为电压信号，再经同步解调，解调出呼吸信号，经可变增益放大器和A/D变换后送至CPU分析和处理。 3-6体温检测 3-6-1体温的检测原理

体温的检测一般采用热敏电阻作为测量臂的桥式电路。检测电路的输入端采用电平衡桥，随着体温的不同变化，平衡桥的输出端就有电压输出，根据平衡桥输出电压的高低，换算出人体的体温。由于体温的变化量相对较慢。因此，一般将电桥的输出信号经放大后通过电压/频率（VFC）转换电路将缓慢变化的体温信号转换成一定的频率信号经光耦器件传输，以减少信号漂移。而在光耦器件的另一侧通过频率/电压转换（FVC）电路恢复体温信号，经温度补偿后送至A/D转换。 3-7脑电检测。 3-7-1脑电信号检测原理

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常规脑电图EEG由于分析费时，在ICU临床应用中多用定量脑电图（qEEG）来实现。qEEG是将计算机技术、信号处理技术与传统的脑电图EEG结合的产物。可广泛地用于麻醉深度、脑血流灌注、脑组织代谢状况检测等，还可以预测转归。

脑电图EEG是神经突触后电位的总和电波。主要反映的是皮质神经元的突触后活动。EEG的波形和节律主要有（1）α波和节律；（2）β波和节律；（3）θ和δ活动。各波的波幅在5-200微伏左右，频率为0.05-150Hz。波形有正弦样波、棘波、尖波、三相波、棘-慢复合波、手套样波等。由于脑电图属微伏级的信号，理论上心电信号仅比脑电信号大几十分贝。但脑电信号的放大电路却比心电信号的处理困难和复杂得多。脑电放大器模块中的核心是极低噪声、低漂移、高共模抑制比的前置放大器及数字滤波技术。其他相应的脑电图检测电路有电极电阻检测器、 定标电压、时间常数调节、后置放大、A/D转换等等。由于EEG波形复杂，除人工分析外，直接进行计算机波形特征识别相对比较困难，故在多参数监护仪里一般用两道实时脑电图EEG供人工判别，用定量脑电图（qEEG）检测作为仪器自动监测的参考。

3-7-2定量脑电检测

EEG计算机定量化分析主要包括频域分析、时域分析和双谱分析。频域分析是以功率谱分析为主并在功率谱基础上发展了功率谱阵，如压缩谱阵（CSA）、致密谱阵（DSA）、脑电地形图（BEAM）。时域分析主要是直接提取波形特征进行瞬态波形识别。双谱分析包括了信号的

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