3.3　數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理

根據(jù)醫(yī)學(xué)信息系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域及目標(biāo)不同，所要采集輸入的數(shù)據(jù)也不同，系統(tǒng)采集哪種類型的數(shù)據(jù)，用什么方法輸入，是一項(xiàng)必要的功能設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)應(yīng)該在數(shù)據(jù)發(fā)生源地直接輸入，是現(xiàn)代信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輸入功能的基本原則。對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)可用不同的輸入方法，數(shù)字和文字信息可以用計(jì)算機(jī)鍵盤輸入，也可以用掃描輸入；語(yǔ)音輸入法和手寫輸入法也在一些場(chǎng)合被使用。各種數(shù)字化醫(yī)療儀器設(shè)備可以通過(guò)數(shù)字接口將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)直接輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，有些檢測(cè)儀器通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置輸入計(jì)算機(jī)；數(shù)字化視頻音頻技術(shù)是多媒體信息的主要輸入技術(shù)，如病人的X線或CT掃描圖像、影像資料等。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)已成為現(xiàn)代信息系統(tǒng)的主要途徑之一，如傳染病疫情檢測(cè)等。數(shù)據(jù)采集輸入的速度和質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)信息系統(tǒng)功能的重要環(huán)節(jié)。

現(xiàn)代醫(yī)療儀器通常都是集電子、機(jī)械于一體的復(fù)雜裝置，是精密的、高可靠性和高安全性的自動(dòng)或半自動(dòng)系統(tǒng)。關(guān)于醫(yī)用成像設(shè)備的原理和數(shù)據(jù)（圖像）的處理我們將在第9章討論。本節(jié)主要討論人體生物電的測(cè)量和生理信息監(jiān)測(cè)兩個(gè)方面。

圖3－5　人體生物電信號(hào)的測(cè)量

人體上能測(cè)量到的生物電信號(hào)很多，臨床常用的生物電信號(hào)有:心電、腦電、肌電、胃電和視網(wǎng)膜電等。這些體表生物電信號(hào)通過(guò)電極拾取，經(jīng)適當(dāng)?shù)纳镫姺糯笃鞣糯蠛陀涗浂蔀樾碾妶D、腦電圖、肌電圖、胃電圖、圖視網(wǎng)膜電圖等。由于人體生物電通常都很微弱，測(cè)量生物電必須使用生物電放大器才有可能。生物電放大器是普及程度最高的醫(yī)療儀器之一。參見圖3－5。

1）生物電信號(hào)的特點(diǎn)

（1）信號(hào)微弱:最大的是心電QRS波，波幅在1—5mV左右，比較小的是誘發(fā)電位（0.1—10μV）和希氏束電位（1μV）。

（2）信號(hào)頻率低:大部分都在幾百赫茲以下超低頻段，很多有用信號(hào)成分接近直流段，如胃電、心電的T波，而心電的S－T段就是觀察其直流電平。

（3）強(qiáng)噪聲背景（信噪比?。?生物電在測(cè)量時(shí)會(huì)受到很強(qiáng)的噪聲干擾，如50Hz干擾，其他生物電信號(hào)干擾和測(cè)量設(shè)備本身的電子元器件噪聲的干擾等。這些噪聲的強(qiáng)度往往比信號(hào)大很多。

（4）電極電位影響:生物電測(cè)量都是用電極來(lái)測(cè)量的，當(dāng)電極進(jìn)入生物體組織或與生物組織表面接觸時(shí)，會(huì)在電極和組織之間出現(xiàn)半電池電動(dòng)勢(shì)，也稱電極電位。電極電位與電極材料有關(guān)，也與電極安放、電極面積、電流密度等有關(guān)系，電極之間的電位差可達(dá)300mV。

（5）包含深層次的信息:深層次信息包括強(qiáng)干擾下的動(dòng)態(tài)信息，從體表上收集到的各種信號(hào)中提取生物體內(nèi)各器官的信息，內(nèi)部各組織的信息，以致細(xì)胞層次和分子層次的信息，以及各系統(tǒng)、各層次內(nèi)的信息和相互之間的聯(lián)系。例如瞬時(shí)心率含有自主神經(jīng)活動(dòng)的大量信息（交感神經(jīng)、副交感神經(jīng)、迷走神經(jīng)），而從頭皮上拾取的腦電信號(hào)隱含著大量腦工作的信息。生物電放大器是將生物電信號(hào)放大的電子器件。它應(yīng)該不影響所檢測(cè)部位的生理功能，將信號(hào)和干擾分離，此外還必須對(duì)可能的電擊傷害提供有效保護(hù)等。

2）體表心電圖

我們經(jīng)常采用肢體導(dǎo)聯(lián)記錄心電圖，即體表心電圖。它是心臟的電活動(dòng)經(jīng)過(guò)肌體在體表形成的電位差。導(dǎo)聯(lián)是將體表電信號(hào)通過(guò)電極接入生物電放大器的方式。常規(guī)心電圖有12個(gè)導(dǎo)聯(lián)。一般心電圖機(jī)上有按鈕裝置，順序記錄。心電圖機(jī)將測(cè)得的各導(dǎo)聯(lián)心電圖存儲(chǔ)起來(lái)，重新排列后在需要時(shí)打印出來(lái)。

3）運(yùn)動(dòng)心電圖

有些心臟病患者，在靜息時(shí)心電圖未見異常，但在運(yùn)動(dòng)加重心臟負(fù)擔(dān)后，在心電圖中就會(huì)出現(xiàn)缺血特征。因此運(yùn)動(dòng)負(fù)荷試驗(yàn)有助于診斷缺血性心臟疾病。運(yùn)動(dòng)心電記錄系統(tǒng)實(shí)際上就是將心電圖記錄儀與負(fù)荷量可控制的運(yùn)動(dòng)設(shè)備通過(guò)計(jì)算機(jī)連接組合成的系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)的負(fù)荷可以根據(jù)年齡、體重等設(shè)置。心電記錄設(shè)備能連續(xù)記錄多道心電，實(shí)時(shí)進(jìn)行S－T段分析，并能提供運(yùn)動(dòng)前后的心電比較。

4）心電動(dòng)態(tài)監(jiān)護(hù)和分析系統(tǒng)

動(dòng)態(tài)監(jiān)護(hù)和分析系統(tǒng)（ambulatory monitor system）的特點(diǎn)是可以對(duì)日常生活中的患者作連續(xù)24小時(shí)不間斷的監(jiān)護(hù)，有利于對(duì)偶發(fā)的癥狀作記錄和診斷。最初的動(dòng)態(tài)監(jiān)護(hù)和分析系統(tǒng)用在動(dòng)態(tài)記錄和分析心電信號(hào)，現(xiàn)在除了心電信號(hào)，還出現(xiàn)了記錄和分析其他信號(hào)的動(dòng)態(tài)監(jiān)護(hù)和分析系統(tǒng)。

5）腦電圖

人的大腦皮質(zhì)有自發(fā)的電活動(dòng)，其電位隨時(shí)間發(fā)生變化，我們用電極將這種電位隨時(shí)間變化的波形提取出來(lái)并加以記錄就可以得到腦電圖。

腦電圖機(jī)（electroencephalograph）是用來(lái)測(cè)量腦電信號(hào)的生物電放大器。由于腦電信號(hào)的幅值范圍為10—100μV，比標(biāo)準(zhǔn)心電信號(hào)小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此對(duì)放大器的要求高于心電放大器。腦電圖機(jī)電極的安放有單極導(dǎo)聯(lián)法和雙極導(dǎo)聯(lián)法。

腦電圖機(jī)除了檢測(cè)自發(fā)腦電信號(hào)（EEG）外，還可以記錄誘發(fā)電位如視覺誘發(fā)電位（VEP），聽覺誘發(fā)電位（AEP）和體感誘發(fā)電位（SEP）。目前的腦電圖機(jī)大多配備有聲、光、電子刺激器等，此外還有腦電頻率分析器等。

腦電監(jiān)護(hù)和分析:自發(fā)腦電的監(jiān)護(hù)和自動(dòng)分析正逐漸得到臨床應(yīng)用。由于腦電沒(méi)有類似于心電信號(hào)的特征波形，因此確定提取哪些腦電信號(hào)的特征并如何定量分析這些特征是十分重要的。由于自發(fā)腦電的波形是以信號(hào)的頻率段來(lái)分類的，因此頻域分析是比較常用的方法。通常頻域分析是將腦電通過(guò)快速傅里葉變換轉(zhuǎn)換成功率譜進(jìn)行分析。

腦電分析需要同時(shí)記錄和比較8—16道波形，難度較大。在對(duì)腦電做定量分析的基礎(chǔ)上，將腦電的變化與具體位置即形態(tài)定位結(jié)合起來(lái)，可以比腦電分析更準(zhǔn)確和更直觀。腦電地形圖就是在腦電圖技術(shù)基礎(chǔ)上，用計(jì)算機(jī)技術(shù)將曲線波形轉(zhuǎn)換成能夠定位和定量的彩色腦波圖像。

除了自發(fā)腦電地形圖外，誘發(fā)腦電也能形成誘發(fā)腦電地形圖。腦電地形圖可用于各種腦血管病的診斷，腦腫瘤的定位，癲癇、癡呆、心理學(xué)及精神分裂癥等疾病的診斷。

6）血壓的測(cè)量和監(jiān)護(hù)

血壓的直接測(cè)量是通過(guò)將測(cè)壓導(dǎo)管插入被測(cè)體的血管內(nèi)進(jìn)行的，測(cè)壓導(dǎo)管經(jīng)皮由動(dòng)脈穿刺后留置固定，測(cè)壓導(dǎo)管上的壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并在監(jiān)視器上顯示壓力波形。血壓的間接測(cè)量是一種非創(chuàng)傷性血壓測(cè)量技術(shù)，它可以測(cè)得收縮壓。舒張壓和平均壓，這是我們最常使用的血壓測(cè)量方法。

7）血氧飽和度的測(cè)量和監(jiān)護(hù)

血氧飽和度檢測(cè)多采用脈搏血氧飽和度技術(shù)，所測(cè)量的血氧飽和度SpO2是指動(dòng)脈血液中與氧結(jié)合的氧合血紅蛋白的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白容量的百分比，即血液中血氧的濃度。脈搏血氧飽和度儀在麻醉、手術(shù)等大量臨床應(yīng)用中表明:通過(guò)SpO2監(jiān)護(hù)，可及時(shí)評(píng)價(jià)血氧飽和度和亞飽和度狀態(tài)，了解肌體的氧合功能，及早發(fā)現(xiàn)低氧血癥，從而提高麻醉和重?；颊叩陌踩?，有效預(yù)防或減少手術(shù)期和急癥期的意外死亡。

8）呼吸監(jiān)護(hù)

呼吸監(jiān)護(hù)包括監(jiān)測(cè)呼氣容量，氣道壓力，呼吸頻率以及呼氣末二氧化碳分壓。呼吸監(jiān)護(hù)儀多以風(fēng)葉作為監(jiān)護(hù)呼吸容量的傳感器，呼吸氣流推動(dòng)風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)，用紅外線發(fā)射和接收元件探測(cè)風(fēng)葉轉(zhuǎn)速，經(jīng)電子系統(tǒng)處理后顯示潮氣量和每分鐘通氣量。氣道壓力檢測(cè)利用放置在氣道中的壓力傳感器檢測(cè)。這些檢測(cè)需要在患者通過(guò)呼吸管道進(jìn)行呼吸時(shí)才能測(cè)得。呼氣末二氧化碳分壓的監(jiān)護(hù)也需要在呼吸道中進(jìn)行，而呼吸頻率的監(jiān)護(hù)不受此限。

9）體溫監(jiān)護(hù)

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(dòng)的條件之一。體溫監(jiān)護(hù)儀多用熱敏電阻作傳感器測(cè)量體溫。體溫測(cè)量的測(cè)量線路是惠斯通電橋，將熱敏電阻接在電橋的一個(gè)橋臂上，通過(guò)測(cè)量電橋的不平衡輸出測(cè)定體溫。

10）心輸出量監(jiān)護(hù)

心輸出量是衡量心功能的重要指標(biāo)，在某些病理?xiàng)l件下，心輸出量降低，使肌體營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)不足。心輸出量是心臟每分鐘輸出的血量，也稱心排量，根據(jù)心輸出量可以計(jì)算出很多有用的心功能指標(biāo)。心輸出量的測(cè)量方法分為有創(chuàng)和無(wú)創(chuàng)兩大類。前者主要有Fick法、電磁流量計(jì)法、染料稀釋法、熱稀釋法等，后者包括超聲心動(dòng)圖、胸部電阻抗圖等。

數(shù)據(jù)處理是醫(yī)學(xué)信息系統(tǒng)功能的核心，包括數(shù)學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)分類、排序、統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)文件的組織與管理等等。根據(jù)不同的醫(yī)療儀器所測(cè)量的肌體信息數(shù)據(jù)的特性，醫(yī)學(xué)信息系統(tǒng)采用相應(yīng)的處理方法，使我們對(duì)于患者相應(yīng)組織或部位的健康水平有了定量的了解。