第6课 血压及心输出量测量技术
生理参数测量及仪器 ——血压及心输出量测量技术
刘谦
华中科技大学· 生命科学与技术学院
BIoMedical Measurements and Instrumentation（BMI）
内容
有创血压监测
无创血压监测
心输出量测量
血管分类
人体的血管分为容量血管和阻力血管
容量血管指静脉系统。静脉在血管系统中起着血液贮存库的作用，循环血量的60%-70%容纳在静脉中。
血压测量是发生在阻力血管里的血流对其管壁产生的压力。阻力血管由动脉和小动脉组成，其血管壁平滑肌发达．收缩时对血流产生阻力作用，形成动脉血压
血压是反应血流动力学状态的最主要的传统监护指标之一。
若血压过高，则心室射血必然要对抗较大的血管阻力，使心脏后负荷加大，心肌易于疲劳；若血压过低，即使组织中的血管能为满足灌注而尽量扩张，血流量也仍不能满足组织的正常代谢需要。
人体压力量
人体压力量的正常生理(粗线)与异常生理(细线)范围
0
-100
100
200
300
400
-100
0
100
200
300
0
-10
10
20
30
40
kPa
cmH
2
O
mmHg
主动脉压
左心室压
右心室压
肺动脉压
中心静脉压
颅内压
眼内压
子宫内压
胃肠内压
膀胱和输尿管内压
肺泡和气管内压
生理压力计量单位
国际标准单位系统中，压力单位是Pa（Pascal）
1 Pa = 1 N/m2
生理测量惯用单位是mmHg和cmH2O，临床中用kPa表示
1 mmHg = 133.322 Pa = 0.133322 kPa
1 cmH2O = 98.0665 Pa = 0.098066 kPa
心血管系统血压
在心脏各处收缩压(SP)和舒张压(DP)及平均压(MP)的常规范围
主动脉
SP：收缩压
DP：舒张压
动脉
SP=90-150mmHg
DP=60-180mmHg
肺动脉
SP=20-30mmHg
DP=8-12mmHg
Wedge=6-12mmHg
左心房
MP=6-12mmHg
左心室
SP=90-150mmHg
DP=6-12mmHg
右心室
SP=20-30mmHg
DP=2-6mmHg
右心房
MP=2-6mmHg
收缩压、舒张压和平均压
收缩压（SP）和舒张压（DP）
在心室收缩间期，心脏主动脉瓣开放，此时动脉压反应的是心室的机械运动，在心室舒展间期，心主动脉瓣关闭，动脉压则反应的是从主动脉向外周血管系统的流动能力。动脉压定义为收缩压和舒张压之差。
心脏收缩时，动脉内的压力最高,此时压力称为收缩压;
心脏舒张时，动脉弹性回缩产生的压力称为舒张压
平均压(MP)
整个心动周期动脉压的平均值MP=DP+(SP-DP)/3
生理压力直接测量
采用导管法来测定血管或心腔内的压力
一是将血管内测量点的压力引出（通过充满液体的导管）体外，传感器置于体外测量
一是将传感器置于导管的顶端，直接进入血管内测试点进行测量
常用传感器有：应变电阻膜片，差动变压器，可变电感器，压电晶体，光电子耦合器件
中心静脉压测量
中心静脉压（Central Venous Pressure，CVP）测定是重症监护医学最常应用的技术
测定时将一根塑料管，通过静脉穿刺法，经周围静脉送入上或下腔静脉近右心房处，导管内滴注生理盐水或5％葡萄糖液，并加入少许肝素，接用Y形管（三通管），在不测压时可作为补液通路。测压时应暂停呼吸，以腋中线第四肋间为"0"点水平。
中心静脉压测量-零点
患者平卧位时将尺子从人体侧面深入（平第四胸椎），这样尺子的上端在胸壁表面，下端在背部下，压紧后，胸侧壁的长度被分为5等份，上2/5与下3/5的交点为零点
CVP
CVP可检查右心对周围回心血量的容纳能力(血容量)的改变
CVP的正常值是0.49~1.18kPa，在0.49kPa以下为低压，应予以补充血容量治疗；CVP升高接近1.4kPa时，输液应慎重，并须密切注意心功能改变。
在治疗过程中，应监测CVP的动态变化，以判断心脏对补液的耐受能力。
快速输入200~300ml液体后，如CVP不升高，或升高后短时间内又下降，即表明心功能良好，血容量仍不足，能接受继续补液；反之，快速输入—·定量液体后．CVP明显升高，则表明心脏耐受补液能力已受限，治疗上要注意加强心脏排血功能，否则多次输液可以引起心力衰竭和肺水肿。
创伤性动脉血压监测
采用插入导管测定动脉血管内的压力变化，显示压力数值的方法称为创伤性动脉血压监护。
可用于插管的动脉血管包括：桡动脉、股动脉、足背动脉、肱动脉、腋动脉等。桡动脉是创伤性动脉血压监测插管的首选动脉，因其位置表浅，有良好的平行血流灌注，易于护理、体外固定和直接观察。
压力体内测量
(a)直接在血管内测量的光纤传感器
(b)光纤压力传感器特性曲线
利用光纤束导入光线， 射在导管端部的金属薄 膜上。体内压力改变 时，膜发生形变，从而 造成反射角变化，将反 射光（光通量随反射角 的改变而改变）由光纤 引出，被光敏器件接 收，转变成电信号
光电探测器
LED源
混合纤维束
混合纤维束
压力
薄金属膜
(b)
信
号
输
出
操作范围
位移
(a)
压力体外测量
传感器置于体外的有创血压测量
信号放大
体外压力传感器
硅片上有四个硅压敏电阻膜片组 成的惠斯登电桥，测量溶液压力
感应部
位
样本及转换器
零值调节旋阀
带有悬挂式冲洗装置
的任意压力转换器
电插塞
滚动夹钳
一定压力时的冲
洗液
生理盐水和肝素
生理压力的间接（无损）测量
法国生理学家Marey推出的示波法，1905年俄国军医柯罗特克夫创立听诊法。这两种都是基于外力f经臂部组织加载动脉管，实现血压测量。f是随时间变化的量。
基于柯氏音法的无创血压测量
基于示波法的无创血压测量
连续无创血压测量
生理压力测量的参考点
除组织和器官产生的生理压力之外，重力和大气压产生非生理压力
忽略阻力和动力，血液两点压差等于重力位势之差：ρgh。压力与体位有关。
血液循环系统中不同体位的重力效应 对压力测量的影响
生理压力测量的参考点
心血管系统中，右心房压最稳定，不受人体姿态变化影响。因此选取右心房作为血压测量的参考点。
大致位于胸纵轴的中央处，胸腔左右第四肋之间，中央肋软骨节前，离后背约10cm处
人体压力测量的参考点
基于柯氏音法的无创血压测量
在用水银柱血压计测量人体血压的过程中，通过听诊器听到的一系列有规则的咯嗒、咯嗒声音，称为柯氏音。
柯氏音本质上是人体手臂肱动脉随心脏搏动而产生的一系列振动信号：
柯氏音第一期：当袖带充气使肱动脉搏动消失，再将汞柱升高20-30 mmHg 后，开始缓慢放气，听到的第一次声响的汞柱值为收缩压
柯氏音第二期：随着汞柱下降，声音逐渐加强
柯氏音第三期：继而出现吹风样杂音
柯氏音第四期：然后声音突然变小而低沉
柯氏音第五期：最终声音消失，声音消失时的汞柱值为舒张压
柯氏音法的无创血压测量原理图
袖带几何结构
mmHg kPa
10
0
15
0
50
0
0
10
20
声强
声音变化
收缩压
舒张压
动脉压
袖带压力
触诊
听诊
袖带
排气阈
手泵
柯氏音法
简单的讲，袖带加压放气后听到的第一次声响的汞柱值为收缩压，最后一次声响的汞柱值为舒张压。个别情况下，汞柱下降至零时声音仍未消失，这时可取第四期即声音突然变调时的汞柱值为舒张压。
一般情况下除非仪器进行分析，否则人耳常常难以仔细区分第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ相时柯氏音。有时第Ⅳ相时也难听清楚。目前我们用的水银柱或气压表式血压计测血压时听诊法就是柯氏音听诊法，此方法国际通用
测振法（示波法）
测振法具有较好的抗干扰能力，能比较可靠地判断血压、实现血压的自动检测，因而测振法巳成为无创血压监护的主
流
在血压检测部位施加一外力，当外力超过某一值后．在减压过程中根据检测到的脉搏波和压力值计算出血压值(Ps，PD，Pm)的方法称为测振法，或示波法。
测振法与柯氏音法相同，亦需要采用充气袖套来阻断动脉流，但在放气过程中不是检测柯氏音，而是检测气袖内气体的振荡波(测振法由此得名)，振荡波起源于血管壁的搏动。
基于示波法的无创血压测量
动脉压>袖带压，血管开放动脉压
示波法利用压力传感器观察随着袖带压的变化，血管从开放到闭合，脉搏波幅度的变化实现血压测量的。
示波法的关键是有效的控制充放气的速度
在气袖放气过程中连续测定振荡波(振荡波一般呈现近似抛物线的包迹)，振荡波的包络线所对应的气袖压力间接地反映了动脉血压。
示波法无创血压测量
当气袖内压高于收缩压Ps时，动脉被压闭，此时因近端脉搏的冲击而呈现细小的振荡波；当气袖内压小于收缩压Ps时，则波幅增大；气袖压等于平均压PM时，动脉管壁处于去负荷状态，波幅达到最大值。当气袖压力小于舒张压PD以后，动脉管腔在舒张期已充分扩展，管壁刚性增加，因而波幅维持在较小的水平。
示波法血压测量原理图
基于放气过程的血压测量波形(PS：收缩压 PD：舒张压PM :平均压)
基于充气过程的血压测量波形图
Geddes:顶点Om,上升点Os,下降点Od,对应平均压Mp,收缩压Sp和舒张压Dp
实际采集波形
实际采集的静压力和脉搏压力引起的振荡波形其 中，1.收缩压Ps；2.平均压Pm
袖带 压力mmH g
200
160
120
80
40
0
2
1
袖带振荡波
Om
Os
Od
Ps
Pm
脉搏波包络的微分图及对应收缩压、舒张压、平均压的特征点
Pd
Ps
Pm
0
.
2
0
.
1
0
.
0
-
0
.
1
-
0
.
2
-
0
.
3
40 60 80 100 120 140 160
P
(
ds
)
MAP
P
(
sys
)
压力
(
mmHg
)
差
动
压
力
(
V
/
m
m
H
g
)
采用固定比率计算时，由于一些物理和生理因素变化，常给收缩压(点划线)、 平均压(实线)和舒张压(虚线)测量结果带来误差
示波法血压测量系统图
充气袖套由压缩气泵充气，用电磁阀进行微量放气或快速放气。开始 测量前，由气泵将袖套压力升到一预定位，在首次测量时，可由操作人员 设定。例如P＝150 mmHg，在重复测量时通常在前一次测得的收缩压Ps 的基础上增加20 mmHg,然后逐步以每4~5mmHg的步长放气，每次放 气后检测脉
搏波的振幅以及袖套压力(静压)经多路ADC送入CPU处理。
连续无创血压测量(动脉张力测量)
连续无创血压测量，是在每一个心动周期内完成血压的测量
具有内部压力P的动脉血管被外物施力F时，部分压扁动脉管壁使周边应力T发生变化，方向向着与外力F正交的方向的力抵消。F一定时，内部压力P等于外部压力F
动脉张力测量仪 (a) 外观图 (b) 原理图
皮肤表面
传感器
半径
动脉壁
T
T
压力传感器
贮气管
固定压力
(b)
(a)
动脉张力测量法原理
F
T
T
F=PA
P
连续无创血压测量(动脉容积测量)
1973年Penaz提出
指端戴一个充气或充液的指套，调节指套压力与血管容积保持恒定，获最大脉搏波
脉搏波的变化通过红外光检测，并反馈到指套，对指套压力通过电动振荡器进行调整，保持指套压力等于动脉压，通过压力传感器测量该压力值
动脉容积钳制法原理图
电动
振荡 器
振荡器
放大器
参考输入
光电容积描计器输出
橡胶膜片
光电检测器
手指
光源
装满水的腔室
压力传感器
放大器
压力输出
心输出量(CO:Cardiac Output)
心输出量是指心脏在单位时间内输出的血量(单位,L/min)
心输出量可以由心脏每博输出量(SV, L/beat)计算，当心率为HR(beat/min)时，心输出量为CO = SV * HR
心输出量的测量方法很多，常见的方法有Fick法、稀释法、左心室造影法、压脉波法、超声法、电磁血流计法和胸阻抗法等，采用何种方法应视测量目的、精度和对象状态的不同而定。
指示剂稀释法
指示剂稀释法是将指示剂(色素、放射性核素等)注入血液的上游，在其下游测量指示剂浓度随时间变化的稀释曲线，并相据该稀释曲线计算血流量。
设血液的流动为稳定状态，血流量为Q(L/min)，在上游入口处瞬时注入的指示剂量为I(mg)．在对应时间的t的dt内，在下游出口处通过的指示剂浓度为c(t)(mg/L)，则当指示剂没有再循环时，有
积分式为稀释曲线的浓度面积
指示剂
最常用的指示剂是——印度花青绿(心脏绿)，这种染料指示剂具有惰性、无害、可测性、经济等待点，且可始终留在血管内，染料可稀释在生理盐水中，通过导管沿肺动脉直接注入，或用注射针注入大静脉或接近大静脉的静脉管内。用恒流泵从放在股动脉或肱动脉的导管通过比色皿反复抽取血样，用比色计测量其中的染料浓度，从而绘出染料稀释曲线
另一种指示剂采用放射性
核素，在末梢静脉注入放射性核素24Na或32P，在胸前放置检测用的闪烁计数器，测量放射性核素被稀释的情况，并绘出稀释曲线，进而计算心输出量，这种方法称为放射性核素稀释法。
指示剂的弊端
采用染料稀释法，由于心脏左右部分之间存在分路，血液的再循环比正常要快，因而在稀释曲线上造成一个提前的再循环高峰，并且由于循环中染料的积累而引起基线的逐步提升
热稀释法
通过漂浮导管在右心房上部一定的时间注入一定量的冷水，该冷水与心内的血液混合，使温度下降，温度下降的血流到肺动脉处，通过该处热敏电阻监测血温变化。其后低温血液被清除，血温逐渐恢复。肺动脉处的热敏电阻所感应的温度变化，记录温度稀释曲线。