2. 生理信号基础与测量原理

生命体征监测设备的核心任务，是把人体内部持续发生的生理活动转换为可记录、可判读的电信号或光学信号。心电、呼吸、体温、血氧、血压这五类参数虽然最终都显示为数字或波形，但它们的生理起源、信号形态、噪声来源和传感器选择原则差异很大。理解这些差异，是后续电路设计、滤波算法、电极选型和临床判读的基础。

一、五类生理信号的起源与波形特征

心电信号（ECG）起源于窦房结起搏后心房与心室肌细胞的除极和复极过程。体表电极拾取的是大量心肌细胞动作电位叠加后的电位差，典型幅值约 0.5～4 mV，频带主要集中在 0.05～100 Hz。一个标准心搏周期包含 P 波（心房除极）、QRS 复合波（心室除极，幅值最大、上升最陡）和 T 波（心室复极）。QRS 波群的能量集中在 10～40 Hz，因此监护仪常以 0.5～40 Hz 带宽提取心搏，以 0.05～150 Hz 带宽做诊断级分析。

呼吸信号的起源是胸廓容积随吸气扩张、呼气回缩。测量方式分两类：一类通过胸阻抗变化间接反映容积（阻抗呼吸描记），另一类通过气流、压力或温度直接感知呼吸。呼吸波频率低，成人静息约 12～20 次/分，对应 0.2～0.5 Hz，幅值变化缓慢，极易被体动和心搏搏动干扰。

体温信号本质是热辐射或热传导引起的物理量变化，变化极慢，时间常数常以分钟计。核心体温与体表温度差异明显，腋下、口腔、直肠、鼓膜等部位读数不同，选择传感器时必须先明确测量部位和临床意义。

血氧信号基于氧合血红蛋白与还原血红蛋白对红光（约 660 nm）和红外光（约 940 nm）吸收率不同的原理。脉搏血氧仪利用动脉搏动引起的吸收变化，分离出脉动分量（AC）与非脉动分量（DC），计算 R 值并查表得到 SpO₂。其信号本身是光强变化，幅值极小，通常只有总光强的 1%～2%。

血压信号是心脏射血与血管阻力共同作用的结果。无创袖带法通过充放气过程中的振荡波幅值包络推算收缩压、平均压和舒张压；有创法直接测量动脉内压力波形，可观察到收缩期上升支、重搏切迹和舒张期衰减。

二、噪声与干扰来源的层次划分

生理信号测量中的干扰可按来源分为三层。第一层是生理性干扰：肌电活动、患者体动、呼吸引起的基线波动、心搏对呼吸和血氧的调制，这些干扰与目标信号同源或频带重叠，无法靠简单屏蔽消除。第二层是接触性干扰：电极与皮肤之间的接触阻抗变化、电极极化电位、传感器贴合不良、袖带漏气，这类干扰与操作质量直接相关。第三层是环境与设备干扰：50 Hz 工频耦合、电磁辐射、电源纹波、放大器失调漂移。

以心电为例，50 Hz 工频干扰通常通过右腿驱动电路和共模抑制比（CMRR）大于 80 dB 的仪表放大器抑制；基线漂移由 0.05 Hz 高通滤除；肌电干扰则需在 35～40 Hz 低通与 50 Hz 陷波之间权衡，过度滤波会削平 QRS 波幅值，影响心率检出。血氧测量中，环境光干扰靠探头遮光和调制解调技术抑制，低灌注时 AC 分量过小会导致读数失败，此时应更换测量部位或改用耳夹式探头。

三、电极与传感器选择原则

选择原则可归纳为四条：匹配信号频带、匹配信号幅值、匹配测量部位、匹配使用场景。

心电电极优先选 Ag/AgCl 一次性电极，其极化电位低、接触阻抗稳定，适合 0.05～100 Hz 的直流耦合或准直流测量。若需长期监护，应选带导电凝胶的透气背衬电极，并定期更换。呼吸测量常用心电电极兼做阻抗呼吸，此时电极位置需兼顾心电向量和胸廓阻抗变化，通常取右上肢—左下肢导联。体温传感器按部位选择：体表用热敏电阻或热电堆，核心体温用鼓膜红外或食道/直肠探头。血氧探头按成人、儿童、新生儿区分指夹式、耳夹式和粘贴式，发光波长和光强需与组织厚度匹配。血压袖带宽度应为上臂周长的 40%，过窄会高估收缩压，过宽会低估。

四、从信号到读数的处理链

以心电监护为例，完整处理链为：电极拾取体表电位差 → 仪表放大器差分放大并抑制共模 → 右腿驱动反馈降低共模电压 → 0.05～40 Hz 带通滤波 → 50 Hz 陷波 → 16 位 ADC 以 250～500 Hz 采样 → 数字域 QRS 检测与心率计算。血氧链则为：双波长 LED 分时驱动 → 光电二极管接收透射光 → 电流-电压转换 → 分离 AC/DC → 计算 R 值 → 查表得 SpO₂。两条链的共同点是：前端必须先把微弱信号从强干扰中“救”出来，再交给数字域处理。

实际调试时，可用信号发生器注入 1 mV、10 Hz 方波模拟心电，观察监护仪是否稳定显示 60 次/分；用标准电阻箱模拟体温传感器，核对 37 ℃ 对应阻值是否在允许误差内；用模拟器输出已知 SpO₂ 和脉率，验证血氧模块读数偏差。这些示例参数属于教学假设，实际应以设备说明书和临床验证结果为准。