第5课 其他生物电测量及仪器

生物电测量与仪器 ——其他生物电测量

刘谦
Qianliu@

华中科技大学· 生命科学与技术学院

BIoMedical Measurements and Instrumentation（BMI）


参考书和资源


生物医学测量与仪器，王保华，复旦大学出版社，2003年


OpenEEGproject ，/OpenECG，




内容


视网膜电图、眼电图及眼震电图


胃电图


多道电生理记录仪


生物磁测量:心磁图和脑磁图




视觉电生理


视觉电生理检查是应用视觉电生理仪测定视网膜被光照射或图像刺激时在视觉系统中产生的生物电活动，用来探索视觉形成的机理及对视觉有关疾病和与之相关的神经感官疾病的诊断，还可用于病情监视、预后评估、疗效鉴定及发病机理的研究


视网膜电图(Electroretinogram)


眼电图(Electrooculogram)


眼震电图(Electronystagmogram)




眼的结构



光感受细胞和电极


超微电极(尖端小于1微米)技术的发展可使电极刺入脊椎动物光感受器细胞(直径几微米至十几微米)，记录和分析单个光感受器的生物电活动。在暗处，由于钠离子流持续从胞外流入胞内，光感受器细胞膜的静息电位较低，胞内记录约为－30毫伏，光照时，钠通道关闭，钠电导下降，使膜电位接近钾离子的平衡电位，光感受器的胞内电位变得更负，形成超极化。这是光感受器电反应的重要特点。此外，它是一种随光强增加而逐渐增大幅度的分级电位，并不产生神经细胞最常见的生物电形式──动作电位。




视网膜电图


视网膜受到闪光刺激时，视网膜内表面（或角膜）上电极与前额（或耳垂）参考电极之间会有短暂电位变化，这些电位变化的总和成为视网膜电图ERG






视网膜电图波形


A波主要来源于感光细胞的感受器电位；B波幅度较大，主要与双极细胞等细胞的活动有关；C波平缓而持续时间长，可能与色素细胞层的活动有关


A、B、C三个波反映了正常视网膜的特性，其中B波最具有临床价值，因为它来源于视网膜，患色素性视网膜炎的病人，其视网膜电图没有B波出现。





FERG和PERG


闪光ERG（Flash-ERG）
FERG是视网膜受到闪光刺激后从角膜面记录到的生物电反应，主要反映视网膜第1、第2神经元的功能。





图形ERG（Pattern-ERG)
是用亮度呈周期性改变的光栅或棋盘格刺激视网膜后从角膜面记录到的生物电反应，主要反映视网膜第3神经元的功能





FERG和PERG联合应用，则可反映全视网膜的功能




临床应用


视神经和视路疾病


继发于脱髓鞘疾病的视神经炎


检测弱视的治疗效果


判断婴幼儿和无语言能力儿童的视力

鉴别伪盲


预测屈光间质混浊的患者术后视功能


例：青光眼眼压达到或超过眼动脉舒张压时，ERG的a、b波振幅均明显降低甚至消失




眼电图


眼电图是眼运动引起的电位变化记录。跨网膜存在着静止电位，角膜侧为正，巩膜侧为负这可以看作在那里有一定大小的电偶极子的存在。为了检测眼球的水平运动，把一对电极分别置于眼内角和眼外角，检测垂直运动时则置于眼睑上下，记录两者的电位差。当眼睛的位置在固定参考点时，眼电图的电位定义为零，眼球水平移动时，眼电图的电位变化，旋转时角膜侧电极则比另一电极偏正。


眼电图可提供眼睛的取向、角速度、角加速度




眼电位变化与视角





眼震电图


ENG是眼球运动时角膜和视网膜电位变化的记录






眼震电图记录


由于ENG信号很微弱，常受到较强的交流电和肌电信号的干扰，故在记录ENG信号时，常采用低通滤波器LPF滤除15Hz或20Hz以上的干扰


记录的信号除ENG外，还可采用微分法得到速度波形









眼震电图计算分析系统




胃电图


胃电图EGG（Electrogastrogram）是将电极放置在腹部记录到的胃肌电活动信号。胃电图（常包括肠电图，合称胃肠电图）用于肠胃运动功能的检测，如非溃疡性消化不良、肠易激综合症等疾病。


胃肠电信号是μV量级，频率范围为：胃电的正常范围是2.5~3.6次/分(CPM)，在3.7~9.9次/分范围内的是异常胃动过速；在1~2.4次/分范围内的是异常胃动过缓；结肠电的正常范围是1~7次/分，小肠电的正常范围是8~12次/分。




胃电图


胃肠肌电活动是在神经、激素和其他因素的调节下进行的。基本的胃电活动是：⑴慢波：是胃平滑肌的基本电节律，正常值为3次/分（CPM）。⑵快波：峰电位或动作电位，是环形肌收缩时的电活动。通常体表胃电测量的仅是慢波成分


由于胃肠电信号幅度微弱，频率范围接近直流，具有随机特性，因此需要高性能的放大器，即要求其放大器具有高增益、低噪声、低漂移、高稳定和高灵敏的特点。




胃电图发展历程


1922年至1950年是胃肠电图的初创探索阶段
美国阿瓦列兹(Aivarez.W)于1922年应用弦线电流计和电子管心电图机等设备在一名患癌的老年妇女身上记录了世界上第一幅胃电图


美国汤姆帕(Tumpeer.H)在1926年从一位患幽门梗阻的老年妇女和一位5岁男孩身上记录到胃电图。所用仪器是用心电图标准Ⅲ导联，记录的弱胃电信号淹没在心电图的信号干扰中







胃电图发展历程


五十~七十年代是胃肠电图的深入研究阶段
世界各国学者在胃肠道平滑肌电生理特性，快

慢波起源及生理病理等领域取得了开拓性的成果，1959年西德学者正式提出胃电图的名称





八十年代至今是胃电图的发展、应用阶段
1983年在美国加利福利亚召开国际胃电图学术会议，美国斯登于1985年出版了第一本专著“胃电图学”


1999年11月由申华医学会召开的厦门胃电图学术会议，制定了我国胃电图诊断标准







胃电图仪原理结构


新型双导智能胃肠电图仪原理结构方框图


电极位置



1、胃体 2、小弯 3、大弯 4、胃窦 5、升结肠6、横结肠 7、降结肠 8、直 肠

胃

结肠


胃电图仪参数


波形平均幅值(并将幅值分段统计)
反映波形幅值大小。其波形幅值的大小，一定意义上间接反映其胃电功率的大小。


一般健康人餐前为150～25OμV，餐后可为150～30OμV；<150μV可能为胃炎，餐前>25OμV，餐后>30OμV可能有溃疡性疾病。





波形平均频率(并将频率分范围统计)
反映胃肠电节律的快慢。正常成人胃电节律为2.4～3.7CPM；<2.4CPM为胃动过缓(胃电节律过缓)，>3.7CPM为胃动过速(胃电节律过速)





胃(肠)电节律紊乱百分比
反映胃肠电节律的不规律性或离散性。一般< 15%为正常，>40%为节律紊乱，15%～40%为轻度紊乱。







胃电图仪参数


波形反应面积
反映胃电图的功率大小，一定意义上体现其胃肠舒缩运动指标。正常成人为50～15OμV.S。





导联时间差(传导速率)
反映胃电扩布速率，即从胃起博点(胃体上部)扩布至其它部位所需的时间。全胃扩布最大时间一般小于10秒，否则胃电扩布发生障碍，有可能胃功能失常或病变发生





主频率
反映胃肠电图波形合成的主要谐波频率成分。正常成人的谐波主频率为2.4～3.7CPM







胃电图仪参数


主功率比
谐波主频率波形的功率占整个谐波波形功率之比（%）





正常慢波百分比
正常范围内胃肠电图的波形占整个胃肠电波形的百分比例，一般大于65%为正常，反之异常。





慢波频率不稳定系数
反映慢波频率不稳定因素的变化情况。一般小于20%，否则有可能异常节律波形过多，可与胃电节律紊乱百分比参数综合判断。







胃肠电信号分析


胃肠电是随机信号，单个波形是没有意义的，无法用肉眼直接分析，一定要经过计算机对胃肠电信号进行统计分析处理。傅里叶频谱分析是现今对胃肠电分析的最有效的方法。常用频谱图（横坐标表示频率，纵坐标表示功率强度）和运行图谱（X轴表示频率，Y轴表示时间，Z轴表示功率强度）来进行分析。测量频谱图上的峰值功率Pd及其相对应的主频Fpo（又称基频）；在胃肠电波形图上测量平

均峰值幅值Ap和信号平均过零次数Fz，这些参数对诊断有重要意义。




胃肠电信号分析



生物磁现象


生物电学，生物磁的研究是近代才开始的，尽管人们熟知电与磁的孪生关系，而且预言生物磁信号肯定是存在的，但是直到1963年才由锡拉丘兹大学的鲍列和麦克菲第一次从人体上探测到小磁场。可见，生物电信号的首次记录（1875年）与生物磁信号的首次记录相比，后者落后，主要是由于生物磁信号极其微弱，而且往往深深地埋藏在环境磁噪音之中，测量仪器的分辨率长期达不到要求，随着科学技术的逐渐发展，问题才逐步得到解决。迄今探测到的生物磁场有心磁场、肺磁场、神经磁场、肝磁场、肌磁场、脑磁场等。




产生原因

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由大然生物电流产生的磁场。人体中小到细胞、大到器官和 系统，总是伴随着生物电流。运动的电荷便产生了磁场。从 这个意义上来说，凡是有生物电活动的地方，就必定会同时 产生生物磁场，如心磁场、脑磁场、肌磁场等均属于这一类。

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由生物材料产生的感应场。组成生物体组织的材料具有一定 磁性，它们在地磁场及其它外磁场的作用下便产生了感应场。 肝、脾等所呈现出来的磁场就属于这一类。

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由侵入人体的强磁性物质产生的剩余磁场。在含有铁磁性物 质粉尘下作业的工人，呼吸道和肺部、食道和肠胃系统往往 被污染。这些侵入体内的粉尘在外界磁场作用下被磁化，从 而产生剩余磁场。肺磁场、腹部磁场均属于这一类。




生物磁测量


1T = 10000Gs 1Gs=10^(-4)T


生物磁现象
人体生物磁场的来源
生物电流产生的磁场（心、脑磁场）


生物磁性材料产生（肝、脾等产生磁场）


侵入人体的铁磁物质产生剩余磁场（Fe3O4粉末吸入肺部）





磁场强度
肺磁场强度：10^(-7)—10^(-4)高斯


心磁场强度：10^(-6)Gs


自发脑磁场：10^(-8)Gs


环境磁场强度：地磁：5*10^(-1)Gs；交流磁场10^(-4)Gs










生物磁测量


生物磁现象
人体生物磁场的来源
生物电流产生的磁场（心、脑磁场）


生物磁性材料产生（肝、脾等产生磁场）


侵入人体的铁磁物质产生剩余磁场（Fe3O4粉末吸入肺部）





磁场强度
肺磁场强度：10^(-7)—10^(-4)高斯


心磁场强度：10^(-6)Gs


自发脑磁场：10^(-8)Gs


环境磁场强度：地磁：5*10^(-1)Gs；交流磁场10^(-4)Gs









1T = 10000Gs 1Gs=10^(-4)T



SQUID


在强的背景磁场(地磁场及环境磁场)测量微弱的生物磁信号，通常采用超导量子干涉仪(supercoductinquantum interference device，SQUID)来完成，SQUID的灵敏度可高达10^(-14)~10^(

-15)T的量级，是通常的磁通计、磁通门难以比拟的，即使是铁氧休电感应线圈，其检测灵敏度还要比SQUID低1-2个数量级





直流超导量子干涉仪


RF-SQUID



心磁图（MCG）


1963年首次检测到心磁场


心磁图信号在10^(-6)Gs量级，采用SQUID比较容易测量。心磁图(McG)与心电图(EcG)类似，也有F波、QRs综合波群和T披等，这是因为McG和EcG的产生皆源于钠钾泵使细胞膜内外钠钾离子浓度的改变而引起的离子电流。


MCG比ECG可提供更多的信息
例：可将胎儿的MCG与母体的分开，而测ECG则比较困难，需用信号处理技术。







心磁图（MCG）


心磁图的测量方法很多，取被测点的数量、位置也不相同。






心磁图（MCG）





脑磁图(MEG)


1968年首次检测到脑磁场（脑磁图MEG）,EEG与MEG之间存在密切的关联


脑磁图可用来研究大脑和脑神经活动。脑磁图源于原始的脑电活动，由于颅骨为一非铁磁物质，因而在体外测得的脑磁图能准确地反映大脑活动，而脑电活动经颅骨后可能产生波形畸变。


MEG的优点：
MEG无需皮肤接触


可直接反映脑内场源的活动状态


有很强的特异性







其他生物磁场


肺磁场
1973年首次发现


由强磁性污染所产生的剩余磁场


检测方法：
利用消磁器使胸部全面消磁，得到第一张肺磁图


施加磁化场，使磁性物磁化，得到第二张肺磁图


第二张减去第一张，得到第三张肺磁图





用途
职业病检查


磁示踪








其他磁场
视网膜磁场


肝磁场