生物医学传感器复习资料

第一章 传感器与生物医学测量

（1）国家标准(GB7665—87)关于传感器的定义，传感器的组成部分及其作用。

定义：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，它通常由敏感元件和转换元件组成。 传感器的组成：敏感元件，转换元件，信号调节转换电路，辅助电源

传感器的作用：将一种能力转化为另一种能量形式。 （2）生物医学测量仪器的三个主要部分及其所起作用。

⏹ 传感器和电极 ⏹ 放大器和测量电路

⏹ 数据处理和显示装置(现代生物医学测量仪器已包括治

疗仪器组成完整的生物医学仪器，也包括基于网络的数据传输部分。)

（3）常见生理参数的测量范围（心电，脑电，肌电） 心电图ECG :（所用传感器）体表电极 (幅值)50uv —5mv (频率)0.05—100Hz

脑电图EEG :头皮电极 2—200uv 0.5—100Hz 肌电图EMG:针电极 20uv —1mv 10Hz —20kHz

（4）通过人体的低频电流（直流～1KHz ）对人体的作用有三个方面。

⏹ 产生焦耳热；

⏹ 刺激神经、肌肉等细胞；

⏹ 使离子、大分子等振动、运动、取向。

第二章 生物电信号的特征

（1）什么是膜电位？静息时细胞膜内外常见离子浓度情况如何？

膜电位（membrane potential ）：在可兴奋组织（如神经，肌肉或腺组织）的细胞膜内外，存在着不同的带电离子。膜外呈正电，膜内呈负电，存在着一定的电位差。平时呈现静息电位,细胞膜内介质的静息电位约为-50mV ～-100mV ，细胞内带负电,细胞外带正电。（静息电位（resting potential ）：是指细胞未受刺激时的膜电位，即处于静息状态下，细胞膜两侧存在的电位差。） 静息时:

⏹ K +

的膜内浓度比膜外高30倍; ⏹ Na +的膜外浓度比膜内高10-15倍; ⏹ CL -的膜外浓度比膜内高4～7倍; ⏹ Ca 2+

的膜外浓度比膜内高104

倍; ⏹ 蛋白质阴离子的膜内浓度比膜外高等

由此可知,膜内外的K +

、Na +

、CL -、Ca 2+

等离子之间各有一定的浓度差形成浓度梯度。

（2）能斯特(Nernst)方程以及利用能斯特方程求静息时K +

的平衡电位εk 。

（式中ε为扩散电位差，生理学上为

膜两边的跨膜电位）

例子：已知人体神经细胞内、外K +

的有效浓度分别为[K +

I ]和[K +o ]（单位为mol/L ），则根据Nernst 方程式计算出 K +

的平衡电位εk :

k=1.38x10-23

J·K -1)，T 为绝对温度(K)，Z=+1，e=1.60x10-19

C 在人体体温(37℃)下，若将各项值代入，则Nernst 方程式可化为: 代入表2.1给出参数,得εk =-89mV,理论计算值与实测结果（－

86mV ）很接近。

（3）细胞膜的模拟等效电路

细胞膜等效电路为电容和电阻并联形式。

例子：若细胞膜面积S=5x10-6cm 2,厚度d=10-6

cm,ε=3.26 膜的电容值：

d

S C πε4=

=1.3pF=1.3×10-12

F(法拉) 若已知膜电位为V = - 86mV ，代入公式Q = CV,可求得应带的电量为Q=1.3×10-12

× 0.086 = 1.1×10-13

库仑(C)。

这些电量应是Q/e 个K +

离子所有,已知e=1.6×10-19

库仑（即K +

离子的电量）,得参与扩散的K +

离子数应为：Q/e = 6.9×105

。 已知典型的细胞体积为10-9

cm 3

,K +

离子的浓度约为0.14克分子/升,或每立方厘米约有0.14×6×1023

/1000 ≈1020

个离子。 照此计算,每一细胞内就有：1020

×10-9

=1011

个K +

离子,其中只有6.9×105

个K +

离子向膜外扩散

（4）什么是动作电位，动作电位在去极化和复极化过程中各个时期的特点（包括时程，电位幅度，K +

、Na +

、Ca 2+

离子运动情况）。 心肌细胞受到窦房结发来的电脉冲剌激时(阈剌激),受剌激部位膜电位将发生短暂的电位变动，最初膜电位升高,接着慢慢恢复到原来静息电位水平。这个过程经历300ms 时程,膜电位的变动,生理学上称为“动作电位”。

1.去极化：去极化即除极,是动作电位的0期。（当可兴奋的细胞受到外界剌激,如给它以电剌激,剌激电流从膜内流向膜外,因此膜的极化状态减弱,称之为去极化。）

⏹ 表现：去极化达到一定临界水平,即阈电位,便产生兴奋。

这时细胞膜的极化现象消除,出现膜内为正、膜外为负的反极化状态:在短时间内由-50mV —100mV 变到+20mV —+40mV ,构成动作电位上升支(去极相)。快钠通道“开放”，Na +

通过快钠通道,向膜内迅速扩散,使膜电位升高得很快,最快变化率可达800v/s,上升幅度大(-80mV 至＋30mV)。

⏹ 特点：对于心肌细胞,此期历时很短,仅1～2ms 。 2.复极化：是从去极化电位达到正峰值后开始,一直恢复到静息电位水平状态之间的过程。（动作电位的产生,取决于细胞膜两边的电压和膜对于Na +

、K +随时间变化的通透性。）

1期:亦称快速复极初期，Na +

向内扩散减慢,而K +

的向外扩散则缓慢地上升,两者达到动态平衡。膜外CL -浓度高于膜内4～7

倍,而且此时膜内电位为正,高于膜外,故CL -

借助于浓度差和电位差两者的作用而大量向内扩散,使细胞内的电位逐渐降低。1期占时平均约10ms 。

2期:缓慢复极期或平台期，胞外Ca 2+

浓度比细胞内高得多，此期慢钙通道‘早已开放’,并且开得很大，Ca 2+

在浓度梯度作用

)(]

[]

[lg 3.2mV K K e T

O I k +

+Z -=κε)(]

[]

[lg 51.61mV K K O I k +

+-=ε