第四章 生物电测量

1792年发表了著名论文《论肌肉运动中的电力》，生物电现象是自然界普遍 存在的一种电现象
• 生物电是生命基本特征，是信息的传递、肌肉收缩和运动的基础 • 心电、脑电、肌电、眼电…… • 生物电比较弱，电压只有数十微伏至数十毫伏
1.
细胞电学特性
细胞静息电位:静止时细胞膜内负,外正
负电位 -50mv-100mv
第四章
生物电测量仪器
• 心电测量模型： 电生理基础、电极、测量方式 • 心电测量电路 • 脑电图测量简介 • 肌电图测量简介
一、生物电生理基础
1. 2. 3. 4.
细胞电学特性 动作电位特点 生物电测量基础 人体电阻抗
• 高等动物神经、肌肉有电流、电压的产生和传播
1786年伽伐尼用金属刀与蛙的神经闭合回路，肌肉搐搦，表明回路存在电流
http://www.med126.com/eflash/HTML/2857.html
0.04s~0.08s
各段解释
信号传输 电位弱
处于保持状态，因此电 位近似为等电位线
幅度小
除极化，极化
P，R，T含义
段与间期：PR，QRS，ST
PR段代表在心房纤维上传输时间
时间、幅度量化
心电图打印纸
（粉红色的纸）
导联向量图
额面心电六角图(冠状面)
不同导联反映心电矢量不同方向投影
哪一个为负?
心电图
根据矢量方向与M的夹角
判断导联电压的大小及正负
如III导联，夹角近90度，故小；aVR为负
心电图反映心脏功能
• 心律失常：正常窦性心律，心电来自窦房结 早搏则不如此 • 心室肥大：R波增高（极化过程延长，幅度大） • 心肌缺血：ST段下移 • 预激综合症（先天缺损，心肌提前激动，PR时间小） • 房室传导阻滞：PR大于0.2s
临床上常用的体表电极
• 临床上常用的体表电极种类繁多、形状多样 • 常见的有金属板电极、Ag/Agcl电极等
• 体表生物电检测中最常用的电极是Ag／AgCl电 极。它的结构是在金属银的表面覆盖一层难溶解 的银的盐类AgCl，再浸入含有氯离子的溶液中。 电极可以用下列符号表示：Ag|AgCl| C1• 实际应用的Ag／ Ag Cl电极极化电压很低，对生 物电的检测影响小，在临床上得到广泛的应用。
加压导联
• • • • aVR=VR-VC VC=-(VF+VL)/2,可用分压简单计算 VF+VR+VL=0,相当于0点从O到C aVR=VR+1/2VR=3/2VR
VC
C
O点，电位0 VC=(VF+VL)/2= -VR/2
aVL=3/2VL, aVF=3/2VF
VR
是肋骨间隙,而不时肋骨(信号太小了) 腋前线指腋窝前边, 腋中线指腋窝中间位置
A
B
心电测量模型
心电测量等效电路
心脏位置
心电如何测量技术（电路）
• 电极放在体表
• 放大、滤波、显示等
心电图机发明
1860年5月21日－1927年9月29日 荷兰医师与生理学家 发明了心电图机、确定了测量方式、命名的P,QRS.T波 确定了时间和幅度量化方式
心电图机发明的思想
没有放大器，没有打印机，描图仪 测弱电流检测： 在磁场中，利用0.002毫米的镀银石英丝检测 手脚放在盐水中减小电阻 描迹： 利用光学方法使悬线遮挡光线形成阴影，在感光 纸上描迹并使其移动。
电极在生物体内离子导 电和金属的电子导电体 系之间形成一个电化学 界面，能实现离子流与 电子流的互相转换，从 而使生物体和测量仪器 间构成了电流回路。
电极 机体外
＋
机体内
-
生物电检测电极示意图
＋
＋
＋
-
-
＋
＋
＋
-
-
-
电极的接触与极化
• 电极电位，电极与皮肤接触产生基础电位
• 电极与电解液处于静态平衡时，电极与电解液 间没有电流流过。当接上仪器的电路时，就有 电流流过这个界面。原有的平衡被打破，电极 的半电池电位与没电流时不同。 • 极化电极，是当电流通过电极界面时电极电位 偏离平衡电位的现象。在有和无电流通过两种 情况下电极的半电池电位的差值称为极化电压。 极化电位是交流信号
• 人体内有大量体液，细胞，纤维悬浮在体液中， 生物电可看成电流源浸在在溶液中。 • 看成容积导电，例如，心脏电偶极子导电膜性 • 实际中电偶极子是动态变化的
• 电偶极子两个相距很近的等量异号点电荷的系统。
• 电偶极子的特征用电偶极距P=lq描述， • l是两点电荷之间的距离，l和P的方向规定由－q指向+q。
肌肉、导电纤维、腔体
一、心电图产生
• 心电产生的机理
• 心电信号的性质
• 心电信号的意义
心脏的电信号产生过程
窦房节发出兴奋(电源)
通过纤维组织(导线)传向心房和心室的心肌细胞
传导引起去极化 通过心脏周围的导电组织和体液反映到身体表面， 形成电变化,人体任意两点存在电位差，心电信号 Ca++离子释放，与细胞内收缩肌蛋白作用引起收缩
“首先我们应当努力去更好地了解心脏工作的细节以及造成多种 心脏异常的病因，只有基于明确的认识和精进的知识方能使我们 有可能在仍然遥远的将来解除患者所忍受的痛苦。” ——威廉· 埃因托芬
其他导联
•标准导联，双极测量 •加压导联 •胸部导联，单极导联
标准导联：双极导联电压关系
VI=VL-VR，VII=VF-VR，VIII=VF-VL
• 1903发明,1924年获得诺贝尔奖金
• 肢体导联（导线连接方式） • 标准导联，I，II，III，规定的测量方式
+,- 指接放大器的输入端
•4肢电位等于该连接点电位是近似的 •矩形内任意一点的电位,与A,B近似相等 •A,B间距离较近,近似等电位 •上下肢内两点ECG近似为0,包括头中的ECG也近似与上锁骨相同 •一个在手,一个在头,有无ECG •测量EMG不要在胸部,在肢体间(ECG小) •EEG要在脑部两点间
•心脏电活动等效为电偶极子，右心房-左心室，斜下方 •中心电位为0，体腔均匀导电,相对电偶极子,体腔很大
爱因托芬三角形的作用
• 反映心脏电活动的空间关系 • 进行了假设，奠定了肢体导联的测量方式
• 建立了测量与心电的关系（测量与待测信号 的关系），相当于心电测量的模型，即测量 建模
• 达芬奇： 维特鲁威人比例研究 • 意大利文艺复兴时期的画家 • 人体中自然的中心点是肚脐。因为如果人把手脚张开 ，作仰卧姿势，然后以他的肚脐为中心用圆规画出一 个圆，那么他的手指和脚趾就会与圆周接触。不仅可 以在人体中这样地画出圆形，而且可以在人体中画出 方形。即如果由脚底量到头顶，并把这一量度移到张 开的两手，那么就会发现高和宽相等，恰似平面上用 直尺确定方形一样。”
VII=VI+VIII
加压导联:aVR,aVL,aVF
三个电阻构成中心端，电位为0 断开待测肢体与中心端连接，增加电位
单极导联
如何产生零电位
参考电位：人体肢体电阻不相等 威尔逊网络：三个肢体分别接个5k电阻连在一起， 连接的交点近似为0电位 注意:电路地电位为参考点,不是实际0电位
威尔逊网络
电阻为保持各段均衡
原因： 电化学活动产生的离子的输运过程
细胞内K+多,Na+少;细胞外K+少,Na+多
细胞膜通透性:K+通透性好,K+向外扩散,Na+不能进入
细胞内留下带负电的离子
外部的K+离子产生的电场力抑制扩散，当与扩散相等 则处于动态平衡
2 动作电位(兴奋)
外部刺激电流细胞Na+流向膜内电位升高，20mv40mv 上述过程称为极化
刺激产生的电位变化超过临界值或达到极限，钠离子不再 流入细胞内，细胞内的钾离子流出电位下降，称为复极化
利用细胞主动循环，Na+膜外，K+膜内
钠
钾
去极化
复极化
离子通道打开和关闭情况
动作电位特点
• 兴奋电位沿神经纤维传输，幅度不衰减
• 离子导电过程
兴奋过程传播
神经纤维如一个长的圆柱体
(a) 金属板电极 (b) 金属盘电极 (c) 泡沫园盘电极.
吸附电极
经皮注射式针电极（a）和丝电极（b）
• 干电极:
• 交流电电容耦合，利用场效应管产生电 压，不需要导电膏
• 胎儿电极
三、心电图机
• 心电如何产生 • 心电测量方式 • 心电图机 结构、性能参数、电路分析
心脏结构
结间束
电活动结构图 血液循环图
+
-
容积导电
• 电池的正极与负极（一对电偶）放在一大盆稀释盐溶液中，由于稀释的盐 水是一个导体，根据电学原理，有无数条电流线自正极流向负极，这种导 电的方式称为容积导电。
• 在整个盐溶液的各部分都有一定电位，在连接电偶正、负极的轴线中点的 垂直面（CD面）上，由于它与正、负两极的距离相等，故电位等于零；在 此平面的两侧，有无数等电位线，每条曲线上任何一点的电位均相等；
二、电
电极: 金属片，金属丝
极
直接测量两点电位差
Cl-为导电膏，保证接触良好
将人体离子导电变为体外电子导电，相当于传感器
电极电位(接触电位)
• 金属离子扩散溶液，金属带负电 • 吸引离子沉淀，离子分布在电极附近，抑制扩散， • 当扩散与沉淀平衡时形成双电层（电容），产生电极电位
电离过程
金属离子扩散，溶液中负离子在电极上还原，都释放电子 体外电路为电子导电



VR+VF+VC=？
• 假设电偶极子很小,且在中心以保证到三角形各 个顶点距离相等,而且M近似沿中心线
• 根据电偶极子公式判定 • VR可看成相对M夹角为180度，VFVL与M
角为60度 • r均相等，r=OL=OF=OR
如何增大测量的电位
• • • • 增大电极距离 减小与电偶极子（斜下方）的夹角 靠近心脏（r小） 在软组织处，减小内阻
• 心脏位于体液之中，好像一个电池放在 含盐溶液中一样，心脏相当于一对电偶， 每次激动所产生的电流，必然通过体液 传导，在其周围形成一个心电场。
• 实际中电场是动态变化的
• 电偶极子 (electric dipole)
• 极化矢量(M) 去极化时
负 正 不同时刻， 大小方向不同
心脏电活动模型
(负正表示细胞外电位)
局部电流产生刺激
•
在膜外侧，电流从静息膜流向兴奋膜；
• 在膜内侧，电流由兴奋膜流向静息膜。
• • • 结果使静息膜膜内侧电位升高而膜外侧降低，即发生了去极化。 当去极化使静息膜的膜电位达到阈电位水平时，大量钠通道被激活，引 起动作电位。 在末端复极化，局部电流使内膜电位低，外膜电位高，
3 心电测量基础
单极导联
计算VW
心脏到各个肢体电阻不等 外接3个平衡电阻5k 保证R近似相等
计算VW
某点电位： 假设r为到偶极子中心的距离 M=q.d q:电量，d:偶极子间距
1 M.r U 4 r 3

两点间电位
若rA=rB=r，r为到偶极子中心的距离
U AB
1 M .( rA rB ) 4 r3
• 接近电偶正极者，电位越高，越接近电偶的负极者电位越低。 • 零电位面的正极侧为正电位区，零电位面的负极侧为负电位区。 • 容积导体中任一点的电位（V）与电偶电动势（E）成正比，与该点和电偶 中心的距离（r）的平方成反比，以及中心线矢量与偶极子方位角θ的余弦 成正比(电偶极子方向：负正的夹角)。 • V=E·cosθ／r2
心电图(ECG or EKG) Eelectrocadiogram
• 从体表记录心脏兴奋的产生、传达和恢复的过程， 反映心脏电位变化曲线 • 横轴为时间，纵轴为幅度 • P，QRS，T
• 电偶极子 (electric dipole)
• 极化矢量(M)
负 正 不同时刻， 大小方向不同
心脏电活动模型
总的电极的电位
• 生物电电位差＝两个电极间的电位差
• 电极的电位＝电极电位+极化电位+原有电位
电极等效电路
Ehe
电极(Electrode)
Biblioteka BaiduCd
Rd
胶(Gel)
Rs Ese
Sweat glands and ducts
EP
表皮(Epidermis) Ce Re CP RP
真皮
Ru
电极等效电路 真皮以下等效为纯电阻
1mm:0.04s(小格)，0.2 s, 大格
1mm:0.1mv(小格)，大格0.5mv
ECG性质
• 心脏及体表有电流和电压
• 电压小
• 频率低
心电测量方式（如何测量）
电极放在心脏或体表
体表何处？
能反映心电性质，并且测量方便
爱因托芬文三角形
•三个导联构成等边三角形，心脏位于中心
左、右肩、肚脐为三个顶点，4肢电位等于该连接点电位
4 人体电阻抗
• 体内是离子导电
• 离子导电以离子扩散为主
• 扩散阻力存在，有电阻存在 • 细胞膜具有电容性质 • 一定条件下具有电感特性
2. 组织电特性： ,电导率
与组织有关：
血液，分泌液体良导体 神经，肌肉，器官次之 皮肤，脂肪，骨胳是不良导体
与频率有关，方向有关，温度有关 阻抗与人体状态有关，如疼痛皮肤阻抗小于正常情况 放松时阻抗小