第3章-生物电测量仪器

可以传播,第三章生物电测量仪器,第三章生物电测量仪器,静息电位产生机理细胞膜内外离子浓度的不同细胞膜对不同离子的选择通透性,第三章生物电测量仪器,1.静息状态,第三章生物电测量仪器,扩散力,电场力,静息电位就是k+离子的平衡电位,第三章生物电测量仪器,2.除极化过程,第三章生物电测量仪器,3.复极化,恢复至极化状态,细胞动作电位过程,第三章生物电测量仪器,第三章生物电测量仪器,钠泵是镶嵌在细胞膜磷脂双份子层之间的一种特殊蛋白质，它是一种大分子蛋白，具有ATP酶的活性，当细胞内Na+增加或细胞膜外K+增加时被激活，因此又称Na-K依赖式ATP酶。,第三章生物电测量仪器,钠泵的生理意义：,建立起一种储能机制。每次动作电位之后保持膜内外Na和K的浓度差正常，是细胞具有兴奋性的基础。钠泵活动所贮备的能量也可以完成其他的生理活动，例如小肠上皮细胞对葡萄糖的继发性主动转运。钠泵造成的细胞内高K是某些代谢反应的基础。同时可以防止Na大量进入细胞内，使细胞结构和功能遭到破坏。,第三章生物电测量仪器,思考题：什么是钠泵，简述钠泵的生理意义。,心电图机电极,除颤器,第三章生物电测量仪器,生物医学电极:,第三章生物电测量仪器,生物医学电极:生物电是生物体最基本生理现象，各种生物电位的测量都要用电极。给生物组织施加电剌激也要用电极。电极实际上是把生物体电化学活动而产生的离子电位转换成测量系统的电位。电极起换能器作用，是一种传感器。,第三章生物电测量仪器,电流在生物体内是靠离子传导的,在电极和导线中是靠电子传导的。在电极和溶液界面上则是将离子电流变成电子电流或将电子电流变成离子电流,从而使生物体和仪器体系构成了电流回路。,本节首先讨论电极在换能过程中的基本机理以及这些机理对电极性能的影响然后研究电极阻抗特性和等效电路,最后介绍一些常用检测电极和剌激电极。,第三章生物电测量仪器,医用电极按工作性质可分为检测电极和刺激电极两大类。检测电极是敏感元件,用来测定生物电位的。需用电极把这个部位的电位引导到电位测量仪器上进行测量,这种电极称为检测电极。剌激电极是对生物体施加电流或电压所用的电极。剌激电极是个执行元件。,第三章生物电测量仪器,生物电的变化能够反应生物体的复杂生命现象，比如人体心血管的疾患，通常可以从心脏各部分的电活动反映出来。例如：临床医生可以从病人身上记录的心电图的细节进行分析诊断；人的神经系统及脑部的疾患在脑电图上必有所表现。因此临床上研究人的各种脏器的功能状态、疾病的发生与发展，需要有效地把生物体内细胞、离子分布电势感应导出。,生物电检测电极示意图,机体外,机体内,电极,生物电测量的等效电路：,生物电电势差两个电极间的电势差。,对生物体施加电流或电压所用的电极。,刺激电极：,刺激电极主要用于三个方面：,控制或替代生物体的某些功能。,向生物体内通入外加电流以便达到治疗某种疾病的目的；,研究可兴奋组织的传导和反应规律；,临床医学根据生物体的电生理活动原理，对生物体导入各种不同的电信号，以调节和治疗疾病，使肌体获得康复。比如：对处于纤维性颤动而杂乱兴奋的心肌细胞给予瞬间高能量电刺激，强使心肌兴奋相位变为一致的除颤作用；对各种因风湿炎症而引起的慢性疼痛，施以适量的电刺激以使疼痛减轻；控制心脏起搏器监测心脏节率并在搏动失常时给予适当的电刺激来维持心肌的搏动等等，都需要利用另一类电极向生物体导入电信号，,第三章生物电测量仪器,有时同一个电极兼有检测和剌激双重功能。心脏起搏器上的电极即属于此种电极。,检测与刺激共用电极,美国前副总统切尼,心脏起搏器,按需式（心电R波）P波同步,第三章生物电测量仪器,根据电极的大小和工作时所处的位置可将电极分为宏电极和微电极。宏电极:是外形较大的电极。它主要用于测定生物体较大部位电位或向生物体较大部位施加电剌激。微电极:是一种尖端细小、机械性能好、能检测细胞电活动的电极。测量细胞内或外电位改变的微电极,其尖端直径约在0.05m到10m之间。,按电极的大小分类,宏电极又分为体表电极和体内电体表电极置在生物体皮肤表面的电极。体内电极是穿透皮肤的电极。体内电极又分为皮下电极和植入电极。,皮下电极:为穿透皮肤与细胞外液接触的电极。它能形成良好的电极/电解质溶液接界。常用于肌电测量和外科手术患者心电监测。植入电极:是长期埋植于体内的电极,用以控制或替代生物体的某些功能。植入电极需具备如下要求:极化阻抗低,以减小剌激所需的能量;对生物体无毒无害;生物组织相容性好。,体表电极,体表电极是用于在身体表面记录生物电信号（如ECG、EEG、EMG）的电极。体表电极，应满足如下要求：电极电位稳定；阻抗小；安放容易且不易脱落；不易产生运动伪迹；可长期监测；无毒安全、对人体刺激要小。,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。不锈钢、铂或镀金（银）的圆盘电极常用于肌电和脑电的记录。柔性电极可适应体表外形的变化，可减少运动伪迹，常用的是柔性银丝电极，它的制作方法很简单：在橡皮膏上敷一小块银丝网，焊上引线，涂上导电膏即可，它适用于手、足等部位的测量，尤其是早产新生儿的心电监测。,金属板电极,吸附电极,浮式电极,干电极,体内电极,体内电极，用作在生物体内检测生物电势。因电极被插入体内，电极材料的安全性很重要，象AgAgcl电极和人体蛋白质会发生化学反应，不应选用。下面介绍两种体内电极：经皮注射式针电极和丝电极。,经皮注射式针电极（a）和丝电极（b）,1）金属微电极,（2）微电极,2）玻璃微电极,常用于活动电势的检测。,一般用于细胞膜电势（如静息电位）的测量，或向检测部位注射微量药物。,插入细胞内的金属微电极：,插入细胞内的玻璃微电极：,GlassMicroelectrode(Thesizeofaglassmicroelectrodetipislessthan1micrometer),电极的极化现象和极化电位1.电极的电化学电极电位,电极是经过一定处理的金属板或金属丝、金属网等。用电极引导生物电信号时,与电极接触的是电解质溶液,如导电膏、人体汗液或组织液（针电极插入皮下时）。因而形成一个金属-电解质溶液界面。由电化学知识可知,当金属放入含有该金属离子的电解质溶液中,在金属和溶液的界面发生化学反应产生电极电位。,电极溶液界面的平衡电位,(a)所示为锌电极放入含Zn2+的溶液中，锌电极中Zn2+进入溶液中，在金属上留下电子带负电，溶液带正电。进入水中的正离子和带负电的金属彼此吸引,使大多数离子分布在靠近金属片的液层中,形成的电场,阻碍Zn2+进一步迁移最终达到平衡。此时金属与溶液之间形成电荷分布产生一定的电位差。,在两界面形成的电位分布是双电层分布。图所示为界面电极电位E的表示。金属和含有该金属离子溶液所构成的体系称为电极金属与溶液之间的界面电位差称为电极电位,又称半电池电势,电极电位的确定,单个电极电位无法确定，国际上规定氢电极标准电位为零，电极电位相对与氢电极便可确定。电极电位与温度，材料和反应物资的活度有关，可按Nernst方程计算。,电极电位ER-气体常数,为8.314J/（molK）；F-法拉第常数,为96487库仑；T-绝对温度；n-金属离子价数；C-金属离子的有效浓度（mol/L）；K-为一与金属特性有关的常数。-为标准电极电位，常温下在单位浓度离子的电极电位。,几种常用电极材料在25时半电池电位,是金属在含该金属离子有效浓度为1mol/L的溶液中达到平衡时的电极电位可看出值远远大于所有生物电位信号的大小。与金属以离子形态转入溶液的能力K以及温度T有关系。,电极的极化和极化电位,电极的极化是指电极与电解质溶液的双电层界面在有电流通过时,电极-电解质溶液界面电位从原有平衡电位变化为新电极电位，该极化电位与通过电流密度有关。极化现象：将有电流通过的电极电位与无电流的平衡电极电位的偏离现象称为极化现象。两个电位的偏差采用极化电压或超电压描述。极化电压:有电流流经一对电极时，电极出现极化现象并产生极化电压。,极化现象实验图,以银电极板模拟电极，以NaCl溶液模拟生物体电解液，电池E模拟电剌激电源或偏置电压，泄漏电流,电阻R模拟检测系统输入阻抗。,实验过程,开关K置1：平衡状态，两电极半电池电位相等，无电流通过电极。开关K置2：电源E接入,使左银极为阳极,而右为阴极。R上有电压降,说明电解池回路中有电流通过电极。且电流随时间增加减小，要维持电流必须升高电压。开关K置3：电源E脱开，电解池产生与外加电源E极性相反的电动势，既左正,右负。产生极化现象,解释,当系统处于平衡状态,溶液中NaCl浓度分布是各处均匀的。电池E电压加到电极上,电极有电流通过,阴极上发生电极反应为:由于产物不能扩散离开,阴极吸附氢气,成为氢电极,电极附近OH-浓度增加。,在阳极上发生电极反应为产物不能扩散离开,致使阳极吸附氧气成为氧电极。电极附近H+浓度增加。由于极化，氧电极的银电极对外电路为正,而为氢电极的银电极对外电路为负，其极性恰与外接电池E相反。阻止进一步极化,电极极化对使用的影响,电刺激：电流通过电极反应将电子转换成离子传送到生物体内,然后经过组织器官在另一电极界面,将离子转换成电子而进入电极。电刺激目的是将电流通过电极送入生物组织器官。电极极化会阻碍电流进入生物体组织器官。应尽量设法减小电极极化。,生物电位测定:是通过电极把待测部位的生物电位引到检测系统进行测定。电极极化产生超电压使前级放大器的输入端产生生物电位失真，影响测量准确度。,极化电极和非极化电极,极化电极：给电极施加电压或电流,在电极/电解溶液界面上无电荷通过,而有位移电流通过的电极,称为极化电极惰性金属如Ag,Pt、等难被氧化和分解,接近极化电极。与电容器相似,极性与外加电压极性相反。,非极化电极：不需要能量使电流通过电极/电解质溶液界面的电极,称为非极化电极。实际上完全不需要能量的电极是不存在的。测量生理信号常用的Ag/AgC1电极接近非极化电极性能。,位移电流的概念：在电路理论中，回路中传导电流是连续的，即流入电流等于流出电流。但回路中含电容器，电容的一个极板有传导电流流入但没有流出，另一个有传导电流流出但没有流入，对回路而言电流是不连续的。解释这种现象可用麦克斯韦(Maxwell)提出的位移电流的概念。,对于电容器两极板间不导电的介质，虽然没有自由电荷定向移动形成传导电流，但却有一个变化的电场E电场中某一点位移电流密度等于该点电位移矢量对时间的变化率，也与电场对时间的变化率成比例。通过积分可以求出位移电流。,传导电流和位移电流共同组成全电流定律。据全电流定律可知，含电容器的回路电流是连续的，电荷以传导电流流入极板，又以位移电流形式穿过极板间介质，在电路中全电流处处相等。,传导电流和位移电流共同点是都在空间产生磁场二者根本区别是传导电流是电荷运动，通过电阻必将产生焦耳热。位移电流则是电场的变化，在空间和介质中不产生焦耳热。极化电极界面通过的是位移电流。按照全电流定律电极电流是连续的。,Ag/AgCl电极非极化电极,表面镀有氯化银的银板或银丝放在含Cl-离子溶液中所构成。电极的表面上存在下列平衡反应:,给电极加正电位时,反应向左方进行放出电子与正电荷中和,使电极电位不变。当给电极加负电位,反应向右方进行:消掉电子,使电极电位不变。,Ag/AgC1电极在小电流时非常接近非极化电极测定心电、脑电时流过电极电流非常小,Ag/AgCl电极很适用于作为检测电极测定心电和脑电。Ag/AgCl的电极反应是电解反应，与金属的极化不同。,制作Ag/AgCl电极的方法:电解法和烧结法,电解法装置,阳极为要镀AgC1层的银电极阴极为供给镀银的银板1.5V电池作为电源,串联电阻R用以限制峰值电流。电流表观察电流，电流密度约5mA/cm2为宜。,烧结法制作Ag/AgCl电极：将净化纯银丝放在模具内,再填满银和氯化银粉末混合物,加压,压成圆柱体,然后再在400温度下烘几个小时,制成圆柱体Ag/AgCl电极，不怕磨损,便于保存,成本低。,Ag/AgCl电极称为可逆变电极Ag/AgCl电极作为阳极使用：氯离子与银结合成AgCl,使电极上AgCl层增厚。电极作为阴极使用：氯离子从AgCl层中进人溶液,消耗了AgCl层,使其变薄。,使用Ag/AgCl电极应注意的问题,电极用铜线作引出线，不要使焊点与活组织(或电解质)接触。因为焊点极化电位是不稳定的。为使Ag/AgCl电极良好工作,在电极和活组织间提供足够的氯离子。工作电流小于10-9A为宜。电极用作记录信号电极而不用作剌激电极。Ag/AgCl电极一般配以高输入阻抗放大器。,电极的电特性,电极的等效电路：C为双电层电容,E为半电池电势。R1为双电层的漏电电阻,R2为电解液电阻,电极的阻抗频率特性,高频时,1/CR1,阻抗趋近于一个常数R2。低频时,1/CR1，阻抗值趋于恒定值（R1+R2）。在两极限值之间，阻抗大致与频率平方成反比。,AgCl镀层厚度对电极特性的影响：AgCl镀层较厚，频率特性变化小,趋近纯阻,几种常用电极,(a)四肢用金属板式电极,几种常用电极,(b)圆盘电极,几种常用电极,(c)带吸附球的电极,绝缘干电极,电极为1.560.950.63cm3。这种绝缘干电极由于含有有源器件,又称为有源电极。附着在电极上的缓冲放大器起到阻抗变换的作用,从根本上提高了测量中的稳定性和抗干扰性能。电极的频率响应可以从0.lHz到1KHz,用电容耦合信号原理，电极与人体接触面上有一层很薄的绝缘膜把金属电极与人体隔开,人体和金属电极之间形成电容,人体和电极片分别为电容的两个极片,中间的绝缘膜为电容器的中间介质。生物电信号通过这一特殊的电容器耦合到放大器输入端。由于电极片不与导电膏或其他电解质接触,从而避免了极化现象。,电极与人体之间的电容为2500pF-5000pF,与放大器输入电阻形成时间常数,并由此决定可测出的信号的最低频率成分。对不同的生物电信号进行测量时,可适当修正这一时间常数。例如进行心电测量时,要求低频为0.05Hz，对于5000pF的电容电极来说,放大器输入端阻抗应大于600M。,微电极,提取单细胞或神经元电位的电极,是比细胞尺寸还小的微电极。微电极的尖端为圆锥形，尺寸在0.05m-10m范围内。从制作材料上分为:金属微电极填充电解液的玻璃微电极。,金属微电极,Rfa,Ca为电极尖端与细胞内液界面的等效阻抗,E(t)细胞膜电位；Ea电极尖端与组织电解液间电位；Eb参考电极和电介质间电位,电极金属杆与细胞外液间由绝缘层隔开,存在分布电容Cd,总电容C=Cd,金属微电极是一种除尖端外，其余部分用漆或玻璃绝缘的高强度金属细针。金属包括不锈钢，铂铱合金和碳化钨等。微电极很细的尖端通常用电解腐蚀法制作等效电路看出，金属微电极等效阻抗与频率有关。一般在几兆欧到几十兆欧，在连到电极的放大器输入阻抗不是足够大的情况下,将造成波形的低频失真，通常用金属微电极获得细胞动作电位。,玻璃微电极,玻璃微电极又称微量吸管电极,用玻璃毛细管制作，加热拉长毛细管，使缩颈处截断成为直径1m的微量吸管结构微量吸管中充满电解液，通常为3mol/l的KCl,再插入Ag/AgCl电极丝，然后加盖密封，配上参考电极。,Rt：电极阻抗集总电容C=CdE(t)细胞膜电位，Ea：电极金属与电解液间电位，Eb:参考电极和电介质间电位，Ej:尖端电位，Et:电极腔玻璃半透膜的膜电位,特性：高阻电阻和并联电容存在，使电极对快速变化的细胞动作电位频响特性变坏。动作电位高频部分被电容旁路。造成波形失真。常采用正反馈产生负电容补偿的方法减小C的有效值。用一个实际例子说明一般玻璃微电极的频响特性,玻璃微电极电极头直径d1=1.5m；电极头腔内直径d2=1.0m；颈长L=3mm；电解液电阻率=2.0cm；玻璃的相对介电常数=1.82；0=8.8510-12F/m，则电极的阻抗,电极的颈部用同轴圆筒电容来近似，则电容：,得到频率响应的最高限而有的细胞内电位的频率成分可高达10KHz，所以须设法减少C的值。,玻璃微电极的负电容补偿电路:正反馈方法，负电容补偿。,左边虚线部分：玻璃微电极等效电路，微电极阻抗Rt为高阻(大于50M)使得输入回路时间常数很大。,负电容补偿电路:目的是引入负电容减少电容C，使输入电路时间常数减小，高频特性改善。放大器为同相运算放大器，调节增益，从电位器W抽头引入Cf到输入端，形成正反馈电路。,同相运算放大器增益为K,反馈增益K可以由电位器W任意调节。如果引入电容Cf以前，电容C的充电电流为,反馈电容Cf的电流为调节反馈增益K使满足,流过电容C的电流为零，C完全被电容Cf等效负电容抵消。理论上微电极等效电路没有电容，时间常数变为零，容许高频信号通过。实际补偿效果：从输出波形观测。补偿不足：波形上升沿平缓（a)，补偿过头：波形上升沿过冲振荡（b)，最佳补偿:(c)无失真矩形波。,a)欠补偿(b)过补偿(c)最佳补偿,思考题：,3.1电极的定义是什么？为什么电极可以测量生物电信号？3.2什么是位移电流？如何解释电极回路的工作电流？3.3何为电极的极化现象?极化电极使用时应注意什么？3.4Ag/AgCl电极属于什么电极，为什么说Ag/AgCl电极非常适合生物电测量？,第三章生物电测量仪器,用心电记录仪所描记的人体心肌电活动的曲线图，称心电图(electrocardiogram,ECG),心电(ECG),1、心电的产生,第三章生物电测量仪器,第三章生物电测量仪器,心电发生原理,1.心肌细胞的电激动过程：极化、除极和复极,2.单个心肌细胞除极与复极的心电波形,3.心室壁除极与复极特点与心电图的关系,心肌细胞动作电位分几期？0期：(去极化/除极化)：Na+快速内流1期(恢复初期)：K+外流。2期(缓复期/平台期)Ca，K外流。3期(恢复末期)：K外流。4期(静息期)：静息状态下,离子跨膜运动仍存在。,概述,心电原理,心肌细胞的电激动过程：-极化(polarization)除极(depolarization)复极(repolarization),窦房结,结间束,房室结,希氏束,左、右束支,浦氏纤维,心室肌细胞,心脏的电激动传播,二、心电图各波段的形成与命名,-P波-PR段、PR间期-QRS波群-ST段、T波-QT间期-U波,1.P波(Pwave),P波是反映心房除极过程的电位变化。起始部代表右房除极，中间部代表右、左房除极，终末部代表左房除极。,2.PR段(PRsegment),PR段是从P波终点至QRS波起点之间的线段。反映心房复极过程及房室结、希氏束、束支的电活动。,3.PR间期(PRinterval),PR间期包括P波和PR段。反映从心房开始除极至心室开始除极的时间。,（一）导联：将正、负电极安置于体表相隔一定距离的任意两点，原则上均可测出心电的电位变化，此两点即构成一个导联。（二）导联轴：导联的两点间假象连线为该导联的导联轴，方向由负极指向正极。,导联与导联轴的概念,导联的联接方式,1.标准导联(standardleads)：、2.加压单极肢体导联：aVR、aVL、aVF,（一）肢体导联(limbleads),（二）胸导联(chestleads),标准导联的连接方式,加压单极肢体导联的连接方式,V1：胸骨右缘第4肋间V2：胸骨左缘第4肋间V3：V2与V4连线的中点V4：左锁骨中线与第5肋间相交处V5：左腋前线V4水平处V6：左腋中线V4水平处,2、心电导联,标准导联,加压单极肢体导联,单极肢体导联,单极肢体导联,加压单极肢体导联,单极胸导联,一种心电导联线,心电电极夹,心肌细胞在除极或复极过程形成的电位差既有大小又有方向，称为心电向量。,1.心电向量,心脏电激动的每一瞬间均有许多心肌细胞同时除极或复极，产生许多个大小方向各不相同的心电向量，而这些心电向量可按一定的规则最终综合成某个瞬间的综合心电向量。在体表所测得的心电变化，其实是瞬间综合心电向量的大小和方向的变化。,2.瞬间综合心电向量,A1B1C1,A3,B3,A3,B3,C3,A2B2C2,+,瞬间综合心电向量综合法,3.心电向量环瞬间综合心电向量从0点开始，随着心动周期的推进，每一瞬间心电向量的幅度及方位不断变动，直至全体心肌完成去极或复极又返回到0点。由一个心动周期中循序出现的瞬间综合心电向量的顶端连接线所构成的环状轨迹，称为心电向量环。,4.心电向量环的两次投影,第一次投影（空间向平面）,三、导联轴系统,（一）额面六轴系统(hexaxialsystem)（二）心前区导联轴系统,（一）额面六轴系统,（2）正常位心脏,（3）顺时钟转位,（4）逆时钟转位,三、正常心电图波形特点与正常值,1.P波,形态：多呈圆钝形，可有切迹，峰间距0.04s。方向：I、aVF、V4V6直立，aVR倒置。时间：小于0.12s。振幅：肢导联0.25mV。心前区导联0.20mV。,正常成人PR间期为0.12s0.20s。幼儿及心动过速者可缩短；老人及心动过缓者可略延长，不超过0.22s。,2.PR间期,（1）时间（2）肢导联QRS波的形态与电压（3）心前区导联QRS波的形态与电压（4）Q波,3.QRS波群,1）总时间：多为0.060.10s最宽不超过0.11s。,（1）时间,1）形态：I、II导联主波向上aVR主波向下2）电压：RaVR0.5mV，R1.5mV，RaVL1.2mV，RaVF2.0mV任何肢体导联正向波和负向波绝对值相加0.5mV,（2）肢导联QRS波的形态与电压,1）形态：心前区导联R波自V1至V6逐渐增高，S波逐渐变小。Vl、V2导联：R/S1V3、V4导联：R/S1V5、V6导联：R/S1,（3）心前区导联QRS波的形态与电压,2）电压：RV52.5mv，