人体电磁学资料课件

1、 第五章 人体电磁学 本章学习要点：1. 主要内容以此为准，公式推导过程不作要求。2. 图片参见课本或参考书；课本没有的图片不作要求，以减轻负担。3.本课件只供个人学习用，不外传以免纠纷。 应用：心电图、脑电图、或肌电图等. 第一节 人体电现象及物理基础 历史：伽伐尼1786年发现生物电现象.一. 人体电阻抗 基础： R=L/S C=r0S/d 1. 细胞的电阻抗 2. 组织的电阻抗 (1)直流电阻率 (2)交流电阻率以及和频率的关系： 交流电阻率随频率增加而下降。一. 神经元的结构和电性质 1. 神经纤维的结构 神经元：包括细胞体、树突、轴突。 轴突包括有髓鞘纤维，郎飞氏结；无髓鞘纤维。第二

2、节 细胞生物电现象和神经传导 (2)轴浆电阻： 膜电流 2. 神经纤维的电学性质 (1)轴浆电流 (3)膜电阻： Rm=mb 膜电导： Gm=1/Rm； gm=1/rm (4)膜电容：Cm=/b； C=Cm2a (5)神经的兴奋和冲动： 指刺激强度达到某一阈值时引起的神经兴奋反应。二. 静息电位和离子浓度 1. 概念：细胞膜内外电位差。 2. 产生原因： (1) 细胞膜内外液体中离子浓度不同； (2) 膜对不同离子通透性不一样。 3. 能斯特方程和平衡电位 (1)方程： 经推导得膜两侧电势差为： 称为能斯特方程。 (2)Nernst方程的应用 将膜内外各种离子的浓度数据代入Nernst方程计算

3、，得： 神经静息电位实测值为 =-86mV。 4. Donnan平衡 细胞静息时，膜两边离子的浓度不相等。 这时膜两边的离子扩散平衡叫Donnan平衡。 Donnan平衡后离子浓度的分布满足：膜两侧组分离子的总跨膜位能差为零以及两侧溶液应保持电中性。 稳定时可算出跨膜电位差为： 5. Goldman方程 6. 膜电位的测量 可用细胞内记录装置测量。 (1)被动膜三. 电紧张电位和电缆学说 1. 神经细胞的电紧张电位： (2)电紧张电位：因外加电流而产生的膜电位变化。 (3)测量 (4)结果：x处的膜电位与时间的关系。 膜电位变化的最终值与x的关系。 2. 电缆方程 电缆学说把神经轴突膜看成一电

4、缆，利用电缆方程可算出膜电位的变化情况。 可推得神经纤维的电缆方程为： 其中 =(rm/ri)1/2， =rmCm；分别称为空间常数和时间常数。 若空间钳制，则： (1)时间常数 ： (2)空间常数 ： 一段时间后电容充电完毕，则： 与纤维半径的关系： (1)极化：指细胞静息时的状态。四. 动作电位 1. 动作电位的离子学说 (2)除极：指细胞受刺激时，膜局部去极化的过程。 (3)复极：指细胞除极后，又回复到极化状态的过程。 动作电位 (4)神经传导：动作电位沿神经的传播过程。 (1)膜对某离子的电导： (2)电压钳制实验： 由膜的等效电路，得： Im=IR+CmdE/dt 若电位钳制，则：d

5、E/dt=0，Im=IR 2. 离子电流的测定 实验表明：电导与电流遵从欧姆定律。 I=INa+IK (3)电压钳制法的实验结果： 膜电流和时间关系； 离子电导与时间关系。五. Hodgkin-Huxley理论 1. Hodgkin-Huxley方程 总的膜电流Im为： n服从一阶反应率方程： 对于GK，假设： 其中n、n为速率常数。 对于GNa，假设： m、h也服从一阶反应率方程： m、m、h和h为速率常数。这时可得： 2. 动作电位的传导 (1)动作电位特点：是其幅值不因传导而变小。 单位长度的膜电流： 而im=2aIm 代入上式得： 由此有： (2)传导性动作电位方程的推导： 膜电流：

6、故得： 波动方程： (3)计算结果和实验值的比较： Hodgkin-Huxley模型的计算结果 实验测得的传导性动作电位 (1)电偶极矩： 第三节 电偶极子和心电向量原理 (2)电势计算：一. 电偶极子及电偶极层的电场 1. 电偶极子电势 点电荷+q和-q相距很近时组成的系统。 电矩延长线上： 电矩反向延长线： 在电偶极子中垂线：U=0 (2)电势计算： PS= 层矩，则： (1)概念：相距很近、互相平行且有等值异号面电荷密度分布的带电体系。 2. 电偶极层的电势 整个面积S的电偶层在M点的电势：二. 一个心肌细胞的极化 1. 静息时心肌细胞电场中的电位 可看成一闭合的电偶层。 2. 正在除极

7、时心肌细胞电场中的电位 除极完毕，M点的电位又等于零。 3. 正在复极时心肌细胞电场中的电位 复极完毕，又回复到静息状态，M点电位又为零。 4. 一个心肌细胞的极化向量PC： PC=PSs 1. 瞬时心电向量P： P=PC三. 一块心肌的极化 2. 心电向量P在各处引起的电位分布： 3. 一块心肌的除极与复极： 是电极化的，P随时间而变化。 4. 心脏偶极子： 把心脏简化为一个偶极子模型。 * 心电场：心电偶在体内形成一心电场。 * 心电图：为体表电势变化的记录。 其中P波、QRS波和T波分别对应于心房除极、心室除极和心室复极。四. 空间心电向量环与平面心电向量环 1. 心肌分两类： (1)是

8、普通心肌。 (2)是有传递兴奋刺激功能的特殊心肌。 * 兴奋传导系统 2. 去极化波的传播： 一块心肌中，一端的心肌细胞的除极以波的形式向前传播。 3. 空间心电向量环： 各瞬间P的箭尾平移至原点，描记各箭头的轨迹形成的曲线。 心房除极而形成P环 ， 心室除极而形成QRS环 ， 心室复极而形成T环 。 4. 平面心电向量环 指空间心电向量环在三个坐标面上投影所成的平面曲线。五. 心电导联 2. 导联轴：指由心电图机负极所接部位向正极画的矢线。 1. 概念：指测量体表电位的不同线路连接方式。 3. 标量心电图导朕： 常用的是标准十二导联系统。以R代表右臂，L为左臂，F为左腿。 (1)标准导联I、

9、：为双极肢体导联。 * 导联轴：RL、RF、LF。 I=UL-UR，=UF-UR，=UF-UL。 (2)单极肢体加压导联： * 导联轴：aVR、aVL、aVF。可推得： aVR=-(I+)/2， aVL=(I-)/2， aVF=(+)/2 (4)额面六轴系统：由3个标准导联和3个加压导联在额面上组成。 * 横面六轴系统：由胸导联在横面上组成。 (3)胸导联：为单极心前胸部导联。 * 导联轴： V1、V2、V3、V4、V5、V6。六. 心电图的形成原理与描记 1. 心电图的形成原理： 方法：用环体分割投影法。 2. 心电图的描记 心电图机红、黄、绿、白、黑五根导联线分别连接右臂、左臂、左腿、胸部

10、、右腿。 第四节 脑电和肌电原理一. 脑电图 2. 波：频率1430Hz。 脑电图波形分四种： 1929年：首先记录到人脑电活动的波形。 1. 波：频率813Hz。 3. 波：频率47Hz。 4. 波： 频率13.5Hz。二. 脑电极的导联 1. 电极的放置： 为常用的1020电极系统，放置标准部位。 电极部位、名称、代号和编号 2. 导联方法： (2)双极导联法：两个电极接头皮不同部位。 (1)单极导联法：头皮处为探测电极。三. 肌电图(EMG) 1. 运动单元： 是肌肉活动的最小单位。 2. 肌电极： (2)同轴针形电极 (1)面电极 3. 收缩力度不同时的肌电图： * 电静息：没有电活动

11、。 (1)单纯相：出现孤立的单个运动单元电位)。 (2)混合相：有些地方电位密集 (3)干扰相：无法分出单个电位 4. 其他生物电位 常见的几种生物电波形 第五节 生物磁学一. 几个基本概念 1. 磁场： 来源：运动电荷产生。 性质：对运动电荷施以力的作用。 2. 磁感应强度： (1)大小： (2)方向：右手螺旋法则确定。 * 磁感应线：切向为B的方向；是一些闭合的曲线。 地球表面：B约0.5G 人体中： B为10-6G10-7G 1. 机体中的磁场：二. 人体的磁特性 2. 人体中生物磁信号的来源 3. 磁场的生物效应 (1)磁场对生物作用的物理机制 (2)影响磁场对生物作用的几个物理因子： 磁场类型； 磁感应强度大小； 磁强的均匀性； 磁场的方向； 磁场作用时间长短。 (3)影响磁场对生物作用的几个机体因子 (4)生物效应的时间延迟： 指磁场开始作用机体，到产生生物效应需一定的时间。三. 生物磁场的测定 常用超导量子干涉仪 1. 简介：灵敏度可达10-15T。 SQUID结构原理：核心是密封屏蔽的约瑟夫森器件