第四章 生物电测量

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

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原因：细胞静息电位:静止时细胞膜内负,外正1.细胞电学特性

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负电位-50mv-100mv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

离子通道打开和关闭情况去极化复极化兴奋电位沿神经纤维传输，幅度不衰减离子导电过程

动作电位特点

兴奋过程传播神经纤维如一个长的圆柱体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。+-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；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(electricdipole)极化矢量(M)

去极化时

负正

不同时刻，大小方向不同

(负正表示细胞外电位)心脏电活动模型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：与频率有关，方向有关，温度有关与组织有关：

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电极:金属片，金属丝直接测量两点电位差二、电极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＋＋＋＋＋＋＋-------生物电检测电极示意图机体外机体内电极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

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Sweatglandsandducts电极(Electrode)表皮(Epidermis)真皮RuReEseEheRsRdCdEPRPCPCe胶(Gel)电极等效电路真皮以下等效为纯电阻

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／AgCl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。(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心电图(ECGorEKG)

Eelectrocadiogram电偶极子(electricdipole)极化矢量(M)

负正

不同时刻，大小方向不同心脏电活动模型

各段解释0.04s~0.08s/eflash/HTML/2857.html信号传输电位弱幅度小处于保持状态，因此电位近似为等电位线P，R，T含义段与间期：PR，QRS，STPR段代表在心房纤维上传输时间除极化，极化

时间、幅度量化1mm:0.04s(小格)，0.2s,大格1mm:0.1mv(小格)，大格0.5mv

心电图打印纸（粉红色的纸）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。”

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AB

心电测量模型心脏位置心电测量等效电路心电如何测量技术（电路）电极放在体表放大、滤波、显示等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。“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

VII=VI+VIII

标准导联：双极导联电压关系VI=VL-VR，VII=VF-VR，VIII=VF-VL

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

加压导联:aVR,aVL,aVF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电位单极导联如何产生零电位电阻为保持各段均衡威尔逊网络

单极导联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计算VW某点电位：假设r为到偶极子中心的距离M=q.dq:电量，d:偶极子间距两点间电位若rA=rB=r，r为到偶极子中心的距离假设电偶极子很小,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VR+VF+VC=？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aVR=VR-VCVC=-(VF+VL)/2,可用分压简单计算VF+VR+VL=0,相当于0点从O到CaVR=VR+1/2VR=3/2VRVCO点，电位0VC=(VF+VL)/2=-VR/2aVL=3/2VL,aVF=3/2VFVRC加压导联是肋骨间隙,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

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?导联向量图根据矢量方向与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心电图反映心脏功能心电图读法先看心率：大于25格，小于15格再看心律：RR,PP间隔变化变化小于0.12s最后看波形：时间和幅度等心动过速心动过缓房性早搏：P波出现过早非窦房结产生，由心房自身产生室性早搏：QRS波不是来自从窦房节而是心室自己产生的,T波与R波方向相反二联律，三联律连续出现二次，三次早博心房扑动心房颤动心房肌微纤维颤动心室肌微纤维颤动在心室恢复期S-T段,向冠状动脉供血液若S-T抬高或降低,表明心肌血缺血在心室恢复期S-T段,向冠状动脉供血液若S-T抬高或降低,表明心肌血，复极化不足房室传导阻滞

PR变长三、心电图机系统总体结构性能指标电路结构分析医学仪器结构输入(采集部分)：传感器、放大、滤波等处理：数字信号处理（数字化仪器）输出：显示、打印辅助：控制、反馈、电源等模拟心电图机结构输入前置、中间、功率放大、滤波电路、抗干扰电路电极/导联线、保护、高频滤波、右腿驱动、威尔逊网络输出记录器、走纸传动控制电源增益选择、滤波选择、导联选择、走纸速度控制电极脱落报警、起搏器脉冲抑制、1mv定标ACDC,DCDC数字化心电图机A/DMCUorDSP,ARMRAM+FLASH(闪存，可擦除)LCD打印机

性能指标输入阻抗，大于2M灵敏度

输入1mv电压描笔偏转幅度

5mm/mv,10mm/mv,20mm/mv噪声，输入短路输出折合到输入端小于10uv时间常数，大于1.5s(直流电平100%下降到37%时间)

线性误差

输出与输入电压线性关系，误差应小于10%描记笔在任何位置，若输入相同的信号，偏转的幅度应相等.共模抑制比，规定大于75dB阻尼，适当频率响应走纸均匀，25mm/s,50mm/s，误差≤±2％

绝缘性能

电源对机壳绝缘电阻大于20M、漏电流小于100uA调整阻尼电路模拟心电图机

ECG-6511心电图机前置放大电压放大，用于信号分析主放大功率放大，驱动描记笔控制，导联选择，速度控制，热笔温度控制电源,整流、滤波、稳压电池充电DC-DC变换

实物图输入电路过压保护、高频滤波、缓冲放大、威尔逊网络差动放大起博脉冲抑制定标电路时间常数电路封闭电路后置放大干扰抑制电路增益选择

高压保护

低压保护利用二极管正向导通电压稳定在0.7V限制电压。当输入信号电压高V时有可能损坏器件。当信号电压高于0.7V或低于-0.7V时，二极管嵌位在+，-0.7V，保护了放大器，此时放大器处于开环，输出+8，-8v,因此，输出最多正负8.7vRLF三角形顶点：I，II，III三个边中点：增强导联公共端，顶点与对边中点为对应的增强导联三角形中心：威尔逊中心屏蔽驱动A9从威尔逊电路中心点取出共模电压ＩＣ１１２，跟随器二极管嵌位从威尔逊电路中心点取出共模电压ＩＣ１１２，跟随器ＬＣ滤波2个二极管限幅电路，电压不超过正负8.7VＲＦ，右腿接地电阻，限制电流INH:使能端，A,B,C控制端12导联选择：12选1内部测试电路+-发射结，集电极均正偏，T2,T3饱和导通相当与对地短路，输入闭锁电路，导联切换或复位电路10kPNP型晶体管CAL为低电平，发射结正偏，集电极由于接地反偏，T1导通DW稳压产生6.8v,通过二次分压产生1mv电极脱落检测电路

二极管导通，键控电路板上的发光二极管发光报警，电极已经脱落脱落时电极电压升高，此时不与人体接触了各种共模抗干扰措施不起作用了。起搏器脉冲抑制

二极管为钳位作用,抑制大的脉冲

电容为高频滤波

肌电滤波电路

平时地，-8v与1M电阻构成通路，场效应管Vgs<0，导电沟道截止，无电流，RC滤波不通当EMG键按下时，低电平输入通过光电耦合器后变成高电平，发射结正偏，集电结反偏使得T5导通，有电流流过47K电阻，二极管负端电位升高，从而二极管截止，Vgs=0，场效应管导通。由84.5k和0.047u组成的RC滤波电路，过滤40Hz的肌电信号

电压变化大时，电流变化不大，相当于动态电阻很小

文氏桥式RC陷波器当f=1/2RC,电桥臂电阻比相等（2:1），电桥无输出下面阻抗：10.2/(6.04//30.9k=5.02)=2:1灵敏度选择A，B，C

增益0.5:1:2R1R2RoRoUo1UoUi根据电路结构:2次分压Uo1=(1+R2/R1)UiUo=2Uo1光耦部分前后电路隔离抗干扰ＩＣ１０８Ｂ，ＩＣ１１５Ａ３个二极管为光耦，中间发光二极管两边为光电二极管，实现光电转换。ＺＤ１０１，ＺＤ１０２提供光电管反偏置电压，保证无信号输入时，处于反偏，有反偏电流Ｖ１０３为输出电流放大驱动Ｖ１０４为分流保护（画反了）光电二极管１，２提供负反馈，稳定工作点ＩＣ１０８Ｂ为积分电路，使输出电压变化慢，以与光耦器件速度匹配（光耦响应速度慢）ＩＣ１１５Ａ，反向放大器，u=-Rf.IR157,C116,高频负反馈，去掉高频信号增益＝（Ｒ１５６＋ＶＲ１０２）／Ｒ１５０数字心电图机热笔式缺点不易多导化，误差大，故障率高，笨重等热阵式热阵元记录头是利用先进的元件集成技术，在陶瓷基体上高密度集成了大量发热元件。目前所有新推出的机器几乎全部是热阵记录式记录。

热打印机的工作原理是打印头上安装有半导体加热元件，打印头加热并接触热敏打印纸后就可以打印出需要的图案，其原理与热敏式传真机类似。图象是通过加热，在膜中产生化学反应而生成的。这种化学反应是在一定的温度下进行的。高温会加速这种化学反应改进微型心电模块ADS1293

专用心电芯片AEE4400,血氧芯片无线：蓝牙、wifi、zigbee,GPRS

ZIGBEE(一种高可靠的无线数传网络)与手机通讯并显示手机与云端服务要求掌握整体电路单元电路组成差分放大、中间放大电路输入保护电路原理定标电路计算闭锁电路,时间常数电路滤波电路，EMG，50Hz电极脱落报警屏蔽驱动电路要求了解整个电路结构、功能能分析各单元电路原理心电信号（或脉搏）提取，心率显示

基本要求（良）（1）

心电信号（或脉搏）波形较为清晰、无明显失真；（2）一次心跳产生一个固定长度的方波（0.2s），发光二极管闪亮一次发挥部分I（加分，可2人一组）（3）

心率计算和显示，心率计算由单片机实现或其他方式，并配备有显示单元；发挥部分II（加分，可2人一组）（4）

采用TI无线模块，例如CC256x，CC254x蓝牙模块，将心率相关信息发送至手机或其他设备进行显示；（5）

其他电路，脉搏，血压均可。

实验室提供电路：集成块、电路板、工具、电阻、单片机等实验要求（设计、分析、焊接、测试）4、脑电EEG脑电基础脑电导联诱发脑电脑电图机结构脑电最新技术大脑是意识和行为的中心1000多亿个神经细胞组成(灰质)神经纤维(白质)重量1200-1500克每个神经细胞与1000-10000个神经细胞交换信息每秒有上百万的信号进行思维、感觉和运动大脑皮层神经细胞具有自发生物电活动，具有持续的节律性电位改变，用电极在头皮上记录到脑电图EEG1、脑电基础脑电电生理

去极化：神经细胞有兴奋性，受到电刺激钠离子进入膜内，去极化膜内正，膜外负，20mv-40mv

动作电位由细胞树突和轴突传播

复极化:由钠钾离子的主动运转，重新极化

脑电特点自发性节律性，但不如ECG明确以频率、幅度、位相描述

脑电信号的组成Wave8~12Hz安静、休息、闭眼出现在头皮的枕区最強烈，在顶区也可纪录到睁眼有阻断βWave≧13Hz中枢神经系统紧张时,如思考问题在头皮的额区(Frontal)最强烈，在顶区(Parietal)也可记录到具节律性，低振幅θWave4~7Hz成人在情绪受到压力时，尤其失望和挫折在许多脑疾患者可记录到δWave≦3Hz出现在深度睡眠、婴儿和严重器官性脑疾病。在很深的慢波(SlowWave)睡眠中也会发生中央睡眠脑电变化开始睡眠快速眼动期做梦期，30分钟身体器官休息浅睡期中度睡眠期深度睡眠期快速眼动期与浅睡期来回转换，4-5次大脑起博器:抑制过度放电PD,帕金森病多巴胺神经元受损，导致大脑分泌的多巴胺不足，局部脑电增强（脑起搏器抑制）AD,老年痴呆，α波减弱PD帕金森多巴胺减少（化学递质）震颤，肌肉张力增高（僵硬），疼痛植入脑起搏器，在脑上打洞放入电极，在锁骨植入放入电池，对大脑电刺激红酒，绿茶抗氧化，防止脑细胞衰老2、脑电导联电极安放，10-20国际标准单极导联，耳垂或接电阻公共端双极导联(含A1，A2，Fz,Cz,Pz）帽子形状3、诱发脑电EP

（Evokedpotential）光刺激器VEP，黑白方格变化刺激(visual)声刺激器AEP，咔嗒声(audio)体感刺激SEP，电流刺激（sense）受试者对刺激有一定的潜伏时间类型刺激方法测量部位临床诊断价值VEP闪光或视觉图形刺激头皮枕叶部多发性脑硬化外周神经伤害神经病SEP电流刺激感知皮层上外周神经纤维和皮层之间脊柱通路的疾病AEP声音（咔嗒声、爆发声、白噪声）脑干上听觉通路缺陷疾病诱发电位很小，连续多次刺激求和取平均4、脑电图结构输入盒，导联选择前置放大主放大ＣＰＵ采集与控制电路描记电路电源脑电放大器脑电信号v，要求增益100dBCMRR:100dB噪声<3uv高输入阻抗，大于10M前放电源纹波<0.01%多导联，32，64，256接触电阻小于20k，头皮电阻检测