生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用

1、生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器一般由五大部分組成，即刺激系統(tǒng)、探測系統(tǒng)、信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)和機(jī)體(或離體組織)生命維持設(shè)備系統(tǒng)。 生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 為使機(jī)體或離體組織細(xì)胞興奮，需要給予刺激。常用的刺激裝置為電子刺激器。當(dāng)生理現(xiàn)象是生物電信號時(shí)，探測系統(tǒng)可以是引導(dǎo)電極，包括記錄單細(xì)胞電活動的玻璃微電極和記錄群細(xì)胞電活動的粗大金屬電極。當(dāng)生理現(xiàn)象為其它某種能量形式時(shí)，如機(jī)械收縮、壓力和聲音等，探測系統(tǒng)又可以是換能器。生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 由于生物電信號較為微弱，所以必須經(jīng)過放大器放大，才能在記錄儀或示波器上記錄或顯示變化的波形。記錄

2、系統(tǒng)通常使用示波器或筆描式記錄儀。 生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用一、刺激系統(tǒng)二、探測系統(tǒng)（信號引導(dǎo)）三、信號調(diào)節(jié)放大系統(tǒng) （放大器）四、顯示和記錄裝置生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用一、刺激系統(tǒng)（一）電子刺激器與刺激三要素（二）刺激器的使用（三）刺激隔離器生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用（一）電子刺激器與刺激三要素 電子刺激器是一種能產(chǎn)生一定波形的電脈沖儀。電子刺激器輸出的電脈沖對生物組織的損傷較小，又可重復(fù)使用，刺激的參數(shù)便于控制，所以除了對特殊感覺器官或某些需要模仿自然刺激的情況外，電子刺激器幾乎成為生理實(shí)驗(yàn)通用的刺激裝置。一、刺激系統(tǒng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 一、刺激系統(tǒng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原

3、理和使用 因方波波形簡單，易于產(chǎn)生和嚴(yán)格控制，而且計(jì)算刺激量也比較容易，陡峭的前沿刺激電流也比較有效，故方波（矩形波）最為常用。 一、刺激系統(tǒng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用一、刺激系統(tǒng) 引起組織興奮（即引起組織產(chǎn)生動作電位）的電刺激，需在三方面滿足要求：刺激強(qiáng)度、刺激的持續(xù)時(shí)間、刺激強(qiáng)度（對時(shí)間）的變化率。 上述三方面的參數(shù)（刺激三要素）可以互相影響。生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 閾值：刺激持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度-時(shí)間變化率固定時(shí)，引起組織興奮所需的最小刺激強(qiáng)度。 閾 刺 激：強(qiáng)度等于閾值的刺激。 閾下刺激：強(qiáng)度小于閾值的刺激。 閾上刺激：強(qiáng)度大于閾值的刺激。生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基

4、本原理和使用一、刺激系統(tǒng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 刺激強(qiáng)度是指方波幅度，可用電壓或電流強(qiáng)度表示。刺激時(shí)間是指方波的持續(xù)時(shí)間，又叫波寬。應(yīng)用連續(xù)刺激時(shí)，還可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)節(jié)“串長”。串長表示以重復(fù)頻率不斷輸出刺激方波可持續(xù)的時(shí)間，即一連產(chǎn)生數(shù)個(gè)方波的時(shí)間 ?？傊芷谑峭矫}沖的周期，同步脈沖表示一次刺激的時(shí)間起點(diǎn)。同步脈沖輸送到整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，使各儀器有共同的時(shí)間起點(diǎn)，以保持時(shí)間上的同步。從同步脈沖到出現(xiàn)刺激方波的時(shí)間稱為延時(shí)。調(diào)節(jié)“延時(shí)”，可使方波或方波刺激所引起的生理反應(yīng)出現(xiàn)在示波器熒光屏上合適的位置，以便觀察和記錄。一、刺激系統(tǒng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 （二）刺激器的使用 1、使用重

5、復(fù)脈沖輸出時(shí)，要注意頻率、波寬以及延遲之間的時(shí)間關(guān)系。因?yàn)橐欢ǖ拿}沖頻率有相應(yīng)的周期，即f1/T，如果脈沖的波寬接近甚至超過周期，電路就不能正常工作，脈沖的頻率與波寬都不可能穩(wěn)定，有關(guān)參數(shù)調(diào)節(jié)旋鈕的刻度也失去準(zhǔn)確性。一、刺激系統(tǒng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 實(shí)際使用過程中，一般宜把波寬調(diào)節(jié)到脈沖的1/2周期內(nèi)。例如使用頻率為100Hz，其周期10ms，此時(shí)波寬宜小于5ms。此外，延遲應(yīng)盡可能小一點(diǎn)，最好延遲與波寬之和不超過1/2周期，否則輸出波形也不會正常。 一、刺激系統(tǒng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 2、當(dāng)用示波器觀察刺激效應(yīng)時(shí)，首先要配合好掃描速度與延遲時(shí)間，以便在熒光屏上確定刺激偽跡的位置

6、，然后再對組織進(jìn)行刺激并引導(dǎo)刺激誘發(fā)的電位反應(yīng)。由于刺激偽跡位置已確定，便容易找到該刺激引起的誘發(fā)電位。在用雙脈沖進(jìn)行刺激時(shí)，事先在熒光屏上確定刺激偽跡的位置更有必要，否則難以分辨各個(gè)刺激引起的反應(yīng)。一、刺激系統(tǒng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用一、刺激系統(tǒng)（三）刺激隔離器 在觀察電刺激引起的誘發(fā)電位時(shí)，常看到刺激偽跡過大以致影響誘發(fā)電位的波形。刺激偽跡主要由于刺激電極與引導(dǎo)電極之間的電阻性與電容性成分的聯(lián)系而形成。生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用刺激偽跡刺激偽跡 神經(jīng)干動作電位生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 為了減小刺激偽跡，可采取諸如增大刺激電極與引導(dǎo)電極之間的距離，在刺激與引導(dǎo)電極之間連接地線，用雙

7、極引導(dǎo)以及選擇合適的接地點(diǎn)等簡便措施。但較為滿意的方法是用刺激隔離器把刺激器輸出端與地線的電阻與電容聯(lián)系分隔開。 最簡單的方法可用一低電容變壓器(如市售的1:2級間變壓器)作為刺激隔離器。刺激器輸出的脈沖通過初級線圈時(shí)，可感應(yīng)次級線圈再產(chǎn)生脈沖輸出。一、刺激系統(tǒng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 生物信號可分為電信號和非電信號兩大類。若某些生理過程本身就伴隨著電變化，只要用一對電極就可以將其信號引出來。而呼吸、體溫、血壓等許多生理活動的信息，若要將其引導(dǎo)出來，必須通過一定的裝置將非電量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏孔兓缓蠼?jīng)過放大，加以顯示或記錄。對于這些“非電”的生物信息及生理活動，要用被稱為換能器的裝置將其

8、引出來。二、探測系統(tǒng)（信號引導(dǎo)）生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 （一）測量電極 電極將生物機(jī)體產(chǎn)生的生物電變化引導(dǎo)出來，即變離子電流為電子電流，然后送到放大器的輸入端進(jìn)行放大。 普通電極多用金屬制成。根據(jù)其性能可分為露絲電極、保護(hù)電極和表面電極等。二、探測系統(tǒng)（信號引導(dǎo)）生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 （二）換能器（傳感器） 換能器是一種能將機(jī)械能、化學(xué)能、光能等非電量形式的能量轉(zhuǎn)換為電能的器件或裝置，并線性相關(guān)。在生物醫(yī)學(xué)上，換能器能將人體及動物機(jī)體各系統(tǒng)、器官、組織直至細(xì)胞水平及分子水平的生理功能或病理變化所產(chǎn)生的如體溫、血壓、血流量、呼吸流量、脈搏、生物電、滲透壓、血?dú)夂康确请娏哭D(zhuǎn)換為電量

9、，然后送至電子測量儀器進(jìn)行測量、顯示和記錄。二、探測系統(tǒng)（信號引導(dǎo)）生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 1、張力換能器：采用金屬彈性梁(可根據(jù)機(jī)械力的大小選用不同厚度的彈性金屬，即張力換能器有不同的量程)，兩組應(yīng)變片R1，R3及R2，R4 分別貼于梁的兩面(應(yīng)變片有電阻式與半導(dǎo)體式兩種)。兩組應(yīng)變片中間接一只調(diào)零電位器，并用56V直流電源供電，組成差動式的惠斯登橋式電路。二、探測系統(tǒng)（信號引導(dǎo)）生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用張力換能器二、探測系統(tǒng)（信號引導(dǎo)）生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 使用注意事項(xiàng)： （1）在使用時(shí)不能用手牽拉彈性梁和超量加載。張力換能器的彈性梁屈服極限為

10、規(guī)定量程的23倍，如50g量程的張力換能器，在施加了150g力后，彈性懸臂梁將不能恢復(fù)其形變，換能器被損壞。（2）防止水進(jìn)入換能器內(nèi)部。張力換能器內(nèi)部沒有經(jīng)過防水處理，水滴入或滲入換能器內(nèi)部會造成電路短路，損壞換能器。（3）換能器調(diào)零時(shí)，不得用力太大。（4）換能器初次與記錄儀或生物信號采集處理系統(tǒng)配合使用時(shí)，需要定標(biāo)。 二、探測系統(tǒng)（信號引導(dǎo)）生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 2、壓力換能器：它能將壓力的變化轉(zhuǎn)換成電能形式，再經(jīng)記錄儀本身放大后輸出。測量范圍因型號不同而異，有10至10kPa（7575mmHg）和有10至40kPa（75300mmHg）兩種類型。1010kPa型可用于測量靜脈壓，1

11、040kPa型可用于測量動脈壓。壓力換能器上面有一透明罩，罩與兩根塑料管相連，一根為排氣管，一根接血管套管。二、探測系統(tǒng)（信號引導(dǎo)）生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用二、探測系統(tǒng)（信號引導(dǎo)）生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 原理與張力換能器一樣，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由應(yīng)變絲（或半導(dǎo)體）組成一個(gè)惠斯登電橋，而形成一個(gè)非粘貼式的敏感度很高的理想應(yīng)變電橋。加上橋壓，當(dāng)橋臂電阻均處于平衡狀態(tài)時(shí)，則橋路輸出為零。當(dāng)壓力作用在膜片上，應(yīng)變絲也產(chǎn)生相應(yīng)的變形，這時(shí)電阻也隨之而變，其中有一個(gè)臂電阻減少，另一個(gè)臂電阻增加，從而破壞了應(yīng)變電橋的平衡狀態(tài)，而引起隨壓力大小成比例變化的電壓輸出。二、探測系統(tǒng)（信號引導(dǎo)）生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本

12、原理和使用生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 在使用時(shí)，整個(gè)外界管道系統(tǒng)應(yīng)充滿液體而沒有空氣，可從排氣管中趕出氣泡，然后夾閉。最好垂直安放，這樣不僅轉(zhuǎn)換位置時(shí)的零點(diǎn)變化小，而且排氣泡亦方便。接通換能器前應(yīng)先調(diào)好記錄儀放大部分的平衡，使描筆位于零線。一旦與血管接通，壓力傳至彈性膜片時(shí)，使應(yīng)變絲變形，即有電流輸出。 二、探測系統(tǒng)（信號引導(dǎo)）生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用二、探測系統(tǒng)（信號引導(dǎo)） 向壓力換能器的空腔和連接的塑料管中注入液體，排出氣泡，建立起一個(gè)傳遞壓力的液壓系統(tǒng)。生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用二、探測系統(tǒng)（信號引導(dǎo)） 使用注意點(diǎn)：選擇合適量程的換能器；嚴(yán)禁用注射器從側(cè)管向閉合測壓管道內(nèi)推注液體

13、；避免碰撞，輕拿輕放，以免斷絲；初次與記錄儀（或生物信號采集處理系統(tǒng)）配合使用時(shí)，需要定標(biāo)。生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用三、信號調(diào)節(jié)放大系統(tǒng)（放大器） 從探測系統(tǒng)獲得的生物信息常常是很微弱的，甚至湮沒于噪聲之中，微弱信號被檢測后需經(jīng)放大才能顯示或記錄。（一）放大器 （二）放大器的可調(diào)參數(shù) 1、信號的交流、直流耦合輸入方式 2、生物信號的濾波處理 生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 放大器可分為前置放大器和功率放大器，一般用前置放大器對輸入信號放大的同時(shí)進(jìn)行調(diào)理，用功率放大器推動示波描記等負(fù)載裝置。 動物組織受刺激時(shí)的興奮反應(yīng)可用示波器進(jìn)行觀察。但因生物信號常很微弱，僅靠示波器的放大有時(shí)尚不夠。因此在

14、接示波器前，往往要先進(jìn)行前置放大。前置放大器常有平衡、時(shí)間常數(shù)、高頻濾波和增益（放大倍數(shù)）等參數(shù)可調(diào)。三、信號調(diào)節(jié)放大系統(tǒng)（放大器）（一）放大器 生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用三、信號調(diào)節(jié)放大系統(tǒng)（放大器）生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用三、信號調(diào)節(jié)放大系統(tǒng)（放大器）生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 （二）放大器的可調(diào)參數(shù) 1、信號的交流、直流耦合輸入方式 生物信號放大器都設(shè)置有交流和直流耦合兩種輸入方式，生物電信號和通過換能器轉(zhuǎn)換后的電信號輸入放大器進(jìn)行放大和處理時(shí)，首先需要確定信號的耦合方式。三、信號調(diào)節(jié)放大系統(tǒng)（放大器）生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 （1）直流耦合輸入方式：電信號不通過耦合器件（電

15、容器或電感器）直接送入放大器的輸入端進(jìn)行放大的方式。輸入信號通過電阻輸入放大器，信號經(jīng)放大器放大后輸出，輸出信號的振幅變大，但時(shí)程和相位不變。RUiUo三、信號調(diào)節(jié)放大系統(tǒng)（放大器）生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 直流耦合輸入方式能觀察到信號真實(shí)情況。實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往將換能器輸出的電信號選擇直流耦合方式將信號輸入到放大器中（信號的直流耦合輸入）。如果引導(dǎo)電極引導(dǎo)的電信號通過直流耦合輸入方式，會產(chǎn)生電極電位。三、信號調(diào)節(jié)放大系統(tǒng)（放大器）生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 （2）電極電位：用金屬電極引導(dǎo)生物電時(shí)，金屬電極在極性溶液(如 NaCl溶液)中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使電極間產(chǎn)生電位，這種電位稱電極電位。電

16、極電位的大小由電極的材質(zhì)和電極處理情況所決定，在生理鹽水中銀電極的電極電位可達(dá)l00mV。電極電位一般表現(xiàn)為直流信號特性。電極電位比多數(shù)生物電信號的振幅大得多，用直流耦合方式放大生物電信號時(shí)，生物電信號放大到能被觀察記錄的程度時(shí)，電極電位也被放大并使放大器出現(xiàn)飽和，生物電信號就不能被觀察記錄到。電極電位也干擾了生物電信號的直流成分。用交流耦合方式可消除電極電位的影響。 三、信號調(diào)節(jié)放大系統(tǒng)（放大器）生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 （3）交流耦合輸入方式：電信號經(jīng)耦合器件（如電容器）送入放大器的輸入端進(jìn)行放大的方式稱交流耦合輸入方式。直流電信號不能通過電容器送入放大器的輸入端進(jìn)行放大，交流耦合方式

17、的“隔直”的作用使放大器只放大交流信號而不放大直流信號。交流耦合輸入方式在放大生物電信號時(shí)避免了電極電位被放大后使放大器出現(xiàn)飽和的情況。 三、信號調(diào)節(jié)放大系統(tǒng)（放大器）UoUi生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 交流耦合輸入方式不能觀察和記錄到信號的直流成分，方波信號經(jīng)電阻-電容耦合輸入放大器的輸入端，方波信號的頂（直流部分）被電容器阻隔，方波信號通過交流耦合放大后變成了微分波。實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往將細(xì)胞外引導(dǎo)的生物電信號采用交流耦合方式將信號輸入放大器（信號的交流耦合輸入）。 在采用交流耦合方式時(shí)，應(yīng)根據(jù)信號頻譜選擇合適的下限轉(zhuǎn)折頻率（或時(shí)間常數(shù)），以避免信號的有用頻率成分被衰減。三、信號調(diào)節(jié)放大系統(tǒng)（放

18、大器）生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 2、生物信號的濾波處理 生物電信號的檢測是從各種生物電信號、背景干擾信號、極化電壓中檢出需要測量的生物電信號，通過濾波（濾波電路或計(jì)算機(jī)數(shù)字濾波）的方法，使背景干擾信號、極化電壓和不需要的生物電信號衰減并獲得所需的生物電信號。三、信號調(diào)節(jié)放大系統(tǒng)（放大器）生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用（1）高通濾波器：在放大器的輸入端接入電容器C，放大器輸入電阻R 和電容器C 構(gòu)成高通濾波器，允許大于一定頻率（下限濾波頻率 fL ）的信號通過。三、信號調(diào)節(jié)放大系統(tǒng)（放大器）生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 RC 的乘積稱時(shí)間常數(shù)。下限濾波（轉(zhuǎn)折）頻率 fL 是指輸入信號中某一頻率

19、成分被衰減3dB（約）時(shí)的信號頻率。信號頻率低于 fL 頻率的成分被衰減更多，高于 fL 頻率成分的幾乎不被衰減。生物信號放大器的時(shí)間常數(shù)一般有2s 多檔，供放大不同的生物電信號使用。 ( fL = 1 / 2RC ) 三、信號調(diào)節(jié)放大系統(tǒng)（放大器）生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用高通濾波（時(shí)間常數(shù)）沒有進(jìn)行高通濾波的心電圖基線漂移（時(shí)間常數(shù)5s）進(jìn)行高通濾波的心電圖消除基線漂移（時(shí)間常數(shù)）高通濾波的頻率特性曲線Kf100%70%f LRCfLp21= RC，稱為時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)為5s，那么對應(yīng)的fL 為1/（25）；時(shí)間常數(shù)為，那么對應(yīng)的fL = 160Hz三、信號調(diào)節(jié)放大系統(tǒng)（放大器）生理學(xué)實(shí)

20、驗(yàn)儀器基本原理和使用（2）低通濾波器：如圖所示的電阻R 和電容器C 構(gòu)成低通濾波器，允許小于一定頻率（上限濾波頻率）的信號通過。三、信號調(diào)節(jié)放大系統(tǒng)（放大器）生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 上限轉(zhuǎn)折（濾波）頻率（fH）是指輸入信號中頻率等于fH 的成分被衰減3dB（約0707K）時(shí)的信號頻率。信號頻率高于fH 頻率的成分被衰減更多，低于fH 頻率的成分幾乎不被衰減。生物信號放大器的低通濾波一般設(shè)100Hz100kHz多檔，供濾去不同高頻信號使用。 另外，在不同場合也可采用帶通濾波器（允許頻率在一定范內(nèi)的信號通過）、帶阻濾波器（阻止頻率在一定范內(nèi)的信號通過）、50Hz陷波（阻止頻率50Hz的信號通

21、過）。三、信號調(diào)節(jié)放大系統(tǒng)（放大器）生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用低通濾波（濾波）Kf100%70%f H低通濾波的頻率特性曲線沒有進(jìn)行低通濾波的心電圖夾雜較多噪聲（濾波300Hz）進(jìn)行低通濾波的心電圖消除高頻噪聲（濾波100Hz）濾波必須以信號不畸變?yōu)榍疤崛?、信號調(diào)節(jié)放大系統(tǒng)（放大器）生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用三、信號調(diào)節(jié)放大系統(tǒng)（放大器）通頻帶：頻率響應(yīng)的范圍生理學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器基本原理和使用 實(shí)驗(yàn)拾取生物信號時(shí)，若在交流耦合輸入方式下，生物電信號經(jīng)高通濾波輸入放大器，信號的低頻成分會被衰減。如果高通濾波器的下限轉(zhuǎn)折頻率（時(shí)間常數(shù)）選擇不當(dāng)，信號的有用成分就會失去。在放大生物信號時(shí)，如果有高頻干擾信號干擾生物信號影響觀察和測量時(shí)，可調(diào)節(jié)放大器的低通濾波