第一章 生物醫(yī)學(xué)信號測量的特殊性-2

生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)第一章生物醫(yī)學(xué)信號測量的特殊性第二節(jié)生物電信號的產(chǎn)生與提取BiomedicalElectronics生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)第二節(jié)生物電信號的產(chǎn)生與提取

生物電現(xiàn)象是生命活動的基本屬性，幾乎一切生命過程中都伴隨生物電的產(chǎn)生。人體的各種生物電的研究、記錄已經(jīng)成為了解人體各器官的功能、臨床診斷、治療的可靠依據(jù)。本節(jié)從單個細(xì)胞的生物電現(xiàn)象入手，簡單分析各種生物電信號的形成及特征，以便作為生物電信號拾取、分析處理的前提。

生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)1.2.1膜電位的基本概念一、生物電的發(fā)現(xiàn)Galvani（伽爾伐尼）于220年前進(jìn)行了重要的實驗，發(fā)現(xiàn)了生物電的存在。實驗描述：將一神經(jīng)肌肉標(biāo)本與金屬接觸，肌肉發(fā)生收縮，表明生物電的存在。解釋：肌肉通過金屬構(gòu)成的回路而放電。肌肉收縮是放電電流刺激的結(jié)果。疑問：是否金屬導(dǎo)體產(chǎn)生的電流，不是生物電。再進(jìn)行實驗排除金屬的影響，把神經(jīng)肌肉標(biāo)本搭在損傷的肌肉上，也引起標(biāo)本肌肉的收縮，證明生物電的存在。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)生物電的傳播速度以往認(rèn)為神經(jīng)動作電位的傳導(dǎo)速度等于光速；Helmholts經(jīng)過實驗證明，傳導(dǎo)的平均速度為20-30m/s發(fā)現(xiàn)器官組織的電位變化皮膚，腺體，胃，腸等均有電位變化視網(wǎng)膜、心臟、大腦皮層均有電位變化目前使用的心電圖、腦電圖等均與上述發(fā)現(xiàn)相關(guān)。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)二、組織和細(xì)胞的電學(xué)特性1、組織和細(xì)胞的導(dǎo)電性（電阻性）是導(dǎo)體：在有機體中，含有大量的水分，含有蛋白質(zhì)膠體離子。這樣，可以把組織和細(xì)胞看作一個復(fù)雜的電解質(zhì)導(dǎo)體。有電阻：組織和細(xì)胞的導(dǎo)電特性與生理、病理狀態(tài)密切相關(guān)（有狀態(tài)信息）。例如細(xì)胞死亡后，電阻率下降到10-3Ωcm.生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)

動物組織（心臟、腦、肌肉）都由一群細(xì)胞和胞間液組成。胞內(nèi)液/胞間液之間有一層細(xì)胞膜。細(xì)胞膜是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和機能的半透性膜，厚度為85-170A（埃10-10m

）。膜上有3A的小孔，它允許某些物質(zhì)有選擇地通過，但又能保持細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)和離子成分的穩(wěn)定。細(xì)胞膜對某些離子的主動轉(zhuǎn)運能力和膜對不同離子通透性能的改變，是細(xì)胞的生物電現(xiàn)象、興奮的產(chǎn)生和傳導(dǎo)的物質(zhì)基礎(chǔ)。由于正負(fù)離子的通透性不同，造成內(nèi)外離子濃度差異。胞內(nèi)液/胞間液形成了一個電容器，稱為膜電容。電容性使組織和細(xì)胞的導(dǎo)電性隨頻率變化。2、組織和細(xì)胞的電容性生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)三、膜電位1、靜息電位（RestPotential）是細(xì)胞未受刺激時存在于細(xì)胞內(nèi)外兩側(cè)的電位差。如規(guī)定膜外電位為零，則膜內(nèi)電位約在-10~-100mv。2、動作電位（ActionPotential）是在靜息電位的基礎(chǔ)上發(fā)生一次短暫的電位波動。受到刺激而產(chǎn)生的。

生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)

3、膜電位產(chǎn)生的原因細(xì)胞膜內(nèi)外的鉀、鈉離子分布及轉(zhuǎn)運是形成膜電位的基礎(chǔ)。離子運動主要受以下因素控制：（1）細(xì)胞膜對離子的通透性（2）細(xì)胞膜內(nèi)外的電位差（3）細(xì)胞膜內(nèi)外離子的濃度（4）“鉀-鈉泵”機能生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)下圖為神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)、外液主要主要離子濃度K+Na+Cl-A-克分子/升膜外0.050.1420.1030.044克分子/升膜內(nèi)0.1410.0100.0040.0147

由于膜內(nèi)、外存在很大的離子濃度差，離子就要從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散。假設(shè)在靜息狀態(tài)，細(xì)胞膜只對K+

有通透性，那么只有K+離子從膜內(nèi)向膜外擴散，使膜外有較多的正離子，而膜內(nèi)有較多的負(fù)離子，使膜兩側(cè)形成外正內(nèi)負(fù)的電位差。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)

電位差阻止K+離子進(jìn)一步向膜外擴散，最終膜兩側(cè)K+濃度差與電位差對K+離子移動的效應(yīng)將達(dá)到一個平衡狀態(tài)，膜兩側(cè)的電位差穩(wěn)定于某一數(shù)值，這個電位差，稱為K+的平衡電位Ek

。根據(jù)能斯特Nernst公式：其中R為普通氣體常數(shù)，n為離子價數(shù)，T為絕對溫度，F(xiàn)為法拉第常數(shù)。[K+]i、[K+]o分別為膜內(nèi)外K+濃度。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)

大多數(shù)細(xì)胞實際測量電位，基本接近Nernst公式計算的K+平衡電位Ek，所以認(rèn)為細(xì)胞膜在靜息時只對K+有通透性，靜息電位相當(dāng)于鉀的平衡電位Ek。如果細(xì)胞膜對Cl-、Na+也有通透性，Nernst公式計算的平衡電位E

Pk、PNa、PCl表示K+、Na+、Cl-的通透性生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)

如果細(xì)胞膜對K+不通透，對Na+

完全通透，那么Na+離子從膜外向膜內(nèi)擴散，使膜內(nèi)有較多的正離子，而膜外有較多的負(fù)離子，使膜兩側(cè)形成內(nèi)正外負(fù)的電位差，阻止Na+離子進(jìn)一步向膜內(nèi)擴散，最終達(dá)到平衡狀態(tài)，平衡電位為生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)動作電位是由于膜的通透性在受到刺激后的短時間內(nèi)發(fā)生的一次短暫的、可逆性改變的結(jié)果。先是膜對Na+的通透性突然增大，K+的通透性減小，然后膜對Na+、K+的通透性恢復(fù)到受刺激前的狀態(tài)。

1、Na+的通透性增大期間，Na+將由于濃度差和膜內(nèi)負(fù)電位的吸引，快速進(jìn)入膜內(nèi)，使膜內(nèi)電位升高，直到它形成的膜內(nèi)電位足以阻止Na+不能再有凈流入為止。這時膜兩側(cè)的電位，相當(dāng)于Na+離子平衡電位。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)2、當(dāng)Na+的通透性減小而K+的通透性增大時，主要對K+有通透性，膜內(nèi)K+的高濃度和正電位使K+外移，膜內(nèi)電位降低，直到K+外移形成的電場力阻止K+外移，最后達(dá)到新的K+平衡電位狀態(tài)。

3、細(xì)胞利用其代謝過程中的能量把進(jìn)入膜內(nèi)的Na+

轉(zhuǎn)移到膜外，同時把K+轉(zhuǎn)運到膜內(nèi)，利用“鉀-鈉泵”機能，使細(xì)胞內(nèi)外的陰、陽離子濃度恢復(fù)到原有的穩(wěn)定狀態(tài)。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)心室肌動作電位曲線與細(xì)胞內(nèi)外離子運動的關(guān)系-60-80-100200mV膜外膜內(nèi)除極復(fù)極閾電位K+K+Na+Na+鉀-鈉泵生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)1.2.2可興奮細(xì)胞的電活動（一）可興奮細(xì)胞神經(jīng)細(xì)胞、肌細(xì)胞和腺細(xì)胞，稱為可興奮細(xì)胞。特點：不僅可以對一定的外界刺激起反應(yīng)或興奮，而且可使受刺激局部所產(chǎn)生的反應(yīng)或興奮傳播到整個細(xì)胞。（二）可興奮細(xì)胞的電活動各種可興奮細(xì)胞受到刺激產(chǎn)生興奮時，最關(guān)鍵、最本質(zhì)的共同變化是在細(xì)胞膜靜息電位的基礎(chǔ)上發(fā)生一次短暫的電位波動（動作電位），并傳播到整個細(xì)胞膜。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)1、細(xì)胞在靜息狀態(tài)下，細(xì)胞膜外帶正電荷，膜內(nèi)帶同等數(shù)量的負(fù)電荷，膜外任意兩點電位相等，這種電荷穩(wěn)定的分布狀態(tài)稱為極化狀態(tài)。2、當(dāng)細(xì)胞左側(cè)受刺激，興奮使膜外電位變負(fù)（稱作除極），膜外未興奮部位電位不變，形成電位差。細(xì)胞膜的興奮及恢復(fù)過程---+++++++++----+++++++++++++++---------+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++--------

------------------０生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)3、細(xì)胞外液是導(dǎo)體，故有電流從膜外興奮段流向非興奮段，使非興奮段電位降低，降到閾電位也產(chǎn)生興奮，并向右傳播。---------+++--------++++++-+---------+++興奮傳播過程中，膜外興奮段為負(fù)電荷，非興奮段為正電荷，相當(dāng)于一等效電偶（由兩個電量相等，距離很近的正負(fù)電荷組成一個電偶）向右移動。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)４、當(dāng)整個細(xì)胞全部興奮時，膜外任意兩點電位相等且為負(fù)電位，等效電偶為零，細(xì)胞除極完畢。５、細(xì)胞開始回到靜息狀態(tài)（復(fù)極），細(xì)胞左側(cè)先復(fù)極，膜外電位變正，而未復(fù)極段膜外電位為負(fù)，同樣可等效為電偶。極性與除極相反。----------------------------------

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生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)６、全部復(fù)極完畢，細(xì)胞又回到靜息狀態(tài)。復(fù)極過程中，相當(dāng)于一等效電偶從左向右移動。+++++++++----

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------------------０生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)綜上所述，可興奮細(xì)胞的電活動，可用電偶等效。膜外任意兩點電位相等，電偶為零，對應(yīng)整個細(xì)胞處于同一狀態(tài)膜外任意兩點電位不相等，電偶不為零，對應(yīng)細(xì)胞興奮傳播過程及復(fù)極過程。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)舉例：心電的產(chǎn)生

心肌細(xì)胞的極化狀態(tài)和靜息電位心肌細(xì)胞在靜息狀態(tài)下，細(xì)胞膜外帶正電荷，膜內(nèi)帶同等數(shù)量的負(fù)電荷，這種電荷穩(wěn)定的狀態(tài)稱為極化狀態(tài)。實驗測得極化狀態(tài)的單一心肌細(xì)胞內(nèi)電位為-90mV，膜外為零。這種靜息狀態(tài)下細(xì)胞內(nèi)外的電位差稱為靜息電位。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)心肌細(xì)胞的除極、復(fù)極過程(1)0相（去極化期）：心肌細(xì)胞受刺激時鈉通道開放，細(xì)胞膜對Na+的通透性急驟升高，使細(xì)胞外液中的大量Na+滲入細(xì)胞內(nèi)，膜內(nèi)電位從靜息狀態(tài)的-90mV迅速上升到+30mV，形成動作電位的上升支即0相，0相非常短暫，僅點1-2ms。這種極化狀態(tài)的消除稱為除極。相當(dāng)于心電圖QRS波群的前半。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)心肌細(xì)胞的除極、復(fù)極過程(2)1相（早期快速復(fù)極相）：心肌細(xì)胞經(jīng)過除極后，又逐漸恢復(fù)負(fù)電位稱為復(fù)極，動作電位到達(dá)頂峰后，立即開始復(fù)極，在復(fù)極開始到達(dá)零電位形成1相。因為此時Na+的內(nèi)流已銳減，細(xì)胞膜對K+和Cl-的通透性增大，引起K+的外流和Cl-的內(nèi)流，其中K+外流是主要的，使膜內(nèi)電位快速自+20mV下降至0線形成1相。約占10ms。相當(dāng)心電圖QRS波群的后半部生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)心肌細(xì)胞的除極、復(fù)極過程(3)2相（平臺期）：為緩慢復(fù)極化階段。表現(xiàn)為膜內(nèi)電位下降速度大減，停滯于接近零電位的等電位狀態(tài)，形成平臺。此期持續(xù)時間較長，約占100～150ms，在膜電位低于-55～-40mV時，膜上的鈣通道激活，使細(xì)胞外Ca+緩慢內(nèi)流，同時又有少量K+外流，致使膜內(nèi)電位保持在零電位附近不變。相當(dāng)于心電圖的S-T段。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)心肌細(xì)胞的除極、復(fù)極過程(4)3相（快速復(fù)極末相）：此期復(fù)極過程加速，膜內(nèi)電位較快下降至原來的膜電位水平，主要由于膜對K+的通透性大大增高，細(xì)胞外K+濃度較低促使K+快速外流。相當(dāng)心電圖的T波。4相（靜息相）：通過細(xì)胞膜上的鈉-鉀泵活動加強，使細(xì)胞內(nèi)外的離子濃度差得到恢復(fù)至靜息狀態(tài)水平。相當(dāng)于心電圖T波的等電位線。4相的開始相當(dāng)于復(fù)極過程完畢，心室舒張期由此開始。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)１.２.３容積導(dǎo)體電場（一）容積導(dǎo)體細(xì)胞浸在細(xì)胞外液中，細(xì)胞外液為離子導(dǎo)電體，心臟周圍組織和體液，甚至整個人體都可看作離子導(dǎo)電體，這種三維的離子導(dǎo)電體稱為容積導(dǎo)體。

（二）容積導(dǎo)體電場細(xì)胞浸在細(xì)胞外液中，當(dāng)細(xì)胞某一點興奮并向整個細(xì)胞傳播時，膜外未興奮處電位高，已興奮處電位低。因此有電流從高電位處流向低電位。若容積導(dǎo)體足夠大且均勻，則細(xì)胞興奮產(chǎn)生的電流分布類似于電偶在三維空間產(chǎn)生的電場分布。因此稱作容積導(dǎo)體電場。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)圖1.2.3電偶極子的等位線和電力線可把圖1-10容積導(dǎo)體中的電流分布與電偶的電場分布對照?？梢杂秒姌O測得容積導(dǎo)體某兩點電位差，電位差與電極放置的位置、容積導(dǎo)體的導(dǎo)電率和電偶所帶電荷有關(guān)。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)（三）某些生物組織的電學(xué)特性

人體可看作容積導(dǎo)體，人體內(nèi)流過電流時，如果電流密度在1mA／cm2以下，可以近似為線性的電氣材料。但人體不同組織的電導(dǎo)率是不同的。一般來說，血液、淋巴液、膽汁、腦脊髓液、汗液可看作良導(dǎo)體；神經(jīng)、肌肉、肝、腦、腎等次之，而結(jié)締組織、干燥的皮膚、脂肪、骨骼為不良導(dǎo)體，干燥的頭發(fā)、指甲是絕緣體。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)

生物體組織另外還具有電容特性。以電導(dǎo)率和相對介電常來描述生物組織的電學(xué)特性，材料中電場和電流密度之間有如下關(guān)系

其中為真空介電常數(shù)8.85×10-12F／m。

生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)

表中給出了不同組織的電導(dǎo)率和相對介電常數(shù)。不同組織電導(dǎo)率不完全相同，由不同電導(dǎo)率組織組成的容積導(dǎo)體電場分布也會發(fā)生變化。不同電導(dǎo)率組織的位置變化（深呼吸使隔肌移動），容積導(dǎo)體電場分布也會發(fā)生變化，測得的電位會因此改變。電導(dǎo)率和相對介電常數(shù)差別并不大，但是血液比別的組織的電導(dǎo)率都大。另外，值得注意的是生物體的電學(xué)特性具有十分明顯的頻率特性，以及方向性和溫度特性，離體組織還有時間性。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)

造成電學(xué)特性的方向性的原因是在于細(xì)胞的形狀或組織的層狀結(jié)構(gòu)，通常認(rèn)為肌肉是合胞體，因細(xì)長而有很大的導(dǎo)向性，高頻段細(xì)胞膜影響小，異向性變低。生物阻抗的研究是生物醫(yī)學(xué)工程的基礎(chǔ)。例如神經(jīng)和肌肉的興奮及傳導(dǎo)，離子通透性研究，心電、腦電的發(fā)生及其導(dǎo)聯(lián)方法，生物體的電刺激以及測量中的電氣安全等均與生物阻抗有密切關(guān)系。從生物組織的結(jié)構(gòu)和在生理基礎(chǔ)上認(rèn)識描述生物體電學(xué)特性，是生物醫(yī)學(xué)工程的重要的基礎(chǔ)研究。

生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)作業(yè)：１、靜息電位和動態(tài)電位的概念?２、可興奮細(xì)胞的電活動過程？生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)參考答案１、膜電位的產(chǎn)生原因？細(xì)胞膜內(nèi)外的鉀、鈉離子分布及轉(zhuǎn)運是形成膜電位的基礎(chǔ)。由于膜內(nèi)、外存在很大的離子濃度差，離子就要從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散。在靜息狀態(tài)，細(xì)胞膜只對K+

有通透性，那么只有K+離子從膜內(nèi)向膜外擴散，使膜外有較多的正離子，而膜內(nèi)有較多的負(fù)離子，使膜兩側(cè)形成外正內(nèi)負(fù)的電位差。電位差阻止K+離子進(jìn)一步向膜外擴散，最終膜兩側(cè)K+濃度差與電位差對K+離子移動的效應(yīng)將達(dá)到一個平衡狀態(tài)，膜兩側(cè)的電位差穩(wěn)定于K