第3章生物电测量及仪器1

第三章生物电测量及仪器PartI•细胞是所有生物电的发生源，生物电或电位是细胞内部与外部间产生的电位差，也就是细胞膜两面产生的电位差。生物电现象是细胞实现一些最主要功能的关键因素，是生命现象的表现之一。通过研究生物电现象，可以了解生物体病理和生理活动的情况。生物电现象已成为了解生命活动、研究生物功能的可靠依据。而生物电测量仪器也经历了由简单到复杂、由功能单一到多功能复合的发展过程。•进行生物电学研究的第一步，是把生物电信号提取出来，并用仪器进行记录。•1.脑电、心电、肌电的记录，是在皮肤表面进行的间接记录；•2.记录视网膜电位、耳蜗电位和鼻电位，就需要分别把记录电极安放在眼睛角膜表面、耳蜗圆窗表面和鼻粘膜中；•3.最复杂且要求最高的技术则感受器电位、神经元的动作电位和神经纤维上传导的冲动电位的记录，这需要将符合尺寸的引导电极插进细胞或纤维中。•§1.1.生物电产生的机制•18世纪末，意大利学者Galvani就已证明生物组织细胞有电现象存在。•跨膜电位(transmembranepotential)：细胞膜两侧的电位差，包括细胞安静时存在的静息电位和受刺激后出现的动作电位。细胞生物电的测量静息电位（restingpotential）：在静息状态下(即细胞未受刺激的情况下)，细胞膜内外两侧的电位差。•相关概念•极化状态(polarization)：在生理学中，静息状态下细胞膜跨膜电位内负外正的状态。•超极化(hyperpolarization)：膜内负电位增大(例如从-70mv变为-90mv)。•去极化(depolarization)：膜内负电位减小(例如从-70mv变为-60mv)。•复极化(repolarization)：细胞膜去极化后再向原来静息电位方向恢复。•动作电位(actionpotential)：在原有静息电位的基础上，膜电位发生的迅速的倒转和恢复。•锋电位(spike)：动作电位是细胞兴奋的表现，主要表现为一个尖锋形的电位波动。膜电位超过0电位的部分称为超射（overshot）。在恢复到静息电位之前，膜电位还有一些微小的波动，称为后电位(afterpotential)。去极化后电位(负后电位)。超极化负后电位(正后电位)。动作电位的时相示意图（一）静息电位形成的机制(Themechanismunderlyingrestingpotential)静息电位K+—平衡电位1.实验证实，如果细胞膜静息时，只对K+有通透性2.Nernst公式：R—通用气体常数；T—绝对温度（237+摄氏温度）；Z—离子价；F—Faraday常数；[K＋]i与[[K+]o分别为膜内外K＋的克分子浓度。（二）动作电位形成的机制(Themechanismunderlyingactionpotential)①静息时膜电位②去极化刺激③膜去极化达阈电位水平，电压门控Na+通道开放。Na+进入细胞。电压门控K+通道开始缓慢开放④Na+迅速进入细胞，使细胞去极化⑤Na+通道关闭，K+通道开放⑥K+从细胞转移到细胞外液使细胞复极化⑦去极化后电位（负后电位），此时Na+通道基本恢复，膜电位仍小于正常静息电位，与阈电位差距小，故兴奋性高于正常。⑧超极化后电位（正后电），此时K+通道仍然开放，使较多的K+扩散到膜外，引起超极化⑨细胞膜电位恢复到静息电位水平ActionPotentialStages:Overview膜电阻通常用它的倒数膜电导G来表示。单位是S。对带电离子而言，膜电导就是膜对离子的通透性。（三）研究离子通道的技术①电压固定技术又称电压钳（VoltageClamp）技术，用于研究动作电位过程中膜电流的变化。把细胞膜电位固定在某一水平时，称为保持电位(holdingpotential)，如有离子跨膜移动，膜电位将偏离保持电压。电压电极测出这一膜电位的变化，反馈电路输入一反向电流，膜电位固定在保持电位水平，所输入电流量的数值反映了该指令电位下的膜电流的大小。②膜片钳(patchclamp)是在电压钳技术基础上发展而来的一种研究离子通道电流的技术。A:膜片钳实验装置示意图B:大鼠肌肉单通道离子电流记录曲线向上为通道开放§2.心电测量及仪器(ECG)•心电图是利用心电图机从体表记录心脏每一心动周期所产生电活动变化的曲线图形•英文名：Electrocardiograph•英文缩写：ECG心电图发展史回顾•1842年法国生理学家Mattencci观察到鸽子心脏产生电流，这是心脏电活动的最早发现。•1856年Kolliker和Muller对蛙心的研究证实了心脏电活动与心脏收缩有关（兴奋-收缩偶联）。•1887年Waller首次从人体表描记出人心电活动图形。•1895年荷兰生理学家、医学家Einthoven命名了心电周期中的P、Q、R、S、T各个波群。•1905~1906年，Einthoven设计出双极肢体导联Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。•1932年，Wilson创设加压单极肢体导联aVR、aVF、aVL。•1934年，Wilson建立胸前单极导联V1～V6。•心脏搏动时产生的生物电流，用心电图机从身体特定部位记录下来的电位变化图。正常人的心电图一般5个波，分别为P、Q、R、S、T波。P波代表心房去极化，QRS复合波代表心室去极化，T波代表心室复极化，P-Q间期（自P波起点到QRS复合波的起点）代表房室之间的兴奋传导时间。•心电图能反映出兴奋在心脏内传播的过程及心脏的机能状态。如果心脏的传导系统发生障碍或某部分心肌发病变，则心电图的波形将发生变化。因此心电图对某些心脏病特别是心律失常、心肌梗塞等的诊断有很大的价值，它是目前诊断心脏病的重要方法之一。•心脏是人体血液循环的动力装置。正是由于心脏自动不断地进行有节奏的收缩和舒张活动，才使得血液在封闭的循环系统中不停地流动，使生命得以维持。心脏在搏动前后，心肌发生激动。在激动过程中，会产生微弱的生物电流。这样，心脏的每一个心动周期均伴随着生物电变化。这种生物电变化可传达到身体表面的各个部位。由于身体各部分组织不同，距心脏的距离不同，心电信号在身体不同的部位所表现出的电位也不同。对正常心脏来说，这种生物电变化的方向、频率、强度是有规律的。若通过电极将体表不同部位的电信号检测出来，再用放大器加以放大，并用记录器描记下来，就可得到心电图形。一、心电产生的原理心电发生的基本原理•（一）极化状态•（二）除极•（三）电偶学说•（四）复极1.心脏的生物电传导系统2.心电发生的过程心肌细胞保持静息状态时，因膜内、外电荷互不交流，并不产生电流；细胞膜外面任何两点之间的电位都相等，因而无电位差。但在除极或复极过程中，形成电位差，从而产生电流与体表采集到的心肌电位强度的有关因素：•（1）与心肌细胞数量（心肌厚度）呈正比关系；•（2）与探查电极位置和心肌细胞之间的距离呈反比关系；•（3）与探查电极的方位和心肌除极的方向所构成的角度有关，夹角愈大，心电位在导联上的投影愈小，电位愈弱。心肌细胞的5种类型与3种功能2.心电图的合成心电图各波段的组成与命名•心电图波段相应心电活动•P波心房除极•PR段房室传导时间•QRS波群心室除极•ST段与T波心室复极的缓慢期与快速期心电图与心电向量环•心电图心电图实际上记录的是与心脏除极、复极传导波动与方向相对应的复合空间电位向量。目前采用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ以及aVR、aVL、aVF导联电极记录投影到额状面的心电图，用V1～V6导联电极记录投影到横截面的心电图。矢状面没有记录。心电图与心电向量环心电图就是有关平面的心电向量环在相应导联轴上的投影额面及横面各导联记录心电图与心肌除极、复极向量环的对应关系如右图1.心电图的典型波形•以下所述的心电图各波形的参数值，是在心电图机处于标准记录条件下，即：走纸速度为25mm/s、灵敏度为10mm/mV时记录得出的值。•P波：由心房的激动所产生。前一半主要由右心房所产生，后一半主要由左心房所产生。正常P波的宽度不超过0.11s，最高幅度不超过2.5mV。•QRS波群：反映左、右心室的电激动过程，称QRS波群，其宽度为QRS时限，代表全部心室肌激动过程所需要的时间。正常人最高不超过0.10s。•T波：代表心室激动后复原时所产生的电位。在R波为主的心电图上，T波不应低于R波1/10。•U波：位于T波之后，可能是反映心肌激动后电位与时间的变化。人们对它的认识仍在探讨之中。2.心电图的典型间期和典型段•P-R间期：是从P波起点到QRS波群起点的相隔时间。它代表从心房激动开始到心室开始激动的时间。这一期间随着年龄的增长而有加长的趋势。•QRS间期：从Q波开始至S波终了的时间间隔。它代表两侧心室肌（包括心室间隔肌）的电激动过程。•S-T段：从QRS波群的终点到T波起点的一段。正常人的S-T段是接近基线的，与基线间的距离一般不超过0.05mV。•P-R段：从P波后半部分起始端至QRS波群起点。同样，正常人的这一段也是接近基线的。•Q-T间期：QRS波群开始到T波终结相隔的时间。它代表心室肌除极和复极的全过程。正常情况下，Q-T间期的时间不大于0.04s。3.正常人的心电图典型值•幅值：•P波：0.2mV；Q波：0.1mV；R波：0.5～1.5mV；S波：0.2mV；T波：0.1～0.5mV；•时间：•P-R间期：0.12～0.2S；QRS间期：0.06～0.18S；ST段：0.12～0.16S；P-R段：0.04～0.8S；二、心电图导联心电电极、心音传感器、导联线•心电电极—连接到人体体表，用来监测心电信号的传感器。•心电导联—连接到人体体表的任意两个心电电极所组成的回路。•标准导联亦称双极肢体导联，反映两个肢体之间的电位差。•Ⅰ导=左手电压－右手电压•Ⅱ导=左腿电压－右手电压•Ⅲ导=左腿电压－左手电压心电图导联标准十二导联系统•肢体导联系统—反映心脏额状面情况•双极肢体导联：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ•加压单极肢体导联：avR、avL、avF•胸前导联系统—反映心脏水平面•包括：V1、V2、V3、V4、V5、V6心电图导联•在长期应用临床心电图的过程中，已形成了一个由Einthoven创设而为目前大多数心电图工作者所采纳的国际通用导联体系，称为“标准导联标准导联”。标准导联（StandardLeadSystem）：标准导联为双极导联，测量的是一对电极之间的电位差。常用的为标准肢体导联，按Einthoven氏三角常规连接的三条边，分别称为导联I、II、III。1.肢体导联•包括双肢体导联I、II、III（双极导联）及加压肢体导联aVR、aVL、aVF(单极导联)。各导联的正、负极按统一规定（见下表）常规肢体导联心电图电极位置－标准导联常规肢体导联心电图电极位置－加压导联心电导联之间的运算关系•现代十二导同步记录计算机心电图机中的六个肢体导联，实际只记录了Ⅰ、Ⅱ导，而Ⅲ导与三个加压单极肢体导联均由Ⅰ、Ⅱ导推导，即Ⅰ+Ⅲ=Ⅱ•aVR=-（Ⅰ+Ⅱ）/2•aVL=（Ⅰ-Ⅲ）/2•aVF=（Ⅱ+Ⅲ）/2•由于存在Ⅰ+Ⅲ=Ⅱ，所以•aVL=（Ⅰ-Ⅲ）/2=（Ⅰ-Ⅱ+Ⅰ）/2•=Ⅰ-1/2（Ⅱ）•aVF=（Ⅱ+Ⅲ）/2=[Ⅱ+（Ⅱ-Ⅰ）]/2•=Ⅱ-1/2（Ⅰ）三、心电图机四、仪用放大器五、差动放大器六、隔离放大器七、滤波电路八、心电图测量的相关问题•人体生物电测量中的共模电压是怎样形成的？由哪些成分构成？九、信息技术在心电图中的应用