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1、1.1生物医学测量基本特点1. 生物医学测量仪器部分：传感器和电极：解决信息获取。放大器和测量电路：实现信息的电子化。数据处理和显示：解决临床实际使用。2. 从测量技术看，生物医学测量属于强噪声背景下低频微弱信号测量，被测信号是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号。从信号本身到测量方式，都有它自己的特殊性3. 人体测量的特点： （1）人体测量是以医学、生理学为基础的。（2）生物医学测量的生理参数，有心电、脑电、肌电等各种生物电的电量参数，（3）还有体温、血压、呼吸、血流量、脉搏、心音等非电量参数，（4）生物医学被测量信号是生命系统的信息，与工程测量具有本质的不同。4. 人体的运动与内环境稳态，
2、依靠反馈对控制信息的纠正和调整而达到调节。5.ECG:心电图，5uv-5mv，0.01-100hzEEG:脑电图，2-200uv，0.5-100hzEMG:肌电图，20uv-1mv，10hz-2khz6. 安全方面的三点基本考虑 （1）测量中施加于人体的各种能量 （2）测量的精确度和可靠性。 （3）测量中电防护7. 电流的生理效应（低频电流1khz）：（1）产生焦耳热（2）刺激神经肌肉等细胞（3）使离子、大分子等振动、运动、取向8. 引起纤颤的最小电流计算公式为：I=Kt I-为引起心室纤颤的最小电流， K-为动物（或人）的体重系数， t-为电击时间。9. 宏电击与微电击 宏点击:在整体下,由
3、感知电流造成的电击称为宏电击,超过0.71.1mA的感知电流阈值,可能造成严重电击事故。 微电击:由感觉阈以下电流所造成的电击,称为微电击。例如, 20A的电流自起搏导管流入心脏就会产生危险。可使病人遭微电击而致死10. 人体的阻抗及自然保护机理 人体的皮肤电阻,主要取决于上皮角质层。不同部位的皮肤,其电阻差别很大11. 生物医学测量与模型 肌肉模型：用一个弹簧和一个阻尼器类比一束肌肉，其中弹簧类比肌肉的弹性特征，而阻尼器类比肌肉的摩擦现象。 肌肉受外力f(t)作用,被拉伸，位移量为y， K为弹性系数， D为阻尼器系数2.1生物电信号的特征1. 静息电位，动作电位（见生理学） 能斯特方程： 电
4、势E与离子平均密度n关系：n=n0e-EkTn0为电势能为零时离子密度，k为玻耳兹曼常数，T为绝对温度。k=1.3810-23JK-1 e=1.6010-19C 经变换得到能斯特方程：2. 细胞膜的模拟等效电路细胞膜等效电路为电容和电阻并联3. 0-3期电平变化主因 0期（去极化）: 快钠通道“开放”，Na+通过快钠通道,向膜内迅速扩散,使膜电位迅速升高,变化率可达800v/s,上升幅度大(-80mV至十30mV)。 1期（称快速复极初期）：由于膜外CL-浓度高于膜内47倍,膜内电位为正,高于膜外,故CL-借助于浓度差和电位差两者作用大量向内扩散,使细胞内的电位快速降低。 2期（缓慢复极期或平
5、台期）：由于胞外Ca2+浓度比细胞内高得多 此期慢钙通道早已开放,并且开得很大，Ca2+在浓度梯度作用下经过慢通道而缓慢地向内扩散。该复极过程停滞在0电位水平 3期（快速复极末期）是复极化的主要过程。主要是由K+的外流而造成的。使膜电位较快地下降而形成复极3期。 4. 动作电位的特性小结（1） 全或无反应（2） 无衰减传导（3） 兴奋响应的不应期 绝对不应期：是指动作电位去极化中，无论再用如何强的刺激都不会引起新的动作电位，即有效不应期 相对不应期：指绝对不应期后一段短时间，用很强阈上刺激可在该处引起动作电位，但其动作电位最大振幅变小，这个时期为相对不应期。5. 动作电位的主要特征参量 动作电
6、位幅度(APA)静息膜电位(RP)动作电位时程(APD): 从去极化到复极化后静息电位的时间间隔。常用APD90 （达到峰电位百分之九十的时间）。有效不应期(ERP): 细胞膜从去极化开始后,必须经过一定时间。才能下一次去极化,产生可传播动作电位,该时间间隔称为有效不应期。6. 生物组织电阻抗细胞的电阻抗定义 按电学性质,细胞的模型为膜电容，膜电阻和膜电位组成 膜电阻：表示离子通过膜的能力，通常用单位面积电阻率 Rm（cm2 ）或单位长度电阻率rm（cm）表示 已知面积为S的细胞膜,其膜的横向电阻为:d为膜厚度, 为膜电阻率（使用了膜电阻Rm就不需要考虑膜厚度d）膜电容：膜的绝缘及储存电荷的能
7、力，通常用单位面积电容Cm（F*cm-2）表示。膜电容的大小由下式确定C:表示面积为S的电容值，m为膜的介电常数, d为膜厚度。血清比别的组织电阻率都低脂肪和骨的电阻率最高肿癌与正常组织亦有差别生物组织的电学特性基本按RC模型处理，随频率增加阻抗将减小但是生物组织不同于普通RC电网络，它的阻抗特性还表现出复杂的非线性特性，例如同一种组织电阻率在某频率处电阻率发生显著突变,这一现象称为离散性7. 皮肤的电阻抗 （1）皮肤分为3部分：表皮、真皮、皮下组织。（2）表皮层电阻最大,表皮层中角质层电阻最大,其次是皮脂层。（3）真皮与皮下组织的电阻较小。表面电极通过导电膏和皮肤接触时：角质层中主要是死亡细
8、胞, 角质层起离子半透膜作用,使导电膏中体积较大的离子无法通过角质层,在角质层两边会产生由于离子浓度不同引起的电位差,即所谓浓差电势Ei：浓差电势产生的,Ci：导电膏与皮肤形成的电容,Ri：电容漏电电阻,R：皮肤其他组织电阻。在高频范围内,皮肤阻抗和频率关系可简单按容抗公式计算即： Z = R + 1/j2fC3.1生物医学仪器传感器基础1. 传感器由响应被测量敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的电子线路所组成生物医学传感器:是感知生物体内各种生理的、生化的和病理的信息,把它们传递出来并转换为易处理的电信号装置3.2电极原理1. 基本概念 1）.电极实际上是把生物体电化学活动而产生的
9、离子电位转换成测量电子仪器的电位2）.电极起换能器作用，是一种传感器3）.电流在生物体内是靠离子传导的,在电极和导线中是靠电子传导的4）.在电极和溶液界面上则是将离子电流变成电子电流或将电子电流变成离子电流,从而使生物体和电子仪器构成一个电流回路。5）.医用电极按工作性质可分为检测电极和刺激电极两大类2. 剌激电极主要用于三个方面 研究可兴奋组织的传导和反应的规律;向生物体内通入外加电流以便达到治疗某种疾病的目的;控制或替代生物体某些功能,如临床用的除颤器和心脏起搏器的电极。3. 电极的极化现象和极化电位 极化现象： 用电极引导生物电信号时,与电极接触的是电解质溶液,如导电膏、人体汗液或组织液
10、（针电极插入皮下时）。因而形成一个金属-电解质溶液界面。 由电化学知识可知,当金属放入含有该金属离子的电解质溶液中,在金属和溶液的界面发生化学反应产生电极电位。 根据能斯特方程，电极电位E：R- 气体常数,为8.314J/（molK）；F- 法拉第常数,为96487库仑；T- 绝对温度；n- 金属离子价数；C- 金属离子的有效浓度（mol/L）；K- 为一与金属特性有关的常数。- 为标准电极电位，常温下在单位浓度离子的电极电位。极化电位：电极的极化是指电极与电解质溶液的双电层界面在有电流通过时,电极-电解质溶液界面电位从原有平衡电位变化为新电极电位，该极化电位与通过电流密度有关。将有电流通过的
11、电极电位与无电流的平衡电极电位的偏离现象称为极化现象。两个电位的偏差采用极化电压或超电压描述4. 电极极化对使用的影响1）电极极化会阻碍电流进入生物体组织器官。应尽量设法减小电极极化2）电极极化产生超电压使前级放大器的输入端产生生物电位失真，影响测量准确度5. 极化电极和非极化电极 极化电极：给电极施加电压或电流,在电极/电解溶液界面上无电荷通过,而有位移电流通过的电极,称为极化电极 非极化电极：不需要能量使电流通过电极/电解质溶液界面的电极,称为非极化电极，实际上完全不需要能量的电极是不存在的。测量生理信号常用的Ag/AgCl电极接近非极化电极性能6.传导电流和位移电流 共同点：都在空间产生
12、磁场根本区别：传导电流是电荷运动，通过电阻必将产生焦耳热。位移电流则是电场的变化，在空间和介质中不产生焦耳热。 极化电极界面通过的是位移电流。按照全电流定律电极电流也是处处连续的 电场中某一点位移电流密度等于该点电位移矢量对时间的变化率，也与电场对时间的变化率成比例。通过积分可以求出位移电流7. Ag/AgCl电极 Ag/AgC1电极在小电流时，非常接近非极化电极 使用Ag/AgCl电极应注意的问题： 1）为使Ag/AgCl电极良好工作,在电极和活组织间提供足够的氯离子 2）工作电流小于10-9A为宜。3）电极用作记录信号电极而不用作剌激电极。4）Ag/AgCl电极一般配以高输入阻抗放大器8.
13、 电极的电特性 等效电路C为双电层电容,E为半电池电势。R1为双电层的漏电电阻,R2为电解液电阻9. 电极的阻抗频率特性 高频时,1/CR1 ,阻抗趋近于一个常数R2。低频时, 1/CR1 ，阻抗值趋于恒定值（R1+R2）。在两极限值之间，阻抗大致与频率平方成反比。10. 常用生物电极体表电极绝缘干电极： 原理：电容耦合信号原理，电极与人体接触面上有一层很薄的绝缘膜把金属电极与人体隔开,人体和金属电极之间形成电容,人体和电极片分别为电容的两个极片,中间的绝缘膜为电容器的中间介质电极片不与导电膏或其他电解质接触,从而避免了极化现象，俗称绝缘干电极微电极： 提取单细胞或神经元电位的电极,是比细胞尺
14、寸还小的微电极 金属微电极： E(t)：细胞膜电位 Rfa,Ca ：电极尖端与细胞内液界面的等效阻抗Ea：电极尖端与组织电解液间电位；Eb：参考电极和电介质间电位C：电极金属杆与细胞外液间由绝缘层隔开,存在分布电容Cd,总电容C=Cd ,R放大器输入电阻 等效电路看出:如忽略Rfa影响，信号通过Ca和放大器输入电阻R，如放大器输入阻抗不足够大,易将造成波形低频失真?。金属微电极等效阻抗与频率有关。通常可用金属微电极获得细胞动作电位玻璃微电极:Rt：电极阻抗 集总电容：C=Cd E(t)：细胞膜电位 Ea：电极金属与电解液间电位，Eb:参考电极和电介质间电位， Ej:尖端电位，Et:电极腔玻璃半透膜的膜电位频率特
