第3章-生物电测量仪器

活组织特殊电现象兴奋可以传播第三章生物电测量仪器第三章生物电测量仪器人体各种生物电信号生物电位静息电位动作电位静息电位产生机理•细胞膜内外离子浓度的不同•细胞膜对不同离子的选择通透性第三章生物电测量仪器1.静息状态第三章生物电测量仪器扩散力电场力静息电位就是k+离子的平衡电位第三章生物电测量仪器2.除极化过程第三章生物电测量仪器3.复极化恢复至极化状态细胞动作电位过程第三章生物电测量仪器第三章生物电测量仪器钠泵是镶嵌在细胞膜磷脂双份子层之间的一种特殊蛋白质，它是一种大分子蛋白，具有ATP酶的活性，当细胞内Na+增加或细胞膜外K+增加时被激活，因此又称Naˉ-Kˉ依赖式ATP酶。第三章生物电测量仪器钠泵的生理意义：•建立起一种储能机制。每次动作电位之后保持膜内外Na和K的浓度差正常，是细胞具有兴奋性的基础。•钠泵活动所贮备的能量也可以完成其他的生理活动，例如小肠上皮细胞对葡萄糖的继发性主动转运。•钠泵造成的细胞内高K是某些代谢反应的基础。同时可以防止Na大量进入细胞内，使细胞结构和功能遭到破坏。第三章生物电测量仪器思考题：什么是钠泵，简述钠泵的生理意义。心电图机电极除颤器第三章生物电测量仪器生物医学电极:第三章生物电测量仪器生物医学电极:•生物电是生物体最基本生理现象，各种生物电位的测量都要用电极。•给生物组织施加电剌激也要用电极。•电极实际上是把生物体电化学活动而产生的离子电位转换成测量系统的电位。•电极起换能器作用，是一种传感器。第三章生物电测量仪器•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。•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,从而使生物体和仪器体系构成了电流回路。•本节首先讨论电极在换能过程中的基本机理以及这些机理对电极性能的影响•然后研究电极阻抗特性和等效电路,最后介绍一些常用检测电极和剌激电极。第三章生物电测量仪器医用电极按工作性质可分为检测电极和刺激电极两大类。–检测电极是敏感元件,用来测定生物电位的。需用电极把这个部位的电位引导到电位测量仪器上进行测量,这种电极称为检测电极。–剌激电极是对生物体施加电流或电压所用的电极。剌激电极是个执行元件。第三章生物电测量仪器生物电的变化能够反应生物体的复杂生命现象，比如人体心血管的疾患，通常可以从心脏各部分的电活动反映出来。例如：临床医生可以从病人身上记录的心电图的细节进行分析诊断；人的神经系统及脑部的疾患在脑电图上必有所表现。因此临床上研究人的各种脏器的功能状态、疾病的发生与发展，需要有效地把生物体内细胞、离子分布电势感应导出。＋＋＋＋＋＋＋-------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。生物电测量的等效电路：生物电电势差＝两个电极间的电势差。对生物体施加电流或电压所用的电极。刺激电极：刺激电极主要用于三个方面：③控制或替代生物体的某些功能。②向生物体内通入外加电流以便达到治疗某种疾病的目的；①研究可兴奋组织的传导和反应规律；临床医学根据生物体的电生理活动原理，对生物体导入各种不同的电信号，以调节和治疗疾病，使肌体获得康复。比如：对处于纤维性颤动而杂乱兴奋的心肌细胞给予瞬间高能量电刺激，强使心肌兴奋相位变为一致的除颤作用；对各种因风湿炎症而引起的慢性疼痛，施以适量的电刺激以使疼痛减轻；控制心脏起搏器监测心脏节率并在搏动失常时给予适当的电刺激来维持心肌的搏动等等，都需要利用另一类电极向生物体导入电信号，第三章生物电测量仪器有时同一个电极兼有检测和剌激双重功能。心脏起搏器上的电极即属于此种电极。检测与刺激共用电极美国前副总统切尼心脏起搏器①按需式（心电R波）②P波同步第三章生物电测量仪器根据电极的大小和工作时所处的位置可将电极分为宏电极和微电极。–宏电极:是外形较大的电极。它主要用于测定生物体较大部位电位或向生物体较大部位施加电剌激。–微电极:是一种尖端细小、机械性能好、能检测细胞电活动的电极。测量细胞内或外电位改变的微电极,其尖端直径约在0.05μm到10μm之间。生物电电极宏电极微电极体表电极体内电极金属微电极玻璃微电极按电极的大小分类宏电极又分为体表电极和体内电体表电极置在生物体皮肤表面的电极。体内电极是穿透皮肤的电极。体内电极又分为皮下电极和植入电极。•皮下电极:为穿透皮肤与细胞外液接触的电极。它能形成良好的电极/电解质溶液接界。常用于肌电测量和外科手术患者心电监测。•植入电极:是长期埋植于体内的电极,用以控制或替代生物体的某些功能。•植入电极需具备如下要求:①极化阻抗低,以减小剌激所需的能量;②对生物体无毒无害;③生物组织相容性好。体表电极•体表电极是用于在身体表面记录生物电信号（如ECG、EEG、EMG）的电极。•体表电极，应满足如下要求：电极电位稳定；阻抗小；安放容易且不易脱落；不易产生运动伪迹；可长期监测；无毒安全、对人体刺激要小。皮肤的角质层虽然极薄（约40μm），但具有很高的电阻率。一般在电极表面涂上一层含有Cl-离子的导电膏，以保持良好接触，并且在此之前用砂纸摩擦去除部分皮肤角质层，可以显著减小表皮电阻。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。不锈钢、铂或镀金（银）的圆盘电极常用于肌电和脑电的记录。•柔性电极可适应体表外形的变化，可减少运动伪迹，常用的是柔性银丝电极，它的制作方法很简单：在橡皮膏上敷一小块银丝网，焊上引线，涂上导电膏即可，它适用于手、足等部位的测量，尤其是早产新生儿的心电监测。金属板电极吸附电极浮式电极干电极体内电极•体内电极，用作在生物体内检测生物电势。因电极被插入体内，电极材料的安全性很重要，象Ag－Agcl电极和人体蛋白质会发生化学反应，不应选用。下面介绍两种体内电极：经皮注射式针电极和丝电极。经皮注射式针电极（a）和丝电极（b）针电极一般用不锈钢材料制成，常用于肌电的测量，效果较体表电极大5~7倍。丝电极一般采用外面涂有绝缘层，直径为25~125μm的镍铬合金丝做成，用于肌电的长期测量。1）金属微电极（2）微电极2）玻璃微电极——常用于活动电势的检测。——一般用于细胞膜电势（如静息电位）的测量，或向检测部位注射微量药物。插入细胞内的金属微电极：插入细胞内的玻璃微电极：GlassMicroelectrode(Thesizeofaglassmicroelectrodetipislessthan1micrometer)电极的极化现象和极化电位1.电极的电化学电极电位•电极是经过一定处理的金属板或金属丝、金属网等。•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（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。电极－溶液界面的平衡电位•(a)所示为锌电极放入含Zn2+的溶液中，锌电极中Zn2+进入溶液中，在金属上留下电子带负电，溶液带正电。•进入水中的正离子和带负电的金属彼此吸引,使大多数离子分布在靠近金属片的液层中,形成的电场,阻碍Zn2+进一步迁移最终达到平衡。•此时金属与溶液之间形成电荷分布产生一定的电位差。•在两界面形成的电位分布是双电层分布。图所示为界面电极电位E的表示。•金属和含有该金属离子溶液所构成的体系称为电极•金属与溶液之间的界面电位差称为电极电位,又称半电池电势电极电位的确定•单个电极电位无法确定，国际上规定氢电极标准电位为零，电极电位相对与氢电极便可确定。•电极电位与温度，材料和反应物资的活度有关，可按Nernst方程计算。•电极电位E•R-气体常数,为8.314J/（mol·K）；•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。几种常用电极材料在25℃时半电池电位•是金属在含该金属离子有效浓度为1mol/L的溶液中达到平衡时的电极电位•可看出值远远大于所有生物电位信号的大小。•与金属以离子形态转入溶液的能力K以及温度T有关系。电极的极化和极化电位•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。•极化现象：将有电流通过的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。•极化电压:有电流流经一对电极时，电极出现极化现象并产生极化电压。极化现象实验图以银电极板模拟电极，以NaCl溶液模拟生物体电解液，电池E模拟电剌激电源或偏置电压，泄漏电流,电阻R模拟检测系统输入阻抗。实验过程•开关K置1：平衡状态，两电极半电池电位相等，无电流通过电极。•开关K置2：电源E接入,使左银极为阳极,而右为阴极。R上有电压降,说明电解池回路中有电流通过电极。且电流随时间增加减小，要维持电流必须升高电压。•开关K置3：电源E脱开，电解池产生与外加电源E极性相反的电动势，既左正,右负。产生极化现象解释•当系统处于平衡状态,溶液中NaCl浓度分布是各处均匀的。•电池E电压加到电极上,电极有电流通过,阴极上发生电极反应为:•由于产物不能扩散离开,阴极吸附氢气,成为氢电极,电极附近OH-浓度增加。•在阳极上发生电极反应为•产物不能扩散离开,致使阳极吸附氧气成为氧电极。电极附近H+浓度增加。•由于极化，氧电极的银电极对外电路为正,而为氢电极的银电极对外电路为负，其极性恰与外接电池E相反。阻止进一步极化电极极化对使用的影响•电刺激：电流通过电极反应将电子转换成离子传送到生物体内,然后经过组织器官在另一电极界面,将离子转换成电子而进入电极。•电刺激目的是将电流通过电极送入生物组织器官。•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。•生物电位测定:是通过电极把待测部位的生物电位引到检测系统进行测定。•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。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•惰性金属如Ag,Pt、等难被氧化和分解,接近极化电极。•与电容器相似,极性与外加电压极性相反。•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/AgC1电极接近非极化电极性能。•位移电流的概念：在电路理论中，回路中传导电流是连续的，即流入电流等于流出电流。但回路中含电容器，电容的一个极板有传导电流流入但没有流出，另一个有传导电流流出但没有流入，对回路而言电流是不连续的。解释这种现象可用麦克斯韦(Maxwell)提出的位移电流的概念。•对于电容器两极板间不导电的介质，虽然没有自由电荷定向移动形成传导电流，但却有一个变化的电场E•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。•传导电流和位移电流共同组成全电流定律。•据全电流定律可知，含电容器的回路电流是连续的，电荷以传导电流流入极板，又以位移电流形式穿过极板间介质，在电路中全电流处处相等。•传导电流和位移电流共同点是都在空间产生磁场•二者根本区别是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是连续的。Ag/AgCl电极－非极化电极•表面镀有氯化银的银板或银丝放在含Cl-离子溶液中所构成。电极的表面上存在下列平衡反应:•给电极加正电位时,反应向左方进行•放出电子与正电荷中和,使电极电位不变。•当给电极加负电位,反应向右方进行:•消掉电子,使电极电位不变。