第四节生物电阻抗及电活动图10级.ppt

第一章生物电学 第一节概述第二节生物聚合物的介电特性第三节生物聚合物的压电特性第四节人体组织和器官的电阻抗和电活动图 第四节人体组织和器官的电阻抗和电活动图 由细胞组成的人体各种组织和器官 其电学特性 电活动表现及规律各不相同 这种差别与各种组织和器官的生理功能的特殊分工密切相关 因此 测量和分析它们各自的电特性和电活动 不仅为认识生命活动过程提供重要信息 而且成为临床诊断和治疗的重要技术 第四节人体组织和器官的电阻抗和电活动图 一 生物电阻抗二 生物电测量仪器三 肌电图和神经传导测量四 脑电图 一 生物电阻抗 细胞膜具有电容性 电阻性和电导性 随着细胞电活动的变化这些电学特性也不断随时间变化 同时 不同组织的不同部位的电学特性也随空间变化 考虑由大量细胞组成的组织和器官时必须包括细胞内和细胞间各种物质的电特性 一 生物电阻抗 生物电阻抗的特征测量生物组织电阻抗的方法各种组织和器官的电阻抗电阻抗技术的医学应用 生物电阻抗的特征 生物组织的低频阻抗较大而高频阻抗较小 反映了生物组织电阻抗的容性特征 测量生物组织电阻抗的方法 组织和器官电阻抗的测量采用低阻表面大电极 常用的方法有 双电极法 将恒压交流电流引入人体被测部位 通过同一对电极检测阻抗变化四电极法 用一对电极输入恒定电流或电压 另一对电极引出被检测部位的电位变化 双电极法 电极下被测组织中的电流密度高于被测组织其它部位的电流密度 即电流分布不均匀 使测得的阻抗与实际阻抗有较大的误差 四电极法 电压电极处于电流密度分布比较均匀的中间段当采用高输入阻抗的电压放大器时 电压电极与被测组织间的接触电阻可以忽略不计 电极与生物组织电解液之间的极化也可以忽略不计 各种组织和器官的电阻抗 人体各种离体组织的电阻和电导组织电阻率 欧姆 厘米 电导率 1 10 4欧姆 厘米 0 9 氯化钠溶液50140血清70 78105全血160 23056 85骨骼肌470 71158 90心肌 无血 50 107心肌 灌满血 207 224肝506 6726 90肺 呼气 4015 55肺 充气 744 766脾630正常乳房430乳癌170肾髓质400肾皮质610肾脂肪1808 22050 4脑灰质480脑白质750 各种组织和器官的电阻抗 可见离体组织和器官中 血清的电阻率最低 脂肪和骨的电阻率最高 肿瘤和正常组织也有差别 在位组织的电阻抗还与其血流含量有关 随着心脏的舒缩会发生规律性的变化 同一组织的电阻抗还随测量时外加电场频率而变化 原因是 细胞膜在直流电场下的电容抗接近于无穷大 但在高频电场下电容抗会变得很小 在机体死亡后一天之内 各组织的电阻抗特性发生明显变化 电阻抗技术的医学应用 在一定的条件下 人体组织的电阻抗是容积的函数 对均匀导体 有以下近似关系 R R V V对非均匀复杂的电阻抗系统 近似关系为 V Z Z V式中 R R分别为电阻值及其变化值 V V分别是容积及其变化值 电阻抗技术的医学应用 在人体内 器官或节段的容积主要源于血流的变动 故通过阻抗的测量可大致推测出血流搏动量或描记出血流搏动图 脑血流图 脑阻抗和肝阻抗图 在头部放置一对电极 可引导描记出脑阻抗图 该图可反映出脑血管弹性的变化 若将电极置于肝区皮肤表面 可测到肝阻抗图 用以了解肝弹性好坏或判断肝脏质地 脑阻抗和肝阻抗图 a 脑阻抗图 b 肝阻抗图1青年人2 3中年人4老年人A正常人B肝硬化或巨块型肝癌 乳腺癌检测 乳腺肿瘤早期和潜伏期由于肿瘤实体尚未形成 现有的一些临床检查方法 如乳房X射线摄影等难以探知 正常乳腺组织在发生病变 向肿瘤组织发展的过程中 首先将在分子水平和细胞层次上发生一系列的变化 从而引发与此相联系的电特性变化 在乳腺肿瘤的早期和潜伏期 伴随其分子与细胞生物学变化 相应的电特性改变已经发生 甚至十分明显 因而采用医学电阻抗技术实现乳腺肿瘤的无损伤 早期发现和前瞻性预报 乳腺癌检测 乳腺癌恶性病灶组织的电容和电导要比正常组织或良性病变高50倍 利用恶性组织 良性组织和正常组织电特性的显著差异 基于阻抗测量技术可以进行乳腺癌检测 乳腺癌检测 1996年 Jossinet小组把乳腺疾病分成6组 乳腺组织 结缔组织 脂肪组织 乳腺病 纤维腺瘤和乳腺癌 其中前3组是正常组织 后3组是病变组织 其中前2组是良性病变 结果显示 癌组织的电阻率低于皮下脂肪组织和结缔组织 高于纤维腺瘤 正常组织 乳腺组织 和良性病变组织 腺病和纤维腺瘤 的电阻率没有显著差异 乳腺癌检测临床应用进展 1999年 以色列研制的T Scan2000系统获美国FDA的批准进入临床应用整套设备由显示器 探头 电极 处理器构成 检查时 患者手握电极 电极产生1 2 5V的交流电流入身体 探头放在乳腺皮肤上收集电导率信号 并与置于腹部的参考电极作比较 从而形成了完整的电流回路 由于电流很小 最大只有5mA 整个过程不会产生不适 在扫描乳腺时 首先将乳腺在前视图上平均分为3 3共9个区 分区逐个检查 探头由256个感受器构成 排列成16 16的矩阵 感受器收集的电导率信号将转化为灰阶显示 乳腺癌检测临床应用进展 第四军医大学生物医学工程系研究了与T Scan功能类似的EIS样机该样机选用8 8电极阵列 面积为31mm 31mm 恒压激励信号幅值范围为0 1 2 5V 在50 5000kHz提供165种激励频率 胸腔电阻率 肢体血流量或心血输出量可以通过公式计算得到 进而可用于对胸腔电阻率的测量 胸腔电阻率仅与胸腔组成材料的性质 结构 紧密程度和水合作用大小有关 临床上用于诊断肺水肿 肺气肿和胸腔内液体过载或缺脱等疾患有较大的实用价值 二 生物电测量及仪器 在生物医学领域 通常将生物机体在进行生理活动时所显示出的电现象称为生物电现象 bioelectricphenomenon 研究生物电现象的生理学称为电生理学 electrophysiology 生物电现象在生物界是普遍存在的 其中以伴随神经 肌肉 包括骨骼肌 平滑肌和心肌 和感觉器官活动的电变化最引人注目 并成为现代电生理学的主要研究内容 二 生物电测量及仪器 人体不同部位的生物电测量与记录 能反映相应部位的兴奋性变化 是临床诊断的重要依据 例如心电变化的测量与记录是现代医学诊断心脏疾病的主要手段 脑电的测量与记录是探测脑部肿瘤和癫痈发作的重要依据 肌电的测量与记录有助于诊断肌肉萎缩和肌肉神经支配疾病等 二 生物电测量及仪器 生物电测量涉及许多研究领域 诸如生物电的起源 生物电测量电极 体表记录电极 体内电极 微电极等 生物电放大 记录等共性问题 已有许多著作作了深入的讨论 接下来介绍心电 脑电 肌电等常见的生物电测量和仪器 1 生物电测量电极 在测量心电图 脑电图 肌电图 眼电图及细胞电活动等体内 外生物电位时采用的生物电引导电极称为生物电测量电极 生物电测量电极通常由经处理的某种金属板 金属细针或盒属网制成 测量电极的性能优良与否 将直接影响各种生物电位变化的测量结果 生物电测量电极种类 以安放的位置分 可分为体表电极 皮下电极和体内植入式电极等 按电极的形状分 可分为板状电极 针状电极 螺旋电极 环状电极和球状电极等 按电极的大小分 可分为宏电极和微电极 宏电极和微电极 宏电极通常用来检测体内 外机体组织的电位变化 例如心电 脑电 肌电等 微电极在测量单细胞或神经元之内的电位变化时 必须来用比细胞尺寸还要小的电极 这种电极的尖端直径仅为0 5 5 m 体表电极 体表电极若按电极与皮肤之间是否采用导电膏采分 又可分为湿电极 采用导电膏 和干电极 不用导电膏 干电极仅在金属板上制作一层绝缘薄膜 因而亦称为绝缘电极 与常用的传导型电极不同 绝缘电极 干电极 是利用绝缘薄膜作为介质构成电容 作为交流静电耦合 来提取肌体电位变化的 因此亦称为静电耦合型电极 生物电测量电极小结 由于人体的活组织是一个含有多种金属元素的电介质 生物电测量电极提取生物电位变化时 要经过复杂的非线性过程 因此生物电位的测量及检测电极的研究均会涉及到许多基础研究 但在实践中 通常将电极测量生物电位变化时 看成是在电极 电介质界面上发生了从离子导电向电子导电的能量转换过程 而且将电极的电性能等效成由电容与电阻和干电池电位组成的等效电路 2 心电测量及仪器 1 心肌细胞的电偶极矩2 电偶的电性质及其描述3 心电的产生和心电图 1 心肌细胞的电偶极矩 心脏的跳动是由心壁肌肉有规律的收缩产生的 而这种有规律的收缩又是电信号在心肌纤维传播的结果 心肌纤维由大量心肌细胞组成 1 心肌细胞的电偶极矩 心肌细胞处于静息状态时 其膜内外两侧分别聚集着等量的负 正离子 形成均匀的闭合曲面电偶层 因此在无刺激时心肌细胞是一个中性的带电体 对外不显电性 外部空间各点电势为零 这种状态称为极化 1 心肌细胞的电偶极矩 当心肌细胞受到某种刺激时 细胞膜对离子的通透性改变 使膜两侧局部电荷的电性发生改变 于是细胞整体的电荷分布不再均匀 对外显示出电性 可等效为两个位置不重合的点电荷 整个心肌细胞类似一个电偶极子 形成电偶极矩 刺激在细胞中传播时电矩是变化的 这个过程称为除极 1 心肌细胞的电偶极矩 当除极结束时 整个细胞的电荷分布又是均匀的 对外不显电性 当除极出现后 细胞膜对离子的通透性立即恢复原状 即紧接着除极将出现一个使细胞恢复到极化状态的过程 这一过程称复极 复极的顺序与除极相同 先除极的部分先复极 这样就形成一个与除极时方向相反的变化电距 心肌细胞对外显出电性 当复极结束时 整个细胞恢复到极化状态 又可以接受下一次刺激 综上所述 心肌细胞受到刺激以及其后恢复原状的过程中 将形成一个变化的电偶极距 在其周围产生电场 并引起空间电势的变化 1 心肌细胞的电偶极矩 心肌细胞的电学模型 2 电偶的电性质及其描述 在某种刺激下 心肌细胞会出现除极和复极 同样对大量心肌细胞组成的心肌 以及整个心脏也出现除极和复极 因此 我们在研究心脏电性质时 可将其等效为一个电偶极子 称心电偶 它在某时刻的电偶极距就是所有心肌细胞在该时刻的矢量和 称为瞬时心向量 心电偶在空间产生的电场称心电场 2 电偶的电性质及其描述 瞬时心电场是一个在方向 大小都随时间做周期性变化的矢量 将矢量箭头的坐标按时间 空间加以描述 连接成轨迹 此轨迹称为空间心向量环 它是瞬时心向量的箭头随时空变动的三维空间曲线 描述了心电向量随时空变化的规律 空间心向量环在某一平面上的投影称为平面心电向量环 2 电偶的电性质及其描述 空间心电向量环 3 心电的产生和心电图 心脏在搏动之前 心肌首先发生兴奋 在兴奋过程中产生微弱的电流 该电流经人体组织向各部分传导 由于身体各部分的组织不同 各部分与心脏间的距离不同 因此在人体体表部位表现出不同的电位变化 这些电位变化可通过导线送至一种特制的记录装置 心电图机记录下来 形成动态曲线 这就是所谓心电图 electrocardiogram ECG 也称为体表心电图 人体表面的瞬时电位分布 人体表面的瞬时电位分布 3 心电的产生和心电图 心脏在空间所建立起来的电场是随时间作周期性的变化的 任意时刻 在空间两点的电势差是确定的 可以测量 这一电位差也随时间作周期性的变化 人体表面两点间的电压随时间的变化曲线就称为心电图 人体心电图 心肌细胞跨膜电位和心电图的关系 3 心电的产生和心电图 由于心电场的电势分布有正 有负 故心电图的波形也有正负之分 心电图是反映心脏兴奋的产生 传导和恢复过程中的生物电变化 心肌细胞的生物电变化是产生心电图的源泉 但是心电图曲线与单个细胞的膜电位曲线有明显的差别 3心电导联 1 标准导联 standardlead 2 加压单极肢体导联 augmentedunipolimblead 1 标准导联 standardlead 标准导联又称标准肢体导联 它是直接将两个肢体电极的电位加至心电放大器的输入端 记录两者之差 1 标准导联 standardlead 2 加压单极肢体导联 augmentedunipolimblead 1943年 威尔逊 Wilson 提出将肢体电极 RA LA LL 经过三个相等的电阻 大于5千欧 接在一起 组成一个平均电位的中心端 因为这个中心端电压在心脏激动时 经常保持在零点左右 可作为体表心电图测量的基准 使该中心端与心电图机的负极相连 分别将探测电极置于右上肢 RA 左上肢 LA 左下肢 LL 测定各点的电位变化RA LA LL 这种反映单点电位变化的联接方式称为单极肢体导联 但这种连接方式由于探测电极距心脏较远 所测得的电位较低 描出的波形振幅很小 2 加压单极肢体导联 augmentedunipolimblead 三肌电图和神经传导 神经系统通过动作电位传导各种信息 动作电位起源于细胞体或轴索末端且沿着神经纤维传播 如果刺激感觉神经以获得神经电位的传导 或刺激运动神经纤维在肌肉上获得肌肉动作电位 就能了解到这两种神经的传导功能 肌电图的形成与测量神经传导速度的测量肌电图在生物医学研究中的应用 肌电图的形成与测量 肌肉的一个运动单位包括来自脑干或脊髓的单个分支的神经元 25 2000个肌纤维 细胞 神经元通过运动终板与肌细胞连接 当神经元把脑和脊髓发出的动作电位传到肌细胞后 使肌细胞去极化并产生收缩 肌电图的形成与测量 用同轴针形电极插入皮下 可测量单个运动单位的电活动 表面电极放在皮肤上可测得多个运动单元的电活动 肌电图 当肌肉放松时 肌电图上只有人体或仪器的干扰和噪声 肌肉轻度用力时 肌电波是分离的 肌肉强直收缩时 由于参与活动的运动单元多 频率增高各波形互相干扰 不能再分辨单个的肌电波 肌电图 对肌电波检测的指标主要有 时限 一般为1 10ms 相数 电位每一次偏离基线后又回复到基线为一个相 幅值 峰 峰值 一般为10 2 10mV 频率 一般为10 1 103s 1 原始肌电图 肌电图 肌电图可以测量自发的肌电活动可以记录电刺激引发的肌肉运动电活动 还可以电刺激传导神经 将信息传入中枢神经 再通过观察肌肉的反射来研究反射系统的功能 2神经传导速度的测量 刺激外周神经 需经一定的潜伏期 才能在被测点记录到肌电波 潜伏期的大小取决于刺激点与测量点间的距离和运动神经对动作电位的传导速度 因此测量潜伏期可以计算某段神经的传导速度 运动神经的传导速度测量模式 3肌电图在生物医学研究中的应用 诊断 神经内科 骨科 职业病和运动医学 治疗 反馈疗法 进行自我反馈调节 达到逐渐恢复正常生理状态的目的 四 脑电图 EEG 1 检测方法2 自发脑电波的产生与分类3 脑电与意识状态 1 检测方法 大脑两个半球表面的一层结构叫大脑皮层 是人类进行思维活动的物质基础 大脑皮质是灰质 由神经元组成 这些神经元分别集中形成各种神经中枢 例如 听 视 语言 感觉中枢等 神经中枢的基