第一章 生物医学信号测量的特殊性-2

生物医学电子学生物医学电子学第一章生物医学信号测量的特殊性第二节生物电信号的产生与提取BiomedicalElectronics生物医学电子学第二节生物电信号的产生与提取

生物电现象是生命活动的基本属性，几乎一切生命过程中都伴随生物电的产生。人体的各种生物电的研究、记录已经成为了解人体各器官的功能、临床诊断、治疗的可靠依据。本节从单个细胞的生物电现象入手，简单分析各种生物电信号的形成及特征，以便作为生物电信号拾取、分析处理的前提。

生物医学电子学1.2.1膜电位的基本概念一、生物电的发现Galvani（伽尔伐尼）于220年前进行了重要的实验，发现了生物电的存在。实验描述：将一神经肌肉标本与金属接触，肌肉发生收缩，表明生物电的存在。解释：肌肉通过金属构成的回路而放电。肌肉收缩是放电电流刺激的结果。疑问：是否金属导体产生的电流，不是生物电。再进行实验排除金属的影响，把神经肌肉标本搭在损伤的肌肉上，也引起标本肌肉的收缩，证明生物电的存在。生物医学电子学进一步的研究发现生物电的传播速度以往认为神经动作电位的传导速度等于光速；Helmholts经过实验证明，传导的平均速度为20-30m/s发现器官组织的电位变化皮肤，腺体，胃，肠等均有电位变化视网膜、心脏、大脑皮层均有电位变化目前使用的心电图、脑电图等均与上述发现相关。生物医学电子学二、组织和细胞的电学特性1、组织和细胞的导电性（电阻性）是导体：在有机体中，含有大量的水分，含有蛋白质胶体离子。这样，可以把组织和细胞看作一个复杂的电解质导体。有电阻：组织和细胞的导电特性与生理、病理状态密切相关（有状态信息）。例如细胞死亡后，电阻率下降到10-3Ωcm.生物医学电子学

动物组织（心脏、脑、肌肉）都由一群细胞和胞间液组成。胞内液/胞间液之间有一层细胞膜。细胞膜是具有复杂结构和机能的半透性膜，厚度为85-170A（埃10-10m

）。膜上有3A的小孔，它允许某些物质有选择地通过，但又能保持细胞内物质和离子成分的稳定。细胞膜对某些离子的主动转运能力和膜对不同离子通透性能的改变，是细胞的生物电现象、兴奋的产生和传导的物质基础。由于正负离子的通透性不同，造成内外离子浓度差异。胞内液/胞间液形成了一个电容器，称为膜电容。电容性使组织和细胞的导电性随频率变化。2、组织和细胞的电容性生物医学电子学三、膜电位1、静息电位（RestPotential）是细胞未受刺激时存在于细胞内外两侧的电位差。如规定膜外电位为零，则膜内电位约在-10~-100mv。2、动作电位（ActionPotential）是在静息电位的基础上发生一次短暂的电位波动。受到刺激而产生的。

生物医学电子学

3、膜电位产生的原因细胞膜内外的钾、钠离子分布及转运是形成膜电位的基础。离子运动主要受以下因素控制：（1）细胞膜对离子的通透性（2）细胞膜内外的电位差（3）细胞膜内外离子的浓度（4）“钾-钠泵”机能生物医学电子学下图为神经细胞内、外液主要主要离子浓度K+Na+Cl-A-克分子/升膜外0.050.1420.1030.044克分子/升膜内0.1410.0100.0040.0147

由于膜内、外存在很大的离子浓度差，离子就要从高浓度区向低浓度区扩散。假设在静息状态，细胞膜只对K+

有通透性，那么只有K+离子从膜内向膜外扩散，使膜外有较多的正离子，而膜内有较多的负离子，使膜两侧形成外正内负的电位差。生物医学电子学

电位差阻止K+离子进一步向膜外扩散，最终膜两侧K+浓度差与电位差对K+离子移动的效应将达到一个平衡状态，膜两侧的电位差稳定于某一数值，这个电位差，称为K+的平衡电位Ek

。根据能斯特Nernst公式：其中R为普通气体常数，n为离子价数，T为绝对温度，F为法拉第常数。[K+]i、[K+]o分别为膜内外K+浓度。生物医学电子学

大多数细胞实际测量电位，基本接近Nernst公式计算的K+平衡电位Ek，所以认为细胞膜在静息时只对K+有通透性，静息电位相当于钾的平衡电位Ek。如果细胞膜对Cl-、Na+也有通透性，Nernst公式计算的平衡电位E

Pk、PNa、PCl表示K+、Na+、Cl-的通透性生物医学电子学

如果细胞膜对K+不通透，对Na+

完全通透，那么Na+离子从膜外向膜内扩散，使膜内有较多的正离子，而膜外有较多的负离子，使膜两侧形成内正外负的电位差，阻止Na+离子进一步向膜内扩散，最终达到平衡状态，平衡电位为生物医学电子学动作电位是由于膜的通透性在受到刺激后的短时间内发生的一次短暂的、可逆性改变的结果。先是膜对Na+的通透性突然增大，K+的通透性减小，然后膜对Na+、K+的通透性恢复到受刺激前的状态。

1、Na+的通透性增大期间，Na+将由于浓度差和膜内负电位的吸引，快速进入膜内，使膜内电位升高，直到它形成的膜内电位足以阻止Na+不能再有净流入为止。这时膜两侧的电位，相当于Na+离子平衡电位。生物医学电子学2、当Na+的通透性减小而K+的通透性增大时，主要对K+有通透性，膜内K+的高浓度和正电位使K+外移，膜内电位降低，直到K+外移形成的电场力阻止K+外移，最后达到新的K+平衡电位状态。

3、细胞利用其代谢过程中的能量把进入膜内的Na+

转移到膜外，同时把K+转运到膜内，利用“钾-钠泵”机能，使细胞内外的阴、阳离子浓度恢复到原有的稳定状态。生物医学电子学心室肌动作电位曲线与细胞内外离子运动的关系-60-80-100200mV膜外膜内除极复极阈电位K+K+Na+Na+钾-钠泵生物医学电子学1.2.2可兴奋细胞的电活动（一）可兴奋细胞神经细胞、肌细胞和腺细胞，称为可兴奋细胞。特点：不仅可以对一定的外界刺激起反应或兴奋，而且可使受刺激局部所产生的反应或兴奋传播到整个细胞。（二）可兴奋细胞的电活动各种可兴奋细胞受到刺激产生兴奋时，最关键、最本质的共同变化是在细胞膜静息电位的基础上发生一次短暂的电位波动（动作电位），并传播到整个细胞膜。生物医学电子学1、细胞在静息状态下，细胞膜外带正电荷，膜内带同等数量的负电荷，膜外任意两点电位相等，这种电荷稳定的分布状态称为极化状态。2、当细胞左侧受刺激，兴奋使膜外电位变负（称作除极），膜外未兴奋部位电位不变，形成电位差。细胞膜的兴奋及恢复过程---+++++++++----+++++++++++++++---------+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++--------

------------------０生物医学电子学3、细胞外液是导体，故有电流从膜外兴奋段流向非兴奋段，使非兴奋段电位降低，降到阈电位也产生兴奋，并向右传播。---------+++--------++++++-+---------+++兴奋传播过程中，膜外兴奋段为负电荷，非兴奋段为正电荷，相当于一等效电偶（由两个电量相等，距离很近的正负电荷组成一个电偶）向右移动。生物医学电子学４、当整个细胞全部兴奋时，膜外任意两点电位相等且为负电位，等效电偶为零，细胞除极完毕。５、细胞开始回到静息状态（复极），细胞左侧先复极，膜外电位变正，而未复极段膜外电位为负，同样可等效为电偶。极性与除极相反。----------------------------------

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生物医学电子学６、全部复极完毕，细胞又回到静息状态。复极过程中，相当于一等效电偶从左向右移动。+++++++++----

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------------------０生物医学电子学综上所述，可兴奋细胞的电活动，可用电偶等效。膜外任意两点电位相等，电偶为零，对应整个细胞处于同一状态膜外任意两点电位不相等，电偶不为零，对应细胞兴奋传播过程及复极过程。生物医学电子学举例：心电的产生

心肌细胞的极化状态和静息电位心肌细胞在静息状态下，细胞膜外带正电荷，膜内带同等数量的负电荷，这种电荷稳定的状态称为极化状态。实验测得极化状态的单一心肌细胞内电位为-90mV，膜外为零。这种静息状态下细胞内外的电位差称为静息电位。生物医学电子学心肌细胞的除极、复极过程(1)0相（去极化期）：心肌细胞受刺激时钠通道开放，细胞膜对Na+的通透性急骤升高，使细胞外液中的大量Na+渗入细胞内，膜内电位从静息状态的-90mV迅速上升到+30mV，形成动作电位的上升支即0相，0相非常短暂，仅点1-2ms。这种极化状态的消除称为除极。相当于心电图QRS波群的前半。生物医学电子学心肌细胞的除极、复极过程(2)1相（早期快速复极相）：心肌细胞经过除极后，又逐渐恢复负电位称为复极，动作电位到达顶峰后，立即开始复极，在复极开始到达零电位形成1相。因为此时Na+的内流已锐减，细胞膜对K+和Cl-的通透性增大，引起K+的外流和Cl-的内流，其中K+外流是主要的，使膜内电位快速自+20mV下降至0线形成1相。约占10ms。相当心电图QRS波群的后半部生物医学电子学心肌细胞的除极、复极过程(3)2相（平台期）：为缓慢复极化阶段。表现为膜内电位下降速度大减，停滞于接近零电位的等电位状态，形成平台。此期持续时间较长，约占100～150ms，在膜电位低于-55～-40mV时，膜上的钙通道激活，使细胞外Ca+缓慢内流，同时又有少量K+外流，致使膜内电位保持在零电位附近不变。相当于心电图的S-T段。生物医学电子学心肌细胞的除极、复极过程(4)3相（快速复极末相）：此期复极过程加速，膜内电位较快下降至原来的膜电位水平，主要由于膜对K+的通透性大大增高，细胞外K+浓度较低促使K+快速外流。相当心电图的T波。4相（静息相）：通过细胞膜上的钠-钾泵活动加强，使细胞内外的离子浓度差得到恢复至静息状态水平。相当于心电图T波的等电位线。4相的开始相当于复极过程完毕，心室舒张期由此开始。生物医学电子学１.２.３容积导体电场（一）容积导体细胞浸在细胞外液中，细胞外液为离子导电体，心脏周围组织和体液，甚至整个人体都可看作离子导电体，这种三维的离子导电体称为容积导体。

（二）容积导体电场细胞浸在细胞外液中，当细胞某一点兴奋并向整个细胞传播时，膜外未兴奋处电位高，已兴奋处电位低。因此有电流从高电位处流向低电位。若容积导体足够大且均匀，则细胞兴奋产生的电流分布类似于电偶在三维空间产生的电场分布。因此称作容积导体电场。生物医学电子学图1.2.3电偶极子的等位线和电力线可把图1-10容积导体中的电流分布与电偶的电场分布对照。可以用电极测得容积导体某两点电位差，电位差与电极放置的位置、容积导体的导电率和电偶所带电荷有关。生物医学电子学（三）某些生物组织的电学特性

人体可看作容积导体，人体内流过电流时，如果电流密度在1mA／cm2以下，可以近似为线性的电气材料。但人体不同组织的电导率是不同的。一般来说，血液、淋巴液、胆汁、脑脊髓液、汗液可看作良导体；神经、肌肉、肝、脑、肾等次之，而结缔组织、干燥的皮肤、脂肪、骨骼为不良导体，干燥的头发、指甲是绝缘体。生物医学电子学

生物体组织另外还具有电容特性。以电导率和相对介电常来描述生物组织的电学特性，材料中电场和电流密度之间有如下关系

其中为真空介电常数8.85×10-12F／m。

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表中给出了不同组织的电导率和相对介电常数。不同组织电导率不完全相同，由不同电导率组织组成的容积导体电场分布也会发生变化。不同电导率组织的位置变化（深呼吸使隔肌移动），容积导体电场分布也会发生变化，测得的电位会因此改变。电导率和相对介电常数差别并不大，但是血液比别的组织的电导率都大。另外，值得注意的是生物体的电学特性具有十分明显的频率特性，以及方向性和温度特性，离体组织还有时间性。生物医学电子学

造成电学特性的方向性的原因是在于细胞的形状或组织的层状结构，通常认为肌肉是合胞体，因细长而有很大的导向性，高频段细胞膜影响小，异向性变低。生物阻抗的研究是生物医学工程的基础。例如神经和肌肉的兴奋及传导，离子通透性研究，心电、脑电的发生及其导联方法，生物体的电刺激以及测量中的电气安全等均与生物阻抗有密切关系。从生物组织的结构和在生理基础上认识描述生物体电学特性，是生物医学工程的重要的基础研究。

生物医学电子学作业：１、静息电位和动态电位的概念?２、可兴奋细胞的电活动过程？生物医学电子学参考答案１、膜电位的产生原因？细胞膜内外的钾、钠离子分布及转运是形成膜电位的基础。由于膜内、外存在很大的离子浓度差，离子就要从高浓度区向低浓度区扩散。在静息状态，细胞膜只对K+

有通透性，那么只有K+离子从膜内向膜外扩散，使膜外有较多的正离子，而膜内有较多的负离子，使膜两侧形成外正内负的电位差。电位差阻止K+离子进一步向膜外扩散，最终膜两侧K+浓度差与电位差对K+离子移动的效应将达到一个平衡状态，膜两侧的电位差稳定于K