生物医学测量与传感器4课件.ppt

细胞膜电阻抗定义 (2) 膜电容 膜的绝缘及储存电荷的能力，通常用单位面积电容 表示膜电容。膜电容的大小由下式确定 式中，C 为面积为 S 的电容值； 为膜的介电常数；d 为膜厚度 （3）膜电位 表示膜的静息电压大小 膜同时兼有电阻和电容的复合特征，在直流或极低频率下，细胞膜电阻抗较内、外液电阻高得多，电流几乎不能进入胞内空间；而高频电流时膜电阻抗相对很低，细胞内、外空间电流的分布简单地取决于内、外液电阻间的相对大小。细胞电阻抗的测量主要用高电阻抗的微电极方法 . 生物组织的电阻抗 生物组织的电阻抗 在交流电流作用下，生物结构具有复杂的电阻性质。有的具有普通的欧姆电阻性质，在一定范围内，其电压和电流呈线性关系;有的呈现十分明显的非线性特性。例如，细胞膜具有变阻作用，也表现出非对称的整流作用。生物膜电容既有储能的作用，也有极化电容的性质。细胞膜在去极化和复极化时类似一个电容的充放电过程。细胞膜也消耗能量变为热能。频率不同细胞膜的耗散不同。有实验证明，离体神经细胞在改变细胞外液中离子成分，尤其是改变钙离子浓度时，发现有电阻抗成分，说明生物结构有电感元件存在的可能。 生物电阻抗和生物机体或组织体积的变化有关。如肺泡电阻率随呼吸而发生规律性的变化;血管中的血液电阻率与红细胞容积百分比的改变和流动状况相关。体内各种组织的电阻率不仅取决于本身的性质，而且也与组织中所含血液流动情况和含量有关，血液流动时比静止时导电性能好，因此随着心脏的舒张和收缩会发生有规律的电阻变化。 生物组织的电阻抗 生物体内流过电流时，一般来说，血清、血浆、血液、淋巴液、胆汁、脑脊髓液、汗液为良导体；神经、肌肉、肝、脑、肾等次之;而结缔组织、干燥的皮肤、脂肪、骨髓为不良导体；干燥的头发、指甲是绝缘体。用阻抗测量方法可以测量离体组织或在体组织的阻抗参数。 利用血液电阻抗远小于其他组织阻抗的特点，可以无损伤测量血液循环系统的变化。如临床监护中所用的心输出量测量，以及脑、肺、肌肉、肝、肾等组织的血流量测量等，采用一定的电子技术方法就可以提取血流的信息。利用空气阻抗与生物组织相比非常大的特点，也可用于呼吸的测量，例如，临床监护中换气量的测量等。此外，生物体各部位组织的电阻抗受电解液浓度和细胞膜的影响明显，阻抗法测量还可用于液体分布、浮肿的测量。 生物阻抗的研究是生物医学工程的基础研究之一。例如，神经和肌肉的兴奋及其传导，离子通透性研究，心电、脑电的发生及其导联方法，心电的反推定(逆)问题，生物体的电剌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，是生物医学工程的一个重要的基础研究内容。 皮肤的电阻抗 皮肤的电阻抗 从人体获取生物电信号首先需通过皮肤，皮肤可分为表皮、真皮、皮下组织三部分。皮肤电阻基本上集中在表皮层，真皮与皮下组织的电阻较小，表皮中角质层的电阻最大，其次是皮脂。有时为了减小皮肤电阻经常设法把这二层去掉，常用方法有:用酒精或细砂纸擦洗皮肤表面或在皮肤表面涂上导电膏。角质层中存在着的主要是死亡细胞，当表面电极通过导电膏和皮肤接触时，角质层可起到离子半透膜的作用，即导电膏中有些体积较大的离子无法通过角质层，结果在角质层两边就会产生由于离子浓度不同而引起的电位差，即所谓浓差电动势。同时在电极和皮肤间有电容存在，这些电容都是由电偶极层产生的。 皮肤的电阻抗 如图所示为导电膏与皮肤接触时的等效电路。 图中 Ei 即由浓差电动势产生的，Ci为导电膏与皮肤形成的电容， Ri为该电容的漏电电阻，R为皮肤的其他组织的电阻。由于电容Ci的存在，使阻抗比较明显地随电流频率变化，在高频范围内，电容Ci的容抗对皮肤阻抗的贡献明显大于Ri,可以忽略 Ri的影响。 皮肤的电阻抗 皮肤阻抗Z与R和容抗的关系为 皮肤其他阻抗电阻R不随频率f而变化，所以只有电容 Ci 的容抗 随频率改变。若按电容容抗计算皮肤阻抗，当接触面积为 100cm2，皮肤电容Ci为1μF，若频率为50Hz时，容抗大小为3.18k?，当频率上升到4KHz 时，容抗明显下降，变为39.8?，频率变化时，R不会改变，所以容抗在皮肤阻抗中起主导作用，所以在理疗学中，常用中频(l~100kHz)的电流对病人进行治疗，就是因为中频电流才可以顺利通过人体皮肤进入人体较深的部位。 第二章 生物电极和医学传感器 生物电信号的特征 细胞和组织的电学特性 生物电现象是生命活动的基本属性，几乎在机体的一切生命过程