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2011年上海大学“生物医学传感器与测量”课程 2011年上海大学“生物医学传感器与测量”课程 第二章 生物电信号的特征 张麒 上海大学 通信与信息工程学院 2.1 生物电现象 活的细胞或组织，不论是安静状态还是活动状态，都伴有电位差的存在，即有电现象，所以叫做生物电。 生物电现象是生命活动的基本属性。在机体的一切生命过程中都伴随生物电的产生。 生物体的各种生物电的研究、记录已经成为了解生物体各器官的功能、临床诊断、治疗的可靠依据。 生物体的基本单位是细胞，体内所有生理功能和生化反应都是在细胞及其产物的物质基础上进行的 细胞具有细胞膜结构，细胞膜是一种多相的各向异性的介电材料，它既具有较高的电阻率又具有电容性。 生物细胞受到刺激，使细胞膜电位不断发生变化，膜电位的变化过程可看作电容器的充、放电过程 由于细胞膜电位的变化，将产生电信号，并且这种电信号能载有信息，同时在体内迅速传递。 生物电包括： （1）静息电位(resting potential . RP) （2）动作电位(action potential. AP) 2.2 静息电位(RP) 细胞在安静的条件下，存在于细胞膜内外两端的电位差，称跨膜静息电位，简称静息电位（RP）（或RMP Resting membrane potential）。膜内较膜外为负。 (生理学中常把膜外电位规定为0，因此膜内为“负”） 由于浓度差，K+外流，而A-却留在膜内，从而造成“内负外正”的状态，形成电位差，而这种电位差又能阻止K+进一步外流，即： a.因浓度差，使K+外流 b.因电位差，阻止K+外流 当a.b两种力量达到平衡时，膜内外两侧的电位差称RP。 此时[K+]内[K+]外 约30：1 不同细胞的静息电位是不同的 人体神经细胞 -86mV 不同类型心肌细胞为例： 心室肌细胞 -90~-80mV 浦肯野纤维 -100~-90mV 窦房结细胞 -70~-40mV 静息电位，又称极化状态(polarization) 细胞膜静息电位的计算 2.3 动作电位(AP) 当细胞受到刺激而兴奋时,受刺激部位的膜电位将发生一系列短暂的电位变动，最初发生膜电位升高，接着慢慢又恢复到原来的静息电位（RP）水平。 膜电位的变动，生理学上称为动作电位(AP)。 去极化(depolarization): 即 除极化 当极化膜的某点受到刺激（物理、化学或电流的刺激）后，该处极化膜对各种离子的通透性立即发生变化，大量Na+离子迅速进入膜内，使膜内电位急速上升，膜内电位由负变正 构成AP的上升支 复极化(repolarization): 去极化电位达到正峰值后，逐渐回到静息状态 构成AP的下降支 AP产生的原理： ①[Na+]外[Na+]内 约12：1 ②电位差：内负外正。Na+有内流的趋势 刺激使膜的Na+通道被激活，膜对Na+的通透性比静息时突然增大500倍（远远高于对K+的通透性），Na+顺浓度差，电位差大量、快速地进入膜内，使膜电位上升，极化消除，进而倒转，细胞膜两侧由“内负外正”状态变为“内正外负”状态。 例：心肌细胞AP： 2.4 动作电位的传播 在同一细胞的传导 可兴奋细胞的局部受电流刺激之后产生的电位不会停留在受激部位 静息时膜电位-70mV,动作电位最高达40mV，这110mV的电位变化对邻近的静息区必然产生局部电流，引起AP的传播 以神经纤维传输为例： AP是兴奋的标志,神经冲动(impulse)即沿神经纤维传导的AP。 兴奋由神经向肌肉的传递： 突触（synapse）： 两细胞间相互接触并且能传递信息的部位。 神经—肌肉突触是突触的一种形式，又称为“神经肌肉接头（接点）”（neuromuscular junction）. 神经肌肉接头的形态结构： 兴奋在心脏的传递 心脏兴奋与相应的心电图波形 2.5 生物组织的电阻抗 细胞膜电阻抗 细胞膜兼有电阻、电容的复合特征 电阻性：对某些离子有选择性地通透 电容性：储存电荷 膜电阻 R = Rm/S 膜电阻率Rm = ρd 几十至几百 Ω· cm2 膜电容 细胞内、外液 导电性能较好的电解质溶液 细胞膜 几乎完全绝缘的电介质 厚度约为10-8 m Cm = εm / d (一般所说的膜电容即为单位面积电容，而不说成“膜电容率”) 面积为S的膜电容 C = Cm S 电容的极板 电容的介质 各种生物细胞的Rm、Cm 生物组织的电阻抗 不同组织的电阻率 根据电阻率、电导率、电容率等电学物理量的组织间差异，