生物医学传感与检测原理 课件 ch03医用电极与生物电效应测量.pptx

第三章医用电极与生物电效应测量教育部生物医学工程类专业教学指导委员会“十三五”规划教材生物医学传感与检测原理01生物电效应概述生物电效应概述我们的身体是由不同生物组织形成具有生理功能的器官和系统构成的，生物组织、器官、系统的生物活性和生理过程是生命活动的最重要表现。一方面，生理过程伴随着由细胞膜离子通道及其膜电位变化所引起的生物电活动；另一方面，生物组织作为一种特殊介质，与其他物理介质一样具有导电性能，内在生物电或外加电信号（电流、电压）也将在组织中进行传播。因此，生物体具有电生理活动、电信号耦合两种主要的生物电效应。生物电效应概述生物电的形成细胞水平的生物电现象主要有两种表现形式，即细胞在安静时具有的静息电位和细胞受到刺激时产生的动作电位，体内各种器官或组织所表现出各种形式的生物电现象，都可以根据这两种细胞电现象来解释。常见电生理信号心电图（electrocardiogram， ECG）指的是心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着心电图生物电的变化，通过心电描记仪从体表引出多种形式的电位变化的图形。生物电效应概述动作电位的产生（如图3-1）。生物电效应概述心电图如图3-2所示。生物电效应概述脑电图（electroencephalogram， EEG）是通过脑电图描记仪将脑自身微弱的生物电放大记录成为一种曲线图，以帮助诊断疾病的一种现代辅助检查方法，如图3-3所示。生物电效应概述脑电图主要用于颅内器质性病变（如癫痫、脑炎、脑血管疾病及颅内占位性病变等）的检查。脑电图极易受各种因素干扰，应注意识别和排除。生物电效应概述肌电图是采用肌电检测系统记录肌肉静止或收缩时的电活动，并应用电刺激检查神经、肌肉兴奋及传导功能的方法，可以确定周围神经、神经元、神经肌肉接头及肌肉本身的功能状态，如图3-4所示。生物电效应概述肌电图通过测定运动单位电位的时限、波幅，安静情况下有无自发的电活动，以及肌肉大力收缩的波形及波幅，可区别神经原性损害和肌原性损害，诊断脊髓前角急、慢性损害，神经根及周围神经病变；对神经嵌压性病变、神经炎、遗传代谢障碍神经病、各种肌肉病也有诊断价值。此外，肌电图还用于在各种疾病的治疗过程中追踪疾病的恢复过程及疗效。02生物电信号的医用电极测量原理医用检测电极医用检测电极是应用最广泛的医用电极，从测量方式上可分为体表电极、植入电极两种不同类别。以下将介绍其工作的电化学原理，以及不同类型的医用检测电极及其主要特点。医用检测电极医用检测电极的电化学原理生物电位测量在生物医学基础研究和临床应用中发挥着重要作用，它通过电极把待测部位组织或细胞的电位引导到检测系统加以测定，因此，电极是连接测量系统和生物体的关键元件。医用检测电极将生物电化学活动形成的离子电流（电位）转化为电子测量系统的电子电流（电位），通过测量电极将生物组织和测量仪器形成闭合回路，在电极生物组织界面上实现离子电流到电子电流的转换或电子电流到离子电流的转换。医用检测电极图3-5所示是生物电信号检测的生物组织电极测量电路的电流回路示意图。医用检测电极不同类型的医用检测电极医用检测电极按尺寸大小可分为宏电极和微电极。其中，宏电极（macro electrode）是指外形较大的电极，主要用于测量生物体较大组织范围生物电位，常用于检测记录机体器官、组织整体的电活动，又分为体表电极和体内电极；微电极（micro electrode）用于测量局部组织的细胞外电位变化，其尖端细小，包括金属微电极、玻璃微电极。医用检测电极金属板电极。浮式电极。常用体表电极吸附电极。干电极。柔性电极。医用检测电极图3-6、图3-7给出了两种常见体表电极的样式。医用检测电极浮式电极，如图3-8所示。医用检测电极一种心电检测用的绝缘干电极如图3-9所示。医用检测电极柔性电极如图3-10所示。医用检测电极根据形态的不同，针电极可以分为不同的种类，如图3-11所示。电极生物组织界面电极极化电极极化对生物电位测量的影响在工作状态下，电极总是与生物组织之间建立了直接或间接联系，与电极直接接触的是人体汗液、组织液或导电膏等电解质溶液，因而形成了一个电极电解质溶液界面，电极与电解质溶液发生着电化学过程。在生物电位测量时，由于电极极化的影响，电极所拾取的电位信息与真实的生物电位之间可能存在差异。电极生物组织界面图3-12可模拟电极与生物组织之间的导电介质，这里以银电极板代表检测电极。电极生物组织界面极化电极和非极化电极不同材料制成的电极其极化特性可能不同，电极因此也可分为极化电极和非极化电极。1）极化电极在给电极施加电压或通过电流时，电极电解质溶液的界面上无自由电荷通过、但有位移电流通过的电极，称为极化电极。2）非极化电极不需要能量，电流能自动通过电极电解质溶液界面的电极，被称为非极化电极。医用电极的测量电