1、 第五章第五章 人体电磁学人体电磁学 本章学习要点：本章学习要点：1. 主要内容以此为准，公式推导过程不作要求。主要内容以此为准，公式推导过程不作要求。2. 图片参见课本或参考书；课本没有的图片不图片参见课本或参考书；课本没有的图片不作要求，以减轻负担。作要求，以减轻负担。3.3.本课件只供个人学习用，不外传以免纠纷。本课件只供个人学习用，不外传以免纠纷。 应用：应用：心电图、脑电图、或肌电图等心电图、脑电图、或肌电图等. 第一节第一节 人体电现象及物理基础人体电现象及物理基础 历史：历史：伽伐尼伽伐尼1786年发现生物电现象年发现生物电现象.一一. 人体电阻抗人体电阻抗 基础：基础： R=L
2、/S C=r0S/d 1. 细胞的电阻抗细胞的电阻抗 2. 组织的电阻抗组织的电阻抗 (1)直流电阻率直流电阻率 (2)交流电阻率以及和频率的关系：交流电阻率以及和频率的关系： 交流电阻率随频率增加而下降。交流电阻率随频率增加而下降。一一. 神经元的结构和电性质神经元的结构和电性质 1. 神经纤维的结构神经纤维的结构 神经元：包括细胞体、树突、轴突。神经元：包括细胞体、树突、轴突。 轴突包括有髓鞘纤维，郎飞氏结；无髓鞘纤维。轴突包括有髓鞘纤维，郎飞氏结；无髓鞘纤维。第二节第二节 细胞生物电现象和神经传导细胞生物电现象和神经传导 (2)轴浆电阻：轴浆电阻：2iari 膜电流膜电流 2. 神经纤维
3、的电学性质神经纤维的电学性质 (1)轴浆电流轴浆电流 (3)膜电阻：膜电阻： Rm=mbaRrm2m 膜电导：膜电导： Gm=1/Rm； gm=1/rm (4)膜电容：膜电容：Cm=/b； C=Cm2a (5)神经的兴奋和冲动：神经的兴奋和冲动： 指刺激强度达到某一阈值时引起的神经兴奋反应。指刺激强度达到某一阈值时引起的神经兴奋反应。二二. 静息电位和离子浓度静息电位和离子浓度 1. 概念：概念：细胞膜内外电位差。细胞膜内外电位差。 2. 产生原因产生原因： (1) 细胞膜内外液体中离子浓度不同；细胞膜内外液体中离子浓度不同； (2) 膜对不同离子通透性不一样。膜对不同离子通透性不一样。 3.
4、 能斯特方程和平衡电位能斯特方程和平衡电位 (1)方程：方程： 经推导得膜两侧电势差为：经推导得膜两侧电势差为：1212lnCCZekTUU 称为能斯特方程。称为能斯特方程。 (2)Nernst方程的应用方程的应用 将膜内外各种离子的浓度数据代入将膜内外各种离子的浓度数据代入Nernst方程计算方程计算，得：得： 神经静息电位实测值为神经静息电位实测值为 =-86mV。 4. Donnan平衡平衡 细胞静息时，膜两边离子的浓度不相等。细胞静息时，膜两边离子的浓度不相等。 这时膜两边的离子扩散平衡叫这时膜两边的离子扩散平衡叫Donnan平衡。平衡。 Donnan平衡后离子浓度的分布满足：膜两侧组
5、分平衡后离子浓度的分布满足：膜两侧组分离子的总跨膜位能差为零以及两侧溶液应保持电中性。离子的总跨膜位能差为零以及两侧溶液应保持电中性。 稳定时可算出跨膜电位差为：稳定时可算出跨膜电位差为：21K112K2lnClClNaNaKClClNaNaKCPCPCPCPCPCPZekTE 5. Goldman方程方程 6. 膜电位的测量膜电位的测量 可用细胞内记录装置测量。可用细胞内记录装置测量。 (1)被动膜被动膜三三. 电紧张电位和电缆学说电紧张电位和电缆学说 1. 神经细胞的电紧张电位：神经细胞的电紧张电位： (2)电紧张电位：电紧张电位：因外加电流而产生的膜电位变化。因外加电流而产生的膜电位变化
6、。 (3)测量测量 (4)结果：结果：x处的膜电位与时间的关系。处的膜电位与时间的关系。 膜电位变化的最终值与膜电位变化的最终值与x的关系。的关系。 2. 电缆方程电缆方程 电缆学说把神经轴突膜看成一电缆，利用电缆方程电缆学说把神经轴突膜看成一电缆，利用电缆方程可算出膜电位可算出膜电位的变化情况。的变化情况。0222tx 可推得神经纤维的电缆方程为：可推得神经纤维的电缆方程为： 其中其中 =(rm/ri)1/2， =rmCm；分别称为空间常数和时间常数。分别称为空间常数和时间常数。 若空间钳制，则：若空间钳制，则：te0 (1)时间常数时间常数 ： (2)空间常数空间常数 ： 一段时间后电容充
7、电完毕，则：一段时间后电容充电完毕，则：xe0 与纤维半径的关系：与纤维半径的关系：imaR2 (1)极化：极化：指细胞静息时的状态。指细胞静息时的状态。四四. 动作电位动作电位 1. 动作电位的离子学说动作电位的离子学说 (2)除极除极：指细胞受刺激时，膜局部去极化的过程。指细胞受刺激时，膜局部去极化的过程。 (3)复极：复极：指细胞除极后，又回复到极化状态的过程。指细胞除极后，又回复到极化状态的过程。 动作电位动作电位 (4)神经传导：神经传导：动作电位沿神经的传播过程。动作电位沿神经的传播过程。 (1)膜对某离子的电导：膜对某离子的电导：离子离子离子EEIG (2)电压钳制实验：电压钳制
8、实验： 由膜的等效电路，得：由膜的等效电路，得： Im=IR+CmdE/dt 若电位钳制，则：若电位钳制，则：dE/dt=0，Im=IR 2. 离子电流的测定离子电流的测定 实验表明：实验表明：电导与电流遵从欧姆定律。电导与电流遵从欧姆定律。 I=INa+IK NaNaNaEEIGKKKEEIG (3)电压钳制法的实验结果：电压钳制法的实验结果： 膜电流和时间关系；膜电流和时间关系； 离子电导与时间关系。离子电导与时间关系。五五. Hodgkin-Huxley理论理论 1. Hodgkin-Huxley方程方程 总的膜电流总的膜电流Im为：为：tECEEGEEGEEGtECIIIIIImLLK
9、KNaNamLKNaCim)()()( n服从一阶反应率方程：服从一阶反应率方程：)(44KKKKKEEGnInGG 对于对于GK，假设：，假设：nndtdnnn)1 ( 其中其中n、n为速率常数。为速率常数。 对于对于GNa，假设：，假设：)(33NaNaNaNaNaEEGhmIhmGG m、h也服从一阶反应率方程：也服从一阶反应率方程：hhdtdhmmdtdmhhmm)1 ()1 ( m、m、h和和h为速率常数。这时可得：为速率常数。这时可得：tECEEGEEGnEEGhmImLLKKNaNam)()()(43 2. 动作电位的传导动作电位的传导 (1)动作电位特点：动作电位特点：是其幅值
10、不因传导而变小。是其幅值不因传导而变小。)()()(43LLKKNaNamiCmEEGEEGnEEGhmtECIII 单位长度的膜电流：单位长度的膜电流：221xEriim 而而im=2aIm 代入上式得：代入上式得： 222xEaIim 由此有：由此有：)()()(24322LLKKNaNamiEEGEEGnEEGhmtECxEa (2)传导性动作电位方程的推导：传导性动作电位方程的推导： 膜电流：膜电流：222221tEvxE 故得：故得：)()()(243222LLKKNaNamiEEGEEGnEEGhmtECtEva 波动方程：波动方程： (3)计算结果和实验值的比较：计算结果和实验值
11、的比较： Hodgkin-Huxley模型的计算结果模型的计算结果 实验测得的传导性动作电位实验测得的传导性动作电位 (1)电偶极矩：电偶极矩： 第三节第三节 电偶极子和心电向量原理电偶极子和心电向量原理 (2)电势计算：电势计算：一一. 电偶极子及电偶极层的电场电偶极子及电偶极层的电场 1. 电偶极子电势电偶极子电势 点电荷点电荷+q和和-q相距很近时组成的系统。相距很近时组成的系统。2020cos41cos4rPrqUL 电矩延长线上电矩延长线上： 2041 电矩反向延长线电矩反向延长线： 2041 在电偶极子中垂线在电偶极子中垂线：U=0 (2)电势计算电势计算： PS= 层矩，则：层矩
12、，则：dPdUS041 (1)概念：概念：相距很近、互相平行且有等值异号面电荷相距很近、互相平行且有等值异号面电荷密度分布的带电体系。密度分布的带电体系。 2. 电偶极层的电势电偶极层的电势 整个面积整个面积S的电偶层在的电偶层在M点的电势：点的电势：414S00SPdPdUU二二. 一个心肌细胞的极化一个心肌细胞的极化 1. 静息时心肌细胞电场中的电位静息时心肌细胞电场中的电位 可看成一闭合的电偶层。可看成一闭合的电偶层。 2. 正在除极时心肌细胞电场中的电位正在除极时心肌细胞电场中的电位 除极完毕，除极完毕，M点的电位又等于零。点的电位又等于零。 3. 正在复极时心肌细胞电场中的电位正在复
13、极时心肌细胞电场中的电位 复极完毕，又回复到静息状态，复极完毕，又回复到静息状态，M点电位又为零。点电位又为零。 4. 一个心肌细胞的极化向量一个心肌细胞的极化向量PC： PC=PS s 1. 瞬时心电向量瞬时心电向量P： P=PC三三. 一块心肌的极化一块心肌的极化 2. 心电向量心电向量P在各处引起的电位分在各处引起的电位分布：布：20cos41rPU 3. 一块心肌的除极与复极：一块心肌的除极与复极： 是电极化的，是电极化的，P随时间而变化。随时间而变化。 4. 心脏偶极子：心脏偶极子： 把心脏简化为一个偶极子模型。把心脏简化为一个偶极子模型。 * 心电场：心电场：心电偶在体内形成一心电
14、场。心电偶在体内形成一心电场。 * 心电图：心电图：为体表电势变化的记录。为体表电势变化的记录。 其中其中P波、波、QRS波和波和T波分别对应于心房除极、心室波分别对应于心房除极、心室除极和心室复极。除极和心室复极。四四. 空间心电向量环与平面心电向量环空间心电向量环与平面心电向量环 1. 心肌分两类：心肌分两类： (1)是普通心肌。是普通心肌。 (2)是有传递兴奋刺激功能的特殊心肌。是有传递兴奋刺激功能的特殊心肌。 * 兴奋传导系统兴奋传导系统 2. 去极化波的传播：去极化波的传播： 一块心肌中，一端的心肌细胞的除极以波的形式向一块心肌中，一端的心肌细胞的除极以波的形式向前传播。前传播。 3
15、. 空间心电向量环：空间心电向量环： 各瞬间各瞬间P的箭尾平移至原点，描记各箭头的轨迹形的箭尾平移至原点，描记各箭头的轨迹形成的曲线。成的曲线。 心房除极而形成心房除极而形成P环环 ， 心室除极而形成心室除极而形成QRS环环 ， 心室复极而形成心室复极而形成T环环 。 4. 平面心电向量环平面心电向量环 指空间心电向量环在三个坐标面上投影所成的平面指空间心电向量环在三个坐标面上投影所成的平面曲线。曲线。五五. 心电导联心电导联 2. 导联轴：导联轴：指由心电图机负极所接部位向正极画的指由心电图机负极所接部位向正极画的矢线。矢线。 1. 概念：概念：指测量体表电位的不同线路连接方式。指测量体表电
16、位的不同线路连接方式。 3. 标量心电图导朕：标量心电图导朕： 常用的是标准十二导联系统。以常用的是标准十二导联系统。以R代表右臂，代表右臂，L为左为左臂，臂，F为左腿。为左腿。 (1)标准导联标准导联I、：为双极肢体导联。为双极肢体导联。 * 导联轴：导联轴：RL、RF、LF。 I=UL-UR，=UF-UR，=UF-UL。 (2)单极肢体加压导联：单极肢体加压导联： * 导联轴：导联轴：aVR、aVL、aVF。可推得：。可推得： aVR=-(I+)/2， aVL=(I-)/2， aVF=(+)/2 (4)额面六轴系统：额面六轴系统：由由3个标准导联和个标准导联和3个加压导联在个加压导联在额面
17、上组成。额面上组成。 * 横面六轴系统：横面六轴系统：由胸导联在横面上组成。由胸导联在横面上组成。 (3)胸导联：为单极心前胸部导联。胸导联：为单极心前胸部导联。 * 导联轴：导联轴： V1、V2、V3、V4、V5、V6。六六. 心电图的形成原理与描记心电图的形成原理与描记 1. 心电图的形成原理：心电图的形成原理： 方法：方法：用环体分割投影法。用环体分割投影法。 2. 心电图的描记心电图的描记 心电图机红、黄、绿、白、黑五根导联线分别连接心电图机红、黄、绿、白、黑五根导联线分别连接右臂右臂、左臂、左腿左臂、左腿、胸部胸部、右腿。右腿。 第四节第四节 脑电和肌电原理脑电和肌电原理一一. 脑电
18、图脑电图 2. 波：波：频率频率1430Hz。 脑电图波形分四种：脑电图波形分四种： 1929年：年：首先记录到人脑电活动的波形首先记录到人脑电活动的波形。 1. 波：波：频率频率813Hz。 3. 波：波：频率频率47Hz。 4. 波：波： 频率频率13.5Hz。二二. 脑电极的导联脑电极的导联 1. 电极的放置：电极的放置： 为常用的为常用的1020电极系统，放置标准部位。电极系统，放置标准部位。 电极部位、名称、代号和编号电极部位、名称、代号和编号 2. 导联方法：导联方法： (2)双极导联法：双极导联法：两个电极接头皮不同部位。两个电极接头皮不同部位。 (1)单极导联法：单极导联法：头
19、皮处为探测电极。头皮处为探测电极。三三. 肌电图肌电图(EMG) 1. 运动单元：运动单元： 是肌肉活动的最小单位。是肌肉活动的最小单位。 2. 肌电极：肌电极： (2)同轴针形电极同轴针形电极 (1)面电极面电极 3. 收缩力度不同时的肌电图：收缩力度不同时的肌电图： * 电静息：电静息：没有电活动。没有电活动。 (1)单纯相：单纯相：出现孤立的单个运动单元电位出现孤立的单个运动单元电位)。 (2)混合相：混合相：有些地方电位密集有些地方电位密集 (3)干扰相：干扰相：无法分出单个电位无法分出单个电位 4. 其他生物电位其他生物电位 常见的几种生物电波形常见的几种生物电波形 第五节第五节 生
20、物磁学生物磁学一一. 几个基本概念几个基本概念 1. 磁场：磁场： 来源：来源：运动电荷产生。运动电荷产生。 性质：性质：对运动电荷施以力的作用。对运动电荷施以力的作用。 2. 磁感应强度：磁感应强度： (1)大小：大小：qvSinFqvFBm (2)方向：方向：右手螺旋法则确定。右手螺旋法则确定。 * 磁感应线：磁感应线：切向为切向为B的方向；是一些闭合的曲线。的方向；是一些闭合的曲线。 地球表面：地球表面：B约约0.5G 人体中：人体中： B为为10-6G10-7G 1. 机体中的磁场：机体中的磁场：二二. 人体的磁特性人体的磁特性 2. 人体中生物磁信号的来源人体中生物磁信号的来源 3.
21、 磁场的生物效应磁场的生物效应 (1)磁场对生物作用的物理机制磁场对生物作用的物理机制 (2)影响磁场对生物作用的几个物理因子：影响磁场对生物作用的几个物理因子： 磁场类型；磁场类型； 磁感应强度大小；磁感应强度大小； 磁强的均匀性；磁强的均匀性； 磁场的方向；磁场的方向； 磁场作用时间长短。磁场作用时间长短。 (3)影响磁场对生物作用的几个机体因子影响磁场对生物作用的几个机体因子 (4)生物效应的时间延迟：生物效应的时间延迟： 指磁场开始作用机体，到产生生物效应需一定的时指磁场开始作用机体，到产生生物效应需一定的时间。间。三三. 生物磁场的测定生物磁场的测定 常用超导量子干涉仪常用超导量子干
22、涉仪 1. 简介：简介：灵敏度可达灵敏度可达10-15T。 SQUID结构原理：核心是密封屏蔽的约瑟夫森器件结构原理：核心是密封屏蔽的约瑟夫森器件构成的超导环。构成的超导环。 2. 梯度仪：梯度仪： 一阶和二阶微分梯度仪。一阶和二阶微分梯度仪。 * 梯度仪结构原理：梯度仪结构原理：由两个很近线圈沿同轴反相串由两个很近线圈沿同轴反相串接而成。接而成。 3. 磁屏蔽室磁屏蔽室四四. 磁诊断技术和磁场疗法磁诊断技术和磁场疗法 1. 磁诊断技术磁诊断技术 (1)心磁图：心磁图：于于63年首次记录到年首次记录到。 (2)脑磁图脑磁图：于于68年首次探测到。年首次探测到。 (3)肺磁图肺磁图：于于73年首次测到。年首次测到。 (4)视网膜磁图视网膜磁图： 2. 磁场疗法磁场疗法(即磁疗即磁疗)： 类型有恒定磁场、旋转磁场、脉冲磁场等。类型有恒定磁场、旋转磁场、脉冲磁场等。
