人体电阻抗课件

五、生物电学和生物磁学五、生物电学和生物磁学五、生物电学和生物磁学1主要内容主要内容n n生物电学特性n n生物电阻抗测量技术n n生物磁现象n n磁疗n n生物磁测量技术，心、脑磁图主要内容生物电学特性25.1 生物电特性生物电特性n n生物电现象n n生命活动的基本特性。几乎所有生命过程都伴生命活动的基本特性。几乎所有生命过程都伴随着生物电的产生。随着生物电的产生。n n生物电是以细胞为单位产生的。生物电是以细胞为单位产生的。n n生物电的发现n n19391939年两位生理学家年两位生理学家HodgkinHodgkin和和HuxleyHuxley以枪乌以枪乌贼的直径为贼的直径为mmmm的巨大神经轴突为实验材料，的巨大神经轴突为实验材料，采用细胞内记录的方法，证明了细胞生物电现采用细胞内记录的方法，证明了细胞生物电现象的存在。象的存在。5.1 生物电特性生物电现象3生物电产生机制生物电产生机制n n细胞膜磷脂双分子层n n静息电位n n细胞静息状态下存在于细胞膜内外两侧的电位细胞静息状态下存在于细胞膜内外两侧的电位差。（内负外正）差。（内负外正）生物电产生机制细胞膜磷脂双分子层4生物电产生机制生物电产生机制1.静息时，细胞内的K+浓度远高于细胞外。2.静息状态时，细胞膜主要对有通透性。3.因此，胞内的K+顺浓度梯度扩散到细胞外，形成电位差。Nernst公式：当跨膜的浓度差（驱动K+外流）和电位差（阻止K+外流）达到平衡时，膜内外电位差就稳定在某一水平。生物电产生机制1.静息时，细胞内的K+浓度远高于细胞外。Ne5生物电产生机制生物电产生机制n n动作电位n n细胞接受刺激后，膜电位在原有静息电位基础细胞接受刺激后，膜电位在原有静息电位基础上出现迅速的倒转和恢复的电位波动。上出现迅速的倒转和恢复的电位波动。1.静息2.去极化3.复极化4.后电位：负后电位 正后电位生物电产生机制动作电位1.静息6生物电产生机制生物电产生机制n去极相:n在受到刺激时出现了膜对Na+通透性的突然增大n复极相：nNa+通透性的消失，并伴随出现电压门控性K+通道的开放n后电位：nNa+-K+泵将Na+、K+分布复原，保持细胞的兴奋性。生物电产生机制去极相:7典型生物电信号典型生物电信号生物电参数生物电参数正常值正常值频率频率/Hz/Hz心电图心电图(ECG)(ECG)0.54 mV0.54 mV0.11000.1100脑电图脑电图(EEG)(EEG)5300 V5300 Vdc50dc50肌电图肌电图(EMG)(EMG)0.15 mV0.15 mV208000208000眼电图眼电图(EOG)(EOG)50350 V50350 V0.2150.215胃电图胃电图(EGG)(EGG)101000 V101000 Vdc1dc1皮肤电阻抗皮肤电阻抗(GSR)(GSR)0.5500 M0.5500 M 0.11500.1150典型生物电信号生物电参数正常值频率/Hz心电图(ECG)0.85.2 生物电阻抗测量技术生物电阻抗测量技术n生物电阻抗测量（Electrical Bioimpedance Measurement），或简称阻抗技术，是一种利用生物组织与器官的电特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的检测技术。n特点：无创、无害，廉价、操作简单和功能信息丰富等，医生和病人易于接受。5.2 生物电阻抗测量技术生物电阻抗测量（Electrica9人体电阻抗人体电阻抗组织组织组织组织电阻率电阻率电阻率电阻率组织组织组织组织电阻率电阻率电阻率电阻率脑脊液脑脊液脑脊液脑脊液血清血清血清血清血液血液血液血液神经神经神经神经肝肝肝肝0.5550.5550.7140.7141.851.8525.025.080.080.0脑脑脑脑脂肪脂肪脂肪脂肪湿皮湿皮湿皮湿皮干皮干皮干皮干皮无膜骨无膜骨无膜骨无膜骨肌肉肌肉肌肉肌肉10710710.81010.8102 238.0 1038.0 102 240.0 1040.0 103 320.0 1020.0 105 590.090.0人体组织的直流电阻率（人体组织的直流电阻率（m）人体电阻抗组织电阻率组织电阻率脑脊液0.555脑107人体组10人体电阻抗与电流频率的关系人体电阻抗与电流频率的关系n人体可看成是一个电解质电容器和电阻的并联电路。直流在细胞间隙流过；交流可通过细胞间隙和细胞。频率频率频率频率0 0100Hz100Hz10kHz10kHz10MHz10MHz10GHz10GHz电阻率电阻率电阻率电阻率90909.19.17.77.72.02.00.80.8人体肌肉组织电阻率与频率的关系人体电阻抗与电流频率的关系人体可看成是一个电解质电容器和电阻11生物电阻抗测量技术生物电阻抗测量技术n通常是借助置于体表的电极系统向检测对象送入一微小的交流测量电流或电压，检测相应的电阻抗及其变化，然后根据不同的应用目的，获取相关的生理和病理信息。生物电阻抗测量技术通常是借助置于体表的电极系统向检测对象送入12生物阻抗技术应用生物阻抗技术应用n n阻抗血流图n n胃动力学检测n n人体成分分析n n电阻抗成像技术生物阻抗技术应用阻抗血流图13阻抗血流图阻抗血流图n n根据体表测量的电阻抗变化的信息来确定体内组织器官由于血液循环引起的（生理、病理）容积变化的方法。n n简化模型单根血管与组织阻抗并联模型一般使用20k100kHz频率的恒流（恒压）源，测量计算被测部分阻抗Z、阻抗变化Z，以及Z微分dZ/dt等。阻抗血流图根据体表测量的电阻抗变化的信息来确定体内组织器官由14阻抗血流图阻抗血流图n n是生物阻抗技术应用最广泛的领域之一，促进了血流图临床应用的进一步发展。n n主要领域：n n阻抗心动图阻抗心动图：利用四电极法测量跨胸阻抗及其：利用四电极法测量跨胸阻抗及其微分图（或导纳），然后计算每搏输出量。微分图（或导纳），然后计算每搏输出量。n n脑阻抗血流图脑阻抗血流图：应用于脑动脉硬化、闭塞性脑：应用于脑动脉硬化、闭塞性脑血管病及血管性头痛。血管病及血管性头痛。n n肺循环阻抗图肺循环阻抗图：反映随着每个心动周期肺循环：反映随着每个心动周期肺循环容积变化的曲线图。容积变化的曲线图。阻抗血流图是生物阻抗技术应用最广泛的领域之一，促进了血流图临15胃动力学检测胃动力学检测n原理：在胃的活动期，由于其形态及其内容物组成情况与容积的改变较大，其电特性变化非常明显，变化规律与胃动力学状况相对应。n胃运动的频率约为3次/分，对检测系统的实时性要求不高。采用普通阻抗方法，灵敏地提取这种电特性变化信息已有初步临床应用。n如采用代表阻抗技术的发展方向阻抗断层成像方法，以图像形式给出检测结果，无论在灵敏度或获取信息的数量与质量上都将更好。胃动力学检测原理：在胃的活动期，由于其形态及其内容物组成情况16人体成分分析人体成分分析n n与同位素稀释法、总体钾法、双能x线吸收法以及皮褶厚度法等方法相比，生物电阻抗法测量人体成分简单、快速和准确，是体成分测量的理想手段。n n基于生物电阻抗技术的体成分测量原理：人体的电阻抗特性与体成分之间存在统计关系。（例如：非脂肪组织具有比脂肪组织更小的电阻抗。）人体成分分析与同位素稀释法、总体钾法、双能x线吸收法以及皮褶17人体成分分析人体成分分析n n1）全身测量n在全身阻抗测量中，多采用四电极法，以减少接触阻抗的影响，以其他参考方法，如皮褶计法，水下称重法，双能X 射线吸收法，CT法等测量人体成分作为对照，即可得到基于阻抗分析法的人体成分预测公式。人体成分分析1）全身测量18人体成分分析人体成分分析n n2）分段测量n n在全身阻抗测量中，上下肢的贡献和影响最大，在全身阻抗测量中，上下肢的贡献和影响最大，即全身测量难以正确反映身体各部位含水量及即全身测量难以正确反映身体各部位含水量及其变化的真实情况。其变化的真实情况。人体成分分析2）分段测量19人体成分分析人体成分分析n n2)分段测量从理论上来说，分段阻抗测量要优于全身阻抗测量法，尤其对于人体成分不均匀分布的人群（胖、瘦、高、矮等）更是如此。人体成分分析2)分段测量从理论上来说，分段阻抗测量要优于全身20人体成分分析人体成分分析n n3）多频率测量n n采用多频率测量技术不仅可以提供更准确的阻采用多频率测量技术不仅可以提供更准确的阻抗测量，而且还从简单的测量脂肪与非脂肪，抗测量，而且还从简单的测量脂肪与非脂肪，向多参数，如细胞外液体积，全身含水量，非向多参数，如细胞外液体积，全身含水量，非脂肪物质，蛋白质，骨矿质，脂肪物质，蛋白质，骨矿质，K K，CaCa，NaNa离子离子等测量方向发展。等测量方向发展。n n多频率和阻抗谱的测量包含更为丰富的阻抗和多频率和阻抗谱的测量包含更为丰富的阻抗和人体成分信息，有望从中得到人体成分分析更人体成分信息，有望从中得到人体成分分析更为全面而准确的结果。为全面而准确的结果。人体成分分析3）多频率测量21电阻抗成像技术电阻抗成像技术阻抗成像接触式扫描成像 EISI断层成像 EIT非接触式感应电流成像 ICEIT磁感应阻抗成像 MIT电阻抗成像技术阻抗成像接触式扫描成像 EISI断层成像 EI22功能成像功能成像n n阻抗成像：n n以人体组织、器官的阻抗分布或阻抗变化为研以人体组织、器官的阻抗分布或阻抗变化为研究对象，通过配置于人体体表的电极系统，提究对象，通过配置于人体体表的电极系统，提取与人体生理、病理状态相关的组织或器官的取与人体生理、病理状态相关的组织或器官的电特性信息，给出反映电特性信息，给出反映组织、器官功能状态及组织、器官功能状态及其变化规律其变化规律的功能性图像结果。的功能性图像结果。n n电阻抗断层成像：n n利用生物阻抗检测技术给出人体组织与器官阻利用生物阻抗检测技术给出人体组织与器官阻抗的断层图像，也叫阻抗抗的断层图像，也叫阻抗CTCT。功能成像阻抗成像：23电阻抗断层成像电阻抗断层成像电阻抗断层成像的测量方框结构电阻抗断层成像电阻抗断层成像的测量方框结构24心脏收缩期序列图像。蓝色与红色区域大小及色度的改变对应于心室和心房容积（血量）的变化。心脏收缩期序列图像。蓝色与红色区域大小及色度的改变对应于心室25电阻抗断层成像电阻抗断层成像n n不使用射线或核素，无毒无害，操作方便，可多次测量，是一种廉价的无损伤医学图像检测技术。n n与现有的CT、MRI、超声等成像技术紧密结合，互为补充，应用于疾病的早期诊断、康复和愈后。n n实现医学图像监护。可以对病人进行长时间、连续监护而不会给病人造成损伤或带来不适。电阻抗断层成像不使用射线或核素，无毒无害，操作方便，可多次测26电阻抗断层成像电阻抗断层成像n nEIT是一种新型的图像重建技术，在医学中的研究是在最近三十年才发展起来的。n n缺点：分辨率较低。n n国外主要研究有效提高重建图像的空间分辨率和减小计算量。国内开展工作较晚。n nEIT还处于实验室研究阶段，但是应用前景广阔，已成为当今生物医学工程学重大研究课题之一。电阻抗断层成像EIT是一种新型的图像重建技术，在医学中的研究275.3 生物磁现象生物磁现象n n生物材料的磁性n n人体中所含元素：碳、氢、氧、氮、硫、磷、人体中所含元素：碳、氢、氧、氮、硫、磷、氯、钠、钾、钙、镁、铁等和一些微量元素。氯、钠、钾、钙、镁、铁等和一些微量元素。其中多数有顺磁性（其中多数有顺磁性（3d 3d 或或 4d 4d 族的过渡离子）。族的过渡离子）。蛋白质、酶和自由基均为顺磁性蛋白质、酶和自由基均为顺磁性n n占人体占人体70%70%的水具有弱抗磁性的水具有弱抗磁性n n极少数材料为铁磁性极少数材料为铁磁性5.3 生物磁现象生物材料的磁性285.3 生物磁现象生物磁现象n n人体磁场人体磁场生物组织、器官、细胞等存在很微弱的生物组织、器官、细胞等存在很微弱的磁场。产生原因：磁场。产生原因：变动磁场变动磁场：生物电荷运动产生。：生物电荷运动产生。如心磁场如心磁场10101111 T T，脑磁场，脑磁场10101212 T T定常磁场定常磁场：自然界含有铁性成分及某些磁性物质：自然界含有铁性成分及某些磁性物质(如如FeFe3 3OO4 4 粉尘等）经呼吸道吸入或经消化道食入人体内而粉尘等）经呼吸道吸入或经消化道食入人体内而形成的磁场；形成的磁场；10108 8 T T感应磁场感应磁场：生物磁性材料在外磁场的作用下产生的磁场：生物磁性材料在外磁场的作用下产生的磁场;诱发磁场诱发磁场：在外界刺激下产生诱发电位，引起诱发磁场。：在外界刺激下产生诱发电位，引起诱发磁场。如诱发脑磁场如诱发脑磁场10101313 T T5.3 生物磁现象人体磁场29人体电阻抗课件30机体与外磁场的相互作用机体与外磁场的相互作用n n感应电动势感应电动势：生物（带电）体在磁场中运动所致。生物（带电）体在磁场中运动所致。分子极化分子极化电荷再分布；电荷再分布；带电粒子迁移带电粒子迁移传导电流；传导电流；n n洛仑兹力洛仑兹力：磁场中，带电粒子改变原来的运动方：磁场中，带电粒子改变原来的运动方向。化学物质内部再分布。向。化学物质内部再分布。n n磁化磁化：具有固有磁矩的永磁偶极子、磁性微粒、：具有固有磁矩的永磁偶极子、磁性微粒、正负离子、自由基等受磁场力矩作用产生磁化。正负离子、自由基等受磁场力矩作用产生磁化。沿外磁场取向（离子转动、改变分子键角）沿外磁场取向（离子转动、改变分子键角）n n磁力磁力：使具有固有磁矩的微粒产生位移。导致化：使具有固有磁矩的微粒产生位移。导致化学物质的扩散和积累。学物质的扩散和积累。机体与外磁场的相互作用感应电动势：生物（带电）体在磁场中运31生物磁的应用生物磁的应用n n生物磁学的研究内容包括两部分：磁场引起的生物效应磁场引起的生物效应治疗。治疗。磁疗磁疗生物机体自身或被诱发产生的磁场生物机体自身或被诱发产生的磁场诊断；诊断；例如心磁图、脑磁图等。例如心磁图、脑磁图等。生物磁的应用生物磁学的研究内容包括两部分：325.4 磁疗磁疗n n利用磁场治病，我国已有两千多年的历史。利用磁场的生物效应，已制成多种磁疗仪器。n n静态磁：家用，如永久磁性的磁片固定于相应的穴位，通过对穴位的作用达到治疗的目的。简单的有磁石穴位粘帖胶布、磁枕、磁性腹带等。n n动态磁：医院的磁疗器械一般采用电磁、悬磁、脉冲磁等。5.4 磁疗利用磁场治病，我国已有两千多年的历史。利用磁场的335.4 磁疗磁疗n n特点：安全、方便、无痛苦。n n作用：磁场能够促进血液循环，改善毛细血管通透性，有利于炎症的消散，对扭伤、软组织损伤有一定的疗效；磁疗对人体有镇静的作用，能够调节植物神经功能紊乱，缓解心悸失眠等症状；同时磁疗还可以调节内分泌，有助于缓解便秘和止泻。n n研究内容：磁场类型、磁场强度、作用部位、治疗时间等5.4 磁疗特点：安全、方便、无痛苦。345.5 生物磁测量技术生物磁测量技术n n心磁场和脑磁场的特点：心磁场和脑磁场的特点：n n心脏磁场只有地球磁场的大约心脏磁场只有地球磁场的大约1010-6-6，更微，更微弱的脑部磁场只有地球磁场的大约弱的脑部磁场只有地球磁场的大约1010-8-8n n测量仪器：测量仪器：n n超导量子干涉仪超导量子干涉仪（又成（又成SQIDSQID磁强计），磁强计），灵敏度达灵敏度达1010-15-15T Tn n组成组成：SQIDSQID本身被封在一个超导屏蔽的小盒内，本身被封在一个超导屏蔽的小盒内，可对干扰磁场进行部分屏蔽；可对干扰磁场进行部分屏蔽；检测线匝，用来探测磁场；检测线匝，用来探测磁场；杜瓦瓶，内盛液氦。杜瓦瓶，内盛液氦。5.5 生物磁测量技术心磁场和脑磁场的特点：35心磁场和心磁图心磁场和心磁图n心磁场n心肌的兴奋心脏电场体外（心）磁场。n心磁图n在体外测定胸部周围磁场变化，记录下来就是心磁图。n心磁图与心电图一样，用P波、QRS波群、T波、和ST段命名心磁场和心磁图心磁场36脑磁图脑磁图n脑电：神经活动联系着体内复杂的信息处理系统，支配着从运动、体感、听觉、视觉等基本功能，到语言、情感、思维等高级功能。n微弱的电(磁)信号有波形、幅度、能量、频率、相位、频谱等特征，与特定的正常和异常生理活动相对应。n脑磁图是脑神经细胞的生物电流产生的磁场，在头部表面的检测结果。测量的是体内神经电流源引发的瞬间磁场。脑磁图脑电：神经活动联系着体内复杂的信息处理系统，支配着从运37脑磁图脑磁图n n 脑磁图检测分类：脑磁图检测分类：n n自发性脑磁场：自发性脑磁场：波；癫痫性棘波。波；癫痫性棘波。n n诱发性脑磁场：体感意识、听觉、视觉等诱发磁场。诱发性脑磁场：体感意识、听觉、视觉等诱发磁场。n n内因性脑磁场：意识、随意运动前主观设想、抽象内因性脑磁场：意识、随意运动前主观设想、抽象思维。思维。n n优点优点：n n不受组织电阻的影响；不受组织电阻的影响；n n无损伤；无损伤；n n对脑内兴奋部位推断有独特性对脑内兴奋部位推断有独特性脑磁图蓝色区为癫痫灶脑磁图蓝色区为癫痫灶脑磁图 脑磁图检测分类：脑磁图蓝色区为癫痫灶38脑磁图的临床应用脑磁图的临床应用n n脑磁图在癫痫外科中的应用n n进行癫痫灶的精确定位，该方法不受头皮和颅进行癫痫灶的精确定位，该方法不受头皮和颅骨等传导介质的影响。骨等传导介质的影响。n n脑磁图与脑功能区定位n n术前对脑功能区进行精确定位，有助于最大限术前对脑功能区进行精确定位，有助于最大限度的保留脑功能区度的保留脑功能区n n脑磁图与脑梗死功能缺损程度的测定n n可灵敏的检测出皮层中枢功能损伤可灵敏的检测出皮层中枢功能损伤脑磁图的临床应用脑磁图在癫痫外科中的应用39脑磁图的临床应用脑磁图的临床应用n n脑磁图在神经精神疾病中的应用n n已成为神经精神疾病早已成为神经精神疾病早期诊断和指导治疗的一期诊断和指导治疗的一种重要手段，还可应用种重要手段，还可应用于小儿神经病学的研究于小儿神经病学的研究n n胎儿脑磁图n n可用于胎儿发育的检测可用于胎儿发育的检测脑磁图的临床应用脑磁图在神经精神疾病中的应用40磁测量技术的优缺点磁测量技术的优缺点n n磁信号比电信号更微弱，但是更加稳定，而且丝毫不受肺、胸壁、肋骨等介质的干扰，获取的信号可靠。n n心、脑磁图是非接触式的记录法，且比心、脑电图具有更高的分辨率。n n心磁图与心电图相比，具有信号高度保真和对心肌局部电流变化高度敏感的优点。n nSQUID磁强计装置体积大且价格昂贵。磁测量技术的优缺点磁信号比电信号更微弱，但是更加稳定，而且丝41本章小结本章小结n n生物电特性和电阻抗技术n n生物磁特性、磁疗和磁测量技术n n思考题n n典型的生物电信号有哪些？简述生物电产生典型的生物电信号有哪些？简述生物电产生的机制。的机制。n n何为电阻抗断层成像？试探讨其发展前景。何为电阻抗断层成像？试探讨其发展前景。n n比较说明脑磁图和脑电图的原理、相互关系比较说明脑磁图和脑电图的原理、相互关系和各自的特点。和各自的特点。本章小结生物电特性和电阻抗技术42