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五、生物电学和生物磁学. 主要内容. 生物电学特性 生物电阻抗测量技术 生物磁现象 磁疗 生物磁测量技术，心、脑磁图. 5.1 生物电特性. 生物电现象 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。 生物电是以细胞为单位产生的。 生物电的发现 1939 年两位生理学家 Hodgkin 和 Huxley 以枪乌贼的直径为１ mm 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象的存在。. 生物电产生机制. 细胞膜 —— 磷脂双分子层 静息电位 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）. 生物电产生机制.
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主要内容 • 生物电学特性 • 生物电阻抗测量技术 • 生物磁现象 • 磁疗 • 生物磁测量技术，心、脑磁图
5.1 生物电特性 • 生物电现象 • 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。 • 生物电是以细胞为单位产生的。 • 生物电的发现 • 1939年两位生理学家Hodgkin和Huxley以枪乌贼的直径为１mm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象的存在。
生物电产生机制 • 细胞膜——磷脂双分子层 • 静息电位 • 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）
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。 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。 Nernst公式：
生物电产生机制 • 动作电位 • 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。 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 • 去极相: • 在受到刺激时出 现了膜对Na+通透 性的突然增大 • 复极相： • Na+ 通透性的消失，并伴随出现电压门控性K+通道的开放 • 后电位： • Na+ - K+泵将Na+、 K+分布复原，保持细胞的兴奋性。
5.2 生物电阻抗测量技术 • 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。 • 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。
人体电阻抗 人体组织的直流电阻率（ Ω·m）
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。 人体肌肉组织电阻率与频率的关系
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。
生物阻抗技术应用 • 阻抗血流图 • 胃动力学检测 • 人体成分分析 • 电阻抗成像技术
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于血液循环引起的（生理、病理）容积变化的方法。 • 简化模型 一般使用20k~100kHz频率的恒流（恒压）源，测量计算被测部分阻抗Z、阻抗变化ΔZ，以及ΔZ微分dZ/dt等。 单根血管与组织阻抗并联模型
阻抗血流图 • 是生物阻抗技术应用最广泛的领域之一，促进了血流图临床应用的进一步发展。 • 主要领域： • 阻抗心动图：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。 • 脑阻抗血流图：应用于脑动脉硬化、闭塞性脑血管病及血管性头痛。 • 肺循环阻抗图：反映随着每个心动周期肺循环容积变化的曲线图。
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。 • 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。 • 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。
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。 • 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 • 1）全身测量 • 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 • 2）分段测量 • 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其变化的真实情况。
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 • 3）多频率测量 • 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，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， K，Ca，Na离子等测量方向发展。 • 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为全面而准确的结果。
电阻抗成像技术 扫描成像 EISI 接触式 断层成像 EIT 阻抗成像 感应电流成像 ICEIT 非接触式 磁感应阻抗成像 MIT
功能成像 • 阻抗成像： • 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，给出反映组织、器官功能状态及其变化规律的功能性图像结果。 • 电阻抗断层成像： • 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CT。
电阻抗断层成像 电阻抗断层成像的测量方框结构
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和心房容积（血量）的变化。
电阻抗断层成像 • 不使用射线或核素，无毒无害，操作方便，可多次测量，是一种廉价的无损伤医学图像检测技术。 • 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。 • 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 • EIT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。 • 缺点：分辨率较低。 • 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。 • EIT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。
5.3 生物磁现象 • 生物材料的磁性 • 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。其中多数有顺磁性（3d 或 4d 族的过渡离子）。蛋白质、酶和自由基均为顺磁性 • 占人体70%的水具有弱抗磁性 • 极少数材料为铁磁性
5.3 生物磁现象 • 人体磁场 生物组织、器官、细胞等存在很微弱的磁场。产生原因： ①变动磁场：生物电荷运动产生。 如心磁场10－11 T ，脑磁场10－12 T ②定常磁场：自然界含有铁性成分及某些磁性物质(如Fe3O4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；10－8 T ③感应磁场：生物磁性材料在外磁场的作用下产生的磁场; ④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10－13 T
机体与外磁场的相互作用 • 感应电动势： 生物（带电）体在磁场中运动所致。分子极化——电荷再分布； 带电粒子迁移——传导电流； • 洛仑兹力：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。 • 磁化：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。 沿外磁场取向（离子转动、改变分子键角） • 磁力：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。
生物磁的应用 • 生物磁学的研究内容包括两部分： ①磁场引起的生物效应——治疗。 磁疗 ②生物机体自身或被诱发产生的磁场——诊断； 例如心磁图、脑磁图等。
5.4 磁疗 • 利用磁场治病，我国已有两千多年的历史。利用磁场的生物效应，已制成多种磁疗仪器。 • 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。 • 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 • 特点：安全、方便、无痛苦。 • 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。 • 研究内容：磁场类型、磁场强度、作用部位、治疗时间等
5.5 生物磁测量技术 • 心磁场和脑磁场的特点： • 心脏磁场只有地球磁场的大约10-6，更微弱的脑部磁场只有地球磁场的大约10-8 • 测量仪器： • 超导量子干涉仪（又成SQID磁强计），灵敏度达10-15T • 组成： ①SQID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； ②检测线匝，用来探测磁场； ③杜瓦瓶，内盛液氦。
心磁场和心磁图 • 心磁场 • 心肌的兴奋→心脏电场→体外（心）磁场。 • 心磁图 • 在体外测定胸部周围磁场变化，记录下来就是心磁图。 • 心磁图与心电图一样，用P波、QRS波群、T波、和S－T段命名
脑磁图 • 脑电：神经活动联系着体内复杂的信息处理系统，支配着从运动、体感、听觉、视觉等基本功能，到语言、情感、思维等高级功能。 • 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。 • 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 • 脑磁图检测分类： • ①自发性脑磁场： α波；癫痫性棘波。 • ②诱发性脑磁场：体感意识、听觉、视觉等诱发磁场。 • ③内因性脑磁场：意识、随意运动前主观设想、抽象思维。 • 优点： • 不受组织电阻的影响； • 无损伤； • 对脑内兴奋部位推断有独特性 脑磁图蓝色区为癫痫灶
脑磁图的临床应用 • 脑磁图在癫痫外科中的应用 • 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。 • 脑磁图与脑功能区定位 • 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 • 脑磁图与脑梗死功能缺损程度的测定 • 可灵敏的检测出皮层中枢功能损伤
脑磁图的临床应用 • 脑磁图在神经精神疾病中的应用 • 已成为神经精神疾病早期诊断和指导治疗的一种重要手段，还可应用于小儿神经病学的研究 • 胎儿脑磁图 • 可用于胎儿发育的检测
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，而且丝毫不受肺、胸壁、肋骨等介质的干扰，获取的信号可靠。 • 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。 • 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。 • SQUID磁强计装置体积大且价格昂贵。
本章小结 • 生物电特性和电阻抗技术 • 生物磁特性、磁疗和磁测量技术 • 思考题 • 典型的生物电信号有哪些？简述生物电产生的机制。 • 何为电阻抗断层成像？试探讨其发展前景。 • 比较说明脑磁图和脑电图的原理、相互关系和各自的特点。
