1、 生物膜的電學(xué)特性生物膜的電學(xué)特性 生物膜的等效電路生物膜的等效電路 生物膜的結(jié)構(gòu)與跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)生物膜的結(jié)構(gòu)與跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo) 可興奮細(xì)胞的跨膜電位差與離子的選可興奮細(xì)胞的跨膜電位差與離子的選 擇性通透性擇性通透性 跨膜電位差的物理學(xué)描述跨膜電位差的物理學(xué)描述電阻抗（電阻抗（R R）或膜電阻（或膜電阻（Rm)Rm) 膜可貯存電荷的物理學(xué)描述膜可貯存電荷的物理學(xué)描述電容器電容器（C C）或膜電容（）或膜電容（CmCm） RmRm與與CmCm的并聯(lián)關(guān)系即膜的等效電路的并聯(lián)關(guān)系即膜的等效電路 生物膜的電學(xué)特性生物膜的電學(xué)特性 生物膜的等效電路生物膜的等效電路 生物膜的電學(xué)特性生物膜的電學(xué)特性 膜時(shí)間常數(shù)

2、膜時(shí)間常數(shù) 刺激與興奮刺激與興奮 矩形脈沖刺激電流引起的膜電位變化矩形脈沖刺激電流引起的膜電位變化 a a：純電阻元件的膜電位：純電阻元件的膜電位 變化與脈沖電流變化同步變化與脈沖電流變化同步 b b：純電容元件的膜電位：純電容元件的膜電位 變化減慢，但保持其起始變化減慢，但保持其起始 斜率斜率 c c：含阻容元件的膜電位：含阻容元件的膜電位 呈指數(shù)變化：呈指數(shù)變化： Vm=I/CmVm=I/Cm 生物膜的電學(xué)特性生物膜的電學(xué)特性 膜時(shí)間常數(shù)膜時(shí)間常數(shù) Vm=I/Cm Vm=I/Cm 的原理的原理 1. Cm 1. Cm可減慢電流引起的可減慢電流引起的 膜電位變化，是因此前膜電位變化，是因此前

3、CmCm須須 經(jīng)歷充、放電的過程經(jīng)歷充、放電的過程 2. 2. 膜電位變化快慢最終膜電位變化快慢最終 由時(shí)間常數(shù)由時(shí)間常數(shù)t t決定，即決定，即t t值越值越 大，大，CmCm充放電流越小、越慢充放電流越小、越慢 或電容器兩端電壓（或電容器兩端電壓（ucuc）達(dá)）達(dá) 到某一定值所需時(shí)間越長到某一定值所需時(shí)間越長 3. 3. 不同的生物膜，不同的生物膜，t t值值 大小也不同大小也不同 生物膜的電學(xué)特性生物膜的電學(xué)特性 膜時(shí)間常數(shù)膜時(shí)間常數(shù) 進(jìn)一步的物理學(xué)與生物物理學(xué)描述進(jìn)一步的物理學(xué)與生物物理學(xué)描述 1. 1. 時(shí)間常數(shù)是標(biāo)志時(shí)間常數(shù)是標(biāo)志RCRC電路放電的基本參數(shù)電路放電的基本參數(shù) 2. R

4、C2. RC電路中，電路的電壓（電路中，電路的電壓（E E）隨時(shí)間呈指數(shù)變化：）隨時(shí)間呈指數(shù)變化： E=IRE=IR（1-e1-et/tt/t） 3. 3. 由矩形脈沖電流引起的生物膜電位變化：由矩形脈沖電流引起的生物膜電位變化： Vm=ImRm(1-eVm=ImRm(1-et/tt/t) ) 4. 4. 公式中公式中e=2.72e=2.72為指數(shù)系數(shù)，為指數(shù)系數(shù)，t=RCt=RC為時(shí)間常數(shù)為時(shí)間常數(shù) 5. 5. 公式表明，膜電位下降到最初值的公式表明，膜電位下降到最初值的1/e1/e所需時(shí)間所需時(shí)間 為一個(gè)時(shí)間常數(shù)，即膜電位變化達(dá)最終值的為一個(gè)時(shí)間常數(shù)，即膜電位變化達(dá)最終值的63%63%所需

5、時(shí)所需時(shí) 間為一個(gè)時(shí)間常數(shù)間為一個(gè)時(shí)間常數(shù) 生物膜的電學(xué)特性生物膜的電學(xué)特性 膜時(shí)間常數(shù)膜時(shí)間常數(shù) 理論意義與實(shí)際應(yīng)用理論意義與實(shí)際應(yīng)用 1. 1. 生物膜中生物膜中t t的變化很大（神經(jīng)元約的變化很大（神經(jīng)元約1 120ms20ms），但），但 經(jīng)檢測，單位表面積的膜電容卻較恒定、約經(jīng)檢測，單位表面積的膜電容卻較恒定、約1010-6-6F/cmF/cm2 2 2. 2. 不同時(shí)間常數(shù)反映了不同細(xì)胞的不同時(shí)間常數(shù)反映了不同細(xì)胞的RmRm的不同，乃至的不同，乃至 同一神經(jīng)元的各個(gè)膜區(qū)域之間的區(qū)別。而同一神經(jīng)元的各個(gè)膜區(qū)域之間的區(qū)別。而RmRm的差異又代的差異又代 表膜離子通道類型、密度和調(diào)節(jié)方面

6、的特性。總之，膜表膜離子通道類型、密度和調(diào)節(jié)方面的特性?？傊?，膜 時(shí)間常數(shù)在決定神經(jīng)元高度復(fù)雜的內(nèi)在電活動，以及細(xì)時(shí)間常數(shù)在決定神經(jīng)元高度復(fù)雜的內(nèi)在電活動，以及細(xì) 胞對刺激的反應(yīng)方面都起著重要作用胞對刺激的反應(yīng)方面都起著重要作用 3. 3. 生物機(jī)能實(shí)驗(yàn)中，多種因素如標(biāo)本干燥、機(jī)械牽生物機(jī)能實(shí)驗(yàn)中，多種因素如標(biāo)本干燥、機(jī)械牽 拉等不良刺激都可使拉等不良刺激都可使RmRm增加，影響其電活動及其對刺激增加，影響其電活動及其對刺激 的反應(yīng)。因而實(shí)驗(yàn)中為保持標(biāo)本機(jī)能狀態(tài)的正常及實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)。因而實(shí)驗(yàn)中為保持標(biāo)本機(jī)能狀態(tài)的正常及實(shí)驗(yàn) 結(jié)果的真實(shí)可靠，應(yīng)盡量避免不良刺激對結(jié)果的真實(shí)可靠，應(yīng)盡量避免不良刺激對

7、RmRm的影響的影響 生物膜的電學(xué)特性生物膜的電學(xué)特性 跨膜離子電流與膜電位變化跨膜離子電流與膜電位變化 歐姆定律及其表述歐姆定律及其表述 1. 1. 通過某一導(dǎo)體的電流（通過某一導(dǎo)體的電流（I I）與導(dǎo)體兩端的電壓）與導(dǎo)體兩端的電壓（V V或或E E）成正比，與導(dǎo)體的電阻（）成正比，與導(dǎo)體的電阻（R R）成反比：）成反比： I=V/RI=V/R 2. 2. 電導(dǎo)是電阻的倒數(shù)（電導(dǎo)是電阻的倒數(shù)（G=I/RG=I/R），引入電導(dǎo)概念：），引入電導(dǎo)概念： I=gV I=gV 或或 I=gEI=gE 3. 3. 電導(dǎo)概念可更好地描述離子通道允許電流通過電導(dǎo)概念可更好地描述離子通道允許電流通過 的能力

8、的能力 生物膜的電學(xué)特性生物膜的電學(xué)特性 跨膜離子電流與膜電位變化跨膜離子電流與膜電位變化 應(yīng)用歐姆定律描述跨膜離子電流與膜應(yīng)用歐姆定律描述跨膜離子電流與膜電位的關(guān)系電位的關(guān)系 1. 1. 離子通道是一種特殊的導(dǎo)體，各種離子經(jīng)離子離子通道是一種特殊的導(dǎo)體，各種離子經(jīng)離子 通道的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)是順化學(xué)梯度的轉(zhuǎn)運(yùn)，故其產(chǎn)生的電通道的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)是順化學(xué)梯度的轉(zhuǎn)運(yùn)，故其產(chǎn)生的電 流的大?。鞯拇笮。↖ I）既取決于膜電位差（）既取決于膜電位差（E E）及通道的電導(dǎo)）及通道的電導(dǎo)（g g），也與該離子的平衡電位（），也與該離子的平衡電位（EsEs）有關(guān)：）有關(guān)： I=g(E-Es)I=g(E-Es) 2. 2.

9、 公式表明，離子流過通道的驅(qū)動力是公式表明，離子流過通道的驅(qū)動力是E-EsE-Es而非而非E E 3. 3. 若以膜電位為橫軸，離子通道電流為縱軸作圖，若以膜電位為橫軸，離子通道電流為縱軸作圖， 可了解跨膜離子電流可了解跨膜離子電流(I)(I)與電壓與電壓(V)(V)的關(guān)系的關(guān)系(Current-(Current- Voltage relationship) Voltage relationship)，或稱為，或稱為I-VI-V曲線曲線 生物膜的電學(xué)特性生物膜的電學(xué)特性 跨膜離子電流與膜電位變化跨膜離子電流與膜電位變化 1. 1. 圖中的斜率即為該圖中的斜率即為該 通道的電導(dǎo)，若電導(dǎo)為一通道的

10、電導(dǎo)，若電導(dǎo)為一 常數(shù)，常數(shù)，I-VI-V關(guān)系便呈線性關(guān)系便呈線性 2. 2. 曲線還表明，不僅曲線還表明，不僅 離子流過通道的驅(qū)動力不離子流過通道的驅(qū)動力不 是是E E，而且電流為，而且電流為0 0的電位的電位 是與離子的平衡電位相等是與離子的平衡電位相等 的電位而不是的電位而不是0mV 0mV 處。因處。因 電流在此電位改變方向，電流在此電位改變方向， 故又稱反轉(zhuǎn)電位故又稱反轉(zhuǎn)電位 3. 3. 根據(jù)反轉(zhuǎn)電位值可根據(jù)反轉(zhuǎn)電位值可 以判斷該通道電流是何種以判斷該通道電流是何種 離子跨膜流動引起的離子跨膜流動引起的 (n=6)-120-100-80-60-40-200204060-1012Hol

11、d Potential(m V)Relative IOutward current of A TP(n=6)(n=1)(n=6)(n=7)(n=6)(n=4)(n=10)(n=5)*Current-Voltage relationship (I-V Curve) 生物膜的電學(xué)特性生物膜的電學(xué)特性 跨膜離子電流與膜電位變化跨膜離子電流與膜電位變化 研究研究I-VI-V關(guān)系的理論意義關(guān)系的理論意義 Ik1電流-電壓曲線 1. 1.研究離子通道的研究離子通道的I-VI-V關(guān)系關(guān)系 ，是了解通道生物物理學(xué)特性，是了解通道生物物理學(xué)特性 和藥物作用機(jī)制的基本方法和藥物作用機(jī)制的基本方法 2. 2. 實(shí)際

12、上許多通道具有非實(shí)際上許多通道具有非 線性的線性的I-VI-V關(guān)系，尤其可通透關(guān)系，尤其可通透 離子在膜兩側(cè)的濃度不同或通離子在膜兩側(cè)的濃度不同或通 道的結(jié)構(gòu)不對稱等情況下，該道的結(jié)構(gòu)不對稱等情況下，該 曲線往往會向某個(gè)電流方向（曲線往往會向某個(gè)電流方向（ 如內(nèi)向或外向電流）偏離歐姆如內(nèi)向或外向電流）偏離歐姆 定律，即所謂定律，即所謂“整流整流”現(xiàn)象現(xiàn)象 生物膜的電學(xué)特性生物膜的電學(xué)特性 跨膜離子電流與膜電位變化跨膜離子電流與膜電位變化 實(shí)際應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用 1. 1. 在生物膜的等效電路中，因在生物膜的等效電路中，因RmRm和和RcRc以并聯(lián)方以并聯(lián)方 式存在，膜電流（式存在，膜電流（ImIm）

13、等于跨膜離子電流（）等于跨膜離子電流（IiIi）與）與 電容電流（電容電流（IcIc）之和：）之和： Im=Ii+IcIm=Ii+Ic 2. 2. 公式表明，膜的公式表明，膜的IiIi或或IcIc變化均可改變變化均可改變ImIm，而，而 IiIi反映了跨膜離子通道電阻（反映了跨膜離子通道電阻（RmRm）的大小、）的大小、IcIc反映反映 了跨膜電容（了跨膜電容（Cm)Cm)的大小的大小 3. 3. 由歐姆定律可知，由歐姆定律可知，ImIm的變化必然改變膜電位的變化必然改變膜電位 （VmVm），從而），從而RmRm和和CmCm的不同也將影響到的不同也將影響到VmVm 4. 4. 因此在測量因此在

14、測量VmVm的電生理研究中，必須注意保持的電生理研究中，必須注意保持 生物膜生物膜RmRm和和CmCm處于穩(wěn)定狀態(tài)處于穩(wěn)定狀態(tài) 生物膜的電學(xué)特性生物膜的電學(xué)特性 刺激電流與膜電位變化刺激電流與膜電位變化 刺激引起興奮的條件刺激引起興奮的條件 1. 1. 細(xì)胞所處功能狀態(tài)細(xì)胞所處功能狀態(tài) 2. 2. 有效刺激的三個(gè)參數(shù)，即強(qiáng)度、時(shí)間和強(qiáng)度有效刺激的三個(gè)參數(shù)，即強(qiáng)度、時(shí)間和強(qiáng)度- -時(shí)時(shí) 間變化率間變化率 3. 3. 刺激電流的方向，如外向刺激電流使膜去極化，刺激電流的方向，如外向刺激電流使膜去極化， 興奮性升高；內(nèi)向刺激電流使膜超極化，興奮性降低興奮性升高；內(nèi)向刺激電流使膜超極化，興奮性降低 ，

15、不能引發(fā)動作電位。，不能引發(fā)動作電位。因此，在用微電極技術(shù)進(jìn)行實(shí)因此，在用微電極技術(shù)進(jìn)行實(shí) 驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將正電極置于細(xì)胞內(nèi)，或?qū)⒇?fù)電極置于細(xì)胞驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將正電極置于細(xì)胞內(nèi)，或?qū)⒇?fù)電極置于細(xì)胞 外外 生物膜的電學(xué)特性生物膜的電學(xué)特性 刺激電流與膜電位變化刺激電流與膜電位變化 外向和內(nèi)向刺激電流引起的膜電位變化外向和內(nèi)向刺激電流引起的膜電位變化外向刺激電流與膜電位變化內(nèi)向刺激電流與膜電位變化+ - r1 r2- + r1 r2 生物膜的電學(xué)特性生物膜的電學(xué)特性 刺激電流與膜電位變化刺激電流與膜電位變化 關(guān)于細(xì)胞外刺激關(guān)于細(xì)胞外刺激 1. 1.兩個(gè)電極與神經(jīng)兩個(gè)電極與神經(jīng) 接觸并通電，正和負(fù)接觸并通電，正

16、和負(fù) 電極處會分別發(fā)生超電極處會分別發(fā)生超 極化和去極化極化和去極化 2. 2. 應(yīng)用細(xì)胞外雙應(yīng)用細(xì)胞外雙 電極刺激法，應(yīng)將正電極刺激法，應(yīng)將正 電極置于遠(yuǎn)離引導(dǎo)電電極置于遠(yuǎn)離引導(dǎo)電 極一側(cè)、負(fù)電極置于極一側(cè)、負(fù)電極置于 靠近引導(dǎo)電極一側(cè)，靠近引導(dǎo)電極一側(cè)， 以避免正電極處超極以避免正電極處超極 化引起的阻滯作用（化引起的阻滯作用（ 陽極阻滯）陽極阻滯） 生物膜的電學(xué)特性生物膜的電學(xué)特性 刺激強(qiáng)度與膜電位變化刺激強(qiáng)度與膜電位變化 刺激引起興奮的原理刺激引起興奮的原理 1. 1. 膜的去極化是電壓門控膜的去極化是電壓門控NaNa+ +通道被激活及通道被激活及NaNa+ +內(nèi)流內(nèi)流 的過程，期間常

17、伴隨膜電位與的過程，期間常伴隨膜電位與K K+ +平衡電位（平衡電位（E EK K）的差值）的差值 增大，以及非門控增大，以及非門控K K+ +通道的通道的K K+ +外流增加，且去極化越明外流增加，且去極化越明 顯、顯、K K+ +外流越多外流越多 2. 2. 閾下刺激時(shí)，被激活的閾下刺激時(shí)，被激活的NaNa+ +通道數(shù)目少、通道數(shù)目少、NaNa+ +內(nèi)流內(nèi)流 引起的膜被動反應(yīng)（部分去極化）可被引起的膜被動反應(yīng)（部分去極化）可被K K+ +外流對抗，使外流對抗，使 膜的進(jìn)一步去極化難以實(shí)現(xiàn)。而閾刺激可使被激活的膜的進(jìn)一步去極化難以實(shí)現(xiàn)。而閾刺激可使被激活的 NaNa+ +通道數(shù)目及通道數(shù)目及

18、NaNa+ +內(nèi)流量皆增加，不被內(nèi)流量皆增加，不被K K+ +外流對抗外流對抗 3. 3. 閾刺激所致閾刺激所致NaNa+ +內(nèi)流及進(jìn)一步去極化可在二者間內(nèi)流及進(jìn)一步去極化可在二者間 形成正反饋，這被稱為再生性去極化或再生性形成正反饋，這被稱為再生性去極化或再生性NaNa+ +內(nèi)流內(nèi)流 生物膜的電學(xué)特性生物膜的電學(xué)特性 刺激強(qiáng)度與膜電位變化刺激強(qiáng)度與膜電位變化 動作電位的全或無特性動作電位的全或無特性 對很強(qiáng)的去極化刺激發(fā)生的主動反應(yīng)（圖示還 表明，刺激強(qiáng)度越大，刺激和AP間的延遲越短） 生物膜的電學(xué)特性生物膜的電學(xué)特性 刺激強(qiáng)度與膜電位變化刺激強(qiáng)度與膜電位變化 神經(jīng)干或組織受刺激的表現(xiàn)神經(jīng)干

19、或組織受刺激的表現(xiàn) 1. 1. 因不同的細(xì)胞興奮性也不同，且手術(shù)操作或離體因不同的細(xì)胞興奮性也不同，且手術(shù)操作或離體 條件等都將影響到生物膜的特性，從而引起興奮所需的條件等都將影響到生物膜的特性，從而引起興奮所需的 閾強(qiáng)度存在某種差別閾強(qiáng)度存在某種差別 2. 2. 對蟾蜍坐骨神經(jīng)干實(shí)施刺激，在最大刺激強(qiáng)度范對蟾蜍坐骨神經(jīng)干實(shí)施刺激，在最大刺激強(qiáng)度范 圍內(nèi)，神經(jīng)纖維興奮的數(shù)目會隨刺激強(qiáng)度的增加而增加圍內(nèi)，神經(jīng)纖維興奮的數(shù)目會隨刺激強(qiáng)度的增加而增加 ；同時(shí)，動作電位的疊加還將表現(xiàn)為所記錄動作電位幅；同時(shí)，動作電位的疊加還將表現(xiàn)為所記錄動作電位幅 度的相應(yīng)增大，這正是不同的細(xì)胞分別具有不同的興奮度的

20、相應(yīng)增大，這正是不同的細(xì)胞分別具有不同的興奮 性的表現(xiàn)性的表現(xiàn) 3. 3. 最大刺激強(qiáng)度在于使神經(jīng)干中所有纖維都興奮，最大刺激強(qiáng)度在于使神經(jīng)干中所有纖維都興奮， 此時(shí)動作電位的幅度也達(dá)最大此時(shí)動作電位的幅度也達(dá)最大 (自發(fā)、誘發(fā)自發(fā)、誘發(fā))放大器示波器記錄儀 生物電記錄方法及原理生物電記錄方法及原理 生物信號記錄的框架圖生物信號記錄的框架圖 生物電記錄方法及原理生物電記錄方法及原理 生物電信號拾取生物電信號拾取 信號拾取的定義與記錄電極的等效信號拾取的定義與記錄電極的等效 電路電路 生物電記錄方法及原理生物電記錄方法及原理 生物電信號拾取生物電信號拾取 信號拾取的兩個(gè)原則信號拾取的兩個(gè)原則 1

21、. 1. 生物電源是欲記錄的生物電信號，視其為電源是生物電源是欲記錄的生物電信號，視其為電源是 因它的電位降落在三個(gè)電阻上因它的電位降落在三個(gè)電阻上 2. 2. 儀器記錄的信號是極間電阻兩端的電位差儀器記錄的信號是極間電阻兩端的電位差( (電壓電壓) ) 3. 3. 串聯(lián)電路中，電阻兩端電壓的大小與電阻大小成串聯(lián)電路中，電阻兩端電壓的大小與電阻大小成 正比。因此，正比。因此，拾取信號的方法與過程應(yīng)遵循兩個(gè)原則拾取信號的方法與過程應(yīng)遵循兩個(gè)原則： 一是一是力求電極與組織接觸良好即盡量減少接觸電阻，以力求電極與組織接觸良好即盡量減少接觸電阻，以 使信號電壓主要降落在極間電阻兩端，同理兩個(gè)電極不使信

22、號電壓主要降落在極間電阻兩端，同理兩個(gè)電極不 能短路、否則極間電阻為能短路、否則極間電阻為0 0而拾取不到信號；而拾取不到信號；二是二是制作制作 電極的材料導(dǎo)電性能要好或極間電阻要低，以使信號電電極的材料導(dǎo)電性能要好或極間電阻要低，以使信號電 壓主要降落在儀器的輸入電阻上，如極間電極由電極電壓主要降落在儀器的輸入電阻上，如極間電極由電極電 阻與儀器的輸入電阻串聯(lián)而成阻與儀器的輸入電阻串聯(lián)而成(自發(fā)、誘發(fā)自發(fā)、誘發(fā))放放大大器器示波器示波器記錄儀記錄儀 生物電記錄方法及原理生物電記錄方法及原理 生物電信號的放大與記錄生物電信號的放大與記錄 生物電信號放大和記錄的有關(guān)方法生物電信號放大和記錄的有關(guān)

23、方法 生物電記錄方法及原理生物電記錄方法及原理 生物電信號的放大與記錄生物電信號的放大與記錄 關(guān)于刺激偽跡關(guān)于刺激偽跡 1. 1. 生物電信號的紀(jì)錄常面臨辨認(rèn)信號真?zhèn)蔚膯栴}生物電信號的紀(jì)錄常面臨辨認(rèn)信號真?zhèn)蔚膯栴} 2. 2. 可記錄到的干擾信號有許多種，其中之一是刺可記錄到的干擾信號有許多種，其中之一是刺 激偽跡激偽跡 3. 3. 在電生理學(xué)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)刺激器發(fā)出一個(gè)刺激脈在電生理學(xué)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)刺激器發(fā)出一個(gè)刺激脈 沖時(shí)，記錄電極將同時(shí)拾取到一個(gè)雙向、呈尖脈沖的沖時(shí)，記錄電極將同時(shí)拾取到一個(gè)雙向、呈尖脈沖的 電信號，此即刺激偽跡。刺激偽跡可被用來作為一個(gè)電信號，此即刺激偽跡。刺激偽跡可被用來作為一

24、個(gè) 時(shí)間點(diǎn)。如從刺激偽跡到刺激坐骨神經(jīng)干而記錄到時(shí)間點(diǎn)。如從刺激偽跡到刺激坐骨神經(jīng)干而記錄到APAP ，其時(shí)間間隔就是刺激電極處所產(chǎn)生，其時(shí)間間隔就是刺激電極處所產(chǎn)生APAP傳導(dǎo)到記錄電傳導(dǎo)到記錄電 極處所需要的時(shí)間極處所需要的時(shí)間 4. 4. 刺激偽跡一般不會干擾有用信號的紀(jì)錄刺激偽跡一般不會干擾有用信號的紀(jì)錄 生物電記錄方法及原理生物電記錄方法及原理 誘發(fā)生物電現(xiàn)象產(chǎn)生誘發(fā)生物電現(xiàn)象產(chǎn)生 人工誘發(fā)生物電的常用方法人工誘發(fā)生物電的常用方法 電刺激器的電脈沖及其矩形波特征電刺激器的電脈沖及其矩形波特征 1. 1. 電刺激器既可發(fā)出一個(gè)、兩個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的脈電刺激器既可發(fā)出一個(gè)、兩個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的脈

25、 沖，也可連續(xù)性地或不停地發(fā)出脈沖沖，也可連續(xù)性地或不停地發(fā)出脈沖 2. 2. 電脈沖多為矩形波，其可提供三個(gè)參數(shù)，即電電脈沖多為矩形波，其可提供三個(gè)參數(shù)，即電 壓大小（矩形波的幅度）、電壓作用時(shí)間（矩形波的壓大?。ň匦尾ǖ姆龋?、電壓作用時(shí)間（矩形波的 波寬）、電壓對時(shí)間的變化率（矩形波上升的斜率）波寬）、電壓對時(shí)間的變化率（矩形波上升的斜率） 生物電記錄方法及原理生物電記錄方法及原理 干擾問題干擾問題 干擾問題的廣泛性干擾問題的廣泛性 5050赫茲的交流電干擾及其預(yù)防：赫茲的交流電干擾及其預(yù)防： 儀器的噪聲和放大器的信噪比參數(shù)：儀器的噪聲和放大器的信噪比參數(shù)： 一般信號電平與噪聲電平比值一

26、般信號電平與噪聲電平比值10才才能能 滿足實(shí)驗(yàn)記錄需要滿足實(shí)驗(yàn)記錄需要 其它其它 通頻道的定義通頻道的定義 生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用 通頻道通頻道 1. 1. 通頻道又稱帶寬，是放大器選擇與直流或交流生通頻道又稱帶寬，是放大器選擇與直流或交流生 物信號相適應(yīng)頻率范圍的技術(shù)指標(biāo)物信號相適應(yīng)頻率范圍的技術(shù)指標(biāo) 2. 2. 生物放大器的通頻帶下限為生物放大器的通頻帶下限為0 0、上限最大頻率通、上限最大頻率通 常在常在6kHz6kHz以內(nèi)，這基本能滿足機(jī)能實(shí)驗(yàn)需要以內(nèi)，這基本能滿足機(jī)能實(shí)驗(yàn)需要 3. 3. 根據(jù)所觀察生物信號的頻率特性根據(jù)所觀察生物信號的頻率特性,

27、 ,選擇相應(yīng)帶寬選擇相應(yīng)帶寬 可通過調(diào)節(jié)放大器的可通過調(diào)節(jié)放大器的“時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)”和和“高頻濾波高頻濾波”實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn) 。如在放大器前、后極之間常設(shè)置有低和高頻電路。如在放大器前、后極之間常設(shè)置有低和高頻電路 4. 4. 時(shí)間常數(shù)（又稱高通濾波）和高頻濾波（又稱時(shí)間常數(shù)（又稱高通濾波）和高頻濾波（又稱 低通濾波）都是表征低通濾波）都是表征RCRC電路頻率響應(yīng)的參數(shù)，其實(shí)質(zhì)電路頻率響應(yīng)的參數(shù)，其實(shí)質(zhì) 都是濾波都是濾波 放大器的時(shí)間常數(shù)（高通濾波）放大器的時(shí)間常數(shù)（高通濾波） 生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用 通頻道通頻道 1. 1. 時(shí)間常數(shù)決定放大器帶寬的下限頻率時(shí)

28、間常數(shù)決定放大器帶寬的下限頻率(f(f1 1) )即衰減即衰減 信號中的低頻成份，而讓高頻成份全部通過，意義在于信號中的低頻成份，而讓高頻成份全部通過，意義在于 消除信號基線的漂移和低頻噪聲。計(jì)算下限的頻率：消除信號基線的漂移和低頻噪聲。計(jì)算下限的頻率： f f1 1=1/2=1/2 RC RC （ =3.14, =3.14, t=RC t=RC） 2. 2. 公式中每一個(gè)時(shí)間常數(shù)公式中每一個(gè)時(shí)間常數(shù)t t對應(yīng)一個(gè)對應(yīng)一個(gè)f f1 1，低于，低于f f1 1的信的信 號常被衰減號常被衰減70%70%以上，且頻率越低衰減越厲害以上，且頻率越低衰減越厲害 3. 3. 因?yàn)V波器對信號中不同頻率成份的

29、傳遞函數(shù)不同因?yàn)V波器對信號中不同頻率成份的傳遞函數(shù)不同 ，其應(yīng)用常面臨信號失真的問題。就特定信號而言，濾，其應(yīng)用常面臨信號失真的問題。就特定信號而言，濾 波器的通頻帶越寬、失真就越小，但噪聲和干擾卻越大波器的通頻帶越寬、失真就越小，但噪聲和干擾卻越大 放大器的高頻濾波（低通濾波）放大器的高頻濾波（低通濾波） 生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用 通頻道通頻道A DP M f1 f2 f(Hz) 1. 1. 高頻濾波決定高頻濾波決定 放大器帶寬的上限頻放大器帶寬的上限頻 率（率（f f2 2）即衰減信號）即衰減信號 中的高頻成份，讓低中的高頻成份，讓低 頻成份全部通過，意

30、頻成份全部通過，意 義在于消除信號中夾義在于消除信號中夾 雜的高頻噪聲雜的高頻噪聲 2. 2. 所謂放大器的所謂放大器的 帶寬即指帶寬即指f f1 1至至f f2 2的頻率的頻率 范圍范圍 具體圖例具體圖例 生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用 通頻道通頻道沒有進(jìn)行高通濾波的心電圖 調(diào)整了高通濾波的心電圖 沒有進(jìn)行低通濾波的心電圖夾雜較多噪聲（高頻濾波300Hz） 進(jìn)行低通濾波的心電圖夾消除高頻噪聲（高頻濾波100Hz） 過度的低通濾波會造成信號發(fā)生畸變（高頻濾波30Hz） 具體參數(shù)的設(shè)置具體參數(shù)的設(shè)置 生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用 通頻

31、道通頻道 增益和高增益增益和高增益 有關(guān)計(jì)算公式有關(guān)計(jì)算公式 單純應(yīng)用高增益放大器的局限性（見單純應(yīng)用高增益放大器的局限性（見 下節(jié)）下節(jié)） 生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用 高增益高增益 放大器的電壓增益放大器的電壓增益=20Log10Vo/Vi(dcibel,db)=20Log10Vo/Vi(dcibel,db) Vi Vi為放大器的輸入電壓，為放大器的輸入電壓，VoVo為放大器的輸出電壓為放大器的輸出電壓 放大器的電壓增益一般要求達(dá)到放大器的電壓增益一般要求達(dá)到6060120db120db，相，相 應(yīng)的應(yīng)的電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)=Vo/Vi=10=Vo/Vi

32、=103 310106 6倍倍 生物電信號源的高內(nèi)阻性生物電信號源的高內(nèi)阻性 輸入電阻及信號源內(nèi)阻與放大器輸出輸入電阻及信號源內(nèi)阻與放大器輸出電壓信號的關(guān)系電壓信號的關(guān)系 生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用 高輸入阻抗高輸入阻抗 1. 1. 令放大器的電壓放大倍數(shù)令放大器的電壓放大倍數(shù) 為為A A： Vo=ViVo=ViA A Vi=IRi=VsRi/(Ri+Rs) Vi=IRi=VsRi/(Ri+Rs) 2. 2. 公式表明，放大器輸出電壓公式表明，放大器輸出電壓 信號的大小與信號源電壓高低和信號的大小與信號源電壓高低和 放大器放大倍數(shù)有關(guān)，同時(shí)與放放大器放大倍數(shù)有

33、關(guān)，同時(shí)與放 大器輸入電阻及信號源內(nèi)阻構(gòu)成大器輸入電阻及信號源內(nèi)阻構(gòu)成 的分壓器成正比的分壓器成正比 記錄電壓信號的等效電路 理論意義與實(shí)際應(yīng)用理論意義與實(shí)際應(yīng)用 生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用 高輸入阻抗高輸入阻抗 1. 1. 根據(jù)根據(jù) Vo=Vi Vo=ViA A 及及 Vi=IRi=VsRi/(Ri+Rs), Vi=IRi=VsRi/(Ri+Rs), 若若RsRs一定，一定，RiRi越大、分壓比則越大或越大、分壓比則越大或VoVo則越高；反之則越高；反之 反之，即同樣的放大倍數(shù)和反之，即同樣的放大倍數(shù)和VsVs條件下，條件下，VoVo將降低。將降低。因因 此

34、，單純的高增益放大器不能滿足引導(dǎo)內(nèi)阻高、信號此，單純的高增益放大器不能滿足引導(dǎo)內(nèi)阻高、信號 弱的生物電信號的需要，還必須具有較高的輸入阻抗弱的生物電信號的需要，還必須具有較高的輸入阻抗 2. 2. 一般要求前置放大器的輸入阻抗一般要求前置放大器的輸入阻抗10106 6（）（1M1M），），微電極放大器輸入阻抗微電極放大器輸入阻抗101010101313，這樣，這樣 才便于記錄高內(nèi)阻的生物信號才便于記錄高內(nèi)阻的生物信號 3. 3. 正常細(xì)胞膜阻抗均為正常細(xì)胞膜阻抗均為10103 3，只有當(dāng)微電極阻抗只有當(dāng)微電極阻抗 足夠大、信號源內(nèi)阻相對足夠小，即輸入阻抗足夠大、信號源內(nèi)阻相對足夠小，即輸入阻抗

35、/ /輸出阻輸出阻 抗比值極大時(shí)才能順利檢出微弱的生物信號抗比值極大時(shí)才能順利檢出微弱的生物信號 共模信號與差模信號共模信號與差模信號 生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用 高共模抑制比高共模抑制比 1. 1. 共模信號指差分放大器輸入兩端方共模信號指差分放大器輸入兩端方 向和大小都相同的電壓信號，其特征為差向和大小都相同的電壓信號，其特征為差 分放大器對信號無放大作用、且多見于外分放大器對信號無放大作用、且多見于外 界干擾信號。反之為差模信號如生物電信界干擾信號。反之為差模信號如生物電信 號，差分放大器對其有很強(qiáng)的放大作用號，差分放大器對其有很強(qiáng)的放大作用 2. 2.

36、 差分放大器能同時(shí)放大差模信號、差分放大器能同時(shí)放大差模信號、 抑制共模信號。后者的強(qiáng)弱取決于同級放抑制共模信號。后者的強(qiáng)弱取決于同級放 大器的靜態(tài)和動態(tài)對稱性好壞，且又與接大器的靜態(tài)和動態(tài)對稱性好壞，且又與接 觸電阻、局部組織電阻、放大器輸入電阻觸電阻、局部組織電阻、放大器輸入電阻 和構(gòu)成放大器的元器件的對稱性有關(guān)和構(gòu)成放大器的元器件的對稱性有關(guān) 共模抑制比（差分比）共模抑制比（差分比） 生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用 高共膜抑制比高共膜抑制比 1. 1. 共模抑制比指同一差分放大器的差模信號電壓增共模抑制比指同一差分放大器的差模信號電壓增 益與共模信號電壓增益的比值：益與共模信號電壓增益的比值： CMRR=Kd/KcCMRR=Kd/Kc 2. 2. 生物電放大器一般要求生物電放大器一般要求 CMRR10CMRR104 4，最好為，最好為10106 6； 當(dāng)當(dāng)CMRR10CMRR105 5時(shí)，該差分放大器可在標(biāo)本良好接地而無屏?xí)r，該差分放大器可在標(biāo)本良好接地而無屏 蔽的情況下工作。即有效抑制進(jìn)入放大器的共模信號、蔽的情況下工作。即有效抑制進(jìn)入放大器的共模信號、 放大差模信號。共模抑制比的大小便代表放大器對共模放大差模信號。共模抑制比的大小便代