電磁場心電圖的探究實驗報告

1、電磁場與電磁波課程專題研討心電圖工作原理 姓名： 學號： 同組成員： 班級： 指導教師： 時間：2015年06月目錄 TOC o 1-3 h z u 一、題目 PAGEREF _Toc421965044 h 2二、問題分析 PAGEREF _Toc421965045 h 3三、 闡述原理 PAGEREF _Toc421965046 h 31.心肌細胞電勢差的產(chǎn)生機理 PAGEREF _Toc421965047 h 32.測量心電圖原理 PAGEREF _Toc421965048 h 6四、理論分析 PAGEREF _Toc421965049 h 61.電偶極子 PAGEREF _Toc4219

2、65050 h 62.電偶極矩 PAGEREF _Toc421965051 h 63.電偶極子的電勢 PAGEREF _Toc421965052 h 74.電偶層電勢 PAGEREF _Toc421965053 h 75.心電向量 PAGEREF _Toc421965054 h 96.容積導電 PAGEREF _Toc421965055 h 10五、定性分析心電圖測量原理 PAGEREF _Toc421965056 h 10六、收獲與體會 PAGEREF _Toc421965057 h 11七、建議與改進 PAGEREF _Toc421965058 h 12八、參考文獻: PAGEREF _T

3、oc421965059 h 12一、題目心電圖是檢測和診斷心臟功能的重要儀器。當心臟跳動時，身體各部分的電勢會發(fā)生變化，把金屬電極貼在人體有關(guān)部分的皮膚上測量電極間電勢差的變化情況，就能診斷心臟跳動是否異常。電極間的電勢差有數(shù)毫伏，利用記錄儀或示波器可把電勢差隨時間的變化記錄或顯示出來。距離很小的正負電荷層稱為電偶層，研究電偶層的電勢，定性分析心電圖的工作原理。二、問題分析 通過題目闡述，我們知道心臟跳動是否異?？梢杂扇梭w相關(guān)皮膚上的電勢差的變化情況來反映。利用記錄儀或示波器把這種電勢差隨時間的變化記錄或者顯示出來即可分析心臟跳動是否異常。本題重點是如何求得電勢差。三、 闡述原理 1.心肌細胞

4、電勢差的產(chǎn)生機理心肌細胞在靜息狀態(tài)時，膜外排列陽離子帶正電荷，膜內(nèi)排列同等比例陰離子帶負電荷，保持平衡的極化狀態(tài)，不產(chǎn)生電位變化。當細胞一端的細胞膜受到刺激，其通透性發(fā)生改變，使細胞內(nèi)外正、負離子的分布發(fā)生逆轉(zhuǎn)，受刺激部位的細胞膜出現(xiàn)除極化，使該處細胞膜外正電荷消失而其前面尚未除極的細胞膜外仍帶正電荷，從而形成一對電偶（dipole）。電源（正電荷）在前，電穴（負電荷）在后，電流自電深流入電穴，并沿著一定的方向迅速擴展，直到整個心肌細胞除極完畢。此時心肌細胞膜內(nèi)帶正電荷，膜外帶負電荷，稱為除極（depolarization ）狀態(tài)。而后，由于細胞的代謝作用，使細胞膜又逐漸復原到極化狀態(tài)，這種恢

5、復過程稱為復極（repolarization）過程，復極與除極先后程序一致，但復極化的電偶是電穴在前，電源在后，并較緩慢向前推進，直至整個細胞全部復極為止。這個過程可以用下圖來表示。2.測量心電圖原理心臟機械收縮前，心肌先產(chǎn)生電激動由于人體是個容積導體，心肌的這種電激動相對人體體表就等效為電矩大小和方向隨心臟跳動周期性變化的電偶極子，醫(yī)學上稱為心電向量心電向量的電場周期性地變化，使人體各處電勢隨之周期性地變化測量和描記人體體表某兩點問的電勢差變化波形，就是心電圖 由空同心電向量環(huán)可以看出，心臟在空間所建立的電場是隨時間作周期性變化的。任一瞬時，在空問兩點(例如人體表面不同的兩點左臂與右臂)的電

6、勢差或電壓是確定且可測量的，顯然，這一測量值是隨時間周期變化的。因而當將兩塊金屬電極貼在人體有關(guān)部分的皮膚上時，這兩塊金屬電極即構(gòu)成電偶層，電偶層外任一點電位的變化，描述著心肌細胞除極與復極的過程。將這些電位隨時間的變化記錄下來，即為心電圖。四、理論分析 1.電偶極子：兩個相距較近的、帶電量相等且異性的點電荷體系稱為電偶極子。 2.電偶極矩：數(shù)學定義：p=ql 單位：庫侖米（ Cm） 其中q為某一點電荷的帶電量，l為兩個點電荷之間間距、方向由負電荷指向正電荷 3.電偶極子的電勢 則a點的電勢為：當a點遠離電偶極子時，即rL那么則上式表明： 第一電偶極子電場中的電勢與電矩成正比；說明電矩是表征作

7、為場源的電偶極子整體電性質(zhì)的物理量，它決定著電偶極子電場的性質(zhì)； 第二電偶極于電場中電勢的分布與方位有關(guān)。以電偶極子軸線的中垂面為零勢面而將整個電場分為正、負兩個對稱的區(qū)域，正電荷所在一側(cè)為正電勢區(qū)，負電荷所在一側(cè)為負電勢區(qū) 4.電偶層電勢 所謂電偶層是指相距很近、互相平行且具有等值異號電荷密度的兩個帶電面，可以將電偶層看成許多平行排列的電偶極子的集合。人體中存在著電偶層構(gòu)成的閉合曲面。心肌細胞就是這樣，靜息時，細胞內(nèi)均勻帶負電外面均勻帶正電 根據(jù)計算可知細胞內(nèi)為非零等電勢，細胞外電勢為零。 計算整個表面積為S的電偶極層在P點的電勢： 設(shè)元偶極子中心到P點的距離為r,選取迭定中心點為零電位點。

8、當，因為r,由電偶極子在遠場產(chǎn)生的電位知元偶極子在P點產(chǎn)生的電位元為其中可認為是對P點所張立體角元，所以整個電偶層在P點產(chǎn)生的電位為可見，不論電偶層形狀如何，其外部任意一點的電位總是和層面對該點所張立體角成正比。至于電位的正負，則由與之間夾角而定，當待求點在正電荷外側(cè)時，與夾銳角，電位為正，反之在負電層外側(cè)電位為負。這樣即可將電偶層層外電場的計算問題，簡化成計算立體角問題。因而，求P點電位的關(guān)鍵是求出層面對P點的立體角。立體角為電偶層各個面積元對P點所張的立體角的代數(shù)和。所以式中S為電極所在平面，為與的夾角。特殊地，若金屬電極為無限大平面，則對平面外任一點所張的立體角的絕對值為。5.心電向量綜

9、合心電向量：一片心肌是由多個心肌細胞所組成，除極與復極時會產(chǎn)生很多個電偶向量，把它們疊加在一起成為一個電偶向量，這就是綜合心電向量瞬時心電向量：是一個在方向、大小上都隨時問作周期性變化的矢量，其箭頭的坐標按時問、空間的順序加以描記、連接成軌跡稱為空間心電向量環(huán)6.容積導電 心肌細胞在除極與復極的過程中，形成電偶，產(chǎn)生電流，在每一瞬間都將傳播到整個體液內(nèi)。這種現(xiàn)象和一束肌纖維放在巨盆鹽水內(nèi)，不斷產(chǎn)生電偶作用于周圍的情況完全相似，這種導電的方式稱為容積導電。人體亦可看作是容積導體，心臟處于這一導體之中。 五、定性分析心電圖測量原理心臟周圍的組織和體液都能導電，因此可將人體看成為一個具有長、寬、厚三

10、度空間的容積導體。心臟好比電源，無數(shù)心肌細胞動作電位變化的總和可以傳導并反映到體表。 在體表很多點之間存在著電位差,也有很多點彼此之間無電位差是等電的。 心臟電活動按力學原理可歸結(jié)為一系列的瞬間心電綜合向量。在每一心動周期中，作空間環(huán)形運動的軌跡構(gòu)成立體心電向量環(huán)。用陰極射線示波器在屏幕上具體看到的額面、橫面和側(cè)面心電圖向量環(huán)，則是立體向量環(huán)在相應(yīng)平面上的投影。心電圖上所記錄的電位變化是一系列瞬間心電綜合向量在不同導聯(lián)軸上的反映。投影所得電位的大小決定于瞬間心電綜合向量本身的大小及其與導聯(lián)軸的夾角關(guān)系。投影的方向和導聯(lián)軸方向一致時得正電位，相反時為負電位。用一定速度移行的記錄紙對這些投影加以連

11、續(xù)描記，得到的就是心電圖的波形。心電圖波形在基線（等電位線）上下的升降，同向量環(huán)運行的方向有關(guān)。和導聯(lián)軸方向一致時，在心電圖上投影得上升支，相反時得下降支。向量環(huán)上零點的投影即心電圖上的等電位線，該線的延長線將向量環(huán)分成兩個部分，它們分別投影為正波和負波。因此，心電圖與心向量圖有非常密切的關(guān)系。六、收獲與體會 電磁場在醫(yī)學中有廣泛應(yīng)用.電磁現(xiàn)象是自然界中一種普遍存在的物質(zhì)運動形式，幾乎所有的物質(zhì)變化過程都伴隨著電或磁的變化。電磁學理論和技術(shù)在人類的生產(chǎn)實踐、科學研究、日常生活中有著極其廣泛的應(yīng)用。在生物醫(yī)學領(lǐng)域內(nèi)，揭示生命的本質(zhì)、研究人體的生理和病理變化，以及臨床診斷和治療中，電磁學也同樣占有非常重要的地位。在該問題的研討中我們主要分為兩個部分，第一部分主要是電偶層電勢研究，這一部分偏重理論研究與公式計算；第二部分主要是利用電偶層電勢研究結(jié)果，對心電圖的工作原理進行定性分析，其中，不僅使用到前面電偶層電勢的理論原理，還需要通過大量的資料文獻查找，將理論原理與實際心電圖工作原理相結(jié)合。在這過程中，我們學習到理論的理想化研究，和現(xiàn)實問題與理想理論的類比對應(yīng)，并分析出現(xiàn)實問題模型。源于課本知識：電偶極子，空間電場求電勢. 源于課外知識：人體電場、電勢的產(chǎn)生，心電向量，容積導電，電偶層七、建議與改進 本題的關(guān)鍵是電偶極子的相關(guān)計算，并從電偶極子推廣到電偶層。難點主要是分析心電信號，建立