《医学物理学》教学内容纲要.docx
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《医学物理学》教学内容纲要
《医学物理学》教学内容纲要
第一章生物力学
第一节生物组织的力学特性
1.应力和应变
⑴应变——外力作用下,物体发生的形状和大小的相对变化。
应变是量纲为1的量。
弹性形变:
在一定的限度内,当外力撤消后物体能完全恢复原状所对应的形变。
塑性形变:
超过一定的限度后,当外力撤消后物体不再能完全恢复原状所对应的形变。
①张应变ε:
物体在受到外力牵拉或压缩时,所发生的长度变化∆l与物体原长度l之比;
②体应变θ:
物体受到压力时,在形状没有改变的情况下,所发生的体积变化∆V与物体原体积V之比;
③剪应变(切应变)γ:
物体受到切向力时,在只发生形状变化而没有体积变化的弹性形变的情况下,其切向形状的变化∆x与其厚度d的比值。
⑵应力——物体发生形变时,单位面积上的弹性力:
⑴张应力:
使物体处于拉伸状态的应力
⑵体应力:
使物体体积变化的力?
⑶剪应力(切应力):
单位截面受到沿切向的内力?
2.弹性模量
⑴应力-应变的关系:
正比极限:
O点到A点一条直线,应力与应变成正比。
弹性极限:
A点到B点应力与应变不再成正比,但是将O点到B点之间将引起形变的外力除去后,材料可以顺着原曲线返回,B点则为弹性极限。
断裂点:
⑵弹性模量(elasticmodulus):
某一种材料的应力与应变的比值。
①杨氏模量E:
正应力σ与张应变ε的比值;
②剪切模量(切变模量)G:
切应力τ与切应变γ的比值;
③体变模量:
体积形变中的压力p与体应变∆V/V之比。
3.物质的粘弹性
⑴粘弹性的特点:
①应力松驰或张驰(relaxation):
在物体突然发生应变时,在应变保持一定的情况下,相应的应力随时间的增加而下降。
②蠕变(creep):
物体的应变随时间的增加而增大,而应力保持一定。
③滞后(hysteresis):
对物体作周期性的加载和卸载,加载卸载时的应力-应变曲线不重合。
⑵粘弹性体的力学模型
①Maxwell模型:
两个元件应力相同,应变是二元件应变的总和;
②Voigt模型:
两个元件应变相同,应力是二元件应力的总和;
③四元模型:
应变为弹性应变、延迟弹性应变和粘性应变的总和。
4.生物组织的力学性质
⑴软组织的一般力学性质:
①大变形特点;②应力-应变非线性关系;③对应变率不敏感;④呈现应力松弛;⑤蠕变特性。
⑵硬组织——骨的力学性质
骨的力学性质:
①骨骼的应力与应变的关系;②具有各向异性的力学性质;③骨的弹性模量;④强度与密度之比很大;⑤具有非常优良的机械结构。
软骨的力学性质:
①应力-应变关系具有滞后环,应力峰值随应变率增大而略有增长;②具有良好的润滑性能。
复习题
名词概念
1.弹性形变塑性形变
2.应力张应力体应力剪应力
3.应变张应变体应变剪应变
4.应变率剪变率
5.正比极限弹性极限断裂点
6.弹性模量扬氏弹性模量切变弹性模量体变弹性模量
7.粘弹性应力松驰蠕变滞后
问答题
1.粘弹性和弹性材料比较有何不同?
(1)弹性材料的特点是其内部任意一点、任意一刻的应力,完全取决于当时、该处的应变,与应变的历史过程无关。
(2)粘弹性材料任一点任一时刻的应力状态,不仅取决于当时、该点的应变,而且与应变的历史过程有关,即材料是有记忆的。
2.试推导粘弹性体的Voigt模型。
3.粘弹性物质的特点?
4.蠕变与松弛有和区别?
5.软组织的一般力学性质有哪些?
6.骨骼的力学性能质有哪些特点?
第二章生物流变力学
第一节生物流变学物理基础
理想流体稳定流动
牛顿流体非牛顿流体流动曲线屈服应力触变性
片流湍流流阻泊肃叶流动雷诺数
表观粘度相对粘度Casson方程
Fahraeus—Lindqvist效应
毛细管逆转现象临界半径
红细胞的变形能力红细胞的聚集性
理想流体:
绝对不可压缩完全没有粘滞性的流体。
稳定流体:
如果流体流经空间各点的速度不随时间改变,这种流动状态称为稳定流动。
牛顿液体:
遵从牛顿粘滞性定律的液体。
非牛顿液体:
不遵从牛顿粘滞性定律的液体。
流动曲线:
在任一时刻,可以在流场中划出一系列假想的曲线,并使曲线上任意点的切线方向与流经该点的流体粒子的速度方向一致,这些线就成为这一时刻流体的流线。
屈服应力:
某些非牛顿流体,形成疏松的空间结构,当施加的剪应力比较小时,这种结构可以有所改变,流体变形,但不至于流动。
当剪应力增大到一定值时,流体才开始流动,该力为该流体的屈服应力。
触变性:
形成上述疏松结构的流体受到较大剪应力的作用,会溶解成分散状态,静置后再凝固成输送结构,这成为触变现象。
其黏度不仅依赖于剪变率的大小,也依赖于剪变率作用的时间,称为触变性。
片流:
湍流:
指当处于层流的流体速度增大到某一数值时,层流状态就会被破坏,各液流层间流体粒子大量互相掺混,流动紊乱,甚至出现涡旋。
表观粘度:
流体的切应力与剪变率的比值。
相对粘度(比粘度):
样品表现粘度与溶剂粘度的比值。
1.连续性原理和伯努利方程
⑴连续性原理
⑵伯努利方程
(理想流体)
(粘性流体)
2.牛顿粘滞性定律
⑴层流(片流):
当粘性液体流速不太大时,液体将分层流动。
层流具有如下特点:
①分层流动,各层的流速不相同;②流速v的方向与层面相切,没有法向向量;③层与层之间无质量交换。
⑵粘滞性:
流体在流动过程中,内部是存在相对运动形式的;在做相对运动的两层流体之间的接触面上,存在一对阻碍两流体层相对运动的大小相等、方向相反的内摩擦力。
流体的这种性质即为粘滞性。
⑶速度梯度:
在垂直于流动方向上,每增加单位距离流体速率的增加量
,称为平均速度梯度;极限
即为速度梯度。
⑷牛顿粘滞性定律:
⑸粘滞系数:
上述中的比例系数η,简称粘度;η是流体粘滞性的量度,在国际单位制中的单位是Pa·s。
⑹剪变率:
剪应变γ随时间的变化率。
3.牛顿流体和非牛顿流体
⑴牛顿液体:
遵从牛顿粘滞性定律的液体。
⑵非牛顿液体:
不遵从牛顿粘滞性定律的液体。
(3)流动曲线:
4.泊肃叶流动
⑴泊肃叶定律
⑵流阻Rf:
5.雷诺数
⑴湍流:
指当处于层流的流体速度增大到某一数值时,层流状态就会被破坏,各液流层间流体粒子大量互相掺混,流动紊乱,甚至出现涡旋。
⑵雷诺数(Reynold’snumber)Re:
(没有单位的纯数)
⑶层流和湍流的判别
第二节血液的流变学性质
1.血液的粘度
⑴表观粘度:
流体的切应力与剪变率的比值。
⑵相对粘度(比粘度):
样品表现粘度与溶剂粘度的比值。
⑶还原粘度:
消除浓度影响后,反映的构造粘度。
2.Casson方程
3.血液的触变性和滞后现象
触变性(thixotropy):
一种对于剪变率和剪变时间均有依赖性的流变特性。
特征:
①具有一定屈服应力;②扭矩衰减曲线;③滞后环。
第三节影响血液粘度的因素
1.血细胞比积对血液粘度的影响
⑴HCT↑→ηa↑;
⑵血浆粘度ηp↑→血液粘度ηa↑↓主要取决于血浆蛋白。
2.血细胞的聚集性与变形性的影响
⑴红细胞变形能力↓→血液粘度↑(高切);
⑵红细胞聚集↑→血浆粘度↑(低切);
ηP↓→ηa↓
ηr↑;
⑶温度↑→HCT↑
红细胞聚集↑
⑷白细胞与血小板↑→ηa↑。
3.Fahraeus—Lindqvist效应
表现粘度ηa与管径有关。
R<300μm,R↓→ηa↓;R<100um,R↓→ηa↓↓:
4.Fahraeus—Lindqvist逆效应(毛细管逆转现象)
管径<临界半径时,R↓→ηa↑→逆效应。
5.影响全血粘度的各因素
RBC表面电荷变化
↓
血浆蛋白→RBC聚集←RBC变形性
↓↓↓
血浆粘度→全血粘度←切变率
↗↑↖
血管口径和内壁温度HCT
第四节血细胞的流变性
1.红细胞的变形性
⑴红细胞的变形
溶液渗透压改变时,RBC形状改变很显著,但表面积的变化却很小,这是RBC变形的根本特点。
⑵红细胞可变性的生理意义
①决定血液粘度的主要因素之一:
主要影响高切时的粘度,RCD↓→η↑;
②减少血管的血流阻力:
RCD↓→η↑→Z↑;
③保证微循环正常的重要因素:
RBC可变形性→轴流现象→ηa↓→Z↓,RBC变形性↓→δ↑→微循环灌注量↓;
④决定体内RBC寿命的重要因素:
RBC老化→变形性↓→寿命↓;
⑤使RBC更有效地发挥运输气体的功能
⑶影响红细胞变形性的因素
①决定RCD的内部因素
ⅰRBC膜的流变性:
膜的流动性、“坦克履样式运动”及粘弹性。
ⅱRBC内液的粘度ηi影响因素:
a.平均血红蛋白浓度MCHC↑→ηi↑→变形性↓;b.红蛋白理化性质(溶解度、稳定性、氧饱和度)。
ⅲRBC的几何形状:
球形指数Si↑→变形性↓。
②影响红细胞变形的外部因素:
ⅰ切变率↑→变形↑;ⅱ血管直径↓→变形↑;ⅲ细胞浓度↑→变形↑;ⅳ介质浓度↑→变形↑;ⅴ血浆蛋白↑→ηp↑→ηr↓→刚性↓;ⅵ血浆渗透压;ⅶpH↓→球形化↑及膜的弹性↓→变形性↓;ⅷ电解质;ⅸP(O2)和P(CO2),P(O2)<40mmHg或P(CO2)>70mmHg→变形性↓;ⅹ其它,ATP水平↓→变形性↓,氧化剂→自由基→变形性↓,T>41℃→RBC刚性↑。
2.红细胞的聚集性
⑴RBC聚集的必要条件:
①RBC变形性正常;②血浆中高分子蛋白质存在。
⑵RBC聚集的主要影响因素:
①灌注压和切应力;②RBC表面的负电荷↑→不易聚集;③血浆蛋白分子的桥联作用;④其它因素。
⑶RBC聚集的生理和临床意义
第六节血液流变学参数测定
1.血液粘度的测定
⑴毛细管型粘度计:
惯性较小,在剪变率很高时仍可用于作定常剪切流动流变测量。
①毛细管粘度计:
②缝隙粘度计
⑵旋转型粘度计:
有惯性、粘弹性和流体其他效应,难以保持定常剪切流动,剪变率也受到限制。
①共轴圆筒(Couette)粘度计:
②锥板粘度计
2.6.2红细胞变形性测定
㈠ 粘性法(粘度法)
㈡ 核孔膜滤筛法
㈢激光衍射法
㈣其他方法
1.微吸管法
2.电导法
3.电子自旋共振法
2.6.3红细胞聚集性测定
1粘度测定法
2红细胞沉降率法
3触变参数测量法
4动态光学法
5红细胞电泳法等
第三章感觉的物理学
*人体感觉的分类:
1、内部感觉
可觉察的感觉:
用于保持器官的健康与正常活动的感觉,有人体内部感受器感受。
不可觉察的感觉:
四肢位置的官爵和关于平衡的前庭感觉
2、外部感觉
味觉(舌头)、嗅觉(鼻子)、触觉(皮肤)、听觉(耳朵)、视觉(眼睛)
3、感觉的产生过程:
第一节触觉的物理学
一、触觉(Senseoftouch):
1、皮肤的作用:
*皮肤的结构:
2、触觉的产生:
包括力学感受器、伤痛感受器和温度感受器等。
3、力学感受器:
(1)作用:
响应有关力学负载的刺激。
(2)组成:
毛囊感受器、环层小体、自由神经末梢
(3)环层小体结构:
形似一橄榄球。
60层扁平细胞层叠环绕一中心核构成,而其整体有被包裹在结缔组织的鞘囊里。
小体的中心处有一非有髓神经纤维,此纤维在小体外部分则为有髓神经纤维。
*环层小体作用:
作为一负载变化率的感受器,而不是对负载的强度本身起反应。
也叫振动传感器。
(4)环层小体的理论模型:
(5)力学感受器的分布密度和空间分辨率:
二、温度感受器
*有热觉和冷觉两种。
*分布密度:
5-10/cm2
三、伤痛感受器
*功能:
在刺激强度超过某一阈值时发出痛的信号。
*有快速(有髓神经纤维传导,速度快)和持久感受器(无髓神经纤维传导,速度慢)。
第二节耳和听觉的物理学
一、听觉器官物理特性
1、听觉器官结构:
外耳、中耳、内耳
听觉产生过程:
刺激耳蜗纤毛细胞的机械系统,在听觉神经上产生动作电位的传感器,听觉皮质对听觉神经穿来的信号进行解释。
2、传音系统—外耳、中耳、内耳对声波传导的物理特性
(1)外耳
特点:
气体传导声波,集声系统
(a)耳廓作用:
保护鼓膜
(b)外耳道:
可看作一端封闭的管状共振腔。
响应频率与耳道长度的关系:
(c)鼓膜作用:
把声压转化为机械震动
(2)中耳
特点:
传声部分
(a)构成:
鼓室。
听小骨(锤骨、砧骨和蹬骨)。
(b)功能:
将声波压强放大,使冲气的耳刀与充满淋巴液的内耳耳蜗声阻抗匹配
(c)声压增大的原因:
活塞作用,杠杆作用
(d)保护内耳的作用:
听骨和它的感觉韧带还在免除强声的损害保护耳方面起重要作用。
强声使中耳肌肉往侧边拉听骨,以减小传到内耳的声音强度;咽骨管下通到嘴,起者对耳膜两边的压力平衡作用。
(3)内耳
与听觉有关部分是耳蜗。
(a)耳蜗组成:
前庭阶、鼓阶和蜗管。
外淋巴液,内淋巴液。
前庭膜,基底膜。
(b)产生听觉主要途径:
(c)听觉次要途径:
(d)骨传导途径:
3、感音系统-耳蜗对声波的鉴频与生物电现象
(1)基底膜与鉴频:
听觉的感音器:
*听弦:
*基底膜的频率分布:
*基底膜对声波频率的共振鉴频分析机制:
(2)耳蜗生物电现象-微音器电位:
感音细胞:
*听毛:
*微音器效应:
4、小结:
听觉器官等效的物理模型:
(1)外耳:
(2)中耳:
(3)内耳:
(4)基底膜:
(5)毛细胞:
二、听觉的声学规律
1、听阈值与听阈曲线:
(1)听阈值:
能引起听觉的最小声强度值
(2)听阈曲线:
下方实线为挺立好的年轻人听觉阈值的平均值,可见它是一随频率变化的曲线。
其上的均值线表示此水平,被实验的各种人,仅有一半听到声音。
所以这两条曲线反映了耳听觉的灵敏度。
2、痛阈值与痛阈曲线:
(1)痛阈值:
引起耳朵疼痛的最小声强度值?
(2)痛阈曲线:
3、听觉区域:
4、声强级:
5、声压:
*声压级:
6、响度级:
(1)等响曲线:
(2)响度单位:
三、听力测试与助听
*听力损失:
*听力测试:
1、电子听力计:
(1)构造和功能:
包括
*纯音发生器:
*衰减器:
*耳机:
*纯音断续器:
(2)听力图:
2、中耳阻抗听力测试系统:
*中耳作用:
(1)系统构造:
(2)测试过程:
(3)测试结果:
声阻随压力的变化曲线。
*声顺度:
3、助听器:
(1)耳聋或全聋:
(2)听力降低原因:
*助听器原理:
(3)传导性听力衰减:
(4)神经性听力衰减:
*人工耳蜗:
*振动性感应法:
第三节眼和视觉的物理学
一、眼的结构和光学性质
1、眼的结构:
角膜、虹膜、瞳孔、晶状体、房水、玻璃体。
视网膜、黄斑、中央凹。
巩膜(眼白)。
2、眼的光学性质
(1)古氏平均眼:
认为眼睛相当于一个厚透镜。
(2)简约眼:
把眼睛简化为一个单球面折射系统。
(3)眼的调节:
(4)远点:
近点:
(5)明视距离:
3、眼的分辨本领和视力
(1)视角:
(2)视力:
*标准视力表:
VS
*对数视力表:
VL
两种视力数值的对照:
二、眼的屈光不正及其矫正
*正视眼:
*非正视眼:
屈光不正的眼。
主要分近视眼、远视眼和散光眼三种。
1、近视眼(myopia)
(1)特点:
(2)原因:
(3)矫正:
2、远视眼(hypermetropia)
(1)特点:
(2)原因:
(3)矫正:
3、散光眼(astigmatism)
(1)特点:
(2)原因:
(3)矫正:
4、老花眼(senopia)
(1)特点:
(2)原因:
(3)矫正:
*近点与年龄的关系:
三、视觉的物理特性
(一)、视觉的物理过程
1、视网膜结构:
(1)组成:
①感光细胞(包括锥细胞和杆细胞)。
②神经节细胞。
③双极细胞。
*杆细胞作用:
*锥细胞作用:
(2)锥细胞和杆细胞的分布:
2、视觉形成过程:
3、视见函数:
*概念:
*视见函数和波长的关系:
白昼:
暗光(黄昏):
(二)、视觉的分类
光觉:
形觉:
色觉:
1、眼的光觉和适应:
(1)光度学几个基本概念和单位
*辐射通量:
光通量:
*发光强度:
*面发光度:
*亮度:
*照度:
(2)物体亮度和落在网膜上光通量关系:
*在网膜上的照度为:
(3)眼对光的适应:
*暗适应:
*明适应:
2、形觉
(1)单眼视觉:
单眼以主视线为空间定向标准。
(2)双眼视觉:
①双眼单视:
*中央眼:
②双眼复视:
(3)双眼视差:
*双眼视差计算式:
(4)立体视觉:
①单眼调节:
*眼球转动:
②双眼视觉:
*实体视差:
*实体视觉半径:
即人眼可产生立体视觉的范围。
3、色觉
(1)基本概念:
*色调(彩):
*饱和度:
*亮度:
*色觉产生机制:
*色盲:
(2)色觉理论
*三原色理论:
认为基本色是红、绿、蓝,可组合成各种各样的颜色。
*Hering理论:
*阶段说理论:
(3)颜色混和定律
两互补色的波长计算式:
①第一定律(补色律):
②第二定律(中间色律):
③第三定律(代替律):
(4)色品与色品图
由cC=rR+gG+bB,c=r+g+b,可得:
*色品:
*色品图:
*讨论:
课堂测试题:
**补充内容(几何光学)**
一、单球面折射
1、单球面折射公式:
2、条件:
3、符号规则:
4、单球面的焦点和焦距:
二、共轴球面系统
概念:
1、计算:
逐次成像法。
2、共轴球面系统三对基点概念
(2)两主点(H1、H2):
(3)两节点(N1、N2):
(1)两焦点(F1、F2):
3、成像公式:
若系统前后介质相同,则f1=f2=f。
则公式可简为:
第五章人体电磁学
第一节人体电现象及物理基础
*历史:
*应用:
心电图、脑电图、或肌电图等。
*原因:
一、人体电阻抗
*基础:
细胞膜可看作是RC并联电路。
1、细胞的电阻抗:
2、组织的电阻抗:
*直流电阻率:
*交流电阻率、相对介电常数和频率的关系:
*交流电阻率随频率增加而下降的原因:
第二节细胞生物电现象和神经传导
一、神经元的结构和电性质
1、神经纤维的结构
神经元(神经细胞):
细胞体
树突
轴突:
有髓鞘纤维;郎飞氏结。
无髓鞘纤维
2、神经纤维的电学性质:
(1)轴浆电流:
*膜电流:
(2)轴浆电阻:
(3)膜电阻:
*膜电导:
(4)膜电容:
(5)神经的兴奋和冲动:
*刺激强度和持续时间的关系:
二、静息电位和离子浓度
1、概念:
膜电位。
静息电位。
2、产生原因:
(1)细胞膜内、外液体中离子浓度不同;
(2)细胞膜对不同种类的离子通透性不一样。
3、能斯特(Nernst)方程和平衡电位
(1)方程:
半透膜。
经推导得膜两侧电势差(即K+的平衡电位)为:
称为能斯特方程。
(2)Nernst方程的应用
4、Donnan平衡:
*Donnan平衡后离子浓度的分布满足两个条件:
5、Goldman方程:
若膜对几种离子都可透过,则稳定时可算出跨膜电位差为:
6、膜电位的测量
可用细胞内记录装置测量。
三、电紧张电位和电缆学说
1、神经细胞的电紧张电位:
(1)被动膜:
(2)电紧张电位:
(3)测量:
(4)结果:
2、电缆方程
*一小段神经纤维的等效电路:
*整个神经纤维的等效电路:
*可推得神经纤维的电缆方程为:
空间钳制,则电缆方程的解为:
(1)时间常数:
(2)空间常数:
一段时间后,电容充电完毕,则电缆方程的解为:
*与纤维半径的关系:
四、动作电位
1、动作电位的离子学说
(1)极化:
(2)除极(去极化):
(3)复极:
*动作电位:
(4)神经传导:
极化-除极-触发动作电位-复极
2、离子电流的测定
遵从欧姆定律。
(1)膜对某离子的电导:
(2)电压钳制实验装置:
*电压钳制实验示意图:
*电压钳制法的实验结果:
五、Hodgkin-Huxley理论
1、Hodgkin-Huxley方程
2、动作电位的传导
*动作电位特点:
动作电位传导的电路模型。
它可反映兴奋传导的规律。
(a)是Hodgkin-Huxley模型的计算结果;(b)是实验测得的传导性动作电位。
第三节电偶极子和心电向量原理
一、电偶极子及电偶极层的电场
1、电偶极子电势
(1)电偶极矩:
(2)电偶极子电势:
*电矩延长线上,U最大:
*电矩反向延长线,U最小:
*在电偶极子中垂线(或中垂面)上,电势U=0
2、电偶极层的电势
(1)概念:
(2)电势计算:
整个面积S的电偶层在M点的电势:
(3)容积导体概念:
二、心肌细胞的极化
1、静息时心肌细胞电场中的电位
2、正在除极时心肌细胞电场中的电位
3、正在复极时心肌细胞电场中的电位
4、心肌细胞的极化向量PC:
三、一块心肌的极化:
是所有心肌细胞极化的总和。
1、瞬时心电向量P:
P=PC
2、心电向量P在各处引起的电位分布:
3、一块心肌的除极与复极:
*心脏偶极子模型:
四、空间心电向量环与平面心电向量环
1、心肌分两类:
(1)是具收缩功能的普通心肌。
(2)是有产生和传递兴奋刺激功能的特殊心肌。
*兴奋传导系统:
2、去极化波的传播:
3、空间心电向量环:
*矢量方程:
*分类:
P环:
QRS环:
T环:
4、平面心电向量环
定义:
又叫向量心电图。
*参量方程:
*分类:
向量心电图:
平面P环:
额面P环,横面P环,侧面P环
平面QRS环:
额面QRS环,横面QRS环,侧面QRS环
平面T环:
额面T环,横面T环,侧面T环
五、心电导联
1、概念:
2、导联轴:
*正侧、负侧:
3、标量心电图导朕:
常用的是标准十二导联系统。
(1)标准导联I、Ⅱ、Ⅲ:
(2)加压导联:
*中心电端:
(3)胸导联:
(4)额面六轴系统:
*横面六轴系统:
六、心电图的形成原理与描记
1、心电图的形成原理:
(1)方法:
环体分割投影法。
(2)标准导联和加压导联:
(3)胸导联:
2、心电图的描记
红、黄、绿、白、黑分接在右臂、左臂、左腿、胸部、右腿。
第四节脑电和肌电原理
一、脑电图(EEG)
脑电图波形分四种。
二、脑电极的导联
1、电极的放置:
为常用的10-20电极系统。
*电极部位、名称、编号和代号:
2、导联方法:
(1)单极导联法:
(2)双极导联法:
三、肌电图(EMG)
1、运动单元:
2、肌电极:
(1)面电极:
(2)同轴针形电极:
3、不同程度用力收缩时的肌电图:
*电静息:
(1)单纯相:
(2)混合相