生物醫(yī)學信息檢測電極

1、2.4 電極（ Electrode）,電極用來導出人體電生理信號，即實現(xiàn)離子流電子流的轉(zhuǎn)換。 電極必須直接或間接地與人體接觸，使測量系統(tǒng)與人體間可能存在相互作用，影響測量的正確性和可靠性，造成誤差。 不同類型的電極特性也不盡相同。電極連到放大器時，電學特性（如阻抗等）要匹配。為此，必須對它們的物理、化學、電學特性及其對生物組織的可能影響有清楚了解，才能實現(xiàn)電生理信號的正確檢測。,1 電極電位,測量時要用一對電極，它們可能放置在體表或皮下。 電極總是要與各類電解質(zhì)溶液接觸，包括汗水，組織液，電極膏（ECG, EEG 電極專用的電極膏）或者生理鹽水等。 于是形成一個金屬電解質(zhì)溶液界面，在電極和電解

2、質(zhì)溶液界面之間便會存在電位差。,金屬-水界面,金屬中的電子會在整齊排列成晶格的金屬離子間運動。因此，把一片金屬（如Ag）浸入水中，發(fā)生水化作用，一部分金屬離子會進入水中，使金屬表面帶負電，溶液帶+電。（溶解過程） 由于相互吸引，+離子聚集于電極表面附近，甚至跑回金屬晶格中，并阻止更多的金屬+離子進入溶液。（沉淀過程） 最后達到動態(tài)平衡，并在表面形成一定的電位差。 M M+n + ne-,金屬-金屬鹽溶液界面,若金屬離子容易進入溶液，即溶解 沉淀，金屬表面電勢負一些； 若金屬離子不容易進入溶液，即沉淀 溶解，金屬表面可能帶+電。 同時，原來溶液中這種金屬離子的濃度對溶解過程起較大作用。 因此，金

3、屬材料和溶液中離子濃度決定界面上電位的大小。 雙電層結(jié)果會在金屬表面形成雙電層，表面附近是緊密層，之外為擴散層。厚度在幾 m內(nèi)。,電極定義,電極由金屬浸在含該金屬離子的溶液中所構(gòu)成的體系成為電極。 電極電位金屬與溶液間的界面上存在的電位差。 測量時，電極電位串接在輸入回路中，影響測量的可靠性。 國際上取氫的電極電位為0，即標準電極電位，其余金屬電極電位與它比較而確定。,電極的極化,電極接入測量電路并通電后，電極電位會偏離原來的平衡值，稱為電極的極化。 由于電極的極化，電路中形成額外的電位，稱為過電位： = E(i) E(0) E(0)-平衡時的電極電位 E(i)-電路中電流密度為i時的電極電位

4、 過電位是電解質(zhì)本身的電阻、離子濃度在通電后的變化等影響的疊加。電極材料、電解液、電流密度都對過電位有影響。 Ag-AgCl電極的過電位很小。,電極的去極化,電極上流過電流時，不僅發(fā)生極化作用使電位值偏離，同時電極上也存在相反過程，即去極化作用。 一般，電子運動速度 電極反應速度，極化 不極化。 若電流通過電極時，電極電位不變化，即極化去極化，這種電極稱為不極化電極。因Ag-AgCl電極的過電位很小，它是不極化電極。 由于電極電位是串接在測量電路中的，因此它的不穩(wěn)定會帶入明顯的測量誤差。所以要盡量使用不極化電極進行測量。,2 電極的特性,在低頻或者直流使用時的等效電路： E靜止電極電勢 R極化

5、電阻 Cd雙電層等效電容 要求小而穩(wěn)定的E，過大會導致放大器飽和；不穩(wěn)定會引入漂移和噪聲。 要求小的R，因此電極面積不能太小。否則，流過的直流會在R上產(chǎn)生過電位，并使熱噪聲增大。,電極的交流特性: 交流條件下，等效電路中應考慮進多種因素的影響，如電化學反應引起的等效阻抗，電解液的厚度引起的影響等。 因此，等效電路中要引入額外的電容和電阻，它們使得電極電解質(zhì)界面上的伏安特性為非線性的，使電極的特性與它檢測的信號的特性有直接關(guān)系，例如頻率特性、信號幅度等。,3 體表電極,基本要求：電極電勢穩(wěn)定，阻抗小，容易放置而不脫落，不易產(chǎn)生偽跡，可長期檢測，無毒性，對人體刺激小。 使用時要涂導電膏，因此界面的

6、等效電路更加復雜：,如何使用體表電極,除電極特性外，皮膚阻抗特性也要考慮進來。角質(zhì)層?。?0m）而且電阻率高（50100kcm-1) ，還會隨頻率變化。 若用砂紙打磨，去掉一些角質(zhì)層，Re會明顯減小。 若不用導電膏，Re能增大10倍，Ce會減小幾倍，使皮膚阻抗增大10倍以上。 若電極相對于電解質(zhì)慢運動（呼吸，體育運動等），會攪亂界面上的電荷分布，在測量信號中出現(xiàn)慢變的偽跡?？捎貌粯O化電極和砂紙打磨來減小偽跡。,常用體表電極,1）金屬板電極 臨床中常用銀鎳合金、鍍銀鋼板電極和Ag-AgCl電極，測量ECG； 不銹鋼、鉑、鍍銀的圓盤狀、長方形電極測量EMG，EEG。 2）柔性電極 為適應體表各種形

7、狀，用銀絲編織而成，貼在膠布上使用，特別適用于早產(chǎn)新生兒的ECG監(jiān)護。有的產(chǎn)品能允許透過X光。,3）浮式電極 用導電膏充填在電極與皮膚之間，使電極不直接與皮膚接觸，不易出現(xiàn)電極在皮膚上的相對運動；導電膏不失水，能長期保持穩(wěn)定。,4）干電極 導電膏的缺點是時間長了容易干，若鹽分過高會引起皮炎。干電極不用導電膏?？梢詫⒏咻斎胱杩狗糯笃鞣胖迷陔姌O內(nèi)。 5）絕緣電極 在金屬板上制作絕緣薄膜，用其電容進行交流耦合，拾取信號中的交變分量，不用導電膏。,6）一次性電極 目前很多醫(yī)院采用一次性電極記ECG。 右邊是一種用離子傳導性聚醚系粘膠劑代替導電膏的一次性體表電極。它粘著性能好，沒有鹽分析出，顯著減小基線

8、漂移和噪聲。,4 體內(nèi)電極,插入體內(nèi)，有細胞外液存在，不用導電膏，但要求材料的生物相容性好，安全。Ag-AgCl材料不適用，會與含蛋白質(zhì)的溶液發(fā)生反應。,AB-針電極：測量EMG，用不銹鋼制作。 C-絲電極：用注射針將它插到待測部位，慢慢抽出針管，使它能長期留在體內(nèi)。將倒鉤拉直后即可取出?？赡軙莆唬蹟嗟?。 D-螺線管電極：能克服絲電極的缺點.,5 微電極,用途：檢測單個細胞的電位，尺寸 0.0510m。 1）金屬微電極 在不銹鋼、鉑等金屬上噴涂聚氯乙稀等聚合物或玻璃層，裸露出金屬尖。 由于有金屬絕緣層電解質(zhì)界面存在，其等效電路中界面電容Cs較顯著，與后面的放大器構(gòu)成高通濾波器，影響系統(tǒng)的低

9、頻特性。 因此，金屬微電極主要用于高頻信號的檢測，或者做刺激器用。 為同時測量神經(jīng)纖維中多根神經(jīng)纖維的電位，發(fā)展了有10個測量點的多重微電極，用半導體工藝制作。,2）玻璃微電極 將毛細玻璃管熱拉后充填膏導電率溶液（如KCl），在內(nèi)腔中放置電極絲作引線。其尖端1m。 由于導電液的電阻很高，玻璃微電極的內(nèi)阻極高, 達50-100M甚至更高，對放大器要求很高，尤其輸入阻抗要大。 增大充填液濃度能減小電極阻抗，但是高濃度溶液會向周圍組織液擴散泄漏，產(chǎn)對測量結(jié)果產(chǎn)生不良影響。 玻璃電極與放大器構(gòu)成低通濾波器，高頻響應較差，所以主要用來檢測細胞電位。,3）膜片鉗技術(shù)（Path Clamp) 為減小阻抗又不

10、引起充填液泄漏而發(fā)明的微電極技術(shù),發(fā)明人Neher和Sakmann（1976-1981年）。 該技術(shù)能夠鉗住一小片膜，以記錄單個通道的離子電流。 因此,主要用來觀察細胞膜單個離子通道開、閉時的通道電流變化。 1991年，Neher和Sakmann的膜片鉗技術(shù)榮獲諾貝爾醫(yī)學/生理學獎。,Erwin Neher Federal Republic of Germany Max-Planck-Institut fr Biophysikalische Chemie, Goettingen, Federal Republic of Germany b. 1944,Bert Sakmann Federal

11、Republic of Germany Max-Planck-Institut fr medizinische Forschung, Heidelberg, Federal Republic of Germany b. 1942,玻璃電極經(jīng)熱拋光，有光滑的尖端, 與細胞面接觸后，對電極內(nèi)加負壓，使細胞膜與電極緊密封閉，封閉電阻達1G?？捎蒙睇}水充填，泄漏很小，噪聲降低一個量級。,膜片鉗技術(shù)能對單個離子通道在各種電位狀態(tài)下所產(chǎn)生電流的離子作出定性、定量的分析，是研究通道的直接測定方法，為研究離子通道結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系提供了新方法。,例如，用膜片鉗技術(shù)研究的結(jié)果說明：膜電導變化的實質(zhì)是膜上離子通道隨

12、機開放和關(guān)閉的總和效應,簡化后的玻璃微電極等效電路 Emp 細胞膜電位 Ej 液體-液體界面產(chǎn)生的電勢 Ea電極電位 Eb參考電極電位 Et尖端電位 Cd電極內(nèi)液與細胞內(nèi)外液間的分布電容，約幾十ppf Rt微電極的尖端電解質(zhì)電阻，很大，如用KCl灌注的玻璃微電極，其Rt=10-20M，其他等效電阻均可忽略,4)微電極放大器,問題：分布電容影響、電極引線的屏蔽、放大器輸入電容等，會使微電極的有效電容增大，它與電極阻抗Rt一起形成很大的時間常數(shù)，呈現(xiàn)一種低通濾波效果，使高端頻率特性變壞，快變的動作電位失真。 辦法：采用負電容補償技術(shù)來改善瞬態(tài)響應。用正反饋技術(shù)在輸入端構(gòu)成一個“負電容”，去中和輸入

13、電容，效果明顯?？赡軒淼男聠栴}是穩(wěn)定性下降，噪聲有所提高。 結(jié)果：由于電極電容的分布性質(zhì)和放大器的有限頻帶，難于將輸入電容減小到1pf以下，但瞬態(tài)響應能得到明顯改善，滿足大多數(shù)情況下的應用。,同相比例放大器。 R1，R2對輸出電壓分壓，形成電壓負反饋，以提高放大器的穩(wěn)定度，增加輸入阻抗和展寬通頻帶。 Cf將輸出電壓Vo反饋回到+輸入端，因此構(gòu)成電壓正反饋。,負電容中和的原理,Rs源內(nèi)阻，C電極和引線分布電容，A放大器電壓增益,Ui=電容Cf上的壓降和輸出電壓Uo之和，即 即 這樣，放大器輸入端可被看成一個電容，等效電容為 Cin = (1-A)Cf 通常，A1，因此Cin為負值。 這時，考慮了分布電容之后的放大器的總輸入電容為 Cin=C + (1-A)Cf 當Cf=C/(A-1)時，Cin=0，總輸入電容為0，放大器有理想的瞬態(tài)響應！,實際上，難于達到很理想的補償，因為電極電容的分布性質(zhì)以及放大器的頻帶是有限的，因此難于使輸入電容減小到1pf以下，但瞬態(tài)響應還是能得到重要的改善，能夠滿足大多數(shù)