第十二章--生物医用电极

第十二章生物医用电极第一节检测电极和刺激电极第二节极化现象及其对生物电检测和电刺激的影响第三节极化电极和不极化电极第四节电极的阻抗特性第五节检测电极和电刺激电极第六节微电极第一节检测电极和刺激电极一、检测电极由于生物体内的物理、化学变化使生物体各个部分的正负电荷分布不均匀，从而造成生物体内不同部位或细胞内外的电位不等。测定不同部位的电位，需用电极把这个部位的电位引导到电位测量仪器上进行测量，这种电极称为检测电极生物电位一般较难测准，这是因为生物电的信号弱、信号源的阻抗高以及生物体与电极间的界面现象复杂等因素造成的。二、刺激电极刺激电极是对生物体施加电流或电压所用的电极。检测电极是个敏感元件，是用来测定生物电位的，而刺激电极是个执行元件，它主要用于三个方面：①研究可兴奋组织的传导和反应的规律；②向生物体内通入外加电流以便达到治疗某种疾病的目的；③控制或替代生物体的某些功能，如临床上用的去颤器和心脏起搏器上所用的电极。有时同一个电极兼有检测和刺激的双重功能。心脏起搏器上的电极即属于此种电极。三、电极的分类根据电极的大小和工作时所处的位置可将电极分为宏电极和微电极，宏电极又分为体表电极和体内电极，体内电极又分为皮下电极和植入电极。宏电极微电极体表电极体内电极皮下电极植入电极长期植入体内的电极需具备如下的要求：①极化阻抗低，以减小刺激所需的能量；②对生物体无毒无害；③对生物组织相容性好。第二节极化现象及其对生物电检测和电刺激的影响一、极化现象电极电位是当没有电流通过电极／溶液界面时电极所具有的电位。此种电极电位也称为可逆电极电位或平衡电极电位。但在有电流通过电极／溶液界面时，电极电位便从平衡电极电位E(o)变为一个新的、与电流密度有关的电极电位E(i)。将电极在有电流通过时的电极电位E(i)与它没有电流通过时的千衡电极电位E(o)发生偏离的现象称为极化现象。定量描述极化现象则采用极化电压或叫超电压η表示：η=E(i)-E(o)在有一定电流通过电极时，电流将会受到各种阻力作用而造成超电压，产生超电压的主要原因有下列四种：(1)通过电极双电层的电荷转移。(2)反应物朝向电极的扩散和产物离开电极的扩散。(3)电极上的化学反应。(4)电阻极化。假定这些超电压相互独立，则总的超电压可写成：η=ηt+ηd+ηr+ηR式中：ηt＝电荷转移超电压；ηd＝扩散超电压；ηr＝反应超电压；ηR=欧姆超电压。(1)电荷转移超电压：(2)扩散超电压：在电解液中离子运输，可以通过浓度梯度产生的扩散过程，也可以通过电场作用下的电迁移过程进行。电解质溶液(被测对象)电极(至少两个)测量电路AgNO3Ag(3)反应超电压：反应超电压的机理与扩散超电压类似，但反应超电压产生的浓度改变的效应是由于化学反应而不是由于电极反应引起的。(4)电阻超电压：除上述几种超电压外，电解液的欧姆电阻、扩散层中的浓度梯度以及电极表面上表面膜也都会引起电位变化，将这些电位变化统称为电阻超电压。二、电极极化对生物电位的检测和电刺激的影响电刺激是要通过电极把有限电流送入生物体某组织器官，而测定生物电位，是要通过电极把待测部位的电位引导到检测系统加以测定。测定结果显示：电解池本身产生一种与外加电动势极性相反的电动势，即左正，右负。产生上述现象的原因是与电荷转换、扩散和化学反应超电压有关。当电化学系统处于平衡状态时，溶液中存在NaCl浓度的分布各处是均匀的。当外接电池电压加到电极上，在电极上有电流通过时，在阴极上发生电极反应为：在阳极上发生电极反应为：1、电极极化对电刺激的影响电刺激的目的是将电流通过电极送入生物体某个组织器官。但因电极极化而不能在指定电压下将所需电流送入生物体某个组织器官。电刺激过程是一种与电解有关的过程。电流是通过电极／导电溶液界面的电极反应将电子转换成离子传送到生物体内，然后电流经过组织器官到达另一个电极／导电溶液界面，在此界面上发生电极反应是将离子转换成电子而离开生物体进入电极。由于电极极化，阻碍电流进入生物体组织器官，因此电极极化对电刺激是个不利因素。在进行电刺激时应尽量设法减小电极极化。2、电极极化对电位检测的影响测定生物电位，是要通过电极把待测部位的电位引导到检测系统进行测定。由于测量电位的电极不是通过串联电容，而是直接耦合到放大器的前置放大器上，因而前置放大器的偏置电流和皮肤电反应的电压会使电极发生极化，产生超电压，这个超电压在前级放大器的输入端产生直流偏置电压，与被测的生物电位一起输到检测系统，因而使被测的生物电位失真。电极极化产生的超电压虽不恒定，但直流成分仍为其主要成分。为防止前级放大器饱和而引起失真，除正确设计耦合电容前的放大级的增益外，更重要的是需要努力降低电极极化产生的超电压。第三节极化电极和不极化电极一、极化电极在给电极施加电压，或通入电流时，在电极／电解溶液界面上无电荷通过，而有位移电流通过的电极，称为极化电极。惰性金属如Pt、Au、Ag等作成的各种电极非常接近于完全可极化电极的性能。因为这些金属作成的电极难被氧化和分解，所以在给这种电极施加电压时，在金属电极／溶液界面上形成双电层。其性能与电容器的性能相似，其极性与外加电压的极性相反。这个超电压随着外加电压的增加而增大，直到电极上发生电极反应为止。二、非极化电极不需要能量、电流能自动通过电极／电解质溶液界面的电极，称为非极化电极Ag／AgCl电极是由表面上镀有氯化银的银板或银丝放在含C1-离子溶液中所构成。在这个电极的表面上存在下列平衡反应：当给电极施加正电位(相对溶液)时反应向左方进行：当给电极施加负电位(相对溶液)时，反应向右方进行：因此Ag／AgCl电极在通入比较小的电流时非常接近非极化电极，但在通入较大的电流时也会产生浓差超电压和欧姆超电压。测定心电、脑电时流过电极的电流非常小，所以Ag／AgCl电极很适用于作为检测电极测定心电和脑电。AgCl对光敏感，尤其对红外光更敏感。通常Ag／AgCl电极应保存在暗处。Ag／AgC1材料对生物组织有害，故只能用于体外而不能用于体内。有两种常用的制作Ag／AgCl电极的方法：电解法和烧结法。1、电解法2、烧结法Ag／AgCl电极特点：Ag／AgCl电极不仅具有不易极化的性能，而且较相应的银电极还具有更小的电噪声第四节电极的阻抗特性电极阻抗本应仅指每一电极自身的阻抗，不包括两个电极之间生物组织的阻抗，但因这两部分阻抗的作用和影响很难区分，因而电极阻抗常泛指电极加于生物体时各种阻抗的总和。电极阻抗不仅与金属／电解质溶液的接界、电极膏的成分以及皮肤和组织的特性有关，而且也与温度、频率、电流密度、接触面积以及电极与皮肤或组织的接触时间等因素有关。为此，常对电极阻抗按正弦小信号、正弦大信号和脉冲大信号等三种情况来分析和实测，以便找到改进电极工作质量的途径。一、正弦小信号时电极的极化阻抗检测心电、脑电时，检测电极是在电流密度很小的条件下进行工作。当电流除受到电荷转移过程的阻力外，还受到扩散过程的阻力作用时当频率很高时，Rs和增量电容CH决定着电极极化阻抗，当频率很低时，扩散引起的阻抗变得很大，而且它在总电极阻抗中占有很大部分，于是等效电路可简化成测定电极极化阻抗的线路二、正弦大信号时电极的极化阻抗金属电极在与电解质溶液接触时，电极将建立起相应的电极电位。若再通入交变电流，则将有一交变电位叠加在原来不变的电极电位上。测量电压畸变和整流效应的装置Ag/AgCl电极三、脉冲大信号时电极的极化阻抗对生物体进行电刺激的电极，常需在毫安数量级的脉冲大信号状态下工作。脉冲大信号等效电路的电阻和电容值，与测量时所加信号的脉宽和幅度等有关，其时间响应曲线也较大地偏离指数形式。故对各种电极的性能，常在模拟实用条件的情况下，用示波器进行研究。电极在脉冲大信号作用下，通过电极的电流与其电极电压之间存在波形畸变，而且同种电极用作阳极或用作阴极，产生的畸变亦不相同。电位波形顶部不同是由于单向电流产生极化作用引起的。同时也看到，阳极电位波形较阴极电位波形更快地趋于稳定。这说明阴极的超电压比阳极超电压大，因而在阴极极化阻抗上损失的电压较在阳极上的大。电极电位曲线呈指数下降部分，是表示通电时在双电层电容内所储存的电荷通过漏泄电阻在放电。采用周期为1s，脉宽为1ms，幅度为1mA的方波脉冲对几种不同材料和形状的电极进行测试。第三节检测电极和电刺激电极一、检测电极及测定生物电时的干扰1、电极—皮肤界面和运动伪差（1）电极—皮肤界面（2）运动伪差当一个可极化电极与电解质溶液接触时，在界面上便形成双电层。如果电极相对于电解质溶液运动，则会搅乱界面处的电荷分布，使半电池电势产生瞬间变化，直到重新建立平衡状态为止。在电解质溶液中放入一对电极，一个电极运动，而另一个电极保持静止不动，在运动期间，在两个电极之间便会产生电位差，这种由运动产生的电位差称为运动伪差。它可能成为在测量生物电位时造成干扰的一个重要原因。当检测电极与皮肤接触时，电极与电解质溶液界面并不是运动伪差的唯一来源。除半电池电势外，还有导电膏—皮肤电位Ese，如果它随着电极运动而变化，也会产生运动伪差。减小这种干扰的方法：1、尽量保持放置电极的局部皮肤不变形，使电极／导电膏／皮肤接界稳定；2、对皮肤进行充分打磨，以减小皮肤阻抗中的表皮阻抗部分。另外，当电极用于长时间的记录时，要注意角质层在24小时之内便可再生一次，因而又会产生运动伪差。2、工频干扰1）分类工频干扰有差模干扰和共模干扰两种。差模干扰：干扰电压使检测仪器的一个输入端的电位相对于另一个输入端发生变化，因而干扰电压与检测信号电压混合而影响输出，这种干扰称为差模干扰。共模干扰：干扰电压使检测仪器的两个输入端的电位变化同相、等量，这种干扰称为共模干扰。若我们使用的差分放大器两个输入端完全对称，则在输入端短路或加共模干扰时，其输出为零，无干扰。若两个输入端不完全对称，则即使是共模干扰也会变成差模干扰而影响输出。2）工频干扰来源(1)经电极导线进入人体的干扰；位移电流ID1和ID2，经市电电源与电极导线间的杂散电容Cl和C2进入电极导线。差分放大器的对地共模输入阻抗Zin和差模输入阻抗ZD都远大于电极阻抗Z1、Z2和Zg，所以流入放大器的输入端的位移电流可忽略，因而位移电流则是通过Z1、Z2和Zg到地。这时在放大器的AB两端的电压VAB为。(2)直接进入人体的干扰：当仪器电源线靠近受试者左侧很近，并有位移电流ID流经两个检测点1和2之间的人体阻抗Zi时，ID将通过Zi和Zg到地构成回路，因而造成电压为IDZi的差模干扰。为减小这种干扰，可移开工频干扰源，或寻找参比电极合适的放置位置。(3)分压效应所形成的干扰：IDZg在放大器的A和B端输入电压分别为VA和VB由于放大器的输入阻抗很高，而且Zin远大于Zl和Z2，故将上二式相减并化简便可得到由共模干扰IDZg转变成差模干扰的电压VAB：3、检测电极(1)金属板电极：金属板电极是一种最常用的检测生物电位的电极形式。在检测生物电位时，在电极和皮肤之间放有导电膏以保持其良好的接触。(2)吸附电极；这种电极由于接触面对皮肤的吸力和压力对皮肤产生很大刺激，所以不能长时间使用。另外，这种电极实际接触面积比较小，电极阻抗较大，所以在将吸附电极和输入阻抗较低的放大器一起使用时，会使心电图产生较大的失真。(3)浮式电极：这种电极主要特点是金属圆盘电极和导电膏都放在绝缘壳的空腔内，电极被导电膏包围，不直接与皮肤接触。因为金属圆盘对空腔不作相对运动，所以不会因机械运动改变双电层电荷的分布。(4)干电极：二、刺激电极如心脏起搏器借助适当的电刺激来维持心肌的跳动；除颤器通过对纤维性颤动杂乱兴奋的心肌细胞给予瞬时高能量的电刺激，强使心肌兴奋相位变为一致；对中枢性麻痹患者，给他的骨骼肌或运动神经施加一种与中枢神经传送来的信号相当的电刺激，以恢复肢体运动的功能；对呼吸麻痹患者，电刺激膈肌，使膈肌运动维持呼吸；对尿路体系肌群麻痹而失去排尿功能的患者，也可采用电刺激方法治疗。电刺激治疗都是通过电极将电源的刺激电流送到生物体可兴奋的组织中，因此可以把刺激电极视为生物体可兴奋