生物醫(yī)用電極PPT課件

1、 第一節(jié)第一節(jié) 檢測(cè)電極和刺激電極檢測(cè)電極和刺激電極一、檢測(cè)電極 由于生物體內(nèi)的物理、化學(xué)變化使生物體各個(gè)部分的正負(fù)電荷分布不均勻，從而造成生物體內(nèi)不同部位或細(xì)胞內(nèi)外的電位不等。測(cè)定不同部位的電位，需用電極把這個(gè)部位的電位引導(dǎo)到電位測(cè)量?jī)x器上進(jìn)行測(cè)量，這種電極稱為檢測(cè)電極 生物電位一般較難測(cè)準(zhǔn)，這是因?yàn)樯镫姷男盘?hào)弱、信號(hào)源的阻抗高以及生物體與電極間的界面現(xiàn)象復(fù)雜等因素造成的。第1頁(yè)/共72頁(yè)二、刺激電極 刺激電極是對(duì)生物體施加電流或電壓所用的電極。 檢測(cè)電極是個(gè)敏感元件，是用來(lái)測(cè)定生物電位的，而刺激電極是個(gè)執(zhí)行元件，它主要用于三個(gè)方面： 研究可興奮組織的傳導(dǎo)和反應(yīng)的規(guī)律； 向生物體內(nèi)通入外加

2、電流以便達(dá)到治療某種疾病的目的； 控制或替代生物體的某些功能，如臨床上用的去顫器和心臟起搏器上所用的電極。 有時(shí)同一個(gè)電極兼有檢測(cè)和刺激的雙重功能。心臟起搏器上的電極即屬于此種電極。第2頁(yè)/共72頁(yè)三、電極的分類 根據(jù)電極的大小和工作時(shí)所處的位置可將電極分為宏電極和微電極，宏電極又分為體表電極和體內(nèi)電極，體內(nèi)電極又分為皮下電極和植入電極。宏電極微電極體表電極體內(nèi)電極皮下電極植入電極 長(zhǎng)期植入體內(nèi)的電極需具備如下的要求：極化阻抗低，以減小刺激所需的能量；對(duì)生物體無(wú)毒無(wú)害；對(duì)生物組織相容性好。第3頁(yè)/共72頁(yè) 第二節(jié)第二節(jié) 極化現(xiàn)象極化現(xiàn)象及其對(duì)生物電檢測(cè)和電刺激的影響及其對(duì)生物電檢測(cè)和電刺激的影

3、響一、極化現(xiàn)象 電極電位是當(dāng)沒有電流通過電極溶液界面時(shí)電極所具有的電位。此種電極電位也稱為可逆電極電位或平衡電極電位。但在有電流通過電極溶液界面時(shí)，電極電位便從平衡電極電位E(o)變?yōu)橐粋€(gè)新的、與電流密度有關(guān)的電極電位E(i)。將電極在有電流通過時(shí)的電極電位E(i)與它沒有電流通過時(shí)的千衡電極電位E(o)發(fā)生偏離的現(xiàn)象稱為極化現(xiàn)象。 定量描述極化現(xiàn)象則采用極化電壓或叫超電壓表示： = E(i)- E(o)第4頁(yè)/共72頁(yè) 在有一定電流通過電極時(shí)，電流將會(huì)受到各種阻力作用而造成超電壓， 產(chǎn)生超電壓的主要原因有下列四種： (1)通過電極雙電層的電荷轉(zhuǎn)移。 (2)反應(yīng)物朝向電極的擴(kuò)散和產(chǎn)物離開電極的

4、擴(kuò)散。 (3)電極上的化學(xué)反應(yīng)。 (4)電阻極化。 假定這些超電壓相互獨(dú)立，則總的超電壓可寫成： = t+ d+ r+ R式中：t 電荷轉(zhuǎn)移超電壓； d 擴(kuò)散超電壓； r反應(yīng)超電壓； R =歐姆超電壓。第5頁(yè)/共72頁(yè) (1)電荷轉(zhuǎn)移超電壓：第6頁(yè)/共72頁(yè) (2)擴(kuò)散超電壓： 在電解液中離子運(yùn)輸，可以通過濃度梯度產(chǎn)生的擴(kuò)散過程，也可以通過電場(chǎng)作用下的電遷移過程進(jìn)行。電解質(zhì)溶液(被測(cè)對(duì)象)電極(至少兩個(gè))測(cè)量電路AgNO3Ag第7頁(yè)/共72頁(yè) (3)反應(yīng)超電壓：反應(yīng)超電壓的機(jī)理與擴(kuò)散超電壓類似，但反應(yīng)超電壓產(chǎn)生的濃度改變的效應(yīng)是由于化學(xué)反應(yīng)而不是由于電極反應(yīng)引起的。 (4)電阻超電壓：除上述幾

5、種超電壓外，電解液的歐姆電阻、擴(kuò)散層中的濃度梯度以 及電極表面上表面膜也都會(huì)引起電位變化，將這些電位變化統(tǒng)稱為電阻超電壓。第8頁(yè)/共72頁(yè) 二、電極極化對(duì)生物電位的檢測(cè)和電刺激的影響 電刺激是要通過電極把有限電流送入生物體某組織器官，而測(cè)定生物電位，是要通過電極把待測(cè)部位的電位引導(dǎo)到檢測(cè)系統(tǒng)加以測(cè)定。第9頁(yè)/共72頁(yè) 測(cè)定結(jié)果顯示：電解池本身產(chǎn)生一種與外加電動(dòng)勢(shì)極性相反的電動(dòng)勢(shì)，即左正，右負(fù)。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是與電荷轉(zhuǎn)換、擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)超電壓有關(guān)。 當(dāng)電化學(xué)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，溶液中存在NaCl濃度的分布各處是均勻的。當(dāng)外接電池電壓加到電極上，在電極上有電流通過時(shí)，在陰極上發(fā)生電極反應(yīng)為：在

6、陽(yáng)極上發(fā)生電極反應(yīng)為：第10頁(yè)/共72頁(yè) 1、電極極化對(duì)電刺激的影響 電刺激的目的是將電流通過電極送入生物體某個(gè)組織器官。但因電極極化而不能在指定電壓下將所需電流送入生物體某個(gè)組織器官。電刺激過程是一種與電解有關(guān)的過程。 電流是通過電極導(dǎo)電溶液界面的電極反應(yīng)將電子轉(zhuǎn)換成離子傳送到生物體內(nèi)，然后電流經(jīng)過組織器官到達(dá)另一個(gè)電極導(dǎo)電溶液界面，在此界面上發(fā)生電極反應(yīng)是將離子轉(zhuǎn)換成電子而離開生物體進(jìn)入電極。由于電極極化，阻礙電流進(jìn)入生物體組織器官，因此電極極化對(duì)電刺激是個(gè)不利因素。在進(jìn)行電刺激時(shí)應(yīng)盡量設(shè)法減小電極極化。第11頁(yè)/共72頁(yè)2、電極極化對(duì)電位檢測(cè)的影響 測(cè)定生物電位，是要通過電極把待測(cè)部位的

7、電位引導(dǎo)到檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定。由于測(cè)量電位的電極不是通過串聯(lián)電容，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電流和皮膚電反應(yīng)的電壓會(huì)使電極發(fā)生極化，產(chǎn)生超電壓，這個(gè)超電壓在前級(jí)放大器的輸入端產(chǎn)生直流偏置電壓，與被測(cè)的生物電位一起輸?shù)綑z測(cè)系統(tǒng)，因而使被測(cè)的生物電位失真。 電極極化產(chǎn)生的超電壓雖不恒定，但直流成分仍為其主要成分。為防止前級(jí)放大器飽和而引起失真，除正確設(shè)計(jì)耦合電容前的放大級(jí)的增益外，更重要的是需要努力降低電極極化產(chǎn)生的超電壓。第12頁(yè)/共72頁(yè)第三節(jié)第三節(jié) 極化電極和不極化電極 一、極化電極 在給電極施加電壓，或通入電流時(shí)，在電極電解溶液界面上無(wú)電荷通過，而有位移電流通過

8、的電極，稱為極化電極。 惰性金屬如Pt、Au、Ag等作成的各種電極非常接近于完全可極化電極的性能。因?yàn)檫@些金屬作成的電極難被氧化和分解，所以在給這種電極施加電壓時(shí)，在金屬電極溶液界面上形成雙電層。其性能與電容器的性能相似，其極性與外加電壓的極性相反。這個(gè)超電壓隨著外加電壓的增加而增大，直到電極上發(fā)生電極反應(yīng)為止。第13頁(yè)/共72頁(yè) 二、非極化電極 不需要能量、電流能自動(dòng)通過電極電解質(zhì)溶液界面的電極，稱為非極化電極 AgAgCl電極是由表面上鍍有氯化銀的銀板或銀絲放在含C1-離子溶液中所構(gòu)成。 在這個(gè)電極的表面上存在下列平衡反應(yīng)： 當(dāng)給電極施加正電位(相對(duì)溶液)時(shí)反應(yīng)向左方進(jìn)行： 當(dāng)給電極施加負(fù)

9、電位(相對(duì)溶液)時(shí)，反應(yīng)向右方進(jìn)行：第14頁(yè)/共72頁(yè) 因此AgAgCl電極在通入比較小的電流時(shí)非常接近非極化電極，但在通入較大的電流時(shí)也會(huì)產(chǎn)生濃差超電壓和歐姆超電壓。 測(cè)定心電、腦電時(shí)流過電極的電流非常小，所以AgAgCl電極很適用于作為檢測(cè)電極測(cè)定心電和腦電。 AgCl對(duì)光敏感，尤其對(duì)紅外光更敏感。通常AgAgCl電極應(yīng)保存在暗處。Ag Ag C1材料對(duì)生物組織有害，故只能用于體外而不能用于體內(nèi)。 有兩種常用的制作AgAgCl電極的方法：電解法和燒結(jié)法。第15頁(yè)/共72頁(yè)1、電解法第16頁(yè)/共72頁(yè)2、燒結(jié)法第17頁(yè)/共72頁(yè)AgAgCl電極特點(diǎn)： AgAgCl電極不僅具有不易極化的性能，

10、而且較相應(yīng)的銀電極還具有更小的電噪聲第18頁(yè)/共72頁(yè) 第四節(jié) 電極的阻抗特性 電極阻抗本應(yīng)僅指每一電極自身的阻抗，不包括兩個(gè)電極之間生物組織的阻抗，但因這兩部分阻抗的作用和影響很難區(qū)分，因而電極阻抗常泛指電極加于生物體時(shí)各種阻抗的總和。 電極阻抗不僅與金屬電解質(zhì)溶液的接界、電極膏的成分以及皮膚和組織的特性有關(guān)，而且也與溫度、頻率、電流密度、接觸面積以及電極與皮膚或組織的接觸時(shí)間等因素有關(guān)。 為此，常對(duì)電極阻抗按正弦小信號(hào)、正弦大信號(hào)和脈沖大信號(hào)等三種情況來(lái)分析和實(shí)測(cè)，以便找到改進(jìn)電極工作質(zhì)量的途徑。第19頁(yè)/共72頁(yè) 一、正弦小信號(hào)時(shí)電極的極化阻抗 檢測(cè)心電、腦電時(shí)，檢測(cè)電極是在電流密度很小

11、的條件下進(jìn)行工作。 當(dāng)電流除受到電荷轉(zhuǎn)移過程的阻力外，還受到擴(kuò)散過程的阻力作用時(shí)第20頁(yè)/共72頁(yè) 當(dāng)頻率很高時(shí)，Rs和增量電容CH決定著電極極化阻抗， 當(dāng)頻率很低時(shí)，擴(kuò)散引起的阻抗變得很大，而且它在總電極阻抗中占有很大部分，于是等效電路可簡(jiǎn)化成第21頁(yè)/共72頁(yè)測(cè)定電極極化阻抗的線路第22頁(yè)/共72頁(yè)第23頁(yè)/共72頁(yè) 二、正弦大信號(hào)時(shí)電極的極化阻抗 金屬電極在與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)，電極將建立起相應(yīng)的電極電位。若再通入交變電流，則將有一交變電位疊加在原來(lái)不變的電極電位上。第24頁(yè)/共72頁(yè)第25頁(yè)/共72頁(yè)第26頁(yè)/共72頁(yè)第27頁(yè)/共72頁(yè)測(cè)量電壓畸變和整流效應(yīng)的裝置第28頁(yè)/共72頁(yè)第29

12、頁(yè)/共72頁(yè)第30頁(yè)/共72頁(yè)Ag/AgCl電極第31頁(yè)/共72頁(yè)第32頁(yè)/共72頁(yè) 三、脈沖大信號(hào)時(shí)電極的極化阻抗 對(duì)生物體進(jìn)行電刺激的電極，常需在毫安數(shù)量級(jí)的脈沖大信號(hào)狀態(tài)下工作。脈沖大信號(hào)等效電路的電阻和電容值，與測(cè)量時(shí)所加信號(hào)的脈寬和幅度等有關(guān)，其時(shí)間響應(yīng)曲線也較大地偏離指數(shù)形式。故對(duì)各種電極的性能，常在模擬實(shí)用條件的情況下，用示波器進(jìn)行研究。 電極在脈沖大信號(hào)作用下，通過電極的電流與其電極電壓之間存在波形畸變，而且同種電極用作陽(yáng)極或用作陰極，產(chǎn)生的畸變亦不相同。第33頁(yè)/共72頁(yè) 電位波形頂部不同是由于單向電流產(chǎn)生極化作用引起的。同時(shí)也看到，陽(yáng)極電位波形較陰極電位波形更快地趨于穩(wěn)定。

13、這說明陰極的超電壓比陽(yáng)極超電壓大，因而在陰極極化阻抗上損失的電壓較在陽(yáng)極上的大。電極電位曲線呈指數(shù)下降部分，是表示通電時(shí)在雙電層電容內(nèi)所儲(chǔ)存的電荷通過漏泄電阻在放電。第34頁(yè)/共72頁(yè) 采用周期為1s，脈寬為1ms，幅度為1mA的方波脈沖對(duì)幾種不同材料和形狀的電極進(jìn)行測(cè)試。第35頁(yè)/共72頁(yè)第36頁(yè)/共72頁(yè)第三節(jié)第三節(jié) 檢測(cè)電極和電刺激電極檢測(cè)電極和電刺激電極 一、檢測(cè)電極及測(cè)定生物電時(shí)的干擾 1、電極皮膚界面和運(yùn)動(dòng)偽差 （1）電極皮膚界面第37頁(yè)/共72頁(yè)第38頁(yè)/共72頁(yè)（2）運(yùn)動(dòng)偽差 當(dāng)一個(gè)可極化電極與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)，在界面上便形成雙電層。如果電極相對(duì)于電解質(zhì)溶液運(yùn)動(dòng)，則會(huì)攪亂界面處

14、的電荷分布，使半電池電勢(shì)產(chǎn)生瞬間變化，直到重新建立平衡狀態(tài)為止。 在電解質(zhì)溶液中放入一對(duì)電極，一個(gè)電極運(yùn)動(dòng)，而另一個(gè)電極保持靜止不動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)期間，在兩個(gè)電極之間便會(huì)產(chǎn)生電位差，這種由運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電位差稱為運(yùn)動(dòng)偽差。 它可能成為在測(cè)量生物電位時(shí)造成干擾的一個(gè)重要原因。第39頁(yè)/共72頁(yè) 當(dāng)檢測(cè)電極與皮膚接觸時(shí)，電極與電解質(zhì)溶液界面并不是運(yùn)動(dòng)偽差的唯一來(lái)源。除半電池電勢(shì)外，還有導(dǎo)電膏皮膚電位Ese，如果它隨著電極運(yùn)動(dòng)而變化，也會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽差。 減小這種干擾的方法： 1、盡量保持放置電極的局部皮膚不變形，使電極導(dǎo)電膏皮膚接界穩(wěn)定； 2、對(duì)皮膚進(jìn)行充分打磨，以減小皮膚阻抗中的表皮阻抗部分。 另外，當(dāng)電極

15、用于長(zhǎng)時(shí)間的記錄時(shí)，要注意角質(zhì)層在24小時(shí)之內(nèi)便可再生一次，因而又會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽差。第40頁(yè)/共72頁(yè)2、工頻干擾 1）分類 工頻干擾有差模干擾和共模干擾兩種。 差模干擾：干擾電壓使檢測(cè)儀器的一個(gè)輸入端的電位相對(duì)于另一個(gè)輸入端發(fā)生變化，因而干擾電壓與檢測(cè)信號(hào)電壓混合而影響輸出，這種干擾稱為差模干擾。 共模干擾：干擾電壓使檢測(cè)儀器的兩個(gè)輸入端的電位變化同相、等量，這種干擾稱為共模干擾。 若我們使用的差分放大器兩個(gè)輸入端完全對(duì)稱，則在輸入端短路或加共模干擾時(shí)，其輸出為零，無(wú)干擾。若兩個(gè)輸入端不完全對(duì)稱，則即使是共模干擾也會(huì)變成差模干擾而影響輸出。第41頁(yè)/共72頁(yè) 2）工頻干擾來(lái)源 (1)經(jīng)電極導(dǎo)線

16、進(jìn)入人體的干擾；位移電流ID1和ID2 ，經(jīng)市電電源與電極導(dǎo)線間的雜散電容Cl和C2進(jìn)入電極導(dǎo)線。差分放大器的對(duì)地共模輸入阻抗Zin和差模輸入阻抗ZD都遠(yuǎn)大于電極阻抗Z1、Z2和Zg，所以流入放大器的輸入端的位移電流可忽略，因而位移電流則是通過Z1、Z2和Zg到地。這時(shí)在放大器的AB兩端的電壓VAB為。第42頁(yè)/共72頁(yè) (2)直接進(jìn)入人體的干擾： 當(dāng)儀器電源線靠近受試者左側(cè)很近，并有位移電流ID流經(jīng)兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)1和2之間的人體阻抗Zi時(shí)， ID將通過Zi和Zg到地構(gòu)成回路，因而造成電壓為ID Zi 的差模干擾。 為減小這種干擾，可移開工頻干擾源，或?qū)ふ覅⒈入姌O合適的放置位置。第43頁(yè)/共72頁(yè)

17、 (3)分壓效應(yīng)所形成的干擾： ID Zg在放大器的A和B端輸入電壓分別為VA和VB 由于放大器的輸入阻抗很高，而且Zin遠(yuǎn)大于Zl和Z2，故將上二式相減并化簡(jiǎn)便可得到由 共模干擾IDZg轉(zhuǎn)變成差模干擾的電壓VAB：第44頁(yè)/共72頁(yè)3、檢測(cè)電極 (1)金屬板電極：金屬板電極是一種最常用的檢測(cè)生物電位的電極形式。在檢測(cè)生物電位時(shí)，在電極和皮膚之間放有導(dǎo)電膏以保持其良好的接觸。第45頁(yè)/共72頁(yè) (2)吸附電極； 這種電極由于接觸面對(duì)皮膚的吸力和壓力對(duì)皮膚產(chǎn)生很大刺激，所以不能長(zhǎng)時(shí)間使用。另外，這種電極實(shí)際接觸面積比較小，電極阻抗較大，所以在將吸附電極和輸入阻抗較低的放大器一起使用時(shí)，會(huì)使心電圖

18、產(chǎn)生較大的失真。第46頁(yè)/共72頁(yè)(3)浮式電極： 這種電極主要特點(diǎn)是金屬圓盤電極和導(dǎo)電膏都放在絕緣殼的空腔內(nèi)，電極被導(dǎo)電膏包圍，不直接與皮膚接觸。因?yàn)榻饘賵A盤對(duì)空腔不作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以不會(huì)因機(jī)械運(yùn)動(dòng) 改變雙電層電荷的分布。第47頁(yè)/共72頁(yè)第48頁(yè)/共72頁(yè) (4)干電極：第49頁(yè)/共72頁(yè)第50頁(yè)/共72頁(yè) 二、刺激電極 如心臟起搏器借助適當(dāng)?shù)碾姶碳?lái)維持心肌 的跳動(dòng)；除顫器通過對(duì)纖維性顫動(dòng)雜亂興奮的心肌細(xì)胞給予瞬時(shí)高能量的電刺激，強(qiáng)使心 肌興奮相位變?yōu)橐恢拢粚?duì)中樞性麻痹患者，給他的骨骼肌或運(yùn)動(dòng)神經(jīng)施加一種與中樞神經(jīng)傳送來(lái)的信號(hào)相當(dāng)?shù)碾姶碳ぃ曰謴?fù)肢體運(yùn)動(dòng)的功能；對(duì)呼吸麻痹患者，電刺激膈肌，

19、使膈肌運(yùn)動(dòng)維持呼吸；對(duì)尿路體系肌群麻痹而失去排尿功能的患者，也可采用電刺激方法治療。第51頁(yè)/共72頁(yè) 電刺激治療都是通過電極將電源的刺激電流送到生物體可興奮的組織中，因此可以把刺激電極視為生物體可興奮的組織和刺激電源之間的轉(zhuǎn)換接口。 刺激電極和檢測(cè)電極在設(shè)計(jì)方法上是相同的，它們之間的區(qū)別在于刺激電極的電極電解質(zhì)溶液界面上通過的電流較大，是毫安級(jí)的電流。第52頁(yè)/共72頁(yè) 1、興奮組織的電流基強(qiáng)度和時(shí)值 要想引起可興奮組織興奮，必須有足夠的刺激電流強(qiáng)度和刺激持續(xù)時(shí)間。使可興奮組織興奮，刺激電流(I)越大，所需脈沖的寬度(t)越小。第53頁(yè)/共72頁(yè)tbaI 當(dāng)t時(shí)，Ia。 a稱為電流基強(qiáng)度，電

20、流基強(qiáng)度是引起組織興奮的電流強(qiáng)度的閾值。 當(dāng)矩形脈沖幅度為電流基強(qiáng)度二倍時(shí)，引起可興奮組織興奮所需脈沖寬度稱為時(shí)值，以tc表示， tc ab。 當(dāng)脈沖寬度選為tc時(shí)，產(chǎn)生興奮所需能量最小。為得到有效的刺激，通常采用電流強(qiáng)度為2a，脈沖寬度略大于tc第54頁(yè)/共72頁(yè) 2、刺激電極的供電極性和波形極化狀態(tài)去極化狀態(tài)第55頁(yè)/共72頁(yè) 當(dāng)用直流電刺激細(xì)胞時(shí)，在陽(yáng)極處，電流通過細(xì)胞膜進(jìn)入膜內(nèi)，在細(xì)胞膜產(chǎn)生電位降，導(dǎo)致膜內(nèi)負(fù)膜外正，增大了靜息電位，使膜發(fā)生了超極化，因而使組織更難興奮。在陰極處，電流從膜內(nèi)流出，在細(xì)胞膜上產(chǎn)生電壓降，而這個(gè)電位降與靜息電位符號(hào)相反，使膜電 位減小，發(fā)生膜的去極化。如果這時(shí)刺激電流達(dá)到閾值，則會(huì)使陰極下的組織興奮。因此，當(dāng)刺激電流達(dá)到鬧值時(shí)，引起興奮的組織是陰極下的組織。第56頁(yè)/共72頁(yè)3、檢測(cè)與刺激共用電極第57頁(yè)/共72頁(yè)第58頁(yè)/共72頁(yè)第六節(jié) 微電極一、金屬微電極和玻璃微電極的結(jié)構(gòu) 微電極根據(jù)制作材料的不同分為金屬微電極和玻璃微電極兩大類。第59頁(yè)/共72頁(yè)第60頁(yè)/共72頁(yè)二、微電極的等效電路 第61頁(yè)/共72頁(yè)第62頁(yè)/共72頁(yè)第63頁(yè)/共72頁(yè)第64頁(yè)/共72頁(yè) 有兩種和玻璃微電極尖端有關(guān)的電位： 一種是玻璃管尖中的電解質(zhì)溶液與細(xì)胞內(nèi)液之間形成的液接電位Ej；