生物醫(yī)學(xué)信息檢測(cè)電極

2.4電極（

Electrode）電極用來導(dǎo)出人體電生理信號(hào)，即實(shí)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(cè)量系統(tǒng)與人體間可能存在相互作用，影響測(cè)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(shí)，電學(xué)特性（如阻抗等）要匹配。為此，必須對(duì)它們的物理、化學(xué)、電學(xué)特性及其對(duì)生物組織的可能影響有清楚了解，才能實(shí)現(xiàn)電生理信號(hào)的正確檢測(cè)。1電極電位測(cè)量時(shí)要用一對(duì)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(gè)金屬—電解質(zhì)溶液界面，在電極和電解質(zhì)溶液界面之間便會(huì)存在電位差。金屬-水界面金屬中的電子會(huì)在整齊排列成晶格的金屬離子間運(yùn)動(dòng)。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(huì)進(jìn)入水中，使金屬表面帶負(fù)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(jìn)入溶液。（沉淀過程）最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，并在表面形成一定的電位差。MM+n+ne-金屬-金屬鹽溶液界面添加標(biāo)題若金屬離子容易進(jìn)入溶液，即溶解>沉淀，金屬表面電勢(shì)負(fù)一些；添加標(biāo)題若金屬離子不容易進(jìn)入溶液，即沉淀>溶解，金屬表面可能帶+電。添加標(biāo)題同時(shí)，原來溶液中這種金屬離子的濃度對(duì)溶解過程起較大作用。添加標(biāo)題因此，金屬材料和溶液中離子濃度決定界面上電位的大小。添加標(biāo)題雙電層—結(jié)果會(huì)在金屬表面形成雙電層，表面附近是緊密層，之外為擴(kuò)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。添加標(biāo)題電極電位—金屬與溶液間的界面上存在的電位差。添加標(biāo)題測(cè)量時(shí)，電極電位串接在輸入回路中，影響測(cè)量的可靠性。添加標(biāo)題國(guó)際上取氫的電極電位為0，即標(biāo)準(zhǔn)電極電位，其余金屬電極電位與它比較而確定。添加標(biāo)題

電極的極化電極接入測(cè)量電路并通電后，電極電位會(huì)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(shí)的電極電位E(i)-電路中電流密度為i時(shí)的電極電位過電位是電解質(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(duì)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(shí)，不僅發(fā)生極化作用使電位值偏離，同時(shí)電極上也存在相反過程，即去極化作用。一般，電子運(yùn)動(dòng)速度>電極反應(yīng)速度，極化>不極化。若電流通過電極時(shí)，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(cè)量電路中的，因此它的不穩(wěn)定會(huì)帶入明顯的測(cè)量誤差。所以要盡量使用不極化電極進(jìn)行測(cè)量。2電極的特性在低頻或者直流使用時(shí)的等效電路：E—靜止電極電勢(shì)R—極化電阻Cd—雙電層等效電容單擊此處添加小標(biāo)題要求小而穩(wěn)定的E，過大會(huì)導(dǎo)致放大器飽和；不穩(wěn)定會(huì)引入漂移和噪聲。單擊此處添加小標(biāo)題要求小的R，因此電極面積不能太小。否則，流過的直流會(huì)在R上產(chǎn)生過電位，并使熱噪聲增大。單擊此處添加小標(biāo)題電極的交流特性:交流條件下，等效電路中應(yīng)考慮進(jìn)多種因素的影響，如電化學(xué)反應(yīng)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(cè)的信號(hào)的特性有直接關(guān)系，例如頻率特性、信號(hào)幅度等。3體表電極基本要求：電極電勢(shì)穩(wěn)定，阻抗小，容易放置而不脫落，不易產(chǎn)生偽跡，可長(zhǎng)期檢測(cè)，無毒性，對(duì)人體刺激小。使用時(shí)要涂導(dǎo)電膏，因此界面的等效電路更加復(fù)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(jìn)來。角質(zhì)層薄（40m）而且電阻率高（50－100kcm-1)，還會(huì)隨頻率變化。若用砂紙打磨，去掉一些角質(zhì)層，Re會(huì)明顯減小。若不用導(dǎo)電膏，Re能增大10倍，Ce會(huì)減小幾倍，使皮膚阻抗增大10倍以上。若電極相對(duì)于電解質(zhì)慢運(yùn)動(dòng)（呼吸，體育運(yùn)動(dòng)等），會(huì)攪亂界面上的電荷分布，在測(cè)量信號(hào)中出現(xiàn)慢變的偽跡。可用不極化電極和砂紙打磨來減小偽跡。常用體表電極臨床中常用銀鎳合金、鍍銀鋼板電極和Ag-AgCl電極，測(cè)量ECG；不銹鋼、鉑、鍍銀的圓盤狀、長(zhǎng)方形電極測(cè)量EMG，EEG。金屬板電極為適應(yīng)體表各種形狀，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(hù)。有的產(chǎn)品能允許透過X光。柔性電極壹貳浮式電極用導(dǎo)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(duì)運(yùn)動(dòng)；導(dǎo)電膏不失水，能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定。1干電極導(dǎo)電膏的缺點(diǎn)是時(shí)間長(zhǎng)了容易干，若鹽分過高會(huì)引起皮炎。干電極不用導(dǎo)電膏?？梢詫⒏咻斎胱杩狗糯笃鞣胖迷陔姌O內(nèi)。2絕緣電極在金屬板上制作絕緣薄膜，用其電容進(jìn)行交流耦合，拾取信號(hào)中的交變分量，不用導(dǎo)電膏。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(dǎo)性聚醚系粘膠劑代替導(dǎo)電膏的一次性體表電極。它粘著性能好，沒有鹽分析出，顯著減小基線漂移和噪聲。4體內(nèi)電極插入體內(nèi)，有細(xì)胞外液存在，不用導(dǎo)電膏，但要求材料的生物相容性好，安全。Ag-AgCl材料不適用，會(huì)與含蛋白質(zhì)的溶液發(fā)生反應(yīng)。AB-針電極：測(cè)量EMG，用不銹鋼制作。絲電極：用注射針將它插到待測(cè)部位，慢慢抽出針管，使它能長(zhǎng)期留在體內(nèi)。將倒鉤拉直后即可取出?？赡軙?huì)移位，折斷等。螺線管電極：能克服絲電極的缺點(diǎn).5微電極用途：檢測(cè)單個(gè)細(xì)胞的電位，尺寸0.05－10m。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)的低頻特性。因此，金屬微電極主要用于高頻信號(hào)的檢測(cè)，或者做刺激器用。為同時(shí)測(cè)量神經(jīng)纖維中多根神經(jīng)纖維的電位，發(fā)展了有10個(gè)測(cè)量點(diǎn)的多重微電極，用半導(dǎo)體工藝制作。玻璃微電極添加標(biāo)題01單擊此處添加小標(biāo)題02單擊此處添加小標(biāo)題03單擊此處添加小標(biāo)題04將毛細(xì)玻璃管熱拉后充填膏導(dǎo)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(dǎo)電液的電阻很高，玻璃微電極的內(nèi)阻極高,達(dá)50-100M甚至更高，對(duì)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(huì)向周圍組織液擴(kuò)散泄漏，產(chǎn)對(duì)測(cè)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(yīng)較差，所以主要用來檢測(cè)細(xì)胞電位。膜片鉗技術(shù)（PathClamp)為減小阻抗又不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(gè)通道的離子電流。因此,主要用來觀察細(xì)胞膜單個(gè)離子通道開、閉時(shí)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(xué)/生理學(xué)獎(jiǎng)。ErwinNeherMax-Planck-InstitutfürBiophysikalischeChemie,Goettingen,FederalRepublicofGermanyb.1944FederalRepublicofGermanyFederalRepublicofGermanyBertSakmannMax-Planck-InstitutfürmedizinischeForschung,Heidelberg,FederalRepublicofGermanyb.1942玻璃電極經(jīng)熱拋光，有光滑的尖端,與細(xì)胞面接觸后，對(duì)電極內(nèi)加負(fù)壓，使細(xì)胞膜與電極緊密封閉，封閉電阻達(dá)1G?？捎蒙睇}水充填，泄漏很小，噪聲降低一個(gè)量級(jí)。PARTONE膜片鉗技術(shù)能對(duì)單個(gè)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(cè)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(dǎo)變化的實(shí)質(zhì)是膜上離子通道隨機(jī)開放和關(guān)閉的總和效應(yīng)4)微電極放大器簡(jiǎn)化后的玻璃微電極等效電路Emp細(xì)胞膜電位Ej液體-液體界面產(chǎn)生的電勢(shì)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(xì)胞內(nèi)外液間的分布電容，約幾十ppfRt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問題：分布電容影響、電極引線的屏蔽、放大器輸入電容等，會(huì)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(shí)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(dòng)作電位失真。添加標(biāo)題辦法：采用負(fù)電容補(bǔ)償技術(shù)來改善瞬態(tài)響應(yīng)。用正反饋技術(shù)在輸入端構(gòu)成一個(gè)“負(fù)電容”，去中和輸入電容，效果明顯?？赡軒淼男聠栴}是穩(wěn)定性下降，噪聲有所提高。添加標(biāo)題結(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(yīng)能得到明顯改善，滿足大多數(shù)情況下的應(yīng)用。添加標(biāo)題同相比例放大器。R1，R2對(duì)輸出電壓分壓，形成電壓負(fù)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(fù)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(gè)電容，等效電容為Cin=(1-A)Cf通常，A1，因此Cin為負(fù)值。這時(shí)，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(dāng)Cf=C/(A-1)時(shí)，Cin=0，總輸入電容為0，放大器有理想的瞬態(tài)響應(yīng)！添加標(biāo)題實(shí)際上，難于達(dá)到很理想的補(bǔ)償，因?yàn)殡姌O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(yīng)還是能得到重要的改善，能夠滿足大多數(shù)情況下的應(yīng)用。