第十二章-生物醫(yī)用電極課件

第十二章生物醫(yī)用電極第一節(jié)檢測電極和刺激電極第二節(jié)極化現(xiàn)象及其對生物電檢測和電刺激的影響第三節(jié)極化電極和不極化電極第四節(jié)電極的阻抗特性第五節(jié)檢測電極和電刺激電極第六節(jié)微電極第十二章生物醫(yī)用電極第一節(jié)檢測電極和刺激電極1第一節(jié)檢測電極和刺激電極一、檢測電極由于生物體內(nèi)的物理、化學變化使生物體各個部分的正負電荷分布不均勻，從而造成生物體內(nèi)不同部位或細胞內(nèi)外的電位不等。測定不同部位的電位，需用電極把這個部位的電位引導到電位測量儀器上進行測量，這種電極稱為檢測電極生物電位一般較難測準，這是因為生物電的信號弱、信號源的阻抗高以及生物體與電極間的界面現(xiàn)象復雜等因素造成的。第一節(jié)檢測電極和刺激電極2二、刺激電極刺激電極是對生物體施加電流或電壓所用的電極。檢測電極是個敏感元件，是用來測定生物電位的，而刺激電極是個執(zhí)行元件，它主要用于三個方面：①研究可興奮組織的傳導和反應的規(guī)律；②向生物體內(nèi)通入外加電流以便達到治療某種疾病的目的；③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。有時同一個電極兼有檢測和刺激的雙重功能。心臟起搏器上的電極即屬于此種電極。二、刺激電極3三、電極的分類根據(jù)電極的大小和工作時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

長期植入體內(nèi)的電極需具備如下的要求：①極化阻抗低，以減小刺激所需的能量；②對生物體無毒無害；③對生物組織相容性好。三、電極的分類宏電極微電極體表電極體內(nèi)電極皮下電極植入電極4

第二節(jié)極化現(xiàn)象及其對生物電檢測和電刺激的影響一、極化現(xiàn)象電極電位是當沒有電流通過電極／溶液界面時電極所具有的電位。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，電極電位便從平衡電極電位E(o)變?yōu)橐粋€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的電極電位E(i)與它沒有電流通過時的千衡電極電位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η表示：

η=E(i)-E(o)第二節(jié)極化現(xiàn)象一、極化現(xiàn)象5在有一定電流通過電極時，電流將會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)反應物朝向電極的擴散和產(chǎn)物離開電極的擴散。(3)電極上的化學反應。(4)電阻極化。假定這些超電壓相互獨立，則總的超電壓可寫成：η=ηt+ηd+ηr+ηR式中：ηt＝電荷轉(zhuǎn)移超電壓；ηd＝擴散超電壓；

ηr＝反應超電壓；ηR=歐姆超電壓。在有一定電流通過電極時，電流將會受到各種阻力作6(1)電荷轉(zhuǎn)移超電壓：(1)電荷轉(zhuǎn)移超電壓：7(2)擴散超電壓：在電解液中離子運輸，可以通過濃度梯度產(chǎn)生的擴散過程，也可以通過電場作用下的電遷移過程進行。AgNO3Ag(2)擴散超電壓：AgNO3Ag8(3)反應超電壓：反應超電壓的機理與擴散超電壓類似，但反應超電壓產(chǎn)生的濃度改變的效應是由于化學反應而不是由于電極反應引起的。(4)電阻超電壓：除上述幾種超電壓外，電解液的歐姆電阻、擴散層中的濃度梯度以及電極表面上表面膜也都會引起電位變化，將這些電位變化統(tǒng)稱為電阻超電壓。(3)反應超電壓：反應超電壓的機理與擴散超9二、電極極化對生物電位的檢測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，而測定生物電位，是要通過電極把待測部位的電位引導到檢測系統(tǒng)加以測定。二、電極極化對生物電位的檢測和電刺激的影響10測定結(jié)果顯示：電解池本身產(chǎn)生一種與外加電動勢極性相反的電動勢，即左正，右負。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是與電荷轉(zhuǎn)換、擴散和化學反應超電壓有關(guān)。當電化學系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，溶液中存在NaCl濃度的分布各處是均勻的。當外接電池電壓加到電極上，在電極上有電流通過時，在陰極上發(fā)生電極反應為：在陽極上發(fā)生電極反應為：測定結(jié)果顯示：電解池本身產(chǎn)生一種與外加電動勢111、電極極化對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／導電溶液界面的電極反應將電子轉(zhuǎn)換成離子傳送到生物體內(nèi)，然后電流經(jīng)過組織器官到達另一個電極／導電溶液界面，在此界面上發(fā)生電極反應是將離子轉(zhuǎn)換成電子而離開生物體進入電極。由于電極極化，阻礙電流進入生物體組織器官，因此電極極化對電刺激是個不利因素。在進行電刺激時應盡量設(shè)法減小電極極化。1、電極極化對電刺激的影響122、電極極化對電位檢測的影響測定生物電位，是要通過電極把待測部位的電位引導到檢測系統(tǒng)進行測定。由于測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的電壓會使電極發(fā)生極化，產(chǎn)生超電壓，這個超電壓在前級放大器的輸入端產(chǎn)生直流偏置電壓，與被測的生物電位一起輸?shù)綑z測系統(tǒng)，因而使被測的生物電位失真。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。為防止前級放大器飽和而引起失真，除正確設(shè)計耦合電容前的放大級的增益外，更重要的是需要努力降低電極極化產(chǎn)生的超電壓。2、電極極化對電位檢測的影響13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，在電極／電解溶液界面上無電荷通過，而有位移電流通過的電極，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。因為這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，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)生電極反應為止。第三節(jié)極化電極和不極化電極14二、非極化電極不需要能量、電流能自動通過電極／電解質(zhì)溶液界面的電極，稱為非極化電極Ag／AgCl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。在這個電極的表面上存在下列平衡反應：當給電極施加正電位(相對溶液)時反應向左方進行：當給電極施加負電位(相對溶液)時，反應向右方進行：二、非極化電極當給電極施加正電位(相對溶15因此Ag／AgCl電極在通入比較小的電流時非常接近非極化電極，但在通入較大的電流時也會產(chǎn)生濃差超電壓和歐姆超電壓。測定心電、腦電時流過電極的電流非常小，所以Ag／AgCl電極很適用于作為檢測電極測定心電和腦電。

AgCl對光敏感，尤其對紅外光更敏感。通常Ag／AgCl電極應保存在暗處。Ag／Ag

C1材料對生物組織有害，故只能用于體外而不能用于體內(nèi)。有兩種常用的制作Ag／AgCl電極的方法：電解法和燒結(jié)法。因此Ag／AgCl電極在通入比較小的電流時非161、電解法1、電解法172、燒結(jié)法2、燒結(jié)法18Ag／AgCl電極特點：

Ag／AgCl電極不僅具有不易極化的性能，而且較相應的銀電極還具有更小的電噪聲Ag／AgCl電極特點：19

第四節(jié)電極的阻抗特性電極阻抗本應僅指每一電極自身的阻抗，不包括兩個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間等因素有關(guān)。為此，常對電極阻抗按正弦小信號、正弦大信號和脈沖大信號等三種情況來分析和實測，以便找到改進電極工作質(zhì)量的途徑。第四節(jié)電極的阻抗特性電極阻抗本應僅指每一20一、正弦小信號時電極的極化阻抗檢測心電、腦電時，檢測電極是在電流密度很小的條件下進行工作。當電流除受到電荷轉(zhuǎn)移過程的阻力外，還受到擴散過程的阻力作用時一、正弦小信號時電極的極化阻抗當電流除受到電21當頻率很高時，Rs和增量電容CH決定著電極極化阻抗，當頻率很低時，擴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，于是等效電路可簡化成當頻率很高時，Rs和增量電容CH決定著電極極化22測定電極極化阻抗的線路測定電極極化阻抗的線路23第十二章--生物醫(yī)用電極ppt課件24二、正弦大信號時電極的極化阻抗金屬電極在與電解質(zhì)溶液接觸時，電極將建立起相應的電極電位。若再通入交變電流，則將有一交變電位疊加在原來不變的電極電位上。二、正弦大信號時電極的極化阻抗25第十二章--生物醫(yī)用電極ppt課件26第十二章--生物醫(yī)用電極ppt課件27第十二章--生物醫(yī)用電極ppt課件28測量電壓畸變和整流效應的裝置測量電壓畸變和整流效應的裝置29第十二章--生物醫(yī)用電極ppt課件30第十二章--生物醫(yī)用電極ppt課件31Ag/AgCl電極Ag/AgCl電極32第十二章--生物醫(yī)用電極ppt課件33三、脈沖大信號時電極的極化阻抗對生物體進行電刺激的電極，常需在毫安數(shù)量級的脈沖大信號狀態(tài)下工作。脈沖大信號等效電路的電阻和電容值，與測量時所加信號的脈寬和幅度等有關(guān)，其時間響應曲線也較大地偏離指數(shù)形式。故對各種電極的性能，常在模擬實用條件的情況下，用示波器進行研究。電極在脈沖大信號作用下，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極或用作陰極，產(chǎn)生的畸變亦不相同。三、脈沖大信號時電極的極化阻抗34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。同時也看到，陽極電位波形較陰極電位波形更快地趨于穩(wěn)定。這說明陰極的超電壓比陽極超電壓大，因而在陰極極化阻抗上損失的電壓較在陽極上的大。電極電位曲線呈指數(shù)下降部分，是表示通電時在雙電層電容內(nèi)所儲存的電荷通過漏泄電阻在放電。電位波形頂部不同是由于單向電流產(chǎn)生極化作用引35采用周期為1s，脈寬為1ms，幅度為1mA的方波脈沖對幾種不同材料和形狀的電極進行測試。采用周期為1s，脈寬為1ms，幅度為1mA的36第十二章--生物醫(yī)用電極ppt課件37第三節(jié)檢測電極和電刺激電極

一、檢測電極及測定生物電時的干擾

1、電極—皮膚界面和運動偽差

（1）電極—皮膚界面第三節(jié)檢測電極和電刺激電極一、檢測電極及測定生物電時的38第十二章--生物醫(yī)用電極ppt課件39（2）運動偽差當一個可極化電極與電解質(zhì)溶液接觸時，在界面上便形成雙電層。如果電極相對于電解質(zhì)溶液運動，則會攪亂界面處的電荷分布，使半電池電勢產(chǎn)生瞬間變化，直到重新建立平衡狀態(tài)為止。在電解質(zhì)溶液中放入一對電極，一個電極運動，而另一個電極保持靜止不動，在運動期間，在兩個電極之間便會產(chǎn)生電位差，這種由運動產(chǎn)生的電位差稱為運動偽差。它可能成為在測量生物電位時造成干擾的一個重要原因。（2）運動偽差40當檢測電極與皮膚接觸時，電極與電解質(zhì)溶液界面并不是運動偽差的唯一來源。除半電池電勢外，還有導電膏—皮膚電位Ese，如果它隨著電極運動而變化，也會產(chǎn)生運動偽差。

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／導電膏／皮膚接界穩(wěn)定；2、對皮膚進行充分打磨，以減小皮膚阻抗中的表皮阻抗部分。另外，當電極用于長時間的記錄時，要注意角質(zhì)層在24小時之內(nèi)便可再生一次，因而又會產(chǎn)生運動偽差。當檢測電極與皮膚接觸時，電極與電解質(zhì)溶液界面412、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：干擾電壓使檢測儀器的一個輸入端的電位相對于另一個輸入端發(fā)生變化，因而干擾電壓與檢測信號電壓混合而影響輸出，這種干擾稱為差模干擾。共模干擾：干擾電壓使檢測儀器的兩個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輸入端完全對稱，則在輸入端短路或加共模干擾時，其輸出為零，無干擾。若兩個輸入端不完全對稱，則即使是共模干擾也會變成差模干擾而影響輸出。2、工頻干擾422）工頻干擾來源(1)經(jīng)電極導線進入人體的干擾；位移電流ID1和ID2，經(jīng)市電電源與電極導線間的雜散電容Cl和C2進入電極導線。差分放大器的對地共模輸入阻抗Zin和差模輸入阻抗ZD都遠大于電極阻抗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。這時在放大器的AB兩端的電壓VAB為。2）工頻干擾來源43

(2)直接進入人體的干擾：當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)兩個檢測點1和2之間的人體阻抗Zi時，ID將通過Zi和Zg到地構(gòu)成回路，因而造成電壓為IDZi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。(2)直接進入人體的干擾：44(3)分壓效應所形成的干擾：IDZg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遠大于Zl和Z2，故將上二式相減并化簡便可得到由共模干擾IDZg轉(zhuǎn)變成差模干擾的電壓VAB：(3)分壓效應所形成的干擾：453、檢測電極(1)金屬板電極：金屬板電極是一種最常用的檢測生物電位的電極形式。在檢測生物電位時，在電極和皮膚之間放有導電膏以保持其良好的接觸。3、檢測電極46(2)吸附電極；這種電極由于接觸面對皮膚的吸力和壓力對皮膚產(chǎn)生很大刺激，所以不能長時間使用。另外，這種電極實際接觸面積比較小，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，會使心電圖產(chǎn)生較大的失真。(2)吸附電極；這種電極由于接觸面對皮膚47(3)浮式電極：這種電極主要特點是金屬圓盤電極和導電膏都放在絕緣殼的空腔內(nèi)，電極被導電膏包圍，不直接與皮膚接觸。因為金屬圓盤對空腔不作相對運動，所以不會因機械運動改變雙電層電荷的分布。(3)浮式電極：這種電極主要特點是金屬圓盤48第十二章--生物醫(yī)用電極ppt課件49(4)干電極：(4)干電極：50第十二章--生物醫(yī)用電極ppt課件51二、刺激電極如心臟起搏器借助適當?shù)碾姶碳砭S持心肌的跳動；除顫器通過對纖維性顫動雜亂興奮的心肌細胞給予瞬時高能量的電刺激，強使心肌興奮相位變?yōu)橐恢拢粚χ袠行月楸曰颊?，給他的骨骼肌或運動神經(jīng)施加一種與中樞神經(jīng)傳送來的信號相當?shù)碾姶碳ぃ曰謴椭w運動的功能；對呼吸麻痹患者，電刺激膈肌，使膈肌運動維持呼吸；對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。二、刺激電極52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。刺激電極和檢測電極在設(shè)計方法上是相同的，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，是毫安級的電流。電刺激治療都是通過電極將電源的刺激電流送到生531、興奮組織的電流基強度和時值要想引起可興奮組織興奮，必須有足夠的刺激電流強度和刺激持續(xù)時間。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。1、興奮組織的電流基強度和時值54

當t→∞時，I→a。a稱為電流基強度，電流基強度是引起組織興奮的電流強度的閾值。

當矩形脈沖幅度為電流基強度二倍時，引起可興奮組織興奮所需脈沖寬度稱為時值，以tc表示，tc＝a／b。當脈沖寬度選為tc時，產(chǎn)生興奮所需能量最小。為得到有效的刺激，通常采用電流強度為2a，脈沖寬度略大于tc當t→∞時，I→a。a稱為電流基強度，電流552、刺激電極的供電極性和波形極化狀態(tài)去極化狀態(tài)2、刺激電極的供電極性和波形極化狀態(tài)去極化狀態(tài)56當用直流電刺激細胞時，在陽極處，電流通過細胞膜進入膜內(nèi)，在細胞膜產(chǎn)生電位降，導致膜內(nèi)負膜外正，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，在細胞膜上產(chǎn)生電壓降，而這個電位降與靜息電位符號相反，使膜電位減小，發(fā)生膜的去極化。如果這時刺激電流達到閾值，則會使陰極下的組織興奮。因此，當刺激電流達到鬧值時，引起興奮的組織是陰極下的組織。當用直流電刺激細胞時，在陽極處，電流通過細573、檢測與刺激共用電極3、檢測與刺激共用電極58第十二章--生物醫(yī)用電極ppt課件59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。第六節(jié)微電極一、金屬微電極和玻璃微電極的結(jié)構(gòu)60第十二章--生物醫(yī)用電極ppt課件61二、微電極的等效電路

二、微電極的等效電路62第十二章--生物醫(yī)用電極ppt課件63第十二章--生物醫(yī)用電極ppt課件64－－65