ch03醫(yī)用電極與生物電效應測量

醫(yī)用電極與生物電效應測量教育部生物醫(yī)學工程類專業(yè)教學指導委員會“十三五”規(guī)劃教材生物醫(yī)學傳感與檢測原理第三章01生物電效應概述我們的身體是由不同生物組織形成具有生理功能的器官和系統(tǒng)構成的，生物組織、器官、系統(tǒng)的生物活性和生理過程是生命活動的最重要表現(xiàn)。一方面，生理過程伴隨著由細胞膜離子通道及其膜電位變化所引起的生物電活動；另一方面，生物組織作為一種特殊介質，與其他物理介質一樣具有導電性能，內在生物電或外加電信號（電流、電壓）也將在組織中進行傳播。因此，生物體具有電生理活動、電信號耦合兩種主要的生物電效應。生物電效應概述生物電的形成細胞水平的生物電現(xiàn)象主要有兩種表現(xiàn)形式，即細胞在安靜時具有的靜息電位和細胞受到刺激時產(chǎn)生的動作電位，體內各種器官或組織所表現(xiàn)出各種形式的生物電現(xiàn)象，都可以根據(jù)這兩種細胞電現(xiàn)象來解釋。常見電生理信號心電圖（electrocardiogram，ECG）指的是心臟在每個心動周期中，由起搏點、心房、心室相繼興奮，伴隨著心電圖生物電的變化，通過心電描記儀從體表引出多種形式的電位變化的圖形。生物電效應概述生物電效應概述動作電位的產(chǎn)生（如圖3-1）。生物電效應概述心電圖如圖3-2所示。生物電效應概述腦電圖（electroencephalogram，EEG）是通過腦電圖描記儀將腦自身微弱的生物電放大記錄成為一種曲線圖，以幫助診斷疾病的一種現(xiàn)代輔助檢查方法，如圖3-3所示。腦電圖主要用于顱內器質性病變（如癲癇、腦炎、腦血管疾病及顱內占位性病變等）的檢查。腦電圖極易受各種因素干擾，應注意識別和排除。生物電效應概述生物電效應概述肌電圖是采用肌電檢測系統(tǒng)記錄肌肉靜止或收縮時的電活動，并應用電刺激檢查神經(jīng)、肌肉興奮及傳導功能的方法，可以確定周圍神經(jīng)、神經(jīng)元、神經(jīng)肌肉接頭及肌肉本身的功能狀態(tài)，如圖3-4所示。肌電圖通過測定運動單位電位的時限、波幅，安靜情況下有無自發(fā)的電活動，以及肌肉大力收縮的波形及波幅，可區(qū)別神經(jīng)原性損害和肌原性損害，診斷脊髓前角急、慢性損害，神經(jīng)根及周圍神經(jīng)病變；對神經(jīng)嵌壓性病變、神經(jīng)炎、遺傳代謝障礙神經(jīng)病、各種肌肉病也有診斷價值。此外，肌電圖還用于在各種疾病的治療過程中追蹤疾病的恢復過程及療效。生物電效應概述02生物電信號的醫(yī)用電極測量原理醫(yī)用檢測電極醫(yī)用檢測電極是應用最廣泛的醫(yī)用電極，從測量方式上可分為體表電極、植入電極兩種不同類別。以下將介紹其工作的電化學原理，以及不同類型的醫(yī)用檢測電極及其主要特點。醫(yī)用檢測電極的電化學原理生物電位測量在生物醫(yī)學基礎研究和臨床應用中發(fā)揮著重要作用，它通過電極把待測部位組織或細胞的電位引導到檢測系統(tǒng)加以測定，因此，電極是連接測量系統(tǒng)和生物體的關鍵元件。醫(yī)用檢測電極將生物電化學活動形成的離子電流（電位）轉化為電子測量系統(tǒng)的電子電流（電位），通過測量電極將生物組織和測量儀器形成閉合回路，在電極生物組織界面上實現(xiàn)離子電流到電子電流的轉換或電子電流到離子電流的轉換。醫(yī)用檢測電極醫(yī)用檢測電極圖3-5所示是生物電信號檢測的生物組織電極測量電路的電流回路示意圖。不同類型的醫(yī)用檢測電極醫(yī)用檢測電極按尺寸大小可分為宏電極和微電極。其中，宏電極（macroelectrode）是指外形較大的電極，主要用于測量生物體較大組織范圍生物電位，常用于檢測記錄機體器官、組織整體的電活動，又分為體表電極和體內電極；微電極（microelectrode）用于測量局部組織的細胞外電位變化，其尖端細小，包括金屬微電極、玻璃微電極。醫(yī)用檢測電極浮式電極。常用體表電極干電極。金屬板電極。吸附電極。柔性電極。醫(yī)用檢測電極醫(yī)用檢測電極圖3-6、圖3-7給出了兩種常見體表電極的樣式。醫(yī)用檢測電極浮式電極，如圖3-8所示。醫(yī)用檢測電極一種心電檢測用的絕緣干電極如圖3-9所示。醫(yī)用檢測電極柔性電極如圖3-10所示。醫(yī)用檢測電極根據(jù)形態(tài)的不同，針電極可以分為不同的種類，如圖3-11所示。電極極化在工作狀態(tài)下，電極總是與生物組織之間建立了直接或間接聯(lián)系，與電極直接接觸的是人體汗液、組織液或導電膏等電解質溶液，因而形成了一個電極電解質溶液界面，電極與電解質溶液發(fā)生著電化學過程。電極極化對生物電位測量的影響在生物電位測量時，由于電極極化的影響，電極所拾取的電位信息與真實的生物電位之間可能存在差異。電極生物組織界面電極生物組織界面圖3-12可模擬電極與生物組織之間的導電介質，這里以銀電極板代表檢測電極。極化電極和非極化電極不同材料制成的電極其極化特性可能不同，電極因此也可分為極化電極和非極化電極。1）極化電極在給電極施加電壓或通過電流時，電極電解質溶液的界面上無自由電荷通過、但有位移電流通過的電極，稱為極化電極。2）非極化電極不需要能量，電流能自動通過電極電解質溶液界面的電極，被稱為非極化電極。電極生物組織界面醫(yī)用電極的測量電路電極阻抗特性在以電極和測量系統(tǒng)對生物電進行測量時，電極自身阻抗、生物組織阻抗、電極-電解質溶液界面等處的阻抗特性都將影響回路響應特性，進而成為影響生物電測量的重要環(huán)節(jié)。醫(yī)用電極的測量電路電極前置放大電路在生物電測量回路中，生物組織、電極及二者之間的電解質溶液（導電膏、組織液等）可看成整個測量系統(tǒng)的信號輸出端，為測量電路提供了“信號源”。醫(yī)用電極的測量電路有源電極及其調理電路一種靜電型絕緣干電極，因其借助絕緣層檢測皮膚表面的電位，不需要用導電膏，所以被稱為絕緣干電極或絕緣電極。微電極金屬微電極是一種除尖端外，其余部分用絕緣材料涂敷的高強度金屬細針（見圖3-18）。微電極玻璃微電極常用玻璃毛細管拉制而成，其結構如圖3-19所示。MEMS微電極陣列微電極陣列是利用微加工技術構建的將多個微電極集成在一起，用于實現(xiàn)對生物組織進行多點同時檢測或多點同時刺激的微型器械，它在神經(jīng)電生理、腦機接口、感覺/運動神經(jīng)功能恢復、藥物緩釋、人工電子耳蝸、生物芯片中有廣泛應用。微電極電極-皮膚界面和運動偽跡在皮膚表面記錄生物電信號時，常用富含Cl的導電膏在電極和皮膚之間進行物理耦合，這時有兩個界面需要考慮，一個是前面提到的電極電解質溶液界面，另一個是導電膏與皮膚組織之間的界面。當一個可極化電極與電解質溶液接觸時，在界面上形成雙電層；如果電極相對于電解質溶液運動，則會擾亂界面處的電荷分布，使得半電池電勢產(chǎn)生瞬間變化，直到重新建立新的狀態(tài)。生物電檢測的干擾生物電檢測的干擾市電工頻干擾生物電測量中的市電工頻干擾包括差模干擾和共模干擾兩種，其主要來源有三個方面：①市電與電極導線之間雜散電容引入的干擾；②由于身體一部分與儀器外殼接觸時形成的直接進入人體的干擾；③分壓效應所形成的干擾。生物電檢測的干擾經(jīng)電極導線引入的工頻干擾如圖3-25所示。03醫(yī)用電極的電生理信號檢測心臟在每個心動周期中，起搏點、心房、心室相繼興奮都會伴隨著生物電的變化。心電信號的產(chǎn)生是由于心臟周圍組織和液體都能導電，無數(shù)心肌細胞動作電位變化的總和可以傳導并反映到體表，進而在體表許多點之間形成電位差或等電位。心電信號（臨床上常稱為心電圖）就是將這些電位差隨著時間的變化記錄下來。心電信號檢測心電信號檢測肢體導聯(lián)I、II、III導聯(lián)又稱標準肢體導聯(lián)，拾取的是體表心電在兩肢體之間的電位差，肢體電極有左臂（LA）、右臂（RA）及左腿（LL）。但是標準肢體導聯(lián)不能記錄到單個電極處的電位變化。電極放置在遠離心臟的肢體上，作為參考電極。心電信號檢測胸導聯(lián)探測心臟某一局部區(qū)域電位變化的過程，必須用單極導聯(lián)系統(tǒng)，即一個電極安放在靠近心臟的胸壁處，稱為探查電極，探查電極所在部位的電位變化即為心臟局部電位的變化，此時可以獲得較大幅度的心電波形，有利于臨床觀察。胸前電極數(shù)目越多，就能獲得越多的心電信息。頭皮腦電EEG腦電（EEG）是指按照時間順序，在頭皮表層記錄下的由大腦神經(jīng)元自發(fā)性、節(jié)律性運動而產(chǎn)生的電位。腦神經(jīng)電信號檢測腦神經(jīng)電信號檢測國際腦電圖學會制定了統(tǒng)一的10-20國際腦電記錄系統(tǒng)（見圖3-29）。腦神經(jīng)電信號檢測圖3-30給出了不同尺度的腦神經(jīng)信號的空間分辨示意圖。人體中的每個肌細胞（又稱肌纖維）都受到來自運動神經(jīng)元軸突分支的支配，只有當支配肌肉的神經(jīng)纖維興奮時，動作電位通過神經(jīng)傳遞給肌肉，才能引起肌肉的興奮。一個單獨的運動神經(jīng)能夠支配多個肌纖維，一個運動神經(jīng)元和它所控制的肌纖維組成的興奮收縮耦聯(lián)單位稱為一個運動單元。雖然每個纖維產(chǎn)生并傳導的電沖動十分微弱，但眾多纖維同時傳導，將在皮膚上產(chǎn)生足夠大并可以被檢測到的電位差，我們稱之為肌電信號。肌電信號檢測肌肉收縮時，中樞神經(jīng)系統(tǒng)將運動指令以神經(jīng)沖動的形式傳遞給運動神經(jīng)元，使其控制肌肉收縮。雙極性表面肌電記錄肌內肌電是將針電極插入皮下骨骼肌肌腹內記錄到的運動單元電位，通常是插入肌腹電極的針尖與較遠處另一表面電極G2之間的電勢差。植入式肌內肌電記錄不論是雙極性表面肌電還是植入式肌內肌電，傳統(tǒng)的表面肌電記錄方法只能獲取電極所在位置肌電活動信息。陣列肌電記錄肌電信號檢測皮膚電測量常用皮膚電的測量位置包括：（1）在左手的食指和中指的中間部位擦拭導電膏，纏繞正負貼片傳感器；（2）在左手的食指和中指的末梢部位擦拭導電膏，纏繞相反電極傳感器：（3）在左手的魚際和小魚際部位擦拭導電膏，貼上相反電極貼片傳感器。其他電生理信號的表面電極檢測胃電信號測量胃是人體的主要消化器官，其功能的強弱直接影響著人體的健康。1921年美國Texas大學研究人員用線電流計在腹壁首次記錄到胃電信號?？稍隗w表檢測到胃電圖（electrogastrogram，EGG）。其他電生理信號的表面電極檢測