КОНСТИТУЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ЭЛЕТРОД. Конституция и принцип работы элетрод
 Скачать 0.55 Mb.
|
|
КОНСТИТУЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ЭЛЕТРОД При проведении электрофизиологических исследований для съёма биоэлектрических сигналов используют биомедицинские электроды, от правильного выбора и применения которых зависят точность и объем получаемой физиологической информации. Электрофизиологические параметры отводят с помощью двух электродов монополярным и биполярным способами. При монополярном отведении один электрод – сигнальный – располагается в активной зоне, а другой – в нулевой, где биологическая активность исследуемого органа или ткани пренебрежимо мала. При этом измеряется абсолютная величина биопотенциала. При биполярном отведении оба электрода располагаются в активной области и измеряют разность потенциалов между двумя точками. По особенностям применения выделяют четыре группы электродов: 1) для одноразового использования (в основном в кабинетах функциональной диагностики); 2) для длительного, непрерывного наблюдения биоэлектрических сигналов (в условиях палат реанимации, интенсивной терапии, при исследовании состояния человека в процессе трудовой деятельности); 3) для динамических наблюдений (при наличии интенсивных мышечных помех в условиях физических нагрузок, в спортивной медицине и палатах реабилитации); 4) для экстренного применения в условиях скорой помощи. По функциональному назначению биомедицинские электроды различают в соответствии с видом регистрируемой электрофизиологической активности (электрокардиографические, электромиографические, электроэнцефалографические, микроэлектроды для внутриклеточного исследования и т.д.). В зависимости от способа контактирования с биообъектом различают накожные (поверхностные) и подкожные (игольчатые) электроды. В свою очередь среди поверхностных электродов в зависимости от характера сопротивления кожно-электродного контакта можно выделить следующие группы: металлические, емкостные, резистивные и резистивно-емкостные. В зависимости от необходимости использования пасты или физиологического раствора электроды делят на влажные и сухие. По склонности к поляризации электроды делятся на поляризующиеся, слабополяризующиеся и неполяризующиеся. Биомедицинские электроды также классифицируют по форме, материалу активного слоя, способу крепления и другим признакам. Кроме электрофизиологических измерений электроды применяются для оказания терапевтического воздействия на организм электрическим током и другими факторами. Наиболее полная классификация биомедицинских измерительных электродов приведена в ГОСТ 24878–81 (СТ СЭВ 2483–80) «Электроды для съёма биоэлектрических потенциалов». К конструкции и материалу электродов предъявляется ряд требований, определяемых специфическими условиями физиологического эксперимента и свойствами биообъекта: 1) хорошая электропроводность; 2) биологическая инертность (нетоксичность); 3) высокая прочность; 4) возможность надёжного и удобного крепления; 5) отсутствие поляризации, высокая помехоустойчивость к специфическим помехам; 6) лёгкость и пластичность; 7) физико-химическая инертность; 8) стабильность измерений; 9) малые габариты и вес; 10) простота и долговечность. Так как живой ткани присуща реакция на любое инородное тело, с которым оно соприкасается, то материал электрода должен быть биологически инертным (нетоксичным). Кроме того, электрод должен иметь по возможности минимальные размеры, так как тканевая реакция выражена тем сильнее, чем больше инородное тело. Размер электрода должен быть небольшим еще и потому, что с увеличением электрода увеличиваются помехи от соседних участков ткани. С другой стороны, препятствием к уменьшению электрода является требование высокой электропроводности и прочности. Последнее имеет особенно большое, значение в динамической биотелеметрии, где электроды подвергаются разнообразной механической нагрузке: изгибанию, ударам, растяжению и т.д. Чтобы избежать поломки при интенсивной мышечной работе, электроды и подходящие к ним провода должны быть достаточно мягкими и гибкими. Конструкция электродов должна предусматривать возможность надёжного и удобного крепления. Этими требованиями объясняется разнообразие конструкций электродов. Общим требованием, предъявляемым к поверхностным электродам, является требование уменьшения переходного сопротивления электрод-кожа, определяющего погрешность импеданса. Значение этого сопротивления зависит от типа материала электрода, свойств кожи, площади её соприкосновения с электродом, от свойств межконтактного слоя между электродом и кожей. В общем случае структуру участка контакта электрода с кожей можно представить в виде, изображенном на рисунке 1:  Рисунок 1 – Структура контакта «электрод-кожа» Между кожей и электродом размещён тонкий слой электролита, возникающий естественно (выделения потовых желёз) или вносимый при наложении электрода (токопроводящие пасты, физиологический раствор). Это приводит к образованию электролитической полуячейки и протеканию электролитических процессов окисления или восстановления металла электрода. Окисление металла сопровождается его растворением: М (тв.) → М2+(водн,) + 2е-, тогда электрод будет заряжаться отрицательно. Или восстановлением: М2+(водн.) + 2е- → М (тв.), тогда электрод будет заряжаться положительно. Таким образом, благодаря пространственному разделению положительных и отрицательных зарядов возникает электродный потенциал – потенциал электрода относительно электролита (его объема). Металлы, а также многие другие химические элементы и вещества по значению электродного потенциала расположены в определенном порядке, и образуют ряд стандартных электродных потенциалов. Электродные потенциалы зависят как от природы электрода и электролита, так и от концентрации последнего, а также от температуры. Если соединить две полуячейки с помощью пористой перегородки, пропускающей ионы раствора (но не допускающей прямого перемешивания электролитов полуячеек), то образуется так называемая электрохимическая ячейка. Если ячейка способна вырабатывать за счёт протекания химической реакции ток, то её называют гальванической или вольтовой. Электродвижущая сила (э.д.с) ячейки равна разности потенциалов двух электродов. Если ячейка предназначена для генерирования электрической энергии, то электроды делают из различных металлов с целью получения большего значения э.д.с. При съёме биоэлектрических потенциалов используются как правило однотипные электроды. Однако, вследствие всегда имеющейся неидентичности электродов и условий их работы разность потенциалов пары электродов точно не равна нулю. Она изменяется со временем вследствие протекания электрохимических реакций и изменения химического состава поверхности электродов и окружающих их электролитических сред. С течением времени происходит так называемая поляризация электродов, которая усиливается при увеличении протекающего тока. Электрохимическая поляризация электродов (согласно медицинской энциклопедии) – изменение потенциалов электродов (по сравнению с равновесными – гальванизационными) при электролизе или в процессе работы гальванического элемента, возникающее в результате физико-химического изменения поверхности электродов, выделении газов (химическая поляризация) или изменении концентрации электролита вблизи электродов (концентрационная поляризация). Э.д.с. поляризации направлена против э.д.с. внешнего тока. Ткани тела являются проводником второго рода, импеданс которого содержит активную и реактивную составляющие. Ёмкость тканей создается мембранами образующих ткани клеток и многочисленными поверхностями, разделяющими отдельные органы и структуры тела. Реактивная составляющая тока, протекающего по подкожным тканям, на порядок меньше активной составляющей, и ею можно пренебречь. Ёмкость тканей кожи достигает 0,1 мкФ/см2, и её необходимо учитывать. Электрические свойства контакта «электрод-кожа» определяются в основном поляризационными свойствами поверхностей раздела с разными типами проводимостей – переходы «ткань-тело-электролит» и переход «электролит-электрод». Типичная кривая поляризации E=f(j), где Е – разность потенциалов на переходе; j – плотность тока, приведена рис. 2. Она носит нелинейный характер, но при малых плотностях тока (до 10–15 мкА/см2) на ней можно выделить линейный начальный участок. На практике при максимальных амплитудах регистрируемых биоэлектрических сигналов, минимальных площадях электродов и входных сопротивлениях усилителей плотность тока меньше предельной, поэтому кожно-электродный импеданс можно считать линейным.  Рисунок 2 – Кривая поляризации контакта «электрод-кожа» Поверхности разделов характеризует также равновесная разность потенциалов Ео, возникающая на переходе при отсутствии тока, которая определяется природой контактирующих сред. В зависимости от материала электрода, свойств электролита, температуры, способа обработки кожи значение Ео изменяется в пределах 0,1–50 мВ. Поляризация электродов может сильно искажать форму регистрируемого сигнала, поэтому она крайне нежелательна. При регистрации биопотенциалов величина Ео должна оставаться постоянной, поэтому для некоторых типов электродов необходимо применение специальных мер для стабилизации значения Ео. Разрабатываются и неполяризующиеся электроды. Регистрация биоэлектрических сигналов, где это возможно, осуществляется с помощью усилителей переменного тока, нижняя граничная частота которых составляет доли герц, поэтому в расчётах величиной Ео, если она постоянна, можно пренебречь. Каждую поверхность раздела кожно-электродного контакта можно представить на электрической эквивалентной схеме сложной электрической цепью, содержащей сопротивления и ёмкости. Такую цепь можно пересчитать в простую параллельную RС-цепь и получить эквивалентные параметры Rк-э, и Ск-э. Эти параметры зависят от частоты тока, однако учёт частотной зависимости существенно усложняет анализ, не давая значительного выигрыша в точности расчёта. Сопротивление Rк-э и ёмкость Ск-э можно выразить через усреднённые локальные параметры – удельное сопротивление   и диэлектрическую проницаемость. , где S – эквивалентная площадь электрода; h – толщина высокоомного слоя кожи, которая значительно изменяется по поверхности тела и ансамблю испытуемых. Кроме того, импеданс контакта может определяться электрохимическими процессами, протекающими на переходах его структуры. Необходимость учёта полезной площади электрода объясняется тем, что при наложении последнего происходит растекание пасты или физиологического раствора по коже и появляются потовые выделения; при этом размеры электрода как бы увеличиваются. Полная эквивалентная электрическая схема кожно-электродного контакта приведена на рисунке 3. В неё включены уже указанные величины Rк-э и Ск-э, а также эквивалентные параметры самого электрода Zэ, эквивалентное сопротивление подкожных тканей Rпк, и входной импеданс Zвх усилителя биопотенциала. Параметр Zэ (Rэи Сэ) определяется конструкцией и материалом электродов.  Рисунок 3 – Полная эквивалентная схема кожно-электродного контакта Наиболее распространённым типом электродов для съёма биопотенциалов являются металлические электроды. Переходное сопротивление между чистой сухой кожей и электродом может достигать сотен килоОм. С целью уменьшения этого сопротивления при использовании металлических электродов применяют марлевые прокладки, смоченные физиологическим раствором, которые помещают между электродом и кожей, или специальные токопроводящие пасты. Это позволяет уменьшить переходное сопротивление до десятков килоОм. Переходное сопротивление уменьшается также при увеличении площади контакта электрод – кожа. Однако при значительном увеличении размеров электрода возрастает погрешность усреднения, а, следовательно, уменьшается диагностическая ценность измеряемого биопотенциала как сигнала о локальных изменениях электрической активности. Так как для металлического электрода Rэ=0, то эквивалентная схема входной цепи усилителя биопотенциалов принимает вид, изображенный на рисунке 4. Импеданс входной цепи усилителя будем считать чисто активным.  Рисунок 4 – Эквивалентная схема контакта кожа – металлический электрод Из эквивалентной схемы легко вывести соотношение для комплексного сопротивления системы «кожа-металлический электрод»:  Основным преимуществом емкостных электродов является отсутствие контактных и поляризационных потенциалов, возникающих при использовании металлических электродов. Емкостный электрод представляет совой металлическую пластинку, покрытую тонким слоем диэлектрика. Первые емкостные электроды (появились в 1967 г.) были выполнены из анодированного алюминия и обладали сопротивлением более 4000 МОм и ёмкостью около 5000 пФ при нижней граничной частоте, равной 30 Гц. Однако электроды из анодированного алюминия оказались трудновоспроизводимыми и ненадежными вследствие пористости и способности адсорбировать влагу из кожи. Лучшие результаты позволяют получить емкостные электроды, изготовленные из анодированного тантала. Хорошие результаты дают емкостные электроды с диэлектриком из SiO2. Монокристаллическая структура слоя из двуокиси кремния обеспечивает высокую химическую устойчивость диэлектрической плёнки. При активной площади электрода 0,5 см2 и толщине диэлектрической пленки 1 мкм ёмкость его составляет около 0,015 мкФ. Эквивалентная электрическая схема кожно-электродного импеданса для емкостных электродов представлена на рисунке 5:  Рисунок 5 – Эквивалентная схема контакта кожа – емкостной электрод Комплексное сопротивление системы «кожа-емкостный электрод» выражается формулой  Полное кожно-электродное сопротивление дляемкостных электродов быстро возрастает с уменьшением частоты (рисунок 4.3.6), а это при измерении потенциалов на инфранизких частотах приводит к недопустимо большим погрешностям. |