Биомедицинские электроды и их применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Биомедицинские электроды и их применение

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 Е_о, возникающая на переходе при отсутствии тока, которая определяется природой контактирующих сред. В зависимости от материала электрода, свойств электролита, температуры, способа обработки кожи значение Е_о изменяется в пределах 0,1-50 мВ. Поляризация электродов может сильно искажать форму регистрируемого сигнала, поэтому она крайне нежелательна. При регистрации биопотенциалов величина Е_о должна оставаться постоянной, поэтому для некоторых типов электродов необходимо применение специальных мер для стабилизации значения Е_о. 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 Е_о, 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 R_к-э, и С_к-э. Эти параметры зависят от частоты тока, однако учёт частотной зависимости существенно усложняет анализ, не давая значительного выигрыша в точности расчёта. Сопротивление R_к-э и ёмкость С_к-э можно выразить через усреднённые локальные параметры - удельное сопротивление Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

 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 R_к-э и С_к-э, а также эквивалентные параметры самого электрода Z_э, эквивалентное сопротивление подкожных тканей R_пк, и входной импеданс Z_вх усилителя биопотенциала. Параметр Z_э (R_э и С_э) 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 R_э=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 для емкостных электродов быстро возрастает с уменьшением частоты (рисунок 4.3.6), а это при измерении потенциалов на инфранизких частотах приводит к недопустимо большим погрешностям.

1: С_кэ>>C_э; 2: С_кэ<<C_э; 3: С_кэ~C_э.

Рисунок 6 - Частотные зависимости модуля кожно - электродного импеданса для емкостных (1,2) и резистивно - емкостных электродов

Резистивно-емкостные электроды, предложенные О.Б. Лурье, отличаются от емкостных электродов небольшой проводимостью диэлектрика (10-8 см и менее), образующего ёмкость. Эквивалентная электрическая схема кожно-электродного импеданса для резистивно-емкостных электродов представлена на рисунке 7:

Благодаря очень малой проводимости диэлектрика такие электроды ослабляют контактные и поляризационные потенциалы по сравнению с металлическими электродами в десятки и сотни раз. Вместе с тем наличие незначительной проводимости позволяет передать всю инфранизкочастотную область спектра снимаемых биопотенциалов вплоть до постоянного тока.

Рисунок 7 - Эквивалентная схема контакта кожа - резистивно-емкостной электрод

Для резистивно-емкостных электродов комплексное сопротивление системы кожа-электрод имеет вид

В частном случае при R_к-эС_к-э=R_эC_э=Т имеем

Из частотных зависимостей модуля кожно-электродного сопротивления для резистивно-емкостных электродов (рисунок 4.3.6) видно, что в инфранизкочастотной области спектра модуль кожно-электродного сопротивления является практически постоянным, а, начиная с некоторой частоты, резистивно-емкостные электроды становятся эквивалентными емкостным.

Применяемые в клинической практике электроды весьма разнообразны по конструкции в зависимости от функционального назначения, места установки, особенностей электрофизиологического эксперимента и других факторов. Наибольшее распространение получили накожные электроды, что объясняется простотой их применения и отсутствием травмирующего действия.

Наиболее широко используемыми металлическими электродами для съёма биопотенциалов с поверхности тела являются металлические пластинки круглой или овальной формы площадью до 20 см², электроды-присоски, снабжённые резиновым баллончиком, который даёт возможность просто и достаточно надёжно укрепить электрод в нужной точке тела, и ряд специальных электродов.

Площадь электродов играет существенную роль, т. к. при её увеличении с одной стороны уменьшается переходное сопротивление контакта «электрод-кожа», а с другой стороны ухудшается локальность исследования биоэлектрической активности. Форма электродов существенной роли не играет.

В качестве материалов для изготовления металлических накожных электродов применяются золото, серебро, платина, палладий, нержавеющая сталь, иридиевые сплавы и другие металлы, сплавы и соединения, полученные прессованием, электролитическим хромированием и т.д. Различны способы обработки поверхности плоского металлического электрода, прилегающего к коже.

Выбор материала и способа обработки поверхности существенно влияет на величину контактного сопротивления (кожно-электродный импеданс), уровень шума и величину артефактов, а также на интенсивность потенциалов поляризации. В последнее время всё шире применяются электроды из хлорированного серебра, которые отличаются слабой поляризацией в процессе эксплуатации.

Кардиографические электроды разделяются на конечностные и грудные. Конечностные электроды выполняются обычно прямоугольной формы, площадью 6-30 см² и более. Электрод прикрепляется к конечности с помощью резинового бинта с отверстиями, два из которых надеваются на штырь электрода. Конечности имеют поверхности равного потенциала, поэтому место наложения электрода некритично и он может иметь достаточно большую площадь, что позволяет снизить переходное сопротивление. Грудные электроды делают в форме диска площадью 1-7 см² и удерживаются на груди либо рукой, либо с помощью резиновой присоски. Присасывающиеся электроды удобны при кратковременных исследованиях. На груди эквипотенциальные линии электрической активности сердца расположены густо, поэтому для записи кардиограммы в грудных отведениях площадь электродов должна быть относительно не большой.

Электроды, применяемые при длительных, непрерывных наблюдениях электрической активности сердца тяжелобольного, а также электроды, используемые при регистрации ЭКГ и некоторых других видов электрограмм свободно перемещающегося человека (больного, спортсмена при выполнении упражнений или здорового человека при выполнении физической работы), обычно имеют вид чашечек, которые наклеиваются на кожу с помощью клеола или коллодия. Электродная паста накладывается на металлический диск этого электрода (например, из хлористого серебра) и при наложении на кожу заполняет пространство между нею и диском, обеспечивая надёжный электрический контакт. Диаметр диска обычно составляет 10-15 мм. Подобную конструкцию имеют, например, поверхностные слабополяризующиеся электроды типа ЭПСК (электрокардиографические), ЭПСМ (электромиографические), ЭПСЭ (электроэнцефалографические).

При использовании электродов для съема информации с биообъектов следует иметь в виду большое количество факторов - артефактов, влияющих на получаемую информацию, включая явления, возникающие на участках кожно-электродного контакта.

1 - плёнка на клеевой основе, 2 - сетка из хлористого серебра, 3 - кнопка, 4 - проводник, 5 - электропроводящая паста

Рисунок 8 - Электрод для длительной регистрации электрокардиосигнала

электрод биомедицинский сигнал помеха

Помехи, генерируемые электродами, можно условно разделить на три группы:

- электродные потенциалы и межэлектродные напряжения, возникающие на границах раздела фаз (обмен заряженными частицами) при выполнении основных условий электрохимического равновесия, контактные потенциалы;

- поляризация электродов, заключающаяся в изменении стационарных (бестоковых) электродных потенциалов и соответствующих им межэлектродных напряжений при замыкании электрической цепи;

- электрокинетические явления, возникающие из-за взаимного относительного перемещения фаз вдоль поверхности раздела при механических движениях; помехи этого вида часто называют двигательными или шумом движения.

В ряде задач рассматриваются помехи, создаваемые необратимыми диффузными процессами, разрушающими электрод.

Таким образом, при проектировании и эксплуатации электродов и электродных систем чаще всего исследуют и контролируют следующие параметры электродов:

- величину электродного потенциала;

- временные изменения (динамику) электродного потенциала;

- уровень шумов движения;

- полное электродное сопротивление;

- время установления ионного равновесия между биообъектом и контактирующей средой.

Иногда по условиям применения электродов необходимо отдельное изучение активных и реактивных составляющих электродной системы и представление о причинах, вызывающих их неуправляемое изменение. В ряде применений приходится проводить и более тонкий анализ причин помех, например выяснение величины и формы токов, снижающих до допустимых пределов необратимые электродные процессы. Необходимо также учитывать вопросы, связанные с обеспечением совместимости исследуемого биообъекта с материалами электрода и контактирующих сред (исключение процессов интоксикации).

Определенную погрешность в измерения вносит состояние контактной поверхности биообъекта. Например, при наложении электродов на поверхность кожи необходимо учитывать, что электрическое сопротивление кожи неодинаково у разных людей и на различных участках одного и того же человека. Оно так же, как и полное сопротивление тела, зависит от физических характеристик и состояния живого организма, от патологических отклонений. Наибольшим сопротивлением обладают поверхностные роговые слои кожи ладоней, плоскости стопы, пальцев. Сопротивление кожи, обработанной 20%-м раствором КаС1, снижается до нескольких сотен и даже десятков Ом. Выделение пота, увлажняющего кожу, значительно уменьшает ее электрическое сопротивление, тогда как выделения сальных желез увеличивают это сопротивление. Сильное влияние оказывает подсыхание приэлектродных проводящих жидкостей. Эти и ряд других факторов создают также непостоянство электрических параметров на участке кожно-электродного контакта.

Микроорганизмы, находящиеся на поверхности кожи в межэлектродной среде, могут создавать напряжение шумов, иногда соизмеримое с полезным сигналом. Для устранения этих явлений используют целый комплекс мероприятий, включающих выбор частоты и величины тока через объект, обработку кожи, выбор материалов и конструкции электродов, подбор контактных средств и др. Например, для электродов, накладываемых на поверхность кожи, чтобы снизить влияние поляризационных эффектов, применяют пористые электроды с хорошо развитой поверхностью, токи повышенной частоты и уменьшают плотность электродного тока. Желательно также, чтобы ЭДС поляризации материала электрода была мала по сравнению с ЭДС источника переменного тока, а удельная электропроводность среды между кожей и электродом - во много раз больше удельной электропроводности участка кожи, с которым осуществляется контакт. При соблюдении этих условий случайные изменения ЭДС поляризации и концентрации электролита (за счет функций кожи) оказывают незначительное влияние на измеряемую величину.

Размещено на Allbest.ru