1 Электроды для биомедицинских измерений

 

1.1 Цель работы

1 Изучить принцип работы, характеристики, конструкции иособенности применения электродов для биомедицинских измерений.

2 Получить практические навыки экспериментального измеренияи анализа характеристик биомедицинских измерительных электродов.

 

1.2 Теоретические сведения

При проведении электрофизиологических исследований для съема биоэлектрических сигналов, характеризующих происходящие в организме или биообъекте процессы, широко используют биомедицинские электроды, от правильного выбора и применения которых в значительной степени зависят точность и объем получаемой физиологической информации.

Электрофизиологические параметры обычно отводят с помощью электродов монополярным или 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.

 

1.2.1 Требования к биомедицинским электродам:

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 надежного и удобного крепления;

5)  отсутствие поляризации, высокая помехоустойчивость к специфическим помехам;

6)  легкость 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. Чтобы избежать по­ломки при интенсивной мышечной работе, электроды и подходящие к ним провода должны быть достаточно мягкими и гибкими. Конструкция электродов должна предусматривать возможность надежного и удобного крепления. Этими требованиями объясняется разнообразие конструкций электродов.

 

1.2.2 Классификация биомедицинских электродов

По особенностям применения можно выделить четыре группы электродов: 1) для кратковременного 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 наличия 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 о 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.

По склонности к поляризации электроды делятся на поляризую­щиеся, слабополяризующиеся и неполяризующиеся. Биомедицинские электроды также классифицируют по форме, материалу активного слоя, способу крепления, поляризуемости и другим признакам. Кроме электрофизиологических измерений, в медицинской практике электро­ды широко 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 съема биоэлектрических потенциалов".

 

1.2.3 Структура и особенности контакта "электрод-кожа"

Общим требованием, предъявляемым к поверхностным электродам, является требование уменьшения переходного сопротивления элект­род-кожа, целиком определяющего погрешность импеданса. Значение этого сопротивления зависит от типа материала электрода, свойств кожи, площади ее соприкосновения с электродом, от свойств межконтактного слоя между электродом и кожей. В общем случае структуру участка контакта электрода с кожей можно представив в виде, изображенном на рисунке 1.1. Между кожей и электродом размещен тонкий слой электролита, возникающий естественно (выделения потовых желез) или вносимый при наложении электрода (токопроводящие пас­ты, физиологический раствор).

Рисунок 1.1 Структура контакта электрод - кожа

Рисунок 1.2 – Кривая поляризации контакта электрод - кожа

Рисунок 1.3 – Эквивалентная схема кожно – электродного контакта

Рисунок 1.4 – Эквивалентная схема контакта кожа – металлический электрод

Ткани тела являются проводником второго рода, импеданс которого содержит активную и реактивную составляющие. Емкость тканей создается мембранами образующих ткани клеток и многочисленными поверхностями, разделяющими отдельные органы и структуры тела. Реактивная составляющая тока, протекающего по подкожным тканям, по крайней мере, на порядок меньше активной составляющей, и ею можно пренебречь. Емкость тканей кожи достигает 0,1 мкФ/см2, и ее необходимо учитывать,

Электрические свойства контакта "электрод-кожа" определяются в основном поляризационными свойствами поверхностей раздела с разными типами проводимостей - перехода "ткани тела-электролит" и переход "электролит-электрод". Типичная кривая поляризации E=f(j), где Е - разность потенциалов на переходе; j - плотность тока, приведена на рисунке 1.2. Она носит нелинейный характер, но при малых плотностях тока (до 10-15 мкА/см2) на ней можно выде­лить линейный начальный участок. На практике даже при максималь­ных амплитудах регистрируемых биоэлектрических сигналов  кожно-электродный импеданс можно считать линейным.

Поверхности разделов характеризует также равновесная разность потенциалов Е0, возникающая на переходе при отсутствии тока, которая определяется природой контактирующих сред. В зависимости от материала электрода, свойств электролита, температуры, способа обработки кожи значение ес, изменяется в пределах 0,1- 50 мВ. Поляризация электродов может сильно искажать форму регистрируемого сигнала, поэтому она крайне нежелательна. При регистрации биопо­тенциалов величина Е0 должна оставаться постоянной, поэтому для некоторых типов электродов необходимо применение специальных мер для стабилизации значения Е0. Разработаны и неполяризующиеся электроды. Регистрация биоэлектрических сигналов, где это возможно, осуществляется с помощью усилителей переменного тока, нижняя граничная частота которых составляет доли герц, поэтому в расчетах величиной Е0, если она постоянна, можно пренебречь.

 

1.2.4 Эквивалентная схема кожно- электродного контакта

Каждую поверхность раздела кожно- электродного контакта можно представить на электрической эквивалентной схеме сложной электрической цепью, содержащей сопротивления и емкости. Такую цепь можно пересчитать в простую параллельную RC-цепь и получить эквивалентные параметры Rк-э, и Ск-э. Эти параметры зависят от частоты тока.

Упрощенная эквивалентная электрическая схема кожно- электродного контакта приведена на рисунке 1.3. В неё включены уже указанные величины Rк-э, и Ск-э, а также сопротивление потерь Rc емкостной составляющей, эквивалентные параметры самого электрода Zэ и эквивалентное сопротивление подкожных тканей Rпк. Параметр Zэ (Rэ и Сэ) определяется конструкцией и материалом электродов.

 

1.2.5 Электроды

Наиболее распространенным типом электродов для съема биопотенциалов являются металлические электроды. В качестве материалов для их изготовления применяются золото, серебро, платина, палладий, нержавеющая сталь, иридиевые сплавы и другие металлы, сплавы и соединения, полученные прессованием, электролитическим хромированием и т. д.

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.

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 1.4.

Наиболее широко используемыми металлическими электродами для съема биопотенциалов с поверхности тела являются металлические пластинки круглой или овальной формы из нержавеющей стали площадью до 20 см2, неполяризующиеся электроды из хлорированного серебра, электроды-присоски, снабженные резиновым баллончиком, который дает возможность просто и достаточно надежно укрепить электрод в нужной точке тела, и ряд специальных электродов. Среди электродов специальной конструкции следует отметить поверхностные слабополяризующиеся электроды типов ЭПСК (электрокардиографические), ЭПСМ (электромиографические), ЭПСЭ (электроэнцефалографические), которые предназначены для съема биоэлектрических сигналов при длительном наблюдении за состоянием тяжелобольных и больных во время операций, при биотелеметрии труда и спортивных нагрузок. Электроды типов ЭПСК и ЭПСМ состоят из нескольких собственно электродов. Каждый такой электрод состоит из рабочего хлоросеребряного элемента, запрессованного в пластмассовый корпус ив полистирола марки ПСМ, и имеет полость для электродной пасты (рисунок 1.5). Электроды типов ЭПСК и ШСМ укрепляют к биообъекту с помощью клейких колец. Конструкция электродов типа ЭПСЭ отличается наличием паза, который служит для фиксации электродов посредством энцефалографического шлема в соответствующих зонах головы (рисунок 1.6). Для регистрации ЭМГ также применяют игольчатые электроды.

 

1.2.6 Емкостные электроды

Основным преимуществом емкостных электродов является от­сутствие контактных и поляризационных потенциалов, возникающих при использовании металлических электродов.

Емкостный электрод представляет собой металлическую пластин­ку, покрытую тонким слоем диэлектрика. Первые емкостные электроды (появились в 1987 г.) были выполнены из анодированного алюминия и обладали сопротивлением более 4000 Мом и емкостью около 5000 пФ при верхней граничной частоте, равной 30 Гц. Однако электроды из анодированного

1-      корпус; 2 – маркировочная крышка; 3 – хлоросеребряный рабочий элемент; 4 – полость для электропроводящей пасты

Рисунок 1.5 – электроды типа ЭПСК и ЭПСМ для длительного съёма электрокардио- и электромиографических сигналов

1        - корпус; 2 – паз; 3 – провод отведения

Рисунок 1.6 – Внешний вид электрода типа ЭПСЭ для длительного съёма электроэнцефалографических сигналов

1 – крышка- экран; 2 – диэлектрическое основание; 3 – металлическая пластина; 4 – диэлектрическая плёнка

Рисунок 1.7 – Схематичная конструкция емкостного электрода с истоковым повторителем

Рисунок 1.8 – Эквивалентная схема контакта кожа – емкостной электрод

Рисунок 1.9 – Эквивалентная схема контакта кожа – резистивно – емкостной электрод

 

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 ив двуокиси кремния обеспечивает высокую химическую устойчивость диэлектрической пленки. При активной площади электрода 0,5 см2 и толщине диэлектрической пленки 1 мкм емкость его составляет около 0,015 мкФ. На рисунке 1.7 изображена конструкция емкостного электрода с электродным потоковым повторителем.

Эквивалентная электрическая схема кожно-электродного импеданса для емкостных электродов представлена на рисунке 1.8.

Полное кожно-электродное сопротивление для емкостных элект­родов быстро возрастает с уменьшением частоты, а это при измерении потенциалов на инфранизких частотах приводит к недопустимо большим погрешностям.

 

1.2.7 Резистивно-емкостные электроды

Резистивно-емкостные электроды отличаются от емкостных электродов небольшой проводимостью диэлектрика, образующего емкость. Эквивалентная электрическая схема кожно-электродного импеданса для резистивно-емкостных электродов представлена на рисунке 1.9. 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.

В инфранизкочастотной области спектра модуль кожно-электродного сопротивления резистивно-емкостного электрода является практически постоянным, а, начиная с некоторой частоты, значение которой зависит от параметров электрода, резистивно-емкостной электрод становится эквивалентным емкостному.

 

1.3 Измерение характеристик биомедицинских электродов

Основными характеристиками биомедицинских измерительных электродов являются номинальное значение потенциала электрода Е0, отклонение потенциала электрода Е от номинального значения, временная нестабильность потенциала электрода, температурный коэффициент потенциала электрода, электрическое сопротивление электрода на постоянном токе и в зависимости от частоты тока.

Измерение указанных параметров электродов следует проводить в соответствии с указаниями ГОСТ 16286-84 и методики проверки МИ 1772-87.

Электродный потенциал отдельно взятого электрода измерить нельзя. Стандартные электродные потенциалы различных электродов, указываемые в справочниках, приводятся по отношению к стандартному водородному электроду при стандартных условиях измерения. Стандартный водородный электрод представляет собой платинированный платиновый электрод, погруженный в раствор с концентрацией ионов водорода 1 моль/дм3, через который пробулькивается водород под давлением 1 атм. Электродный потенциал водородного электрода условно принят равным нулю при любой температуре. Водородный электрод неудобен для практического использования. Поэтому изме­рение потенциала электрода, его отклонения от номинального значения, временной нестабильности и ТК потенциала проводится путем сравнения с образцовым электродом более высокого разряда. В качестве такового, например, может служить электрод типа ЭХСВ-1 (электрод хлоросеребряный выносной, ТУ 25-05.1496-78).

Принцип измерения потенциала, его отклонений и изменений заключается в измерении разности потенциалов, возникающей в последовательной цепи встречно включенных образцового и проверяемого электродов (рисунок 1.10). Электроды погружаются в ячейки с электро­литом заданной концентрации (обычно насыщенный раствор КС1) и соединяются электролитическим ключом (мостом).

1.3.1. Потенциал электрода при номинальных условиях определяется по формуле:

                                                 E0=(Eобр+Eотн)                                          (1.1)

где Eобр - потенциал образцового электрода при 20°С; Еотн - потенциал электрода относительно образцового при 20°С.

Определяется потенциал электрода в насыщенном при Т=20°С растворе КСl при Т=20°±0.5°С относительно образцового электрода сравнения 2-го разряда по ГОСТ 17792-72, находящегося при той же температуре. Образцовый электрод можно применять без термостати-рования, учитывая его температурный коэффициент потенциала.

Допускается определение потенциала электрода производить при одной из температур в пределах от 15° до 20°С.

Потенциал электрода, приведенного к 20°С, относительно образцового рассчитывается по формуле

                                                 Еотн= Еt + 0,2 ( t-tобр )                                (1.2)

где Еt - потенциал электрода при температуре t (°С) относительно образцового электрода сравнения; t - температура электрода; tобр – температура образцового электрода сравнения. Допускается электро­литический ключ образцового электрода погружать непосредственно в полость электрода.

1.3.2. Отклонение потенциала от номинального значения равно:

                                                 Е=Е0-Еном,                                              (1.3)

где Еном - номинальное значение потенциала электрода при 20°С.

1.3.3. Нестабильность потенциала электрода определяется измерением потенциала (по методике п. 1.3.1) в течение 8 часов каждый час (температура должна быть в пределах 15-25°С и поддерживаться с точностью 0.2°С)

Нестабильность потенциала равняется максимальному отклонению от среднеквадратичного значения.

1.3.4. Температурный коэффициент потенциала определяется измерением потенциала (по методу п. 1.3.1) при двух температурах 5°С и 60°С и вычислением по формуле:

                                                 Е=(Е60-Е5)/55                                         (1.4)

где Е60, Е5 - потенциалы электрода при температурах соответственно 60 и 5 °С.

1.3.5. Электрическое сопротивление определяется при Т=20°±5°С омметром с рабочим напряжением 15В.

Один вывод омметра присоединяется к выводам электрода, а второй к серебряной проволоке диаметром от 0.3 до 1 мм, погруженной в полость электрода, заполненного насыщенным раствором КСl. Измерение сопротивления производится два раза попеременно с изме­нением полярности. За результат принимают среднеарифметическое значение двух измерений.

Допускается электрическое сопротивление измерять кондукто-метрическим методом с частотой питания измерительного моста от 100 до 2000 Гц. К одному из зажимов кондуктометра присоединяется вывод электрода, а к другому через С = 2-4 мкф - серебряная проволока диаметром 0.5 мм, погруженная в полость электрода, заполненную насыщенным раствором КСl.

1- электролитические ячейки с насыщенным рас­твором КС1; 2- электролитический ключ с насы­щенным раствором КО; 3- образцовый электрод сравнения; 4- проверяемый электрод; 5- милливольтметр

Рисунок 1.10 – Схема измерения потенциала электрода

1 – источник постоянного напряжения; 2 – генератор сигнала; 3 – пара исследуемых электродов; V - вольтметр

Рисунок 1.11 – Схема измерения частотной зависимости сопротивления и характеристики поляризации электродов

 

1.4 Используемые образцы и приборы

Типы электродов, используемых при практических исследованиях, указаны на прилагаемом к лабораторному макету планшете.

Для измерения электродных потенциалов исследуемый электрод включается последовательно с электродом сравнения, в качестве которого в работе используется хлоросеребряный выносной электрод типа ЭХСВ-1, и с помощью милливольтметра измеряется разность электродных потенциалов. (В качестве электролитической ячейки, соединяющей электроды, допускается использовать прокладку, смоченную насыщенным раствором КСl). Для расчета потенциала электрода, его отклонения от номинального, нестабильности и температурного коэффициента следует использовать приведенные выше формулы.

Для снятия частотной зависимости модуля комплексного сопротивления электродов пары однотипных исследуемых электродов включаются согласно схеме, представленной на рисунке 1.11. (При измерении на постоянном токе (нулевой частоте) вместо генератора сигнала используется источник постоянного напряжения). Электроды соединяются посредством пасты или раствора электролита в соответствии с указаниями по их применению в паспорте. С помощью переклю­чателя устанавливается такой ток через электроды, при котором обеспечивается необходимая точность и диапазон измерений. Искомое значение сопротивления Rэ-э рассчитывается по установленному току и намеренному падению напряжения на электродах:

                                                 Rэ-э=Uэ-э/Iэ=Rп Uэ-э/(Uг -Uэ-э)                     (1.5)

где Uэ-э - падение напряжения на электродах, Uг - напряжение на выходе генератора или источника постоянного напряжения, Iэ - ток, протекающий через электроды, Rп - сопротивление, включенное пос­ледовательно с электродами.

Исследование характеристики поляризации электродов и их деполяризация производится с помощью той же схемы включения (рисунок 1.11) с использованием источника постоянного напряжения. Постоянный ток различной величины пропускают через электроды в течение времени, достаточного для завершения процессов поляризации (прекращается рост падения напряжения на электродах), фиксируя разность потенциалов, остающуюся на электродах после отключения от источника тока.

Деполяризация электродов производится путем пропускания через них тока, обратного по направлению остаточной гальванополяризационной ЭДС до достижения нулевого значения последней.

 

1.5 Порядок выполнения работы

         1 Измерить (с помощью милливольтметра) разностную гальвано-поляризационную ЭДС имеющихся пар однотипных электродов, соединенных последовательно посредством токопроводящей пасты или прокладки с физиологическим раствором.

2 Измерить потенциалы заданных электродов относительно образцового (ЭХСВ-1). Привести полученные значения к номинальным условиям.

3 Измерить электрическое сопротивление всех типов электродов в зависимости от частоты. Результаты представить в виде графиков. Определить параметры элементов эквивалентных схем исследованных электродов.

4 Произвести деполяризацию заданных электродов, пропуская через ячейку ток, обратный по полярности остаточной гальванополяризационной ЭДС, и добиваясь методом последовательного приближения нулевого значения этой ЭДС.

5 Измерить характеристику поляризации электродов, деполяри-зованных согласно пункту 4 (плотность тока рассчитывать с учетом реальной площади электродов).

6 Провести деполяризацию электродов, использованных при выполнении предыдущего пункта.

ПРИМЕЧАНИЕ. Перед выполнением работы уточнить задание и необходимые при измерениях исходные параметры у преподавателя.

 

1.8 Содержание отчета

1 Цель работы.

2 Краткие теоретические сведения.

3 Схемы измерений.

4 Результаты измерений и расчётов в виде числовых значений параметров, таблиц и графиков.

5 Выводы по полученным результатам.

Литература

 

1 Теория и проектирование диагностической электронно-меди­цинской аппаратуры: Учеб.пособие/ В.М. Ахутин и др.- Л.: ЛГУ,

2 Жуковский В.Д. Медицинские электронные системы. - М.: Медицина, 1976. - Э12с.

3 Бакалов В.П., Миррахимов М.М. Прикладные аспекты биотелеметрии. - Фрунзе: Илим, 1979. - 272 с.

4 ГОСТ 24878-81 (СТ СЭВ 2483-80). Электроды для съема биоэлектрических потенциалов. Термины и определения.- Введен о 01.07.81. - 13с.

5 ГОСТ 16286-84. Электроды вспомогательные промышленные.Общие технические условия.

6 ТУ 26-06.1496-78. Электрод хлоросеребряный выносной ЭХСВ-1.

7 МИ 1772-87. ГСИ. Электроды вспомогательные для потенциометрических измерений. Методика проверки.

8 ГОСТ 17792-72. Электрод сравнения хлоросеребряный насыщеный  2-го разряда.