1、2.4 電極（ Electrode）,電極用來(lái)導(dǎo)出人體電生理信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)離子流電子流的轉(zhuǎn)換。 電極必須直接或間接地與人體接觸，使測(cè)量系統(tǒng)與人體間可能存在相互作用，影響測(cè)量的正確性和可靠性，造成誤差。 不同類型的電極特性也不盡相同。電極連到放大器時(shí)，電學(xué)特性（如阻抗等）要匹配。為此，必須對(duì)它們的物理、化學(xué)、電學(xué)特性及其對(duì)生物組織的可能影響有清楚了解，才能實(shí)現(xiàn)電生理信號(hào)的正確檢測(cè)。,1 電極電位,測(cè)量時(shí)要用一對(duì)電極，它們可能放置在體表或皮下。 電極總是要與各類電解質(zhì)溶液接觸，包括汗水，組織液，電極膏（ECG, EEG 電極專用的電極膏）或者生理鹽水等。 于是形成一個(gè)金屬電解質(zhì)溶液界面，在電極和電解

2、質(zhì)溶液界面之間便會(huì)存在電位差。,金屬-水界面,金屬中的電子會(huì)在整齊排列成晶格的金屬離子間運(yùn)動(dòng)。因此，把一片金屬（如Ag）浸入水中，發(fā)生水化作用，一部分金屬離子會(huì)進(jìn)入水中，使金屬表面帶負(fù)電，溶液帶+電。（溶解過(guò)程） 由于相互吸引，+離子聚集于電極表面附近，甚至跑回金屬晶格中，并阻止更多的金屬+離子進(jìn)入溶液。（沉淀過(guò)程） 最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，并在表面形成一定的電位差。 M M+n + ne-,金屬-金屬鹽溶液界面,若金屬離子容易進(jìn)入溶液，即溶解 沉淀，金屬表面電勢(shì)負(fù)一些； 若金屬離子不容易進(jìn)入溶液，即沉淀 溶解，金屬表面可能帶+電。 同時(shí)，原來(lái)溶液中這種金屬離子的濃度對(duì)溶解過(guò)程起較大作用。 因此，金

3、屬材料和溶液中離子濃度決定界面上電位的大小。 雙電層結(jié)果會(huì)在金屬表面形成雙電層，表面附近是緊密層，之外為擴(kuò)散層。厚度在幾 m內(nèi)。,電極定義,電極由金屬浸在含該金屬離子的溶液中所構(gòu)成的體系成為電極。 電極電位金屬與溶液間的界面上存在的電位差。 測(cè)量時(shí)，電極電位串接在輸入回路中，影響測(cè)量的可靠性。 國(guó)際上取氫的電極電位為0，即標(biāo)準(zhǔn)電極電位，其余金屬電極電位與它比較而確定。,電極的極化,電極接入測(cè)量電路并通電后，電極電位會(huì)偏離原來(lái)的平衡值，稱為電極的極化。 由于電極的極化，電路中形成額外的電位，稱為過(guò)電位： = E(i) E(0) E(0)-平衡時(shí)的電極電位 E(i)-電路中電流密度為i時(shí)的電極電位

4、 過(guò)電位是電解質(zhì)本身的電阻、離子濃度在通電后的變化等影響的疊加。電極材料、電解液、電流密度都對(duì)過(guò)電位有影響。 Ag-AgCl電極的過(guò)電位很小。,電極的去極化,電極上流過(guò)電流時(shí)，不僅發(fā)生極化作用使電位值偏離，同時(shí)電極上也存在相反過(guò)程，即去極化作用。 一般，電子運(yùn)動(dòng)速度 電極反應(yīng)速度，極化 不極化。 若電流通過(guò)電極時(shí)，電極電位不變化，即極化去極化，這種電極稱為不極化電極。因Ag-AgCl電極的過(guò)電位很小，它是不極化電極。 由于電極電位是串接在測(cè)量電路中的，因此它的不穩(wěn)定會(huì)帶入明顯的測(cè)量誤差。所以要盡量使用不極化電極進(jìn)行測(cè)量。,2 電極的特性,在低頻或者直流使用時(shí)的等效電路： E靜止電極電勢(shì) R極化

5、電阻 Cd雙電層等效電容 要求小而穩(wěn)定的E，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致放大器飽和；不穩(wěn)定會(huì)引入漂移和噪聲。 要求小的R，因此電極面積不能太小。否則，流過(guò)的直流會(huì)在R上產(chǎn)生過(guò)電位，并使熱噪聲增大。,電極的交流特性: 交流條件下，等效電路中應(yīng)考慮進(jìn)多種因素的影響，如電化學(xué)反應(yīng)引起的等效阻抗，電解液的厚度引起的影響等。 因此，等效電路中要引入額外的電容和電阻，它們使得電極電解質(zhì)界面上的伏安特性為非線性的，使電極的特性與它檢測(cè)的信號(hào)的特性有直接關(guān)系，例如頻率特性、信號(hào)幅度等。,3 體表電極,基本要求：電極電勢(shì)穩(wěn)定，阻抗小，容易放置而不脫落，不易產(chǎn)生偽跡，可長(zhǎng)期檢測(cè)，無(wú)毒性，對(duì)人體刺激小。 使用時(shí)要涂導(dǎo)電膏，因此界面的

6、等效電路更加復(fù)雜：,如何使用體表電極,除電極特性外，皮膚阻抗特性也要考慮進(jìn)來(lái)。角質(zhì)層?。?0m）而且電阻率高（50100kcm-1) ，還會(huì)隨頻率變化。 若用砂紙打磨，去掉一些角質(zhì)層，Re會(huì)明顯減小。 若不用導(dǎo)電膏，Re能增大10倍，Ce會(huì)減小幾倍，使皮膚阻抗增大10倍以上。 若電極相對(duì)于電解質(zhì)慢運(yùn)動(dòng)（呼吸，體育運(yùn)動(dòng)等），會(huì)攪亂界面上的電荷分布，在測(cè)量信號(hào)中出現(xiàn)慢變的偽跡?？捎貌粯O化電極和砂紙打磨來(lái)減小偽跡。,常用體表電極,1）金屬板電極 臨床中常用銀鎳合金、鍍銀鋼板電極和Ag-AgCl電極，測(cè)量ECG； 不銹鋼、鉑、鍍銀的圓盤狀、長(zhǎng)方形電極測(cè)量EMG，EEG。 2）柔性電極 為適應(yīng)體表各種形

7、狀，用銀絲編織而成，貼在膠布上使用，特別適用于早產(chǎn)新生兒的ECG監(jiān)護(hù)。有的產(chǎn)品能允許透過(guò)X光。,3）浮式電極 用導(dǎo)電膏充填在電極與皮膚之間，使電極不直接與皮膚接觸，不易出現(xiàn)電極在皮膚上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；導(dǎo)電膏不失水，能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定。,4）干電極 導(dǎo)電膏的缺點(diǎn)是時(shí)間長(zhǎng)了容易干，若鹽分過(guò)高會(huì)引起皮炎。干電極不用導(dǎo)電膏?？梢詫⒏咻斎胱杩狗糯笃鞣胖迷陔姌O內(nèi)。 5）絕緣電極 在金屬板上制作絕緣薄膜，用其電容進(jìn)行交流耦合，拾取信號(hào)中的交變分量，不用導(dǎo)電膏。,6）一次性電極 目前很多醫(yī)院采用一次性電極記ECG。 右邊是一種用離子傳導(dǎo)性聚醚系粘膠劑代替導(dǎo)電膏的一次性體表電極。它粘著性能好，沒(méi)有鹽分析出，顯著減小基線

8、漂移和噪聲。,4 體內(nèi)電極,插入體內(nèi)，有細(xì)胞外液存在，不用導(dǎo)電膏，但要求材料的生物相容性好，安全。Ag-AgCl材料不適用，會(huì)與含蛋白質(zhì)的溶液發(fā)生反應(yīng)。,AB-針電極：測(cè)量EMG，用不銹鋼制作。 C-絲電極：用注射針將它插到待測(cè)部位，慢慢抽出針管，使它能長(zhǎng)期留在體內(nèi)。將倒鉤拉直后即可取出。可能會(huì)移位，折斷等。 D-螺線管電極：能克服絲電極的缺點(diǎn).,5 微電極,用途：檢測(cè)單個(gè)細(xì)胞的電位，尺寸 0.0510m。 1）金屬微電極 在不銹鋼、鉑等金屬上噴涂聚氯乙稀等聚合物或玻璃層，裸露出金屬尖。 由于有金屬絕緣層電解質(zhì)界面存在，其等效電路中界面電容Cs較顯著，與后面的放大器構(gòu)成高通濾波器，影響系統(tǒng)的低

9、頻特性。 因此，金屬微電極主要用于高頻信號(hào)的檢測(cè)，或者做刺激器用。 為同時(shí)測(cè)量神經(jīng)纖維中多根神經(jīng)纖維的電位，發(fā)展了有10個(gè)測(cè)量點(diǎn)的多重微電極，用半導(dǎo)體工藝制作。,2）玻璃微電極 將毛細(xì)玻璃管熱拉后充填膏導(dǎo)電率溶液（如KCl），在內(nèi)腔中放置電極絲作引線。其尖端1m。 由于導(dǎo)電液的電阻很高，玻璃微電極的內(nèi)阻極高, 達(dá)50-100M甚至更高，對(duì)放大器要求很高，尤其輸入阻抗要大。 增大充填液濃度能減小電極阻抗，但是高濃度溶液會(huì)向周圍組織液擴(kuò)散泄漏，產(chǎn)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生不良影響。 玻璃電極與放大器構(gòu)成低通濾波器，高頻響應(yīng)較差，所以主要用來(lái)檢測(cè)細(xì)胞電位。,3）膜片鉗技術(shù)（Path Clamp) 為減小阻抗又不

10、引起充填液泄漏而發(fā)明的微電極技術(shù),發(fā)明人Neher和Sakmann（1976-1981年）。 該技術(shù)能夠鉗住一小片膜，以記錄單個(gè)通道的離子電流。 因此,主要用來(lái)觀察細(xì)胞膜單個(gè)離子通道開(kāi)、閉時(shí)的通道電流變化。 1991年，Neher和Sakmann的膜片鉗技術(shù)榮獲諾貝爾醫(yī)學(xué)/生理學(xué)獎(jiǎng)。,Erwin Neher Federal Republic of Germany Max-Planck-Institut fr Biophysikalische Chemie, Goettingen, Federal Republic of Germany b. 1944,Bert Sakmann Federal

11、Republic of Germany Max-Planck-Institut fr medizinische Forschung, Heidelberg, Federal Republic of Germany b. 1942,玻璃電極經(jīng)熱拋光，有光滑的尖端, 與細(xì)胞面接觸后，對(duì)電極內(nèi)加負(fù)壓，使細(xì)胞膜與電極緊密封閉，封閉電阻達(dá)1G?？捎蒙睇}水充填，泄漏很小，噪聲降低一個(gè)量級(jí)。,膜片鉗技術(shù)能對(duì)單個(gè)離子通道在各種電位狀態(tài)下所產(chǎn)生電流的離子作出定性、定量的分析，是研究通道的直接測(cè)定方法，為研究離子通道結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系提供了新方法。,例如，用膜片鉗技術(shù)研究的結(jié)果說(shuō)明：膜電導(dǎo)變化的實(shí)質(zhì)是膜上離子通道隨

12、機(jī)開(kāi)放和關(guān)閉的總和效應(yīng),簡(jiǎn)化后的玻璃微電極等效電路 Emp 細(xì)胞膜電位 Ej 液體-液體界面產(chǎn)生的電勢(shì) Ea電極電位 Eb參考電極電位 Et尖端電位 Cd電極內(nèi)液與細(xì)胞內(nèi)外液間的分布電容，約幾十ppf Rt微電極的尖端電解質(zhì)電阻，很大，如用KCl灌注的玻璃微電極，其Rt=10-20M，其他等效電阻均可忽略,4)微電極放大器,問(wèn)題：分布電容影響、電極引線的屏蔽、放大器輸入電容等，會(huì)使微電極的有效電容增大，它與電極阻抗Rt一起形成很大的時(shí)間常數(shù)，呈現(xiàn)一種低通濾波效果，使高端頻率特性變壞，快變的動(dòng)作電位失真。 辦法：采用負(fù)電容補(bǔ)償技術(shù)來(lái)改善瞬態(tài)響應(yīng)。用正反饋技術(shù)在輸入端構(gòu)成一個(gè)“負(fù)電容”，去中和輸入

13、電容，效果明顯?？赡軒?lái)的新問(wèn)題是穩(wěn)定性下降，噪聲有所提高。 結(jié)果：由于電極電容的分布性質(zhì)和放大器的有限頻帶，難于將輸入電容減小到1pf以下，但瞬態(tài)響應(yīng)能得到明顯改善，滿足大多數(shù)情況下的應(yīng)用。,同相比例放大器。 R1，R2對(duì)輸出電壓分壓，形成電壓負(fù)反饋，以提高放大器的穩(wěn)定度，增加輸入阻抗和展寬通頻帶。 Cf將輸出電壓Vo反饋回到+輸入端，因此構(gòu)成電壓正反饋。,負(fù)電容中和的原理,Rs源內(nèi)阻，C電極和引線分布電容，A放大器電壓增益,Ui=電容Cf上的壓降和輸出電壓Uo之和，即 即 這樣，放大器輸入端可被看成一個(gè)電容，等效電容為 Cin = (1-A)Cf 通常，A1，因此Cin為負(fù)值。 這時(shí)，考慮了分布電容之后的放大器的總輸入電容為 Cin=C + (1-A)Cf 當(dāng)Cf=C/(A-1)時(shí)，Cin=0，總輸入電容為0，放大器有理想的瞬態(tài)響應(yīng)！,實(shí)際上，難于達(dá)到很理想的補(bǔ)償，因?yàn)殡姌O電容的分布性質(zhì)以及放大器的頻帶是有限的，因此難于使輸入電容減小到1pf以下，但瞬態(tài)響應(yīng)還是能得到重要的改善，能夠滿足大多數(shù)