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1、2.4 电极（Electrode）,电极用来导出人体电生理信号，即实现离子流电子流的转换。电极必须直接或间接地与人体接触，使测量系统与人体间可能存在相互作用，影响测量的正确性和可靠性，造成误差。不同类型的电极特性也不尽相同。电极连到放大器时，电学特性（如阻抗等）要匹配。为此，必须对它们的物理、化学、电学特性及其对生物组织的可能影响有清楚了解，才能实现电生理信号的正确检测。,1 电极电位,测量时要用一对电极，它们可能放置在体表或皮下。电极总是要与各类电解质溶液接触，包括汗水，组织液，电极膏（ECG,EEG 电极专用的电极膏）或者生理盐水等。于是形成一个金属电解质溶液界面，在电极和电解质溶液界面之
2、间便会存在电位差。,金属-水界面,金属中的电子会在整齐排列成晶格的金属离子间运动。因此，把一片金属（如Ag）浸入水中，发生水化作用，一部分金属离子会进入水中，使金属表面带负电，溶液带+电。（溶解过程）由于相互吸引，+离子聚集于电极表面附近，甚至跑回金属晶格中，并阻止更多的金属+离子进入溶液。（沉淀过程）最后达到动态平衡，并在表面形成一定的电位差。M M+n+ne-,金属-金属盐溶液界面,若金属离子容易进入溶液，即溶解 沉淀，金属表面电势负一些；若金属离子不容易进入溶液，即沉淀 溶解，金属表面可能带+电。同时，原来溶液中这种金属离子的浓度对溶解过程起较大作用。因此，金属材料和溶液中离子浓度决定界
3、面上电位的大小。双电层结果会在金属表面形成双电层，表面附近是紧密层，之外为扩散层。厚度在几 m内。,电极定义,电极由金属浸在含该金属离子的溶液中所构成的体系成为电极。电极电位金属与溶液间的界面上存在的电位差。测量时，电极电位串接在输入回路中，影响测量的可靠性。国际上取氢的电极电位为0，即标准电极电位，其余金属电极电位与它比较而确定。,电极的极化,电极接入测量电路并通电后，电极电位会偏离原来的平衡值，称为电极的极化。由于电极的极化，电路中形成额外的电位，称为过电位：=E(i)E(0)E(0)-平衡时的电极电位 E(i)-电路中电流密度为i时的电极电位过电位是电解质本身的电阻、离子浓度在通电后的变
4、化等影响的叠加。电极材料、电解液、电流密度都对过电位有影响。Ag-AgCl电极的过电位很小。,电极的去极化,电极上流过电流时，不仅发生极化作用使电位值偏离，同时电极上也存在相反过程，即去极化作用。一般，电子运动速度 电极反应速度，极化 不极化。若电流通过电极时，电极电位不变化，即极化去极化，这种电极称为不极化电极。因Ag-AgCl电极的过电位很小，它是不极化电极。由于电极电位是串接在测量电路中的，因此它的不稳定会带入明显的测量误差。所以要尽量使用不极化电极进行测量。,2 电极的特性,在低频或者直流使用时的等效电路：E静止电极电势 R极化电阻 Cd双电层等效电容要求小而稳定的E，过大会导致放大器
5、饱和；不稳定会引入漂移和噪声。要求小的R，因此电极面积不能太小。否则，流过的直流会在R上产生过电位，并使热噪声增大。,电极的交流特性:交流条件下，等效电路中应考虑进多种因素的影响，如电化学反应引起的等效阻抗，电解液的厚度引起的影响等。因此，等效电路中要引入额外的电容和电阻，它们使得电极电解质界面上的伏安特性为非线性的，使电极的特性与它检测的信号的特性有直接关系，例如频率特性、信号幅度等。,3 体表电极,基本要求：电极电势稳定，阻抗小，容易放置而不脱落，不易产生伪迹，可长期检测，无毒性，对人体刺激小。使用时要涂导电膏，因此界面的等效电路更加复杂：,如何使用体表电极,除电极特性外，皮肤阻抗特性也要
6、考虑进来。角质层薄（40m）而且电阻率高（50100kcm-1)，还会随频率变化。若用砂纸打磨，去掉一些角质层，Re会明显减小。若不用导电膏，Re能增大10倍，Ce会减小几倍，使皮肤阻抗增大10倍以上。若电极相对于电解质慢运动（呼吸，体育运动等），会搅乱界面上的电荷分布，在测量信号中出现慢变的伪迹。可用不极化电极和砂纸打磨来减小伪迹。,常用体表电极,1）金属板电极临床中常用银镍合金、镀银钢板电极和Ag-AgCl电极，测量ECG；不锈钢、铂、镀银的圆盘状、长方形电极测量EMG，EEG。2）柔性电极为适应体表各种形状，用银丝编织而成，贴在胶布上使用，特别适用于早产新生儿的ECG监护。有的产品能允许
7、透过X光。,3）浮式电极用导电膏充填在电极与皮肤之间，使电极不直接与皮肤接触，不易出现电极在皮肤上的相对运动；导电膏不失水，能长期保持稳定。,4）干电极导电膏的缺点是时间长了容易干，若盐分过高会引起皮炎。干电极不用导电膏。可以将高输入阻抗放大器放置在电极内。5）绝缘电极在金属板上制作绝缘薄膜，用其电容进行交流耦合，拾取信号中的交变分量，不用导电膏。,6）一次性电极目前很多医院采用一次性电极记ECG。右边是一种用离子传导性聚醚系粘胶剂代替导电膏的一次性体表电极。它粘着性能好，没有盐分析出，显著减小基线漂移和噪声。,4 体内电极,插入体内，有细胞外液存在，不用导电膏，但要求材料的生物相容性好，安全
8、。Ag-AgCl材料不适用，会与含蛋白质的溶液发生反应。,AB-针电极：测量EMG，用不锈钢制作。C-丝电极：用注射针将它插到待测部位，慢慢抽出针管，使它能长期留在体内。将倒钩拉直后即可取出。可能会移位，折断等。D-螺线管电极：能克服丝电极的缺点.,5 微电极,用途：检测单个细胞的电位，尺寸 0.0510m。1）金属微电极在不锈钢、铂等金属上喷涂聚氯乙稀等聚合物或玻璃层，裸露出金属尖。由于有金属绝缘层电解质界面存在，其等效电路中界面电容Cs较显著，与后面的放大器构成高通滤波器，影响系统的低频特性。因此，金属微电极主要用于高频信号的检测，或者做刺激器用。为同时测量神经纤维中多根神经纤维的电位，发
9、展了有10个测量点的多重微电极，用半导体工艺制作。,2）玻璃微电极将毛细玻璃管热拉后充填膏导电率溶液（如KCl），在内腔中放置电极丝作引线。其尖端1m。由于导电液的电阻很高，玻璃微电极的内阻极高,达50-100M甚至更高，对放大器要求很高，尤其输入阻抗要大。增大充填液浓度能减小电极阻抗，但是高浓度溶液会向周围组织液扩散泄漏，产对测量结果产生不良影响。玻璃电极与放大器构成低通滤波器，高频响应较差，所以主要用来检测细胞电位。,3）膜片钳技术（Path Clamp)为减小阻抗又不引起充填液泄漏而发明的微电极技术,发明人Neher和Sakmann（1976-1981年）。该技术能够钳住一小片膜，以记录
10、单个通道的离子电流。因此,主要用来观察细胞膜单个离子通道开、闭时的通道电流变化。1991年，Neher和Sakmann的膜片钳技术荣获诺贝尔医学/生理学奖。,Erwin Neher Federal Republic of Germany Max-Planck-Institut fr Biophysikalische Chemie,Goettingen,Federal Republic of Germany b.1944,Bert Sakmann Federal Republic of Germany Max-Planck-Institut fr medizinische Forschung,H
11、eidelberg,Federal Republic of Germany b.1942,玻璃电极经热抛光，有光滑的尖端,与细胞面接触后，对电极内加负压，使细胞膜与电极紧密封闭，封闭电阻达1G。可用生理盐水充填，泄漏很小，噪声降低一个量级。,膜片钳技术能对单个离子通道在各种电位状态下所产生电流的离子作出定性、定量的分析，是研究通道的直接测定方法，为研究离子通道结构与功能关系提供了新方法。,例如，用膜片钳技术研究的结果说明：膜电导变化的实质是膜上离子通道随机开放和关闭的总和效应,简化后的玻璃微电极等效电路Emp 细胞膜电位 Ej 液体-液体界面产生的电势Ea电极电位 Eb参考电极电位 Et尖端电
12、位Cd电极内液与细胞内外液间的分布电容，约几十ppfRt微电极的尖端电解质电阻，很大，如用KCl灌注的玻璃微电极，其Rt=10-20M，其他等效电阻均可忽略,4)微电极放大器,问题：分布电容影响、电极引线的屏蔽、放大器输入电容等，会使微电极的有效电容增大，它与电极阻抗Rt一起形成很大的时间常数，呈现一种低通滤波效果，使高端频率特性变坏，快变的动作电位失真。办法：采用负电容补偿技术来改善瞬态响应。用正反馈技术在输入端构成一个“负电容”，去中和输入电容，效果明显。可能带来的新问题是稳定性下降，噪声有所提高。结果：由于电极电容的分布性质和放大器的有限频带，难于将输入电容减小到1pf以下，但瞬态响应能
13、得到明显改善，满足大多数情况下的应用。,同相比例放大器。R1，R2对输出电压分压，形成电压负反馈，以提高放大器的稳定度，增加输入阻抗和展宽通频带。Cf将输出电压Vo反馈回到+输入端，因此构成电压正反馈。,负电容中和的原理,Rs源内阻，C电极和引线分布电容，A放大器电压增益,Ui=电容Cf上的压降和输出电压Uo之和，即即这样，放大器输入端可被看成一个电容，等效电容为 Cin=(1-A)Cf 通常，A1，因此Cin为负值。这时，考虑了分布电容之后的放大器的总输入电容为 Cin=C+(1-A)Cf 当Cf=C/(A-1)时，Cin=0，总输入电容为0，放大器有理想的瞬态响应！,实际上，难于达到很理想的补偿，因为电极电容的分布性质以及放大器的频带是有限的，因此难于使输入电容减小到1pf以下，但瞬态响应还是能得到重要的改善，能够满足大多数情况下的应用。R调节反馈量的电位器，实际应用时，调节反馈量是关键，反馈量太大容易引起振荡，太小则会使信号失真。调整方法：在无关电极与地之间接入一个三角波，调节反馈电位器R，当输出为一个最佳的方波时，电容的补偿状态最好。玻璃微电极的阻抗高达10-200M，因此选择放大器时，要求其输入阻抗比微电极阻抗高2个数量级，才能使系统达到1%的精度。提高放大器的输入阻抗，减小输入电流，还可以避免被测电流对组织引起不必要的兴奋。,
