生物医学电极

1、生物医学电子学(第一章) 医用电极ElectrodesProbes22021/3/17Review2.2.ECGECG、EEGEEG信号如何产生信号如何产生? ? 心肌细胞自律性兴奋心肌细胞自律性兴奋; ;脑神经元的电活动脑神经元的电活动 1.1.生物组织的电特性生物组织的电特性; ; 静息电位静息电位, ,动作电位动作电位, ,电阻抗特性电阻抗特性32021/3/17ECG和和EEG信号的幅度及频率范围？信号的幅度及频率范围？10uV-4mV(typ.1mV)10uV-4mV(typ.1mV)0.05-100Hz10uV-300uV10uV-300uV0.5-100HzECGEEG生物电信号

2、检测仪器原理框图？生物电信号检测仪器原理框图？42021/3/17信信号号预预处处理理记记录录显显示示信信号号处处理理诱诱发发自自发发信信号号采采集集数据数据传输传输反馈反馈/控制控制刺激刺激/激励激励52021/3/17电电 信信 号号非电信号非电信号生物电极生物电极传传 感感 器器信号类型拾取装置检 测电路Simplified Diagram 62021/3/17非电量的测量需要借助传感器将之转为电信号希望大家认真学好这三门课程希望大家认真学好这三门课程 ！首先是生物医学电子学首先是生物医学电子学 ！工具及方法?生物电极的作用、生物电极的作用、如何工作、特点？如何工作、特点？72021/3

3、/17一、生物电信号检测用电极一、生物电信号检测用电极作用: 把体内的把体内的离子导电的离子导电的位移电流位移电流变换为检测输入变换为检测输入电路中的电路中的电子导电的电子导电的传导电流传导电流，是传感器中的一种。，是传感器中的一种。引导电极引导电极作为放大器输入回路的一部分，它的特作为放大器输入回路的一部分，它的特性将影响其噪声、共模抑制能力以及频率失真等。性将影响其噪声、共模抑制能力以及频率失真等。+-Na+K+Cl-Ca2+e82021/3/17由金属浸在电解质溶液中所构成的体系1.电极系统组成电极系统组成引导电极：经过一定处理的金属板、丝、网等电解质溶液：导电膏、人体汗液或者组织液电极

4、系统金属+电解质溶液界面金属浸入电解质溶液后发生的现象?92021/3/17金属金属离子电子溶解沉积+ 金属表面的离子与溶液中极性水分子相互吸引而发生水化作用。2.电极电位（半电池电位）电极电位（半电池电位） 金属离子进入溶液,电子留在表面。当金属的溶解速度和金属离子的沉积速度相等时,达到了动态平衡。此时界面上的电位差称为金属电极电位绝对值绝对值102021/3/17+-+-+双电层双电层M1M2KCl 盐桥“双电层模型双电层模型”在在一定温度一定温度下达到下达到“平衡平衡”, ,有两种可能有两种可能: :1. M1. M活泼性活泼性, ,或或/ /和和M Mn+n+(aq)(aq)浓度小浓度

5、小, , 金属失去电子溶解占优金属失去电子溶解占优, ,生成生成左边左边的的“双电层双电层”。2. M2. M活泼性活泼性，或，或/ /和和M Mn+ n+ (aq)(aq)浓度大，浓度大， M Mn+n+得到电子沉积得到电子沉积占优，生成占优，生成右边右边的的“双电层双电层”。112021/3/17金属和反应半电池电位E0（V）金属和反应半电池电位E0（V）AlAl3+3e1.706H22H+2e0.000ZnZn2+2e0.763Ag+ClAgCl+e+0.223FeFe2+2e0.409CuCu2+2e+0.522PbPb2+2e0.126AgAg+e+0.799表1-4 几种常用电极材

6、料在25时半电池电位E0绝对电极电位值无法测量,只能测相对值标准氢电极的电极电位为零。其它电极的电极电位通过与标准氢电极组成电池来确定122021/3/17半电池电位理解半电池电位理解电极反应电极反应:Zn极（负极极（负极,Cathode） e2ZnsZn2 sCue2aqCu2Cu极（正极极（正极,Anode）132021/3/173.电极的极化电极的极化电极与溶液间的界面形成的双电层以及在有电电极与溶液间的界面形成的双电层以及在有电流通过时流通过时, ,电极电极-电解液界面电位发生的变化。电解液界面电位发生的变化。电极电极分类分类 高度极化电极不极化电极界面电位发生剧烈变化;界面电位只发生

7、微小变化;我们该如何选择?142021/3/17体表电位检测方式体表电位检测方式? ?生物电信号特点生物电信号特点? ?分析:频率低，有的接近直流检测两点之间的电位差表:电极电位的波动和漂移（一对电极在ECG导电膏中） 电 极 材 料电 位 波 动漂 移Ag-AgCl海绵0.2mV 0.07mV/hAg-AgCl圆盘（直径11mm）0.47mV1.88mV/hPb圆盘（直径11mm） 49mV3.7mV/hZn、ZnCl圆盘（直径11mm）15.3mV11.25mV/h 测试:152021/3/17电极的选择电极的选择：半电池电位小，极化电位小。：半电池电位小，极化电位小。AgAgCl电极相对

8、于生物组织有非常小而稳定的半电池电位，而且是一种不极化电极，所以常用作生物测量用电极。4.影响电极极化电压的其它因素影响电极极化电压的其它因素 电极在皮肤表面的移动 电极表面是否污染、磨损162021/3/171.1. 设计半电池电位小而且稳定的不极化电极、设计半电池电位小而且稳定的不极化电极、（Ag-AgClAg-AgCl电极是常用的），应注意的是不电极是常用的），应注意的是不能随意改变其工艺状态，如进行焊接，甚能随意改变其工艺状态，如进行焊接，甚至光损伤。至光损伤。2.2. 新电极的老化处理新电极的老化处理3.3. 保持电极电解液界面的稳定，减少移动保持电极电解液界面的稳定，减少移动172

9、021/3/17二、电极的电特性二、电极的电特性- +EFigure21.10 The electrode-tissue interface includes a series ohmic resistance Rs, a series capacitance C, and a Faradaic impedance Z. The capacitance represents a double layer that arises at the metal-electrolyte interface, whereas the Faradaic impedance includes several

10、physical and chemical processes that may occur.182021/3/17电极的阻抗特性电极的阻抗特性 等效电路的参数与电极材料有关。常用的体表不极化Ag-AgCl电极与纯银电极实测出的阻抗有很大不同。 202021/3/17心电检测电路中电极的等效电路心电检测电路中电极的等效电路+-Rt1Rt2RL1RL2E1Rs1Cs1E2Rs2Cs2+-212021/3/17由于极化电压与通过电极的电流大小有密切关系由于极化电压与通过电极的电流大小有密切关系,所以应所以应尽量提高放大器的输入阻抗尽量提高放大器的输入阻抗,使输入回路电使输入回路电流变小流变小,因此

11、要求放大器的输入阻抗要足够高因此要求放大器的输入阻抗要足够高,在在测量中基本不取人体电流。测量中基本不取人体电流。在用双电极提取人体两点间电位差时在用双电极提取人体两点间电位差时,尽量保持尽量保持两电极性能的对称两电极性能的对称,可以使极化电压互相抵消。可以使极化电压互相抵消。从电路设计上考虑从电路设计上考虑,使使电极电压与被测信号分离电极电压与被测信号分离电极及极化电位注意事项电极及极化电位注意事项 ( (二二) )222021/3/17ifRRA1C=1f 钽电容R=3.3M要求隔离要求隔离0.05Hz0.05Hz以下信号以下信号047. 0101103 . 3212166RCfh2320

12、21/3/171.1.宏电极宏电极: :常规体表电极常规体表电极三、电极的种类三、电极的种类(按尺寸分按尺寸分)1 1）ECGECG、EEGEEG、理疗电极等和体内电极、理疗电极等和体内电极( (如导丝）如导丝）2 2）Ag-AgClAg-AgCl材料制成不同形状材料制成不同形状3 3）导电膏、水凝胶做界面）导电膏、水凝胶做界面242021/3/17常用宏电极示意图常用宏电极示意图252021/3/17 主要用于单细胞或神经元等微小单元的电位主要用于单细胞或神经元等微小单元的电位, ,分为分为金属微电极金属微电极和填充电解液的和填充电解液的玻璃微电极玻璃微电极。微电。微电极的尖端为圆椎形极的尖

13、端为圆椎形, ,尺寸在尺寸在0.05-10m0.05-10m范围内。范围内。 微电极的等效电路相对比较复杂。微电极的等效电路相对比较复杂。2. 2. 微电极：微电极：检测细胞电位检测细胞电位262021/3/17ab272021/3/171）电桥测量）电桥测量2）恒流激励电压测量）恒流激励电压测量:2电极和电极和4电极电极3）应用）应用:呼吸阻抗法、脑血流图、心输出量、呼吸阻抗法、脑血流图、心输出量、电阻抗成像。电阻抗成像。282021/3/17（a a）阻抗电桥）阻抗电桥; ;（b b）二电极系统和四电极系统）二电极系统和四电极系统292021/3/17 人体呼吸运动时,胸壁肌肉交变弛张,胸

14、廓也交替变形,肌体组织的电阻抗也交替变化,变化量约为0.13，称为呼吸阻抗（肺阻抗）。 可见,呼吸阻抗与肺容量存在一定的关系,即肺阻抗随肺容量的增大而增大。因此,根据肺阻抗这一变化特征来实现阻抗式呼吸测量。 电极放置位置302021/3/17二电极系统和四电极系统312021/3/17激励+激励-测量+测量-测量+测量-激励-激励+322021/3/17实部实部虚部虚部332021/3/17颅骨阻抗频谱特性颅骨阻抗频谱特性（1Hz4MHz）342021/3/17Zdr-e1,Zdr-e2,Zme-e1,Zme-e2:Skin-electrodecontactresistorMeasuredObjectZb1Zb3Dr+Dr-VIN-VIN+Zdr-e2Zme-e2Zme-e1Zdr-e1Zb2 AMPElectrodesIAZINEITEIT检测简单示