ch03医用电极与生物电效应测量

医用电极与生物电效应测量教育部生物医学工程类专业教学指导委员会“十三五”规划教材生物医学传感与检测原理第三章01生物电效应概述我们的身体是由不同生物组织形成具有生理功能的器官和系统构成的，生物组织、器官、系统的生物活性和生理过程是生命活动的最重要表现。一方面，生理过程伴随着由细胞膜离子通道及其膜电位变化所引起的生物电活动；另一方面，生物组织作为一种特殊介质，与其他物理介质一样具有导电性能，内在生物电或外加电信号（电流、电压）也将在组织中进行传播。因此，生物体具有电生理活动、电信号耦合两种主要的生物电效应。生物电效应概述生物电的形成细胞水平的生物电现象主要有两种表现形式，即细胞在安静时具有的静息电位和细胞受到刺激时产生的动作电位，体内各种器官或组织所表现出各种形式的生物电现象，都可以根据这两种细胞电现象来解释。常见电生理信号心电图（electrocardiogram，ECG）指的是心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着心电图生物电的变化，通过心电描记仪从体表引出多种形式的电位变化的图形。生物电效应概述生物电效应概述动作电位的产生（如图3-1）。生物电效应概述心电图如图3-2所示。生物电效应概述脑电图（electroencephalogram，EEG）是通过脑电图描记仪将脑自身微弱的生物电放大记录成为一种曲线图，以帮助诊断疾病的一种现代辅助检查方法，如图3-3所示。脑电图主要用于颅内器质性病变（如癫痫、脑炎、脑血管疾病及颅内占位性病变等）的检查。脑电图极易受各种因素干扰，应注意识别和排除。生物电效应概述生物电效应概述肌电图是采用肌电检测系统记录肌肉静止或收缩时的电活动，并应用电刺激检查神经、肌肉兴奋及传导功能的方法，可以确定周围神经、神经元、神经肌肉接头及肌肉本身的功能状态，如图3-4所示。肌电图通过测定运动单位电位的时限、波幅，安静情况下有无自发的电活动，以及肌肉大力收缩的波形及波幅，可区别神经原性损害和肌原性损害，诊断脊髓前角急、慢性损害，神经根及周围神经病变；对神经嵌压性病变、神经炎、遗传代谢障碍神经病、各种肌肉病也有诊断价值。此外，肌电图还用于在各种疾病的治疗过程中追踪疾病的恢复过程及疗效。生物电效应概述02生物电信号的医用电极测量原理医用检测电极医用检测电极是应用最广泛的医用电极，从测量方式上可分为体表电极、植入电极两种不同类别。以下将介绍其工作的电化学原理，以及不同类型的医用检测电极及其主要特点。医用检测电极的电化学原理生物电位测量在生物医学基础研究和临床应用中发挥着重要作用，它通过电极把待测部位组织或细胞的电位引导到检测系统加以测定，因此，电极是连接测量系统和生物体的关键元件。医用检测电极将生物电化学活动形成的离子电流（电位）转化为电子测量系统的电子电流（电位），通过测量电极将生物组织和测量仪器形成闭合回路，在电极生物组织界面上实现离子电流到电子电流的转换或电子电流到离子电流的转换。医用检测电极医用检测电极图3-5所示是生物电信号检测的生物组织电极测量电路的电流回路示意图。不同类型的医用检测电极医用检测电极按尺寸大小可分为宏电极和微电极。其中，宏电极（macroelectrode）是指外形较大的电极，主要用于测量生物体较大组织范围生物电位，常用于检测记录机体器官、组织整体的电活动，又分为体表电极和体内电极；微电极（microelectrode）用于测量局部组织的细胞外电位变化，其尖端细小，包括金属微电极、玻璃微电极。医用检测电极浮式电极。常用体表电极干电极。金属板电极。吸附电极。柔性电极。医用检测电极医用检测电极图3-6、图3-7给出了两种常见体表电极的样式。医用检测电极浮式电极，如图3-8所示。医用检测电极一种心电检测用的绝缘干电极如图3-9所示。医用检测电极柔性电极如图3-10所示。医用检测电极根据形态的不同，针电极可以分为不同的种类，如图3-11所示。电极极化在工作状态下，电极总是与生物组织之间建立了直接或间接联系，与电极直接接触的是人体汗液、组织液或导电膏等电解质溶液，因而形成了一个电极电解质溶液界面，电极与电解质溶液发生着电化学过程。电极极化对生物电位测量的影响在生物电位测量时，由于电极极化的影响，电极所拾取的电位信息与真实的生物电位之间可能存在差异。电极生物组织界面电极生物组织界面图3-12可模拟电极与生物组织之间的导电介质，这里以银电极板代表检测电极。极化电极和非极化电极不同材料制成的电极其极化特性可能不同，电极因此也可分为极化电极和非极化电极。1）极化电极在给电极施加电压或通过电流时，电极电解质溶液的界面上无自由电荷通过、但有位移电流通过的电极，称为极化电极。2）非极化电极不需要能量，电流能自动通过电极电解质溶液界面的电极，被称为非极化电极。电极生物组织界面医用电极的测量电路电极阻抗特性在以电极和测量系统对生物电进行测量时，电极自身阻抗、生物组织阻抗、电极-电解质溶液界面等处的阻抗特性都将影响回路响应特性，进而成为影响生物电测量的重要环节。医用电极的测量电路电极前置放大电路在生物电测量回路中，生物组织、电极及二者之间的电解质溶液（导电膏、组织液等）可看成整个测量系统的信号输出端，为测量电路提供了“信号源”。医用电极的测量电路有源电极及其调理电路一种静电型绝缘干电极，因其借助绝缘层检测皮肤表面的电位，不需要用导电膏，所以被称为绝缘干电极或绝缘电极。微电极金属微电极是一种除尖端外，其余部分用绝缘材料涂敷的高强度金属细针（见图3-18）。微电极玻璃微电极常用玻璃毛细管拉制而成，其结构如图3-19所示。MEMS微电极阵列微电极阵列是利用微加工技术构建的将多个微电极集成在一起，用于实现对生物组织进行多点同时检测或多点同时刺激的微型器械，它在神经电生理、脑机接口、感觉/运动神经功能恢复、药物缓释、人工电子耳蜗、生物芯片中有广泛应用。微电极电极-皮肤界面和运动伪迹在皮肤表面记录生物电信号时，常用富含Cl的导电膏在电极和皮肤之间进行物理耦合，这时有两个界面需要考虑，一个是前面提到的电极电解质溶液界面，另一个是导电膏与皮肤组织之间的界面。当一个可极化电极与电解质溶液接触时，在界面上形成双电层；如果电极相对于电解质溶液运动，则会扰乱界面处的电荷分布，使得半电池电势产生瞬间变化，直到重新建立新的状态。生物电检测的干扰生物电检测的干扰市电工频干扰生物电测量中的市电工频干扰包括差模干扰和共模干扰两种，其主要来源有三个方面：①市电与电极导线之间杂散电容引入的干扰；②由于身体一部分与仪器外壳接触时形成的直接进入人体的干扰；③分压效应所形成的干扰。生物电检测的干扰经电极导线引入的工频干扰如图3-25所示。03医用电极的电生理信号检测心脏在每个心动周期中，起搏点、心房、心室相继兴奋都会伴随着生物电的变化。心电信号的产生是由于心脏周围组织和液体都能导电，无数心肌细胞动作电位变化的总和可以传导并反映到体表，进而在体表许多点之间形成电位差或等电位。心电信号（临床上常称为心电图）就是将这些电位差随着时间的变化记录下来。心电信号检测心电信号检测肢体导联I、II、III导联又称标准肢体导联，拾取的是体表心电在两肢体之间的电位差，肢体电极有左臂（LA）、右臂（RA）及左腿（LL）。但是标准肢体导联不能记录到单个电极处的电位变化。电极放置在远离心脏的肢体上，作为参考电极。心电信号检测胸导联探测心脏某一局部区域电位变化的过程，必须用单极导联系统，即一个电极安放在靠近心脏的胸壁处，称为探查电极，探查电极所在部位的电位变化即为心脏局部电位的变化，此时可以获得较大幅度的心电波形，有利于临床观察。胸前电极数目越多，就能获得越多的心电信息。头皮脑电EEG脑电（EEG）是指按照时间顺序，在头皮表层记录下的由大脑神经元自发性、节律性运动而产生的电位。脑神经电信号检测脑神经电信号检测国际脑电图学会制定了统一的10-20国际脑电记录系统（见图3-29）。脑神经电信号检测图3-30给出了不同尺度的脑神经信号的空间分辨示意图。人体中的每个肌细胞（又称肌纤维）都受到来自运动神经元轴突分支的支配，只有当支配肌肉的神经纤维兴奋时，动作电位通过神经传递给肌肉，才能引起肌肉的兴奋。一个单独的运动神经能够支配多个肌纤维，一个运动神经元和它所控制的肌纤维组成的兴奋收缩耦联单位称为一个运动单元。虽然每个纤维产生并传导的电冲动十分微弱，但众多纤维同时传导，将在皮肤上产生足够大并可以被检测到的电位差，我们称之为肌电信号。肌电信号检测肌肉收缩时，中枢神经系统将运动指令以神经冲动的形式传递给运动神经元，使其控制肌肉收缩。双极性表面肌电记录肌内肌电是将针电极插入皮下骨骼肌肌腹内记录到的运动单元电位，通常是插入肌腹电极的针尖与较远处另一表面电极G2之间的电势差。植入式肌内肌电记录不论是双极性表面肌电还是植入式肌内肌电，传统的表面肌电记录方法只能获取电极所在位置肌电活动信息。阵列肌电记录肌电信号检测皮肤电测量常用皮肤电的测量位置包括：（1）在左手的食指和中指的中间部位擦拭导电膏，缠绕正负贴片传感器；（2）在左手的食指和中指的末梢部位擦拭导电膏，缠绕相反电极传感器：（3）在左手的鱼际和小鱼际部位擦拭导电膏，贴上相反电极贴片传感器。其他电生理信号的表面电极检测胃电信号测量胃是人体的主要消化器官，其功能的强弱直接影响着人体的健康。1921年美国Texas大学研究人员用线电流计在腹壁首次记录到胃电信号。可在体表检测到胃电图（electrogastrogram，EGG）。其他电生理信号的表面电极检测