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1、医用电极 Electrodes Probes Review 2 ECG EEG信号如何产生 心肌细胞自律性兴奋 脑神经元的电活动 1 生物组织的电特性 静息电位 动作电位 电阻抗特性 ECG和EEG信号的幅度及频率范围 10uV 4mV typ 1mV 0 05 100Hz 10uV 300uV0 5 100Hz ECG EEG 生物电信号检测仪器原理框图 信 号 预 处 理 记 录 显 示 信 号 处 理 诱 发 自 发 信 号 采 集 数据 传输 反馈 控制 刺激 激励 电 信 号 非电信号 生物电极 传 感 器 信号类型拾取装置 检 测 电 路 Simplified Diagram 传感
2、器传感器 生物医学电子学生物医学电子学 医学仪器医学仪器 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 首先是生物医学电子学 工具及方法 生物电极的作用 如何工作 特点 一 生物电信号检测用电极 作用 把体内的离子导电的位移电流变换为检测输入 电路中的电子导电的传导电流 是传感器中的一种 引导电极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 Na K Cl Ca2 e 由金属浸在电解质溶液中所构成的体系 1 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 电极系统金属 电解质溶液界面 金
3、属浸入电解质溶液后发生的现象 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 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 双电层 M1 M2 KCl 盐桥 双电层模型 在一定温度下达到 平衡 有两种可能 1 M活泼性 或 和Mn aq 浓度小 金属失去电子溶解占优 生成左边的 双电层 2 M活泼性 或 和Mn aq 浓度大 Mn 得到电子沉积占优 生成右边的 双电层 表1 4 几种常用电极材料在25 时半电池电位E0 绝对电极电位值
4、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 半电池电位理解 电极反应 Zn极 负极 Cathode Cu极 正极 Anode 3 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 流通过时 电极 电解液界面电位发生的变化 电极 分类 高度极化电极 不极化电极 界面电位发生剧烈变化 界面电位只发生微小变化 我们该如何选择 体表电位检测方式 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 测试 电极的选择 半电池电位小 极化电位小 Ag AgCl电极相对于生物组织有非
5、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 电极在皮肤表面的移动 电极表面是否污染 磨损 1 设计半电池电位小而且稳定的不极化电极 Ag AgCl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 甚至光损伤 2 新电极的老化处理 3 保持电极 电解液界面的稳定 减少移动 二 电极的电特性 E Figure 21 10 The electrode tissue interface includes a series ohmic resistance Rs a series capacitance C and a Fara
6、daic impedance Z The capacitance represents a double layer that arises at the metal electrolyte interface whereas the Faradaic impedance includes several physical and chemical processes that may occur 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 心电检测电路中电极的等效电路 Rt1 Rt2 RL1 RL2 E1Rs1 Cs1
7、E2Rs2 Cs2 由于极化电压与通过电极的电流大小有密切关系 所以应尽量提高放大器的输入阻抗 使输入回 路电流变小 因此要求放大器的输入阻抗要足够 高 在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 尽量保持 两电极性能的对称 可以使极化电压互相抵消 从电路设计上考虑 使电极电压与被测信号分离 电极及极化电位注意事项 二 C 1 f 钽电容R 3 3M 要求隔离0 05Hz以下信号 1 宏电极 常规体表电极 三 电极的种类 按尺寸分 1 ECG EEG 理疗电极等和体内电极 如导丝 2 Ag AgCl材料制成不同形状 3 导电膏 水凝胶做界面 常用宏电极示意图 主要用于单细胞或神
8、经元等微小单元的电位 分为金属微电极和填充电解液的玻璃微电极 微电 极的尖端为圆椎形 尺寸在0 05 10 m范围内 微电极的等效电路相对比较复杂 2 微电极 检测细胞电位 a b 1 电桥测量 2 恒流激励电压测量 2电极和4电极 3 应用 呼吸阻抗法 脑血流图 心输出量 电阻抗成像 a 阻抗电桥 b 二电极系统和四电极系统 人体呼吸运动时 胸壁肌肉交变弛张 胸廓也交替变 形 肌体组织的电阻抗也交替变化 变化量约为 0 1 3 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 二电极系
9、统和四电极系统 激励 激励 测量 测量 测量 测量 激励 激励 实部 虚部 颅骨阻抗频谱特性 1Hz 4MHz Zdr e1 Zdr e2 Zme e1 Zme e2 Skin electrode contact resistor Measured Object Zb1 Zb3 Dr Dr VIN VIN Zdr e2Zme e2 Zme e1Zdr e1 Zb2 AMP Electrodes I A ZIN EIT检测简单示意图 小结 1 电极的特性 2 生物电信号检测电极选择依据 3 心电检测时如何滤除电极噪声 4 电阻抗检测时电极的重要性 半电池电位 极化电压 共六条 滤除直流信号 高通滤波 作业 电容的种类及应用时如何进行选择 电阻的种类及应用时如何进行选择 生物电信号检测电极选择依据 查阅关于电极材料及导电膏的有关资料
