202024生物医学信息检测电极.ppt

LOGO 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 也要考虑进来。角质层 薄（ 40 ? m ）而且电阻率高