心電圖/腦電圖/肌電圖系統(tǒng)中的生物電位電極傳感器

作者：John Kruse and Stephen Lee

心電圖 （ECG）、肌電圖 （EMG） 和 腦電圖 （EEG） 系統(tǒng)測量心臟、肌肉和 通過測量電位（分別）隨時間推移的大腦活動 在活組織的表面。神經(jīng)刺激和肌肉收縮 可以通過測量體內(nèi)的離子電流來檢測。這是 使用生物電勢電極完成。

帶負(fù)電荷的離子是陰離子，帶正電的離子是 陽離子。人體內(nèi)的電流流動是由于離子流，而不是 電子。生物電勢電極是感測離子的換能器 分布在組織表面，并將離子電流轉(zhuǎn)換為 電子電流。電解質(zhì)溶液/果凍放在側(cè)面 與組織接觸的電極;另一邊 電極由連接到引線的導(dǎo)電金屬組成 連接到儀器的電線?；瘜W(xué)反應(yīng)發(fā)生在 電解質(zhì)和電極之間的界面。

電解質(zhì)-電極界面簡介

電流可以從電解質(zhì)傳遞到非極化電極。 （極化電極的作用更像電容器，電流被置換 但不能在電解界面上自由移動）。當(dāng)前 當(dāng)電極中的原子氧化形成時穿過界面 陽離子和電子。陽離子被排放到電解質(zhì)中， 電子通過引線攜帶電荷。同樣， 電解質(zhì)中的陰離子向界面移動以傳遞游離 電子到電極。由于陰離子分布不均勻，稱為半電池電位的電壓在界面上產(chǎn)生 和陽離子。它在心電圖、肌電圖和腦電圖中顯示為直流偏移。

非常流行的電極是銀/銀膽化物（Ag/AgCl），因?yàn)?其半電池電位非常低，約為220 mV，并且易于 可制造性。銀/銀氯化電極是非極化電極——它們 允許電流通過電解質(zhì)和 電極。非極化電極優(yōu)于極化電極 就他們對運(yùn)動偽影的拒絕和他們對運(yùn)動偽影的反應(yīng)而言 除顫電流。運(yùn)動偽影和除顫事件都可以 從電解液和電極界面為電容充電。 圖 1 顯示了一個等效的電氣模型。AgCl層降低了 電極的阻抗。這在接近直流的低頻下很重要， 進(jìn)行心電圖和腦電圖測量的地方。

圖1.生物電位電極的等效電路模型。

患者準(zhǔn)備挑戰(zhàn)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)

臨床醫(yī)生在制造生物電勢時面臨實(shí)際挑戰(zhàn) 測量。他們必須準(zhǔn)備患者的皮膚才能進(jìn)行良好的接觸 用電極。干燥和/或老化的皮膚會產(chǎn)生高阻抗， 這使得很難獲得良好的讀數(shù)。此外，電極 皮膚阻抗因種族、年齡和性別而異。

臨床醫(yī)生用溫和的研磨劑擦拭皮膚，以去除薄薄的一層 死皮，使組織和電解質(zhì)之間有更好的離子流動 在電極上。這確保了更好的測量，但需要時間。 當(dāng)電解質(zhì)在幾個過程中干燥時也會出現(xiàn)問題 小時。這增加了電解質(zhì)中的阻抗，從而穩(wěn)定地 增加直流失調(diào)，進(jìn)而擴(kuò)展 儀器。這兩個挑戰(zhàn)都與系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員有關(guān)。

使用銀/氯化銀在 10 Hz 下的皮膚到電極阻抗 適當(dāng)制備皮膚的電極通常約為5 kΩ。這 阻抗因制造商而異。設(shè)計(jì)時 心電圖和其他生物電勢前端電路，設(shè)計(jì)人員必須 請記住，500 kΩ的阻抗經(jīng)常會遇到。

許多臨床醫(yī)生從不花時間準(zhǔn)備皮膚附著 電極，除非他們在獲取良好信號時遇到問題。 此外，腦電圖常用帶糊劑的金電極 錄音，這些產(chǎn)生的阻抗比銀/銀高得多 氯化物電極。將電極放在胸腔上將 產(chǎn)生皮膚到電極阻抗約2.5×比 電極放置在四肢上。

使用過電位進(jìn)行設(shè)計(jì)

過電位是半電池電位與 零潛力。它顯示為測量儀器的直流偏移。 在心電圖的情況下，一個人胸部的差分電壓 （心臟信號）的幅度通常為1.8 mV，采用直流偏移 高達(dá) 300 mV。與心臟相比，直流偏移的巨大 信號，限制施加到前端放大器的增益量。為 例如，施加100的增益將增加5 mV的心臟信號 至500 mV，但也會將300 mV直流失調(diào)增加到30 V。

在 ±5 V 等寬電源電壓下工作的放大器是 通常用于利用較大的輸入電壓范圍。在 此外，設(shè)計(jì)師能夠應(yīng)用更多的增益。設(shè)計(jì)師經(jīng)常使用 ±7.5 V的大電源軌，可處理ECG的惡劣環(huán)境 設(shè)備必須在手術(shù)室 （OR） 等環(huán)境中工作。在手術(shù)室中，心電圖 前端電路將看到消融、電等干擾信號 燒灼、除顫、體外起搏、內(nèi)部起搏、起搏器 H場遙測和許多其他信號。此外，一些 ADI公司的AD8220和AD8224等放大器具有軌到軌 允許設(shè)計(jì)人員設(shè)置更高增益的架構(gòu)。

電極放大器

另一個常見問題是電極極化。輸入 前端放大器的偏置電流會使電極極化，如果 皮膚接觸不良。圖2所示為JFET輸入運(yùn)算放大器，如 ADI公司的AD8625/AD8626/AD8627和AD8641/AD8642/AD8643的輸入偏置電流小于1 pA。 JFET 輸入 儀表放大器，如AD8220和AD8224，如 圖2和圖3的輸入偏置電流低于20 pA。

圖2.用作低輸入偏置電流緩沖器的JFET運(yùn)算放大器AD8627。

圖3.JFET儀表放大器AD8224提供低輸入偏置電流。

結(jié)論

了解電極中的電化學(xué)相互作用有助于澄清 他們的行為細(xì)微差別。此外，它使設(shè)計(jì)師能夠理解 臨床醫(yī)生在患者身上放置電極時面臨的挑戰(zhàn)。一個 對電極與皮膚界面的透徹了解可確保 信號采集正確可靠，使臨床醫(yī)生能夠 正確診斷患者的病情。

審核編輯：郭婷