電極中的電化學(xué)相互作用是什么

心電圖 (ECG)、肌電圖 (EMG) 和腦電圖 (EEG) 系統(tǒng)通過測(cè)量活體組織表面的電勢(shì)，分別測(cè)量心臟、肌肉和大腦隨時(shí)間的活動(dòng)。通過測(cè)量體內(nèi)的離子電流可以檢測(cè)神經(jīng)刺激和肌肉收縮。這是通過使用生物電電極來實(shí)現(xiàn)的。

帶負(fù)電的離子是陰離子，帶正電的離子是陽(yáng)離子。人體中的電流流動(dòng)是由于離子流動(dòng)，而不是電子。生物電電極是一種傳感器，可感測(cè)組織表面的離子分布，并將離子電流轉(zhuǎn)換為電子電流。將電解質(zhì)溶液/膠凍放置在電極與組織接觸的一側(cè)；電極的另一側(cè)由導(dǎo)電金屬組成，連接到連接儀器的引線上?；瘜W(xué)反應(yīng)發(fā)生在電解質(zhì)和電極之間的界面處。

微小的負(fù)電位

測(cè)量系統(tǒng)的范圍和量程

電解質(zhì)-電極界面簡(jiǎn)介

電流可以從電解質(zhì)流向非極化電極。（極化電極的作用更像電容器，電流發(fā)生位移，但不能在電解界面上自由移動(dòng)）。當(dāng)電極中的原子氧化形成陽(yáng)離子和電子時(shí)，電流穿過界面。陽(yáng)離子被釋放到電解質(zhì)中，電子通過引線攜帶電荷。類似地，電解質(zhì)中的陰離子向界面移動(dòng)，將自由電子傳遞到電極。由于陰離子和陽(yáng)離子的不均勻分布，界面上會(huì)產(chǎn)生一種稱為半電池電位的電壓。它在心電圖、肌電圖和腦電圖上表現(xiàn)為直流偏移。

銀/氯化銀(Ag/AgCl)是一種非常受歡迎的電極，因?yàn)樗陌腚姵仉娢环浅５?，約為 220 mV，并且易于制造。Ag/AgCl 電極是非極化電極，它們?cè)试S電流穿過電解質(zhì)和電極之間的界面。非極化電極在抑制運(yùn)動(dòng)偽影和對(duì)除顫電流的響應(yīng)方面優(yōu)于極化電極。運(yùn)動(dòng)偽影和除顫事件都會(huì)對(duì)電解質(zhì)和電極界面的電容進(jìn)行充電。圖 1 顯示了等效電氣模型。AgCl層降低了電極的阻抗。這對(duì)于進(jìn)行心電圖和腦電圖測(cè)量的直流附近低頻非常重要。

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

臨床醫(yī)生在進(jìn)行生物電勢(shì)測(cè)量時(shí)面臨實(shí)際挑戰(zhàn)。他們必須準(zhǔn)備好患者的皮膚，以便與電極良好接觸。干燥和/或老化的皮膚會(huì)產(chǎn)生高阻抗，從而難以獲得良好的讀數(shù)。此外，電極到皮膚的阻抗因種族、年齡和性別而異。

臨床醫(yī)生用溫和的磨料摩擦皮膚，去除薄薄的死皮層，使組織和電極上的電解質(zhì)之間的離子流動(dòng)更好。這可以確保更好的測(cè)量，但需要時(shí)間。當(dāng)電解質(zhì)在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)干燥時(shí)也會(huì)出現(xiàn)問題。這增加了電解質(zhì)中的阻抗，從而穩(wěn)定地增加了直流偏移，進(jìn)而擴(kuò)大了儀器的動(dòng)態(tài)范圍。這兩個(gè)挑戰(zhàn)都與系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員相關(guān)。

使用銀/氯化銀電極在 10 Hz 頻率下，在皮膚經(jīng)過適當(dāng)處理的情況下，皮膚到電極的阻抗通常約為 5 kΩ。該阻抗因制造商而異。在設(shè)計(jì) ECG 和其他生物電勢(shì)前端電路時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須記住，可能會(huì)經(jīng)常遇到 500 kΩ 的阻抗。

銀可被當(dāng)作工作電極而應(yīng)用于在生物醫(yī)藥、食品安全、環(huán)境檢測(cè)領(lǐng)域，也可以當(dāng)作 參考電極，前提是要經(jīng)過化學(xué)或電化學(xué)處理成銀/氯化銀電極方能穩(wěn)定使用，也有人 會(huì)將銀處理成氧化銀當(dāng)作擬參考電極，其參考電位會(huì)有些許不同，可參考圖1得知， 氧化銀(Ag/AgxO)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電位為-0.153 V ，銀/氯化銀的參考相對(duì)電位是 0.197 V 。

參考的電位

梳狀電極

梳狀干電極與濕電極阻抗對(duì)比

Ag-AgCl（銀-氯化銀；）電極體直流阻抗<1；歐子母扣電極體直流阻抗<50歐。

第一，無需使用導(dǎo)電膏，可直接使用，體現(xiàn)干電極的特點(diǎn)； 第二，干電極具有很好的柔韌性，保證干電極與頭皮穩(wěn)定接觸及使用舒適度； 第三，干電極是梳狀結(jié)構(gòu)，可用于有頭發(fā)覆蓋區(qū)域。

許多臨床醫(yī)生從不花時(shí)間準(zhǔn)備皮膚以連接電極，除非他們?cè)讷@取良好信號(hào)時(shí)遇到問題。此外，腦電圖記錄中通常使用帶有糊劑的金電極，這些電極產(chǎn)生的阻抗比銀/氯化銀電極高得多。將電極放置在胸腔上將使皮膚到電極的阻抗比放置在四肢上的電極低約 2.5 倍。

超電勢(shì)設(shè)計(jì)

過電勢(shì)是半電池電勢(shì)與零電勢(shì)之間的差值。它顯示為測(cè)量?jī)x器的直流偏移。就 ECG 而言，人胸部的差分電壓（心臟信號(hào)）的幅度通常為 1.8 mV，直流偏移高達(dá) 300 mV。與心臟信號(hào)相比，直流偏移的巨大程度限制了應(yīng)用于前端放大器的增益量。例如，應(yīng)用 100 的增益會(huì)將 5 mV 心臟信號(hào)增加到 500 mV，但也會(huì)將 300 mV 直流偏移增加到 30 V。

通常使用在±5V等寬電源電壓下運(yùn)行的放大器來利用更大的輸入電壓范圍。此外，設(shè)計(jì)者還能夠應(yīng)用更多增益。

設(shè)計(jì)人員經(jīng)常使用 ±7.5 V 的大電源軌來應(yīng)對(duì) ECG 設(shè)備必須工作的惡劣環(huán)境，例如手術(shù)室 (OR)。在手術(shù)室中，心電圖前端電路會(huì)看到干擾信號(hào)，例如消融、電燒灼、除顫、外部起搏、內(nèi)部起搏、起搏器 H 場(chǎng)遙測(cè)和大量其他信號(hào)。此外，一些放大器（例如 Analog Devices AD8220 和 AD8224）具有軌到軌架構(gòu)，允許設(shè)計(jì)人員設(shè)置更高的增益。

電極放大器

另一個(gè)常見問題是電極極化。如果皮膚接觸不良，前端放大器的輸入偏置電流會(huì)使電極極化。

圖 2 顯示了輸入偏置電流小于 1 pA 的JFET 輸入運(yùn)算放大器，例如 Analog DevicesAD8625/AD8626/AD8627和AD8641/AD8642/AD8643 。JFET 輸入儀表放大器（例如AD8220和AD8224）（如圖 2 和圖 3 所示）的輸入偏置電流低于 20 pA。

結(jié)論

了解電極中的電化學(xué)相互作用有助于闡明其行為的細(xì)微差別。此外，它還使設(shè)計(jì)人員能夠了解臨床醫(yī)生在給患者放置電極時(shí)面臨的挑戰(zhàn)。對(duì)電極與皮膚界面的透徹了解可確保信號(hào)采集正確可靠，從而使臨床醫(yī)生能夠正確診斷患者的病情。
責(zé)任編輯：彭菁