вход Вход Регистрация



При проведении электрофизиологических исследований электроды используют для регистрация электрического сигнала, который реально существует в исследуемом органе. При этом к электродам как к элементам регистрация информации предъявляются специфические требования: они должны минимально викривлювати регистрированный био потенциалов и не вызвать раздражающего действия; их конструкция должна обеспечивать быструю фиксацию на любом участке тела без артефактов и препятствий; они должны владеть эластичностью при достаточный механической прочности, высокой технологичностью, должны быть экономическими. Этими требованиями и объясняется разнообразие конструкций электродов.

По назначению можно выделить четыре группы электродов:

- для одноразового использования в основном в кабинетах функциональной диагностики;

- для продолжительного, беспрерывного наблюдения биоэлектрических сигналов в условиях палат реанимации, интенсивной терапии, при исследовании состояния человека в процессе трудовой деятельности;

- для динамических наблюдений при наличии интенсивных мышечных препятствий в условиях физических нагрузок, в спортивной медицине и палатах реабилитации;

- для экстренного применения в условиях скорой помощи.

В дальнейшем будут рассмотренные только плоские поверхностные электроды. Описание электродов других типов дани [4].

Общим требованием, которое предъявляется к поверхностным электродам, есть требование уменьшения переходного сопротивления электрод-кожа, целиком определяющего погрешность импеданса. Значение это сопротивления зависит от типа материала электроду, свойств кожи, площади ее столкновенья с электродом и от свойств меж контактного пласта между электродом и кожей.

В общем случае структуру участки контакта электроду с кожей можно представить в виде, изображенному на рис. 1.1.

 


 

Рисунок 1.11 – Структура контакта электрод- кожа [4].

 

Между кожей и электродом размещенный тонкий пласт электролита, который возникает естественно (выделение потовых желез) или, что вносится при наложении электроду (токопроводящие пасты, физиологический раствор). Поверхность контакта предполагается плоской, поскольку на расстояниях, сравнимых с геометрическими размерами электроду, кривизной поверхности тела можно пренебрегать.

Ткани тела является проводником второго рода, импеданс которого содержит активную и реактивную составные. Вместительность тканей создается мембранами тканей клеток, многочисленными поверхностями, которые разделяют отдельные органы и структуры тела. Реактивная составляющая тока, который протекает по подкожным тканям, по крайней мере на порядок меньше активной составляющей, и ею можно пренебрегать. Емкость тканей кожи достигает 0,1 мкФ/см2, и ее необходимо учитывать.

 


 

 

Рисунок 1.12 – Кривая поляризации контакта электрод — кожа [1]

 

Электрические свойства контакта электрод-кожа определяются в основном поляризационными свойствами поверхностей раздела с разными типами проводимости — переход ткани тела-электролита на рис. 1.11 и переход электролит-электрод. Типичная кривая поляризации ε = f(j), где ε — различие потенциалов на переходе; j — плотность тока, приведенная на рис. 1.12. Она носит нелинейный характер, но при малой плотности тока ( до 10—15 мкА/см2) на ней можно выделить линейный начальный участок. Легко убедиться, что даже при максимальных амплитудах регистрированных биоэлектрических сигналов, минимальных площадях электродов и входных сопротивлениях усилителей плотность тока меньше предельной, поэтому кожно-электродный импеданс можно считать линейным.

Поверхности разделов характеризует равновесное различие потенциалов ε0, что возникает на переходе при отсутствии тока, которая определяется природой контактирующих сред. В зависимости от материала электроду, свойств электролита, температуры, образа обработки кожи значения ε0 меняется в пределах 0,1— 60 мВ. Поляризация электродов может сильно менять форму регистрированного сигнала, поэтому она вконец нежелательная. При регистрации биопотенциалов величина ε0 должна оставаться постоянной, поэтому для некоторых типов электродов необходимо применять специальные меры для стабилизации значения ε0. Разрабатываются и электроды, которые не поляризуются.

Регистрация биоэлектрических сигналов осуществляется с помощью усилителей сменного тока, нижняя предельная частота которых составляет судьбы герц, поэтому в расчетах величиной ε0, если она постоянная, можно пренебрегать.

Каждую поверхность раздела сложной морфологической структуры кожно-электродного контакта можно представить на электрической эквивалентной схеме сложной электрической цепью, которая содержит сопротивления и вместительности. Такая цепь можно пересчитать в простой параллельный Rc-Цепь и получить эквивалентные параметры контакта Rш-Е и Сш-Е. Эти параметры зависят от частоты тока, однако учет частотной зависимости существенным образом усложняет анализ, не давая значительного выигрыша в точности оценки погрешности регистрации.

Сопротивление Rш - Е и емкость Сш - Е можно выразить через усредненные локальные параметры — удельное сопротивление η и диэлектрическую проницаемость ε0 [5]:

 

(1.1)

 

где S — эффективная площадь электроду; h — толщина много пласта кожи.

Самую большую сложность представляет оценка величины h, поскольку последняя значительно меняется по поверхности тела и ансамбля испытываемых. Кроме того, импеданс контакта может определяться электрохимическими процессами, которые протекают на переходах его структуры. Необходимость учета полезной площади электроду объясняется тем, что при наложении последнего происходит растекания пасты или физиологического раствора по коже и появляются потовые выделения; при этом размеры электроду как бы увеличиваются.

 

 

 


 

 

Рисунок 1.13 – Полная эквивалентная схема кожно-электродного контакта [5]

 

Полная эквивалентная электрическая схема кожно-электродного контакта приведена на рис. 1.13. У нее включенные уже указанные величины Rш - Е и Сш-Е, а также эквивалентные параметры самого электроду Zе, эквивалентное сопротивление подкожных тканей Rпк и входной импеданс Zвх усилителя биопотенциала.

Параметры Zе (Rе и Сие) определяются конструкцией и материалом электродов.

Среди плоских электродов можно выделить следующие группы: металлические, емкостные, резервуарные и резервуарные - емкостные . Каждая группа владеет своими достоинствами и недостатками, исследование каких можно провести с помощью полной электрической эквивалентной схемы, изображенной на рис. 1.13.

Металлические электроды является наиболее распространенным типом электродов для регистрация биопотенциалов. Как материалы для них изготовление применяются золото, серебро, платина, палладий , нержавеющая сталь, иридиевые сплавы и другие металлы, сплавы и соединения, полученные прессованиям, электролитическим хромированием и т.д., разные образа обработки поверхности плоского металлического электроду, близлежащего к кожи. Выбор материала и образа обработки поверхности существенным образом влияет на величину контактного сопротивления (электродный – электродный - кожно-электродный импеданс), уровень шума и величину артефактов, а также на интенсивность потенциалов поляризации.

Переходное сопротивление между чистой сухой кожей и электродом может достигать сотен килоомов. С целью уменьшения это сопротивления при использовании металлических электродов применяют марлевые прокладки, смоченные физиологическим раствором, которые помещают между электродом и кожей, или специальные только руководящие пасты. Это позволяет уменьшить переходное сопротивление к десяткам кило омов.

Переходное сопротивление уменьшается также при увеличении площади контакта электрод — кожа. Однако при значительном увеличении размеров электроду возрастает погрешность усреднения, а следовательно, уменьшается диагностическая ценность измеренного биопотенциала как сигнала о локальных изменениях электрической активности.

Поскольку для металлического электроду Rе = 0, то эквивалентная схема входной цепи усилителя биопотенциалов принимает вид, изображенный на рис. 1.5. Импеданс входной цепи усилителя будем считать чисто активным. На вход цепи подается сигнал U0 (t), который нужно измерить. Определим значение сигнала Uy (t), усилителя, который поступает на вход.

 

 

 

 

 

Рисунок 1.14 – Эквивалентная схема контакта кожа - металлический электрод

 

Из эквивалентной схемы легко вывести соотношение

 

(1.2)

 

что позволяет записать дифференциальное уравнение, которое описывает процессы, которые происходят в цепи:

 

(1.3)

 

Решение этого уравнения имеет вид

 

(1.4)

где

Для нахождения точного – выражения для U(t) необходимо знать закон изменения входного сигнала U0(t). Выражение для регистрированного сигнала можно записать в виде

 

(1.5)

 

Относительная методическая погрешность регистрации сигнала за счет кожно-электродного импеданса определяется следующим выражением:

 

(1.6)

 

Полученное соотношение иллюстрирует сложный характер зависимости относительной погрешности от регистрированного сигнала: величина изменения U0 (t) входит и в числитель, и в знаменатель выражения (1.6). Его может быть использовано для расчетов как интегральных погрешностей регистрации, так и погрешностей регистрации отдельных характерных элементов формы диэлектрических сигналов, которые появляются в определенные моменты времени.

Комплексное сопротивление системы кожа - металлический электрод

(1.7)

 

По этому выражению нетрудно оценить частотную зависимость модуля кожно-электродного импеданса, который представляется в виде параллельной цепи Rш-Е Сш-Е.

Наиболее широко используемыми металлическими электродами для регистрация биопотенциалов из поверхности тела есть металлические пластинки круглой или овальной формы из нержавеющей стали площадью до 20 см2, электроды с хлорированного серебра, которое деполяризуются, электроды-присоски, обеспеченные резиновым баллончиком, который дает возможность просто и достаточно надежно укрепить электрод в нужной точке тела, и ряд специальных электродов [6]. Среди электродов специальной конструкции отметим монитрод (рис. 1.15) — электрод, предназначенный для продолжительной регистрации ЕКГ в условиях реанимации и палат интенсивной терапии. Этот тип электроду имеет чаша- или тарелкообразную конструкцию. Его приклеивают по торцу к кожи и заполняют токопроводящей пастой. Внутри пустоты расположенный и собственно электрод, что является сеткой с хлористого серебра.

 


1 -пленка на клеевой основе: 2 сетка с хлористого серебра; 3 кнопка; 4 проводник; 5 — электропроводная паста.

Рисунок 1.15 – Электрод для продолжительной регистрации электрокардиосигналу (монитрод).

 

Для регистрации биопотенциалов главного мозга применяются электроды с площадью контакта, который не превышает 1,1 —1,5 см2. Существуют разные конструкции электродов данного типа, в том числе и цилиндру, заполненные пастой (рис. 1.16) [5]. Для регистрации ЕМГ, ЕОГ и КГР используют плоские круглые металлические пластины диаметром 10- 15 мм, поверхность которых покрыта тонким пластом золота или хлористого серебра.

Емкостные электроды. Основным преимуществом емкостных электродов является отсутствие контактных и поляризационных потенциалов, которые возникают при использовании металлических электродов.

Емкостный электрод является металлической пластинкой, покрытой тонким пластом диэлектрика. Первые емкостные электроды (появились в 1967 г.) емкости были выполнены из анодированного алюминия и владел сопротивлением больше 4000 МОм и емкостью близко 5000 пФ при верхний предельной частоте fв, равной 30 Гц.

 

 


 

 

 

1 — цилиндр; 2 -кольцевой паз; 3 электропроводная паста.

Рисунок 1.16 – Цилиндровый электрод для регистрация биопотенциалов главного мозга.

 

Однако электроды из анодированного алюминия оказались тяжело выполняемыми и ненадежными вследствие пористости и способности адсорбувать влажную с кожи. Лучшие результаты позволяют получить емкостные электроды изготовленные из анодированного тантала.

Добрые результаты дают емкостные электроды с диэлектриком с Sio2. Монокристаллическая структура пласта из двуокиси кремния обеспечивает высокую химическую стойкость диэлектрической пленки. І. Б. Стамболиевым изготовленные электроды на основе планарной технологии получения тонкопленочных диэлектрических пластов для МОП - интегральных схем с диэлектриком с Sio2 толщиной близко 0,9 мкм. При активной площади электроду 0,5 см2 емкость его составляет близко 0,015 мкФ. Экспериментальное исследование показало, что благодаря наличия воздушных пустот между диэлектрической пленкой и кожей емкость кожа-электрод в среднем на 20% меньше емкости электродной пластины.

Эквивалентная электрическая схема кожно-электродного импеданса для электродов, вместительностей, представленная на рис. 1.17.

Рисунок 1.17 – Эквивалентная схема контакта кожа — электрод емкости.

 

Рисунок 1.18 – Частотные зависимости кожно-электродного импеданса для и резистивно-емкостных (2 3, 5) электродов емкости (1, 4).

 

Комплексное сопротивление системы кожа - емкостный электрод выражается как

 

. (1.8)

 

Модуль это сопротивления

 

(1.9)

 

На рис. 1.18 в логарифмическом масштабе построенные частотные зависимости модуля кожно-электродного сопротивления. С них значит, что полный кожа -электродное сопротивление для емкостных электродов, быстро возрастает с уменьшением частоты, а это при измерении потенциалов для частот меньше 0,5 Гц приводит к недопустимо большим погрешностям.

Резистивно-Емкостные электроды, предложенные О. Б. Лурье, отличаются от электродов, вместительностей, небольшой проводимостью диэлектрика (10-6 см и менее), что создает емкость [7]. Эквивалентная электрическая схема кожно-электродного импеданса для резистивных - емкостных электродов представленная на рис. 1.19. Благодаря очень малой проводимости диэлектрика такие электроды ослабляют контактные и поляризационные потенциалы в сравнении с металлическими электродами у десятки и сотни раз. Вместе с тем наличие незначительной проводимости позволяет передать всю инфра низкую частоту область спектру биопотенциалов, что снимаются, вплоть до постоянного тока.

 

 

 


 

 

Рисунок 1.19 – Эквивалентная схема контакта кожа – резистивных –емкостный электрод.

 

Для резистивных- емкостных электродов комплексное сопротивление системы кожа-электрод имеет вид

 

(1.10)

 

Модуль это сопротивления

 

(1.11)

 

 

В частном случае, когда R ш-ес ш-е = RеСе = Т, получаем

 

(1.12)

 

Из частотных зависимостей модуля кожно-электродного сопротивления для резистивных - емкостных электродов (рис. 1.9, кривые 2, 3, 5) видно, что в и инфра низкой частотной области спектру модуль кожно-электродного сопротивления есть практически постоянным, а, начиная с частот несколько герц и более, резистивно-емкостные электроды по частотным свойствам приближаются к емкостным электродам.

 


Система кожа-резистивно-емкостный электрод — электродный усилитель. Для согласования резистивных- емкостных электродов с входом стандартного усилителя биопотенциалов используется электродный усилитель.

 

 

 

Рисунок 1.20 – эквивалентная схема системы, которая идеализируется, кожа — резистивно-емкостный электрод — вход усилителя.

 

Схема системы кожа - резистивно-емкостный электрод - электродный усилитель представленная на рис. 1.20. Коэффициент передачи но напряжению этой системы

 

(1.13)

где

 

 

Для переходной характеристики имеем

 

(1.14)

 

Здесь

 

 

Она определяется выражением

 

(1.15)

 

где

 

В точках t = 0 и t = 9 имеем соответственно

 

 

 

Если a2/b2 = a1/b1 = a0/b0, то есть если

 

(1.16)

 

это f(t) = A0, и переходная характеристика не зависит от времени. Итак, при выполнении условий (1.16) весь спектр частот передается без искажений.

 

Рисунок 1.21 – Переходные характеристики системы кожа — резистивно-емкостный электрод — вход усилителя при Rе = 900 ком, Сие = 2000 пФ; Rвх = 200 МОм, Свх = 9 пФ.

 

Однако параметры кожи Rш - Е и Сш - Е, как уже подчеркивалось, зависят от объекту исследования и его стану и могут меняться п широких границах. На рис. 1.21 изображенные переходные характеристики системы кожа - резистивно-емкостный электрод - электродный усилитель, которые иллюстрируют влияние изменения параметров кожи на передачу биопотенциалов.

Самое большое значение искажений, которое можно определить как

 

(1.17)

 

при принятых значениях Те, Твх и широких интервалах изменений параметров кожи Rш - Е, Сш -Е не выходит за пределы ±0,25%.

 

 

 

Рисунок 1.22 – Модель контакта кожа - резистивно-емкостный электрод, который учитывает наличие воздушных пустот между электродом и кожей.

 

 

Рисунок 1.23 – Эквивалентная схема системы кожа – резистивно-емкостный электрод – вход усилителя, построенная с учетом емкости воздушных пустот между электродом и кожей.

 

Реальная схема системы кожа – резистивно-емкостный электрод — электродный усилитель отличается от схемы, изображенной на рис. 1.20, воздушными зазорами между кожей и электродами (рис. 1.22). Неровности кожи по-разному мнутся плоской поверхностью, и общая площадь воздушных зазоров может меняться. Электрическая схема системы кожа - резистивно-емкостный электрод — электродный усилитель с учетом воздушных зазоров имеет вид, представленный на рис. 1.23. Здесь R'ш - Е и С'ш-Е— суммарные сопротивление и емкость участков кожи, которые непосредственно контактируют с электродом; R'е и С'е — суммарные сопротивление и емкость части электроду, непосредственно контактирующей с кожей; R" ш-е С" ш-е — суммарные сопротивление и емкость части кожи, отделенной от поверхности электроду воздушным зазором; R"е и С"е — суммарные сопротивление и емкость части электроду, который контактирует с кожей через воздушный зазор.

Степень непосредственного контакта электроду с кожей определяется коэффициентом а:

 

, (1.18)

 

где S' — суммарная площадь участков электроду ( кожи), что непосредственно контактируют с кожей (электродом); S0 — общая площадь поверхности электроду; S" — суммарная площадь участков электроду, которые контактируют с кожей через воздушные зазоры. При этом

 

 

где Сие — емкость воздушного зазора, что отделяет электрод от кожи по всей поверхности электроду. Принимая S0 = 1 см2, высоту воздушных зазоров d = 10 мкм, получаем

 

 

 

 

 

 

Комплексный коэффициент передачи схемы, изображенной на рис. 1.23, имеет вид

 

(1.19)

 

где

 

Модуль входного сопротивления электродного усилителя определяется как

 

, (1.20)

 

а модуль кожно-электродного сопротивления — как

. (1.21)

 

На рис. 1.24 приведенные зависимости модулей и от частоты.

Зависимость коэффициента передачи системы кожа – резистивно-емкостный электрод -электродный усилитель от частоты определяется выражением

 

(1.22)

 

Коэффициент частотных искажений имеет вид

 

(1.23)

 

На рис. 1.25 представленные амплитудно-частотные характеристики Системы кожа - резистивно-емкостный электрод-вход электродного усилителя.

При частотах меньше 10 Гц емкость воздушных зазоров С"в практически является разрывом. При частотах больше 10 Гц она предоставляет шунтирующие действие, и тем более, чем меньше а. Частотные искажения определяются формой частотной характеристики в области больших значений частот. Например, для а = 0,25 они уровне 0,5%, для а = 0,5 — 0,1%, для а = 0,75 — 0,02%.

Если в процессе регистрации биопотенциалов контакт электроду с кожей меняется, то погрешность измерения, вызванная этими изменениями, выражается как

 

(1.24)

 

 

 

Рисунок 1.24. Частотные зависимости модулей входного сопротивления и кожно-электродного сопротивления для резистивных - емкостных электродов при Rш-Е = 500 ком, Сше = 3600 пФ Rе = 900 ком, Сие = 2000 пФ, Rвх = 200 МОм, Свх = 9 пФ, Св = 100 пФ и х = 0,25; 0,5; 0,75 и 0,99.

 

 

Рисунок 1.25. Амплитудно-частотные характеристики резистивных- емкостных электродов при Rш-Е = 500 ком, Сше = 3600 пФ Rе = 900 ком, Сие = 2000 пФ, Rвх = 200 МОм, Свх = 9 пФ, Св = 100 пФ

 

 

Для принятых параметров (см. рис. 1.24) при изменению а от 0,25 до 0,99 эта погрешность достигает 2%.

При биполярном отводе и наличии синфазного препятствия на входе разбаланс коэффициентов передачи вызовет дифференциальное препятствие на выходе. Например, если синфазное препятствие в 50 раз больше полезного дифференциального сигнала и нужно, чтобы на выходе он превышал препятствие вдесятеро, то допустимое различие коэффициентов передачи сигнала К1 и К2 не должна быть больше

 

то есть не должна превышать 0,2%. Итак, в данном случае изменения коэффициента а от 0,25 до 0,99 являются недопустимыми. Поэтому необходимые стабилизация контакта электрод-кожа (например, приложение к электроду некоторого усилия) или уменьшение синфазного препятствия, которое достигается, например, использованием индифферентного электроду, соединенного с корпусом прибора, или применением негативной обратной связи по синфазному сигналу между выходами электродных усилителей и электродами.

Резистивные электроды. Этот тип электродов является разновидностью резистивных- емкостных электродов при Сие = 0. Уравнение (1.21) и (1.23) могут быть использованные для определения зависимости модуля кожно-электродного сопротивления от частоты и частотных характеристик системы кожа – резистивный электрод- вход электродного усилителя (рис. 1.26).

Для сравнения на рис. 1.26 штриховыми линиями дани частотные характеристики системы с резистивно-емкостными электродами при одинаковых постоянных времени электроду Те и входа усилителя Твх. Частотные характеристики, приведенные на рис. 1.17, показывают, что, начиная с частот 1000 Гц и более, резистивны электроды в отличие от резистивно-емкостных вносят значительные частотные искажения. Зависимость значений частотных искажений от коэффициента а для резистивных и резистивных- емкостных электродов приведенная табл. 2.

Рисунок 1.26 – Амплитудно-частотные характеристики резистивных и резистивных- емкостных электродов, (пунктирная линия), при Rш-Е = 500 ком, Сше = 3600 пФ Rе = 900 ком, Сие = 2000 пФ, Rвх = 200 МОм, Свх = 9 пФ, Св = 100 пФ

Таким образом, резистивные электроды обеспечивают добрые результаты при исследовании биопотенциалов в частотном диапазоне от инфранизких частот до 1000 Гц.

На практике, когда не требуется передачи более широкого диапазона частот, рекомендуется использовать простые в изготовлении резистивные электроды [8].

 

Таблица 1.2 – Зависимость значений частотных искажений от коэффициента а для резистивный и резистивных- емкостных электродов

а Частотные искажения, %
f = 100 Гц f = 1000 Гц f = 10000 Гц
Для резистивно-емкостного электроду
0,25 0,32 0,48 0,48
0,5 0,06 0,09 0,09
0,75 0,01 0,2 0,02
0,99 - - -
Для резистивного электрода
0,25 0,11 3,68 13,61
0,5 0,04 2,17 13,32
0,75 0,02 0,86 12,18
0,99 - 0,15 10,82

 

 

© 2018
  • Сайт "Литературка"
  • мы собираем различную техническую, образовательную, научную литратуру