医学精品课件：chap4-1 生物医用电极.ppt

1、生物医用电极 Biopotential Electrodes,重点内容： 一、什么是电极 二、电极极化的原因 三、电极极化对测量和电刺激的影响 四、极化电极和不极化电极 五、刺激电极的参数,电极 电流在生物体内是靠离子传导的，在电极和导线中是靠电子传导的，因此在电极和溶液界面上需要将离子电流转变成电子电流或将电子电流转变成离子电流，从而使生物体和仪器体系构成了电流回路，完成这种换能器作用的器件称为电极。,当电极与人体接触时，在电极上产生电位，电极实质上完成了将人体内离子（主要是细胞外液中的Na+和Cl-离子，在高频测量中还有细胞内液中的K+）转化为可在金属电极直至前置放大器中流动的电子。,一、

2、电极分类 1、按工作性质：检测电极和刺激电极,检测电极（detecting electrode）：由于生物体内的物理、化学变化使生物体内各个部分的正负电荷分布不均匀，从而造成生物体内不同部位或细胞内外的电位不等，测定不同部位的电位需要用电极把这个部位的电位引导到电位测量仪器上进行测量，这种电极称为测量电极。,刺激电极（stimulating electrode） 对生物体施加电流或电压所用的电极。 作用 1、研究可兴奋组织的传导和反应规律。 2、向生物体内输入外加电流以便达到治疗某种疾病的目的或控制和替代生物体的 某些功能。,比较 测量电极是敏感元件 刺激电极是执行元件,2、按电极大小和所处位

3、置分类,宏电极（macro electrode） (1)体表电极(body-surface electrode)： 使用时放在生物体皮肤表面 (2)体内电极(internal electrode)： 使用时穿透皮肤的电极,皮下电极(hypodermic electrode)： 穿透皮肤直接与细胞外液接触的电极。 植入电极(implantable electrode)： 长期埋植于体内的电极，用以控制或替代生 物体的某些功能。 要求:极化阻抗小、无毒无害、相容性好。,微电极（micro electrode）:尖端细小,机械性能好,能检测细胞电活动的电极。,二、极化现象及其对 生物电检测和电刺激的

4、影响,（一）极化现象 平衡电极电位：当没有电流通过电极/溶液界面时电极所具有的电位，也称为标准半电池电位。,当金属电极插入电解液时，在相互接触的界面处，正负离子的浓度由于化学反应，已发生了显著的变化，其结果是环绕金属电极周围的电解液，与其余电解液之间形成电位差，该电位差称为半电池电位（half-cell potential）,当金属上离子的溶解速度和溶液中金属离子向金属沉积的速度相等时,达到了相对稳定,此时金属和溶液之间形成电荷分布双电层,产生一定的电位差。,电极电位与电极的极化 电极电位 人 体 电极 离子电流 电子电流 半电池电位： 金属电极插入含有该种金属离子 的电解液时，金属原子将失去

5、电 子并进入溶液，溶液中的离子也 将在金属电极上沉积，因此环绕 金属电极周围的电解液与其余电 解液之间形成了电位差，该金属 与电解液的组合如同半个电解质 式的电池，故该电位差称为半电 池电位。,极化现象：在有电流通过电极/溶液界面时，电极电位从平衡电极电位E（0）变为一个新的、与电流密度有关的电极电位E（i），将电极在有电流通过时的电极电位与它没有电流通过时的平衡电极电位发生偏离的现象称为极化现象。,电极的极化 当电流流经一对电极时，电极会出现极化现象并产生极化电位。,实验观察：在盛有稀硫酸溶液的玻璃杯中插入两铂电极，并使其与电源接通，电路中将出现很强的电流，但此电流很快就会变小。 分析：由于

6、电解作用，阳极上出现一层氧膜，阴极上出现一层氢膜，性质不同的两个电极组成一个原电池，其电动势与外加电压相反，导致了电流的下降。因此是由于电极的极化现象造成了电流强度的下降。,电极极化产生的原因 在有一定电流通过电极时，电流将会受到各种阻力作用而产生超电压（overvoltage）(或叫极化电压)。,产生超电压的原因： 通过电极双电层的电荷转移。 反应物朝向电极的扩散和产物离开电极的扩散。 电极上的化学反应。 电阻极化。,1、活度超电位Va （activation overpotential）当电极与电解液接触时，发生氧化-还原反应都需要克服一定的能量势垒，称为活度能。在平衡状态下金属原子被氧化

7、为离子，或金属离子被还原成金属原子沉淀在金属电极上，所需要的活度能量是相当的。但当有电流流过时，则正反两方向所需的活度能不再相等，其大小直接与电流方向相关联，这个能量的差值表现在电极与电解液之间的电压差，称为活度超电压。,2、电解液浓度超电位Vc(concentration overpotential)：当有电流流动时，电极和电解液之间的氧化-还原反应平衡关系被打破，引起离子浓度分布的改变，从而使半电池电位偏离平衡状态时半电池电位，其差值称为浓度超电位。,3、欧姆超电位Vr(ohmic overpotential)：低离子浓度的电解液不利于电流的流动，产生了电压降，此电压降与电流大小及电解液的

8、阻抗成正比。由于人体离子浓度很低，不完全满足欧姆定律，但仍称由此产生的超电位为欧姆超电位。,（二）电极极化对生物电位的检测和电刺激的影响,1、刺激电极的极化，阻碍了电流进入生物体组织器官，因此电极极化对电刺激是个不利因素。 2、前置放大器的偏置电流和皮肤电反应的电压会使测量电极发生极化，产生超电压，在前置放大器的输入端产生直流偏置电压，与被测的生物电位一起输到检测系统，因而使被测的生物电位失真。 3、电极极化产生的超电压虽不恒定，但主要成分是直流成分。,三、极化电极和不极化电极,电极极化： 电极与电解质溶液界面形成双电层以及在有电流通过时电极/电解质溶液界面电位发生变化。,一、极化电极（pol

9、arized electrode） 当电流流过电极与电解质界面时，在界面上没有发生实质上的电荷转移，在金属电极与电解质溶液的界面形成双电层，如同一个电容器（其极性与外加电压的极性相反），流经此界面的电流为位移电流，这种很容易发生极化的电极称为完全极化电极（perfectly polarizable electrodes）。,常见的极化电极： 惰性金属如Pt、Au、Ag在空气中很难被氧化和分解，但当这些金属与电解质溶液在一起时，只要给这些电极施加电压，则很容易在金属/电解质界面上形成双电层，发生极化。,二、非极化电极（nonpolarized electrode） 外加电流能自由地通过电极/电解

10、质溶液界面，其转移过程不需要任何能量，这种电极称为完全非极化电极（perfectly nonpolarizable electrodes ），完全非极化电极没有超电位发生。,常见的非极化电极： Ag-AgCl电极： 制作方法：采用纯银作为电极的极片，在极片的表面上镀覆一层AgCl，或者将银丝放在含有Cl-的溶液中形成的。 为什么Ag-AgCl电极是非极化电极？,在Ag/AgCl电极的表面存在下列平衡反应： 1、当给电极施加正电位时反应为： 结论：反应放出电子与电极正电荷中和，使电极电位不变。 2、当给电极施加负电位时反应为： 结论：AgCl消耗电子，使电极电位不变。,Ag-AgCl电极特性：

11、1、AgCl对光敏感，尤其对红外光更敏感，应当保存在暗处。 2、 Ag-AgCl电极对生物组织有害，只能用于体外，不能用于体内。,Ag-AgCl电极的制作： 1、电解法制作：要镀AgCl层的银电极作为阳极，表面积较大的银板作为阴极。,2、烧结法制作： 医学仪器常用的Ag/AgCl电极的制作方法 将净化的纯银丝放在模具内，再填满银和氯化银粉末的混合物，用扳压机加工，压成圆柱体，然后从模具中取出，在400C高温下烘几个小时，便形成一个银导线周围包围着Ag和AgCl圆柱体的Ag-AgCl电极。,特点：不怕磨损、便于保存、成本低，常作为体表电极用于记录心电、脑电、肌电等。,第五节：检测电极和电刺激电极

12、,一、检测电极测定生物电时的干扰 1、电极-皮肤界面和运动伪差 2、工频干扰（在第二章中讲解）,运动伪差产生的原因,1、可极化电极与电解质溶液接触时，在界面上形成双电层，当电极相对于电解质溶液运动，就会搅乱截面处的电荷分布，使半电池电势产生瞬间的变化。 2、电解质溶液中放入一对电极，一个电极运动，另一个电极保持静止不动，在运动期间两电极间会产生电位差。 3、导电膏-皮肤电位ESE也会随电极运动而变化。,运动伪差的性质是一种随机的，难以避免的干扰，其幅度、频率及带宽都无法预测，因而难以靠仪器设计的方法来解决。,减小伪差的措施,1、尽量保持放置电极的局部皮肤不变形，电极/导电膏/皮肤 接界稳定。

13、2、对皮肤进行充分打磨以减小皮肤阻抗中的表皮阻抗部分。 3、电极用于长时间记录时，角质层在24小时内便可再生一次，因而有产生运动伪差。,检测电极形式,体表检测电极（body-surface recording electrodes） 1、金属板电极（metal-plate electrode） 2、吸附电极(suction electrode) 3、浮式电极(floating electrode) 4、干电极(dry electrode) 5、柔性电极（flexible electrode）,干电极区别于常规的湿电极 采用电容耦合的原理测定信号。 特点：不使用导电膏，使用方便，适用于长时间连续

14、测量， 电极阻抗远高于湿电极，通过缓冲放大器后可获得低输出阻抗。,二、刺激电极,电刺激治疗都是通过电极将电源的刺激电流送到生物体可兴奋的组织中，因此刺激电极是生物体可兴奋组织和刺激电源之间的转换接口。,静息状态 兴奋状态,刺激电极的供电极性和波形,当用直流电刺激细胞时，在阳极处，电流通过细胞膜进入膜内，在细胞膜产生电压降，导致膜内负膜外正，增大了静息电位，使膜发生了超极化，因而使组织更难极化。,在阴极处，电流从膜内流出，在细胞膜产生电压降，这个压降与静息电位符号相反，使膜电位减小，发生膜的去极化，如果刺激电流达到阈值，就会使阴极下的组织兴奋。,结论：当刺激电流达到阈值时，引起兴奋的组织是阴极下的组织。,常见刺激波形,检测与刺激共用电极,