2 Электроды

Основные понятия. Электродный потенциал. Двойной зарядовый слой - ДЗС. Электролитный состав плазмы тела. Токовый и бестоковый режим работы электродов. Эквивалент кожи. Шум, дрейф электродов. Допустимые токи через электрод. Зависимость сопротивления электрод плазма от концентрации электролита .

Любой диагностический прибор начинается с датчика биосигналов, а приборы измерения биопотенциалов начинаются с электродов. Далее сигналы усиливаются усилителями и регистрируются (визуализируются) в виде графиков или изображений. Характеристики электродов существенно влияют на качество представления биопотенциалов.

Наиболее общее определение электрода - это материал с электронной проводимостью, находящийся в контакте с электролитом (электролит имеет ионную проводимость). Во врачебной практике электроды делятся на поверхностные (неинвазивные) и внутренние (инвазивные). Те и другие делятся на приемные (пассивные, воспринимающие сигналы, работающие в режиме отсутствия тока) и токовые (активные, для токовой стимуляции, воздействия). Нас в основном будут интересовать поверхностные бестоковые электроды.

Характеристики электродов

Современные усилители имеют высокое входное сопротивление, обычно более 10 мОм. Тогда можно считать, что входной ток в цепи электрода отсутствует и электроды работают в бестоковом режиме. Но и в этом упрощенном случае между поверхностью электрода и электролитом происходят сложные электрохимические процессы. Тело человека заполнено плазмой из ионов К₊. Na₊, Cl_-, Ca₊ и другими. Между металлом электрода и электролитом возникает контактная разность потенциалов (как в обычной батарейке). Величина этих потенциалов определена "работой выхода электронов" материала электрода. Значения контактных потенциалов различно для разных материалов и приведены в таблице 1.

Таблица 1 Нормальные электродные потенциалы {Вольт}. Опорная точка измерений - водородный электрод Н.

Li K Ca Na Al Zn Cr Fe Ni Pb

-3 -2.9 -2.8 -2.7 -1.6 -0.76 -0.7 -0.4 -0.2 -0.12

Sn Cu Hg Ag Pt Cl Au

+0.05 +0.35 +0.8 +0.84 +1.2 +1.4 +1.7

Для подключения усилителя используется минимум два электрода, поэтому на его вход поступает разность контактных потенциалов электродов. Что бы уменьшить эту разность комплекты электродов изготавливается обязательно из одного металла, и, желательно, из одной заготовки (с целью иметь одинаковый состав примесей).

Все электроды проверяются по основным параметрам, которые установлены ГОСТ 25995. Некоторые значения этих параметров представлены в таблице 2

Таблица 2.

Параметры электродов по ГОСТ 25995-83.

Типы Электродов/Параметр .	ЭКГ	ЭЭГ	ЭМГ
1. Разность электродных потенциалов мВ 2. Дрейф электродных потенциалов мкВ при нижней граничной полосе Гц. 3. Напряжение шума , мкВ 4. Шум при сдвиге , мкВ 5. Время готовности, минут 6. Время непрерывного контакта , часы 7. Сопротивление перехода, Ом	100 250 0.05 30 100 10 0.5/24	100 25 0.15 20 - 5 0,5	- - - 20 - 5 -
	5000 не более.

(под временем готовности понимают время после наложения электродов, по истечению которого выполняются заявленные параметры).

Как видно из таблицы 2 разность электродных потенциалов не должна превышать значения 100 мВ. Однако на практике часто используют старые или грязные электроды, поэтому принято, что усилитель биопотенциалов (УБП) должен быть устойчив к величине большего разностного электродного потенциала, а именно в пределах +/- 0,3В. Эта величина записывается в требованиях к каждому УБП.

Загрязнение электродов приводит к возникновению не контролируемых разностей потенциалов на поверхности каждого электрода. В результате возникают местные уравнительные токи, как условно показано на рис 1.1. б) Местные токи создают повышенные (избыточные) шумы электрода и дрейф электродного потенциала. Даже если величина дрейфа составляет всего 1% от значения электродного потенциала, он будет в 1000 раз превышать полезный биосигнал, имеющий величину доли милливольт а.

Небольшие вкрапления примесей - неоднородностей материала электрода в контакте с электролитом в химических реакциях истощаются, через 10-30 минут электрод обычно "успокаивается", его шумы падают. Но такое большое и не гарантированное время успокоения недопустимо во врачебной практике.

Многолетней практикой выделены лучшие варианты электро­дов. Это платиновые электроды, хлорсеребряные электроды, электроды из нержавеющей стали, нейзильберовые и некоторые другие. Сегодня считаются лучшими электроды хлорсеребряные: металлическое серебро покрыто солью АgCl. Разность контактных потенциалов для электродов АgCl практически не превышает 10 мВ. Дополнительно для устранения различий ионного состава тела и уменьшения переходного сопротивления в точках расположения электрода используется предварительная очистка кожи спиртом и нанесение специальной электродной пасты. Нанесением пасты толстым слоем между кожей и электродом исключается прямой контакт электрода с кожей. Он заменяется более стабильным переходом электрод-паста и кожа-паста. Конечно ионы дрейфуют через пасту, но этот процесс занимает многие минуты, а процедура обследования обычно составляет единицы минут.

Конструктивные особенности электродов. Основными конструктивными характеристиками электродов являются: диаметр электрода (площадь), его материал и способ крепления. Далее рассмотрим особенности конструкции электродов для электрографии, энцефалографии, миографии и реографии.

Электроды для электрокардиографии (ЭКГ, рис 1.2) делятся на::

1) электроды для взрослых и для детей (различают­­ся диаметром контактной части: для взрослых D=30мм, для детей D=16мм).

2) электроды многоразовые и одноразовые клеящиеся. Последние постепенно вытесняют многоразовые в силу гарантированного обеспечения стерильности. Одноразовые электроды считаются перспективными.

3) многоразовые электроды делятся на конечностные и грудные. Первые обычно имеют конструкции прищепок, вторые - присосок. Кроме этого используется крепление электрода эластичным бинтом: это обеспечивает уверенную фиксацию в условиях, когда по методике обследования пациенту требуются изменять положение тела или совершать движения (тесты с нагрузочной пробой).

Электроды независимо от конструктивного выполнения имеют цветовую маркировку в соответствии с точками наложения на пациента. Диаметр под штекер стандар­тизирован, он может иметь значение 4 мм или 2 мм.

Принятая повсеместно методика ЭКГ обследования требует одновременного наложения 10 электродов. Однако с конца 80 годов прошлого столетия начали применяться методики обследования с числом электродов 35, 64 и более (так называемые методики картирования ЭКГ). Эти электроды крепятся на специальных электродных поясах.

На электроды для ЭКГ накладывается дополнительное требование: быть устойчивыми при проведении процедур дефибриляции миокарда. При дефибриляции через тело пациента протекают значительные токи, до многих ампер, эти токи создают большие поляризационные потенциалы, которые могут превысить допустимое значение 0.3В. Поэтому электроды для ЭКГ должны проходить дополнительную проверку на величину поляризационного потенциала при протекании импульса тока дефибрилятора. Наиболее устойчивыми к дефибриляции являются хлорсеребряные электроды.

Э лектроды для электроэнцефалографии (ЭЭГ, рис 1.3) Число электродов в методиках ЭЭГ обычно велико. Принята между­народная система из 19 электродов (так называемая система 10/20). Электроды крепятся на "шапочке" “Шапочка” позволяет немного смещать электроды для учета размеров головы разных пациентов. Индиферентный (зазем­ля­ющий) электрод устанавливается на мочку уха. Диаметр электродов 10мм. В отличие от ЭКГ отрицательный потен­циал на сигнальных электродах дает положительное отклонение графика ЭЭГ.

Э лектроды для электромиографии (ЭМГ). Особенностью методик ЭМГ обследования является одновременное использование токовых электродов, стимулирующих возбуждение нервов и бестоковых, сигнальных электродов. Токовые электроды снабжены фетровой прокладкой, смоченной солевым раствором. Как сти­мулирующие, так и приемные электроды попарно обьединены в удобный для руки держатель. Типовое расстояние между электродами 20 мм. На рис 1.4 показаны некоторые варианты приемных и токовых электродов. Одновременно в комплект электродов входят варианты, обеспечивающие произвольное взаимное расположение электродов, крепящихся эластичным бинтом.

Сигналы ЭМГ имеют более быстротечный характер, чем ЭКГ и ЭЭГ, поэтому требования к характеристикам дрейфа здесь ослаблены. Для токовых электродов применяется нержавеющая сталь.

От врача требуется прекрасное знание анатомии тела для точного наложения электродов на конкретный нерв или мышцу. Как правило используются биполярные отведения. Сигнальным электродом считается "отрицательный" (дает на миограмме отклонение графика вверх при отрицательном потенциале). Сигнальный электрод отмечается красной точкой.

Электроды для реографических обследований (Реография - обследование пульсирующего кровена­полнения сердца и сосудов с помощью измерения изменяющегося сопротивления тела). Как и в миографии одновременно используется комбинация токовых (задающих ток через тело пациента) и сигнальных электродов. В наиболее распространенном варианте "тетраполярной реографии" используется 4 электрода: два токовых и два сигнальных. Электроды токовый и сигнальный конструктивно объединяются в пару, выполненную в виде двойной стальной ленты. Одна парная лента накладывается на шею, другая на бедра. Основное требование к этим электродам - обеспечение удобства пользования для врача и для пациента.

Электроды токовой стимуляции.

Токовая стимуляция широко используется как для диагностических так и для физиотерапевтических целей. Однако прохождение тока вызывает эффект переноса ионов (Эффект Фарадея): один электрод растворяется, а на другом выделяются ионы. При этом возникают сильные раздражения кожного покрова пациента и трудно заживающие язвы.

Основные понятия описания электролитов. Размер молекулы воды имеет величину порядка 1А* (Ангстрем =10^-10 м), среднее расстояние между молекулами воды 3А*. Молекулы воды сильно поляризуются (ε=81), в отсутствие электрического поля молекулы образуют поляризованные домены, причем вектор поляризации в среднем направлен произвольно, макро поляризации не наблюдается. Домены релаксационно изменяют свои границы. Размеры доменов и время между релаксациями резко увеличивается при снижении температуры ниже 24 ^ОС. При больших темперах время существования доменов уменьшается и они исчезают. На структуру доменной организации сильно влияет магнитное поле, особенно в движущемся потоке и при температурах ниже 20⁰С.

Вода является прекрасным растворителем. Концентрация растворяемых веществ измеряется в процентах или в молях на литр растворителя (Моль - единица количества вещества. Масса моля - грамм-эквивалент вещества - равна его суммарному атомному весу. Например грамм молекула NaCl составляет 23+35 = 58Г).

При молярной концентрации одна молекула любого растворяемого вещества приходится на 55 молекул растворителя. Для милли моля одна молекула приходится на 55500 молекул (или соседние молекулы растворяемого вещества разделены 38 молекулами воды (т.е. расстояние 100А* в среднем).

Типовая концентрация разных ионов в плазме тела представлена в таблице 1.3:

Таблица 1.3. Ионная концентрация в мышце лягушки

{ммоль/литр}	внутри клетки		вне клетки
К+	124	2.3
Na+	4	109
Сl-	1,5	77

При этих концентрациях линейное расстояние между молекулами составляет от 100 А* до 15А* и они разделены от 5 до 30 молекулами растворителя.

Приведем еще практически важное выражение для удельного сопротивления плазмы. Оно определяется выражением:

1/ ρ =F_*C_*(u₊ + u_-),

где ρ - удельное сопротивление раствора, С- концентрация ионов в растворе, F - число Фарадея (96487 Кулон/гэкв), u₊ и u_- - подвижности положительных и отрицательных ионов раствора. Подвижность (средняя скорость дрейфа иона при напряженности поля 1В/см) типовых ионов плазмы примерно равна (5-7)*10^-4 {cм²/сек_*В} Таким образом проводимость 1/ρ прямо пропорциональна концентрации С. Величины удельного сопротивления некоторых растворов представлены в таблице 1.4.

Таблица 1.4.Удельное сопротивление {Ом*см} растворов .

Концентрация в %:	2.5	5	10	15	20
КCl	28.8	14.3	7.35	5	3.7
NaCl	28.8	14.3	8.26	6.25	5
Плазма тела Раствор Рингера Вода морская Дистилированая	30 - 35 60 3 106

Зная удельное сопротивление плазмы можно оценить омическое сопротивление тела в условных границах: сечение 20х30 см, длинна 40см. Подсчет дает значение порядка 2х Ом. Точно так же можно подсчитать сопротивление геля между электродом и кожей - оно составляет десятые доли Ома.

На границе металл - электролит (электрод - плазма тела) электронная проводимость металла переходит в ионную, при этом на контактной поверхности формируется двойной зарядовый слой (ДЗС), условно показанный на рис 1.5. ДЗС несет контактную разность потенциалов указанную в таблице 1.1 и обладает емкостными свойствами: его удельная емкость порядка 10 мкФ/см2.

Структура ДЗС несколько прояснится, если учтем, что для получения разности потенциалов порядка 1В плотность зарядов на "обкладках конденсатора" ДЗС должна быть 6.25*10³ на микрон² или каждая частица, несущая заряд в одном слое ДЗС отдалена на 8А* от другой такой же (т.е. разделена в среднем 3-мя молекулами Н₂О). Повышение контактного потенциала уплотняет этот слой, снижение - обедняет, причем уплотнение имеет ясные физические границы "плотной упаковки".

Контактный потенциал изменяется при прохождении токов за счет проявления фарадеевского процесса выхода ионов металла в электролит и обратное осаждение на электроде - аноде. Эквивалентом процесса является резистор R_f, показанный на рис 1.5.

Величина резистивной составляющей обычно измеряется экспериментально. Теоретическая формула позволяет ориентироваться в изменении этого сопротивления от окружающих условий, в частности от изменения концентрации контактирующего электролита. Для длительно протекающего тока значение фарадеевского сопротивления R_f определяется выражением:

R_f =(ŔT/F) / (i S) {Ом/см²},

где Ŕ- газовая постоянная Больцмана =8,314 Дж/(К_*моль), F- число Фарадея= 96 487 Кл/г-экв, Т – температура по Кельвину, общее значение (RT/F)=25,8 мВ (при Т=300⁰ Ц), i - ток обмена потенциало образующей реакции (дается в справочниках). S - площадь. Для платинового электрода i =1 мА/см² в растворе HCl концентрацией 1 М (10^-3 ма/см² для раствора 1мМ). Таким образом резистивная составляющая ДЗС зависит обратно пропорционально от концентрации электролита и площади электрода. Дополнительно вводится коэффициент шороховатости поверхности, для платины он равен 100. Тогда сопротивление R_f для платинового электрода площадью 1 см² в растворе НСl будет определяться соотношением:

R_{f 1}=25.8 Ом /см² для раствора 1М и

R_{f 001} =25.8 кОм/см² для раствора 1мМ,

Считая среднюю концентрацию ионов плазмы тела порядка 10 мМоль получим среднее значение удельного сопротивления ДЗС электрода 2600 Ом/см². Для бестоковых электродов величина этого сопротивления определяет шумы электрода.

В первый момент прохождения тока в системе электрод - электролит выделение ионов не происходит: изменяется заряд емкости (перестройка структуры ДЗС). Этот процесс достаточно хорошо поясняется графиком рис 1.6 в координатах: заряд ДЗС (на единицу площади) - электродный потенциал. Подводимый заряд измеряется в «Кулон/мм² - накопленном токе». График имеет три зоны: центральную, где процессы имеют обратимый емкостной характер и боковые, где идет процесс выделения ионов. Ширина центральной зоны определяется материалом электрода.

Допустимые токи через электроды

Для электрода из стали при протекании тока в раствор электролита под анодом выделяется ион Fe₂+ (реакция FFe²⁺+2e^-), под катодом гидроксильная группа ОН^- (реакция 2Н₂О+2е^- Н₂+2ОН^-). Свободные электроны обеспечивают электронную проводимость внешней цепи, а гидроксильные группы ОН^- внедряются в плазму тела. Возбуждение клеточных структур, например для стимуляции, происходит под катодом (если достаточна плотность тока). Внедрение избыточных гидроксильных групп ОН^- приводит к возникновению сильных раздражений кожного покрова пациента. Поэтому установлена допустимая безопасная плотность постоянного тока - 0.1 мкА/мм² (0.01мА/см²). Однако для целей электростимуляции и физиотерапии желательно использовать плотности токов в 1000 раз большие: безопасность достигается применением импульсных и переменных токов. Наличие емкости перехода ДЗС позволяет использовать сильные импульсные токи, если их среднее значение остается в допустимых пределах. Естественно такие импульсы должны быть редкими и короткими. При повышении частоты импульсов необходимо использовать двуполярные импульсы с нулевым средним значением, т.е. устранять постоянную составляющую тока. Накопление заряда за время одного импульса не должно увеличивать заряд ДЗС свыше конкретной для данного электрода величины, т.е. не должно выводить за линейный участок II графика рис 1.6. Принято использовать обобщенную величину: произведение тока в импульсе на его длительность, т.е. привносимый заряд за время импульса. Электрод из платины сохраняет свои характеристики на участке II при вносимом заряде 0.3 - 0.4 мкКл/мм² , из стали 0.4 - 0.8 мкКл/мм², из тантала - 0.934 мкКл/мм². Импульс обратной полярности должен возвращать рабочую точку обратно в центральную часть графика до появления следующего импульса. (Предельное значение вносимых зарядов изменяют потенциал ДЗС примерно на 1В.) Работа в области обратимого участка является обязательной для медицинских электродов: в этом случае не наблюдается раздражающих действий.