Ю.Н. Орлов, О.Н. Суглобова - Исследование характеристик биоэлектрических электродов

Московский государственный технический университетимени Н. Э. БауманаМетодические указанияЮ.Н. Орлов, О.Н. СуглобоваИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКБИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХЭЛЕКТРОДОВИздательство МГТУ им. Н. Э. БауманаМосковский государственный технический университетимени Н.Э. БауманаЮ.Н. Орлов, О.Н. СуглобоваИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКБИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХЭЛЕКТРОДОВМетодические указания к выполнению лабораторных работпо курсу «Измерительные преобразователи и электроды»МоскваИздательство МГТУ им.

Н.Э. Баумана2008УДК 615.478ББК 34.7О-664О-664Рецензент В.Л. СкрипкаОрлов Ю.Н., Суглобова О.Н.Исследование характеристик биоэлектрических электродов:Метод. указания к выполнению лабораторных работ по курсу«Измерительные преобразователи и электроды». – М.: Изд-воМГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – 44 с.Рассмотрены электрохимические процессы, конструкции, основные характеристики, а также правила эксплуатации биоэлектрическихэлектродов 1-го и 2-го рода.Для студентов факультета «Биомедицинская техника».УДК 615.478ББК 34.7Учебное изданиеОрлов Юрий НиколаевичСуглобова Ольга НиколаевнаИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКБИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОДОВРедактор О.М. КоролеваКорректор М.А.

ВасилевскаяКомпьютерная верстка В.И. ТовстоногПодписано в печать 10.12.2007. Формат 60×84/16. Бумага офсетная.Усл. печ. л. 2,56. Уч.-изд. л. 2,35. Тираж 100 экз. Изд. № 85.ЗаказИздательство МГТУ им. Н.Э. БауманаТипография МГТУ им. Н.Э. Баумана105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5c МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008РАБОТА № 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКЭЛЕКТРОДОВ 1-го РОДАКраткие теоретические сведенияИзучение функциональных и анатомических особенностей человека дает основание рассматривать его организм как многоуровневую структурированную систему, существование которой определяется взаимодополняющей общностью различных органов, тканей, клеток, субклеточных структур, молекулярных, ионных и других структурных уровней [1].Отдельные структурные образования различаются между собой как качественными, так и количественными характеристиками.Указанные различия обусловили появление большого количествадиагностических методик, в которых в качестве диагностическихпризнаков рассматриваются акустические (ультразвуковые), оптические, рентгеновские, электромагнитные и другие физическиехарактеристики биообъекта (термин «биообъект» — БО — используется далее расширительно и может иметь отношение ко всемперечисленным выше структурам организма).

В рамках классической электрофизиологии на структурных уровнях органов, тканей иклеток исследуются электрические характеристики (электрическиепотенциалы и проводимости) этих БО.Измерение биоэлектрических потенциалов осуществляетсяприборами (средствами измерения медицинского назначения —СИМН), включающими в свой состав биоэлектрические электроды. Биоэлектрический электрод (далее — электрод) — устройство,используемое при съеме биоэлектрических потенциалов, имеющеетокосъемную поверхность, контактирующую с БО, и выходныеэлементы (по ГОСТ 24878, см.

приложение 2).3Параметры сигнала отведения (электрода и зоны БО, ответственной за генерацию и проведение электрического сигнала) определяются:1) характеристиками электрогенных проявлений (параметрами потенциала покоя, возбуждения, метаболического потенциала, потенциала асимметрии) и 2) электрохимическими процессами, протекающими в БО независимо от деятельности электрогенных структур (адсорбционными, диффузионными и окислительновосстановительными потенциалами). Электрофизиологическиепроявления различных структур БО характеризуются большой вариабельностью: параметры ритмики и амплитуды сигнала могутизменяться более чем на шесть порядков.Запись биопотенциалов какого-либо органа или ткани в функции времени называется электрограммой (например, ЭКГ, ЭЭГ,ЭМГ, ЭОГ и т.

д.). Для снятия и последующего изучения электрограмм используются чаще всего контактные электроды (приложение 2). Контакт электродов с БО осуществляется через слойестественного, а во многих случаях и искусственного электролита(электродного контактного вещества, далее — ЭКВ) (рис. 1). Указанные электролиты ответственны за механизмы гальваническойпередачи биоэлектрических сигналов, а также электрохимическоговзаимодействия электрода с жидкими структурами БО.Взаимодействие электродов (проводников с электронной проводимостью) с искусственными и естественными жидкими проводящими средами (проводниками с ионной проводимостью), а такжевзаимодействие электролитов различных составов и концентраций,находящихся внутри БО, приводят к возникновению электрохимических потенциалов ϕэх .Электрохимические потенциалы при измерениях суммируются с потенциалами электрогенной структуры биообъекта ϕБО , приэтом с электродов снимается суммарный электрический потенциал ϕэ :ϕэ = ϕБО + ϕэх ,где ϕБО — биоэлектрический потенциал; ϕэх — электрохимический потенциал отведения.Величина ϕэх может изменяться во времени по сложным, поройнепредсказуемым законам.

Суммирование электрических сигналов4Рис. 1. Схема отведения:1 – cобственно электрод; 2 – отводящий провод; 3 – искусственный электролит;4 – естественный электролит; 5 – эпидермис с потовыми и жировыми каналами;6 – подкожные электропроводящие структуры; 7 – электрогенная зона БОна электродах может привести к неверной интерпретации результатов измерений, поэтому при проектировании диагностической биотехнической системы необходим анализ всех протекающих в отведении биоэлектрохимических процессов и технически обоснованное построение электродной системы, адекватной характеристикамснимаемого сигнала [2].Потенциалы отведенийПоляризация границы фаз «электрод-электролит». Особенностью контакта «электрод-электролит» является выход катионовметалла в растворитель (гидратация катионов металла) и образование приэлектродного двойного электрического слоя.

Процессы ионного обмена металла электрода с жидкой проводящей средой при5водят к поляризации границы фаз «металл–электролит» и появлению потенциала поляризации на электроде относительно электролита (электродного потенциала). Значение электродного потенциала ϕэ определяется химической активностью его катионов аMz+ вэлектролите и описывается уравнением Нернста:ϕэ = ϕ0 +RTlg аMz+ ,zFгде ϕ0 — электродный потенциал, измеренный в стандартных условиях относительно стандартного электрода сравнения (нормального водородного электрода); R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура; z — валентность ионов; F — число Фарадея.Наличие в замкнутой измерительной ячейке (рис. 2) двух отведений, металлы или электролиты которых имеют отличия друг отдруга, приводит к появлению между ними разности потенциалов —потенциала смещения ϕсм , значение которого определяется следующим выражением:ϕсм = Δϕ0 +RT аMz+1lg,zFаMz+2где Δϕ0 — разность стандартных электродных потенциалов;aMz− , aMz−1 — активности катионов металлов электродов в контактирующих с ними электролитах первого и второго отведений.В отсутствие внешней электрической нагрузки диффузионные процессы приводят к установлению электродинамическогоравновесия зарядов на границе различных фаз.

Воздействие насистему «электрод–электролит» внешнего электрического поля,динамика электрической нагрузки, а также изменение характеравзаимодействия проводников 1-го и 2-го рода могут приводить кдинамике двойного слоя, потенциал электрода при этом изменится. Время релаксации электродного потенциала может достигатьдесятков секунд, амплитудное значение потенциала смещения —сотен милливольт.Диффузионный потенциал. Контакт двух электролитов с разными электрохимическими свойствами (например, проводящей6Рис.

2. Измерительная ячейка:а – cхема измерения электрических потенциалов; Э1 , Э2 – измерительные элек-троды в различных отведениях; a1 и a2 – параметры электропроводных жидкихпроводящих сред в приэлектродных зонах; б – структурная схема; М – металлы(или другие проводники 1-го рода) проводов отведения и электродов; Р – элек-тропроводные искусственный и естественный электролиты; ИП – измерительныйприборжидкости биологического происхождения и электродного контактного вещества) приводит к тому, что более подвижные ионы изконцентрированного раствора диффундируют в зону отведения сменьшей концентрацией, заряжая ее соответствующим знаком.