02Hastq_2_2010 (Медицинская техника (лекции))

261

Медицинские приборы измерения

и анализа биопотенциалов

Ч асть 2 Инженерные вопросы построения приборов измерения и анализа биопотенциалов.

Условно распределение инженерных задачь построения медицинских приборов измерения и анализа биопотенциалов показано на рис 1.1. Ниже последовательно разбираются конкретные инженерные методы с целью освещения круга вопросов построения приборов. Это электроды, усилители, АЦП и ввод в ЭВМ, основные программные задачи. Еще 50 лет назад каждый инженер использовал логарифмическую линейку, учебники и справочники. Сегодня используются программы ЭВМ типа Мат Лаб (Mathlab) Мат Кад (Mathcad), Консол (Consol Maltiphesics), и др., учебники и справочники. По этому изложение идет в ознакомительном ключе с разьяснением основных принципов применения.

1. 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. Характеристики электродов существенно влияют на качество выходных графиков биосигналов и точность измерения параметров.

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 стимуляции). Нас в основном будут интересовать поверхностные электроды.

1.1. Характеристики электродов

Современные усилители имеют высокое входное сопротивление, обычно более 10 мОм. 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 др. Между электродом и электролитом возникает контактная разность потенциалов (как в обычной батарейке). Величина этих потенциалов определена "работой выхода электронов" материала электрода и концентрацией ионов материала электрода в электролите. Значения контактных потенциалов различно для разных материалов. Оно приведены в таблице 1.

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

Для подключения усилителя используется минимум два электрода, поэтому на его вход поступает разность контактных потенциалов. Комплекты электродов изготавливается обязательно из одного металла, и, желательно, из одной заготовки с целью иметь одинаковый состав примесей. Однако и в этом случае разностный потенциал не бывает нулевым. Главгую роль в его появлении играют загрязнения. Потенциал каждого электрода определяется выражением (Нерст 1889г):

Φ= φ₀ +(RT/ZF) lg a_n+= φ₀ +(0,059/Z) lg a_n+ ,

где Φ –потенциал электрода, вольты, φ₀ -потенциал из таблицы 1, RT/F – константы Больцмана, Температура Т=298К, константа Фарадея, Z - валентность, a_n+ - подвижность ионов электрода в электролите. Все электроды проверяются по основным параметрам, которые установлены ГОСТ 25995-83. Некоторые значения этих параметров представлены в таблице 2

Таблица 2.

Параметры электродов по ГОСТ 25995-83.

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

Как видно из таблицы 2 разность электродных потенциалов не должна превышать значения 100 мВ. Однако принято, что усилитель биопотенциалов (УБП) должен быть устойчив к величине разностного электродного потенциала в пределах +/- 0,3В. Эта величина (ныне устаревшая) записывается в требованиях к каждому УБП. Загрязнение электродов приводит к возникновению не контролируемых разностей потенциалов. Возникают местные уравнительные токи, как условно показано на рис 1.2. Появляются 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 электрода в химических реакциях истощаются, через 10-30 минут электрод обычно "успокаивается", его шумы падают. Но такое большое и не гарантированное время успокоения недопустимо для врачей.

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. (Соль АgCl гарантирует ионный состав контактирующего электролита). Разность контактных потенциалов для этих электродов практически не превышает 10 мВ. Дополнительно для устранения различий ионного состава кожи используется предварительная очистка спиртом и нанесение специальной электродной пасты.

В последнее время появился интерес к "электродам второго рода". Это обычный хлорсеребряный электрод, однако контакт с телом обеспечивается через асбестовую нить (длинна 29 мм), нить пропитана раствором КСl. Утерждается, что при таком конструктивном исполнении дрейф электрода уменьшается в 10 раз, однако увеличивается сопротивление электрода и его шумы.

1.2 Конструктивные особенности электродов. Типы электродов для диагностических приборов разнообразны. Различны площади электрода, особенности крепления электродов к точкам тела, типы используемых материалов и требуемая продолжительность работы. Далее рассмотрим особенности конструкции электродов для электрографии, энцефалографии, миографии и реографии.

1) Электроды для электрокардиографии (ЭКГ, рис 1.3) 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 гарантированной стерильности.

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.

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 12ОП ЭКГ обследования требует наложения 10 электродов. Однако с конца прошлого столетия начали применяться методики обследования с числом электродов 35, 64 и более (так называемые методики картирования ЭКГ). 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 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.

4 ). Электроды для электроэнцефалографии (ЭЭГ, рис 1.4) Число электродов в методиках ЭЭГ обычно велико. Принята между­народная система из 19 электродов (так называемая система 10/20. Цифры обозначают процентное деление расстояний лоб – затылок и ухо – ухо). Электроды крепятся на "шапочке". “Шапочка” позволяет смещать электроды для учета размеров головы. Индиферентный (зазем­ля­ющий) электрод устанавливается на мочку уха. Диаметр электродов 10мм. В отличие от ЭКГ отрицательный потен­циал на сигнальных электродах дает положительное отклонение графика ЭЭГ.

5
) Электроды для электромиографии (ЭМГ). Особенностью методик ЭМГ обследования является одновременное использование токовых электродов, стимулирующих возбуждение нервов и "сигнальных" (бестоковых). Как сти­мулирующие, так и приемные электроды попарно обьединены в удобный для руки держатель. Типовое расстояние между электродами 20 мм. На рис 1.5 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 с фетровой прокладкой, смоченной солевым раствором. От врача требуется прекрасное знание анатомии тела для точного наложения электродов на конкретный нерв или мышцу. Сигнальный электрод дает отклонение графика вверх при отрицательном потенциале. Он отмечается красной точкой.

6) Электроды для реографических обследований (Реография - обследование пульсирующего кровена­полнения сердца и сосудов с помощью измерения изменяющегося сопротивления тела). 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.

1.3 Допустимые токи через электроды

П
ри протекании тока в раствор электролита под анодом выделяется ион Fe₂+ (для электрода из стали), а гидроксильные группы ОН^- выделяется под катодом и внедряются в плазму тела. Происходит возбуждение клеточных структур. Внедрение избыточных гидроксильных групп ОН^- приводит к возникновению раздражений кожного покрова. Поэтому установлена допустимая безопасная плотность постоянного тока - 0.01мА/см². Однако для целей электростимуляции и физиотерапии приходится использовать плотности токов в 1000 раз большие: безопасность достигается применением импульсных и переменных токов. Наличие емкости перехода ДЗС позволяет использовать сильные импульсные токи, если 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 (устранять постоянную составляющую). Принято использовать обобщенную величину: произведение тока в импульсе на его длительность, т.е. привносимый заряд. Накопление заряда за время одного импульса не должно увеличивать заряд ДЗС выше конкретной для данного электрода величины, т.е. не должно выводить за линейный участок II графика рис 1.6. 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.

1.4. Основные понятия описания электролитов.

Размер молекулы воды имеет величину порядка 1А* (Ангстрем =10^-10 м, 10^-1 Нм), среднее расстояние между молекулами воды 3А*. Молекулы воды сильно поляризуются (ε=81), в отсутствие электрического поля молекулы образуют поляризованные домены, причем макро поляризации не наблюдается. Домены релаксационно изменяют свои границы. Размеры доменов и время между релаксациями резко увеличивается при снижении температуры ниже 20 ^ОС. При температуре выше 30⁰С доменная структура исчезает. На доменную организацию сильно влияет магнитное поле, особенно в движущемся потоке и при температурах ниже 20⁰С.