БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОДЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

1.1. Классификация биоэлектрических электродов:

Биоэлектрическим электродом называется устройство, исполь­зуемое при съеме биоэлектрических потенциалов, имеющее то­косъемную поверхность и выходные элементы. Токосъемная по­верхность - это часть поверхности электрода, непосредственно или через контактное вещество контактирующая с биообъектом и обеспечивающая съем биопотенциалов или соединение объекта с нейтральной клеммой. Кроме того, в биоэлектрическом электроде выделяют опорную поверхность - часть поверхности электрода, выполняющую опорную функцию при креплении электрода на биообъекте. При помощи электродов происходит преобразование ионных потенциалов в электронные (в напряжения и токи в проводниках первого рода).

Биоэлектрические электроды классифицируются по различным признакам, основными из которых являются особенности участия электродов в съеме биопотенциалов, кратность применения, продолжительность контакта с биообъектом при одном ис­следовании, характер исследуемого источника биоэлектрического поля, место наложения или введения, способ удержания в кон­такте с поверхностью биообъекта и некоторые другие.

В зависимости от участия в съеме биопотенциалов различают следующие виды электродов. Потенциальный электрод - отводящий электрод, контактирующий с участком биообъекта, находящимся в электрическом поле исследуемого органа; нулевой электрод - отводящий электрод, контактирующий с участком биообъекта, в котором потенциал электрического поля исследуемого органа, ткани, клетки стремится к нулю; нейтральный электрод - электрод, не участвующий в съеме биоэлектрических потенциалов, подключенный к нейтральной клемме измерительного прибора.

В зависимости от исследуемого источника биоэлектрического поля электроды делят на следующие основные типы:

· электрокардиографические и электроэнцефалографические, накладываемые без нарушений кожных и костных покровов;

· электрокортикографические - для съема биопотенциалов с поверхности обнаженной коры головного мозга;

· электромиелографические - для исследования биопотенциалов спинного мозга;

· электромиографические - для съема биопотенциалов мышечных волокон;

· электроокулографические - для съема биопотенциалов, возникающих при движении глазного яблока;

· электроретинографические, накладываемые на сетчатку глаза;

· электрогастрографические - для исследования биопотенциалов, вызванных электрической активностью желудка;

· электрокохлеографические - для съема биопотенциалов, вызванных активностью структур наружного, среднего и внутреннего уха.

По месту наложения или введения выделяют кожные, роговичные электроды, электроды для вскрытых органов, полостные электроды для введения в естественные полости организма, внутритканевые электроды и микроэлектроды, токосъемная поверхность которых предназначена для съема электрических потенциалов клетки и ее структур. Первые три вида электродов относятся к поверхностным электродам. Внутриполостные электроды в свою очередь подразделяются в зависимости от места введения в организм.

Типы, размеры и некоторые конструктивные особенности электродов, используемых в различных видах электрофизиологических исследований, определяются стандартами. Материал и структура электродов стандартом не оговариваются. Стандартами также устанавливается ряд важных электрических параметров электродов: разность электрических потенциалов двух электродов в отведении, дрейф разности потенциалов, напряжение шумов, полное электрическое сопротивление, методы и средства испытаний электродов.

Важнейшим признаком, по которому все биоэлектрические электроды делятся на двухфазные и трехфазные, являются особенности электрохимических процессов при съеме биопотенциалов с учетом кинетики поляризации.

1.2. Двухфазные электроды:

Двухфазные электроды называются также электродами первого рода. Структура двухфазных электродов представляет собой металл, взаимодействующий с электролитом. В общем случае структуру контакта электрода с биообъектом можно представить в следующем виде. Между тканью и электродом размещен тонкий слой электролита, возникающий естественно (слизистые оболочки, выделения потовых желез) или вносимый при наложении электрода (токопроводящие пасты, физиологический раствор). Ткани тела являются проводником второго рода, импеданс которого содержит активную и реактивную составляющие. Емкость тканей создается мембранами образующих ткани клеток и многочисленными поверхностями, разделяющими отдельные органы и структуры тела. Реактивная составляющая тока, протекающего в тканях, по крайней мере на порядок меньше активной составляющей, и ею можно пренебречь. Электрические свойства контакта электрод-биообъект определяются в основном поляризационными свойствами поверхностей раздела с разными типами проводимостей: переход ткани тела - электролит и переход электролит - электрод. Важнейшей особенностью двухфазных электродов является возникновение поляризационой разности потенциалов, которая нелинейно зависит от плотности протекающего через переходы тока. Однако при малых плотностях тока (10-15 мкА/см²), типичных для большинства видов электрофизиологических исследований, эта зависимость близка к линейной.

Поверхности разделов характеризует равновесная разность потенциалов е₀, возникающая на переходе при отсутствии тока, которая определяется природой контактирующих сред. В зависимости от материала электрода, свойств электролита, температуры, способа обработки ткани значение е₀ изменяется в пределах 0,1-50 мВ. Поляризация электродов может сильно искажать форму регистрируемого сигнала, поэтому она крайне нежелательна. При регистрации биопотенциалов величина е₀ должна оставаться постоянной, поэтому обычно применяются специальные меры для стабилизации ео.

Несмотря на отмеченные обстоятельства, наиболее распространенным типом электродов следует считать поляризующиеся металлические электроды. Технологичность изготовления, простота применения, надежность, большой срок службы, легкость и надежность стерилизации являются неоспоримыми достоинствами электродов этого типа.

В качестве материалов для изготовления металлических электродов применяется серебро, золото, платина, палладий и сплавы (платино-иридиевый, серебряно-никелевый, нержавеющая сталь). Форма поверхностных электродов определяется их целевой функцией, размеры - размерами исследуемого органа или его проекции на поверхность тела. Так, кожные электроды для регистрации ЭКГ, ЭЭГ, ЭМГ выполняют в виде круглых, овальных, прямоугольных пластин разных размеров. Отведение электрического сигнала осуществляется через разъемное или неразъемное соединение и гибкий многожильный провод.

Выбор оптимальной жесткости поверхностных электродов, особенно при большой их площади, зависит от многих факторов. Жесткие пластинчатые электроды допускают выполнение надежного соединения с отводящим проводом, но контакт с биообъектом в силу сложности рельефа кожного покрова осуществляется не по всей площади электрода и приводит к возникновению помеховых сигналов (артефакты движения). Гибкие электроды выполняются из прочной и тонкой металлизированной полимерной пленки, металлической фольги или сетки. Их применение уменьшает артефакты движения, а наличие эластичной основы - кольца из полимерного материала - позволяет использовать такие электроды при сложном рельефе поверхности. Выпускаются как многоразовые, так и одноразовые гибкие электроды. Одноразовые электроды хранятся в герметичных упаковках и снабжены пористой про­кладкой из поролона, пропитанного электролитом.

Обеспечение надежного электрического контакта кожных электродов с биообъектом достигается различными приемами:

· фиксацией электродов с помощью присосок, ремней, поясов, жи­летов, корсетов, шлемов;

· использованием подпружиненных электродов;

· использованием зубчатых электродов, уменьшающих вероятность соскальзывания;

· использованием электродного контактного вещества.

Электродное контактное вещество должно отвечать принципам адекватности и хорошей идентификации сигналов. Оно должно быть безвредным, хорошо смачивать кожу, иметь низкое электрическое сопротивление, не давать сдвигов электрических потенциалов, не менять своих свойств в складских условиях и при нанесении на кожу. В практике электрофизиологических исследований широко применяется электродное контактное вещество марки ПЭ-1-80, имеющее следующий состав: хлористый аммоний - 14 %, вода - 54 %, карбооксиметилцеллюлоза - 4 %, глицерин - 28 %, поверхностное актив­ное вещество ОП-10 - 0,1 %.

Независимо от типа применяемого электрода стабильность контакта последнего с биообъектом является одним из наиболее существенных факторов, определяющих наличие сигналов помех и частотных искажений биоэлектрических сигналов. Надежное электрическое соединение электрода с биообъектом осуществляется в конструкции «плавающего» электрода. Электрод закрепляется на коже с помощью клеящих поверхностей, контактное вещество вводится в полость электрода через верхнее отверстие. Поскольку электрический контакт между металлическим электродом и кожей осуществляется через жидкую фазу, случайные относительные смещения электрода и кожи не приводят к появлению артефактов движения.

Развитие электродной техники обусловило появление емкостных поверхностных электродов. Их основным достоинством является отсутствие контактных и поляризационных потенциалов, возникающих при использовании металлических электродов. Емкостной электрод представляет собой металлическую пластинку, покрытую тонким слоем диэлектрика. Хорошие результаты дают емкостные электроды с диэлектриком из двуокиси кремния. Монокристаллическая структура слоя обеспечивает высокую химическую устойчивость диэлектрической пленки. При активной площади электрода 0,5 см² емкость его составляет 0,015 мкФ. Однако полное кожно-электродное сопротивление для емкостных электродов быстро возрастает с уменьшением частоты, что при регистрации биопотенциалов на частотах менее 0,5 Гц приводит к недопустимо большим погрешностям.

В связи с этим были разработаны резистивно-емкостные электроды, отличающиеся от емкостных небольшой проводимостью диэлектрика. Такие электроды ослабляют контактные и поляризационные потенциалы по сравнению с металлическими электродами в десятки и сотни раз. Вместе с тем наличие незначительной проводимости позволяет передать всю инфранизкочастотную область спектра снимаемых биопотенциалов. Разновидностью резистивно-емкостных электродов при нулевой их емкости являются резистивные электроды. Они также в значительной степени ослабляют поляризационные потенциалы, однако обеспечивают хорошие результаты при исследовании биопотенциалов лишь в частотном диапазоне до нескольких сотен герц.

Внутритканевые электроды подразделяются на игольчатые, стержневые (имеющие форму стержня с тупым концом), спиральные (в виде спирали, вводимые в ткани путем сообщения электроду вращательных усилий), проволочные (в виде тонкой изолированной или неизолированной прямой или свитой в спираль проволоки). Наиболее распространенными внутритканевыми электродами являются игольчатые. Изготавливаются игольчатые электроды следующих основных типов:

· концентрический двухполюсный торцевой игольчатый электрод - имеет в середине торцевой, погружаемой в ткани биообъекта, части иглы изолированную от иглы токосъемную поверхность;

· эксцентрический трехполюсный торцевой электрод - две токосъемные поверхности в торцевой части иглы;

· трехполюсный боковой игольчатый электрод - с двумя изолиро­ванными друг от друга и от иглы токосъемными поверхностями, расположенными в боковой, погружаемой в ткани биообъекта, части иглы;

· многополюсный боковой игольчатый электрод - с несколькими токосъемными поверхностями в боковой части иглы.

Игла игольчатых электродов подключается к измерительной схеме и входит в счет числа полюсов.

Металлические микроэлектроды, предназначенные для съема быстро изменяющихся внутриклеточных биопотенциалов, выполняются из тонкой прямой или завитой в спираль проволоки. Диаметр рабочей части микроэлектрода составляет 0,05-10 мкм. По всей длине за исключением рабочего торца электрод обычно изолируется. Металлические микроэлектроды изготавливаются из материалов, обладающих необходимой твердостью и жесткостью (нержавеющая сталь, платино-иридиевый сплав, вольфрам). Повышенное электрическое сопротивление вольфрама окупается его высокими механическими качествами, а также возможностью электрохимической заточки.

1.3. Трехфазные электроды:

Трехфазные электроды, или электроды второго рода, в литературе называют неполяризующимися, понимая под этим сохранение равенства потенциала электрода его равновесному значению при включении электрода в замкнутую цепь измерительной системы.

Структура трехфазных электродов представляет собой металл, покрытый его труднорастворимой солью и погруженный в электролит, содержащий анион, одноименный с анионом соли.

В практике биомедицинских измерений наибольшее распространение получили хлорсеребряные электроды. Корпус хлорсеребряного электрода выполняется из боросиликатного стекла. Внутри корпуса размещается собственно электрод из серебра, покрытого хлористым серебром. Корпус электрода заполняется электролитом, в качестве которого используют насыщенный раствор хлористого калия. В рабочий конец корпуса впаяна тонкая асбестовая нить, обеспечивающая гальванический контакт электрода с внешней средой. В режиме измерения уровень электролита в корпусе электрода не должен превышать уровень внешней жидкой среды, что обеспечивает постоянство концентрации и активности раствора. Скорость истечения раствора через асбестовую нить (или аналогичные по назначению устройства) мала и не превышает 5 мл/ч. Известны аналогичные конструкции трехфазных электродов, где гальванический контакт с биообъектом осуществляется через пористую керамическую вставку либо через микрокапилляр.

Наличие трехфазной системы и сложного электрического сопряжения с биообъектом повышает внутреннее сопротивление электрода, что увеличивает шумовой сигнал и снижает пороговую чувствительность измерений. Эти недостатки и сложность конструкции трехфазных электродов делают целесообразным их применение лишь в сравнительно редких случаях при изучении квазипостоянных или весьма медленно изменяющихся биопотенциалов. Обычно ошибка измерения, определяемая дрейфом потенциала электрода, мала, что повышает достоверность измерений. Гарантированная стабильность электродных потенциалов позволяет использовать электроды второго рода как электроды сравнения для определения поляризационного потенциала или стабильности потенциала любого другого электрода.

1.4. Слабополяризующиеся электроды:

Этот тип электродов сохраняет основные черты трехфазных электродов. Твердая фаза электрода имеет структуру металл - труднорастворимая соль металла. Электролит в конструкции электрода отсутствует, однако при контакте с биообъектом электрод вступает во взаимодействие с естественным электролитом либо контактным веществом, наносимым на кожу перед измерениями. Поскольку при этом электролит не является стабильным по составу раствором, то по стабильности собственного потенциала эти электроды уступают электродам второго рода.

Наиболее распространены слабополяризующиеся хлорсеребряные электроды, получаемые из чистого серебра, подвергнутого электролитическому хлорированию. Серийно выпускаются несколько типов хлорсеребряных электродов, имеющих следующую систему обозначений:

· ЭПСК-01 - электрод поверхностный, кардиографический с площадью 0,5 см²;

· ЭПСЭ-01 - электрод энцефалографический с площадью 0,5 см²;

· ЭПСМ-01 - электрод электромиографический с площадью 0,5 см²;

· ЭПСМ-02 - электрод электромиографический с площадью 0,25 см².

Для серийных слабополяризующихся электродов величина разности потенциалов двух электродов в отведении с применением электродной пасты составляет не более 10 мВ, скорость изменения разности потенциалов двух электродов не превышает 2 мкВ/с.

Хорошими механическими свойствами обладают электроды, изго­товленные с применением технологий порошковой металлургии. По­рошки серебра и хлористого серебра смешивают в определенной про­порции, прессуют в таблетки и спекают при температуре 400 ^оС в течение нескольких часов. Таблетка помещается в пластмассовый корпус с гибким электрическим выводом.

Лучшими характеристиками обладают слабополяризующиеся электроды ЭТЭ-2, в которых учтены недостатки известных конструкций. Электрод представляет собой керамический корпус, в котором расположена пластинка из серебра, покрытая слоем хлористого серебра. Со стороны рабочей поверхности электрода пластинка закрыта вставкой из пористой керамики, защищающей от внешних воздействий соль серебра. Перед началом эксплуатации пористая вставка пропитывается электролитом с несохнущими добавками, что обеспечивает постоянную готовность электрода к работе в течение 2-3 месяцев и стабильность его собственного потенциала за счет применения электролита с заданными свойствами. Скорость изменения разности потенциалов двух электродов типа ЭТЭ-2 не превышает 0,05 мкВ/с.