ЭЛЕКТРОДЫ.
1) Эквивалентная схема.
Электроды - это проводники особой формы (пластинчатые и игольчатые), соединяющие электронное устройство с биологическим объектом.
По назначению электроды подразделяются на следующие группы:
• электроды для кратковременного применения (в кабинетах функциональной диагностики, например, для снятия электрокардиограммы);
• электроды для длительного использования (при постоянном наблюдении за тяжело больными в палатах интенсивной терапии);
• для использования на подвижных объектах (в спортивной или космической медицине);
• электроды для экстренного применения (например, в условиях скорой помощи).
Основные требования к электродам:
• не должны оказывать вредного воздействия на биологическую ткань;
• не должны создавать помех;
• должны иметь высокую стабильность электрических параметров;
• должны быстро фиксироваться и быстро сниматься;
• должны быть прочными.
Электроды служат для съема биопотенциалов. Вообще говоря, электродами называются и проводники другого рода, которые служат для оказания электромагнитного воздействия на организм при электростимуляции и электротерапии. Проводники, регистрирующие сигналы в радиодиапазоне, называются антеннами.
Рассмотрим электроды, регистрирующие низкочастотные электрические поля - биопотенциалы. Биопотенциалы возникают в клетках, тканях и органах в процессе их жизнедеятельности. Они имеют мембранно-ионную природу, т.е. возникают вследствие разнОсти концентрации ионов по обе стороны мембраны. Различают биопотенциалы покоя и действия. Потенциалы действия возникают при возбуждении клетки, когда меняется проницаемость мембраны для различных ионов и, следовательно, их концентрация внутри и вне клетки. Потенциалы действия имеют характер кратковременных импульсов. Поскольку ткани и органы - совокупность клеток, то между их отдельными точками возникает разность потенциалов. В настоящее время регистрируются биопотенциалы многих органов: сердца - электрокардиография (ЭКГ), мозга - электроэнцефалография, нервных стволов и мышц - электромиография, кожные потенциалы (кожно-гальваническая реакция) и т. д.
Эквивалентная схема цепи, в которую включаются электроды и биообъект имеет вид (рис.):
В этой схеме r - сопротивление внутренних тканей - оно порядка 1 кОм; Rэк- сопротивление перехода кожа-электрод.
Емкость С - "паразитная" емкость между электродами, проводами. Обычно величина С порядка нескольких пикофарад. но в некоторых случаях она может быть значительной (при погружении электрода в электролит).
Биоэлектрические сигналы εБП характеризуются малой амплитудой от 0,01 до 50 мВ и низкой частотой, от долей герца до 1000 Гц.
Переходное сопротивление между кожей и электродом может достигать сотен килоом. Падение напряжения на этом сопротивлении уменьшает напряжение на входном сопротивлении усилителя RВХ.УСИЛ., т.е. полезный сигнал. На порядок его можно уменьшить, применяя прокладки, смоченные в физиологическом растворе, и др. методы. Для увеличения полезного (диагностического) сигнала можно увеличить площадь электродов. Но такой электрод зарегистрирует не потенциал точки, а потенциал (суммарный) участка ткани. Кроме того, с увеличением размеров электродов увеличивается воздействие помех. Активное сопротивление в цепи электродов вместе с "паразитной" емкостью образуют фильтр низкой частоты.
Заметим, что чем больше величины R и С, тем уже полоса пропускания такого фильтра. Считается, что биопотенциалы - низкочастотные сигналы, но с помощью электродов мы не можем (рассматриваемым образом) зарегистрировать высокочастотный сигнал.
2) Помехи.
Регистрация биопотенциалов всегда сопровождается помехами. Под помехами мы понимаем внешнее воздействие, приводящее к искажению сигнала. Помехи можно разделить на три группы: наводки, электрический шум, электрохимические помехи.
а) Рассмотрим причину возникновения наводок. Известно, что в проводнике, помещенном в электромагнитное поле, возникает ЭДС. В пространстве вокруг нас возникают и существуют различные поля: радиоволны, поля от электропроводки, широкий спектр излучения дают искрящие устройства, неисправные электромоторы, физиотерапевтическая аппаратура. Эти поля "наводят" на исследуемом объекте электрические потенциалы, которые могут быть более высокими, чем регистрируемые. От внешних полей можно защититься: защищаемый объект помещается в металлический экран (корпус, экранированную комнату), который заземляется.
Выясним, чем определяется минимальная величина электрического сигнала, который можно зарегистрировать с помощью электродов. Сигнал регистрируется, т.е. информация может быть получена, если он превысит уровень помех. Но с помехами можно бороться, по крайней мере, почти исключить их. Означает ли это, что можно регистрировать сколь угодно малые сигналы? Для электрических сигналов существует нижняя граница регистрируемости - она определяется электрическим шумом.
б) Шум - это флуктуационная помеха, т.е. электрические колебания случайного характера.
Наиболее распространенными видами шумов являются тепловые шумы, дробовые шумы, избыточные шумы (фликкер - шумы). Вследствие теплового движения электронов в проводниках возникают микротоки помех - тепловой шум. ЭДС этого шума определяется по формуле Найквиста
где К - постоянная Больцмана, R - сопротивление проводника, ∆ v -полоса частот.
Для Т=300К, R=1 КОм и ∆ v=103 Гц, получим: ε Ш - 0,5 мкВ.
Реальное сопротивление можно представить в виде идеального нешумящего сопротивления и генератора шума.
Разумеется, полоса пропускания устройства регистрации биопотенциалов может быть значительно уже, чем 103 кГц.
Кроме проводников шумят усилительные элементы (лампы, транзисторы). Наиболее существенен Фликкер-шум, возникающий из-за непрерывных вероятностных изменений внутренней структуры полупроводников при прохождении тока или постоянных разрушений, вследствие испарения катодов ламп. Величина этого шума достигает нескольких микровольт, и этот шум нельзя уменьшить сужением полосы частот.
Дробовый шум обусловлен неравномерностью во времени плотности носителей заряда.
в) При работе с электродами, имеющими контакт с электролитами (физиологический раствор, межклеточная среда), большой вклад в ЭДС помех дают электрохимические явления. При контакте металла с электролитом происходит перемещение зарядов из металла в электролит и обратно. При некотором потенциале электрода относительно раствора электролита потоки ионов уравновешиваются. Потенциал, который приобретает металл относительно электролита, называется электродным потенциалом.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.