Теория электродов и их характеристики

Рис. 4. Химические реакции между металлом и электролитом: а-потенциал полуэлемента для серебряного электрода; б-потенциал полуэлемента для медного электрода; в-результирующее напряжение между контактами.

Простейшие электроды, используемые для измерения биопотенциалов, представляют собой кусочки металла, которые можно размещать на поверхности или внутри тела; при этом жидкости, входящие в состав организма, можно рассматривать как электролиты. В результате электрохимической реакции между металлом и раствором возникает разность потенциалов (напряжение). Химические реакции, которые протекают между металлами и электролитами, влияют на функционирование физиологических электродов. Эти же реакции обусловливают и функционирование обычной батареи или гальванического элемента. Следовательно, химические принципы работы простого гальванического элемента (рис. 4), можно использовать для объяснения основ теории электродов.

На рис. 4а показан серебряный электрод, погруженный в соляной раствор, являющийся электролитом. Так как серебро является хорошим проводником электричества, то оно имеет избыток слабо удерживаемых или относительно свободных валентных электронов. При погружении серебра в электролит некоторые из его валентных электронов переходят в раствор; это приводит к тому, что бывший ранее электрически нейтральным электрод становится заряженным положительно по отношению к электролиту. Возникающая разность потенциалов называется потенциалом полуэлемента; это один из двух потенциалов, ассоциирующихся с гальваническим элементом или батареей. Для погруженного в электролит серебра напряжение полуэлемента составляет примерно 0,8В, при этом электрод положителен по отношению к электролиту. При погружении в электролит медного электрода (рис. 4б) некоторые из его валентных электронов также переходят в раствор, это приводит к тому, что медный электрод становится положительно заряженным по отношению к электролиту. Значение этого потенциала полуэлемента составляет приблизительно 0,3В, при этом медный электрод также является положительным по отношению к электролиту. На рис. 4в показаны оба металла, погруженные в электролит. Так как потенциалы полуэлементов для серебра и меди равны соответственно 0,8 и 0,3В и оба электрода положительны по отношению к электролиту, то разность потенциалов между электродами 0,5В (+0,8В - (+0,3В)=0,5В). Серебряный электрод положителен по отношению к медному электроду. Таким образом, при погружении в один и тот же электролит двух разнородных металлов между их контактами появляется постоянное напряжение. Такие металлы можно использовать для создания батареи. Из предыдущего объяснения должно быть ясно, что два одинаковых металлических образца, погруженные в один и тот же электролит, не должны создавать разности потенциалов.

Рис. 5. Электродный потенциал смещения: а-серебряные электроды, размещенные на поверхности кожи; б-напряжение смещения поступает на вход усилителя.

На рис. 5 показано поперечное сечение двух серебряных пластинок, используемых в качестве электродов для снятия биопотенциалов и контактирующих с поверхностью кожи, которая действует как электролит. Если эти пластинки химически идентичны, то каждая из них порождает один и тот же потенциал полуэлемента и результирующее напряжение между электродами будет равно нулю.

Разность потенциалов между контактами физиологических электродов, контактирующих с телом пациента, называется напряжением смещения электродов. Если электроды, показанные на рис. 5а, химически идентичны (идеальное предположение), то напряжение смещения будет равно нулю. На практике даже специально подобранные (согласованные) электроды имеют некоторые химические различия. Поэтому между контактами используемых физиологических электродов обычно существует некоторое напряжение смещения. При подключении электродов с помощью проводников ко входу усилителя (рис. 5б) последний будет реагировать на постоянное напряжение смещения точно так же, как и на физиологические сигналы, поступающие от организма.

Значения и полярности потенциалов полуэлемента для электродов определяются в большой степени применяемыми материалами. Как показано на рис. 5а, серебряный электрод в контакте с электролитом создает потенциал полуэлемента +0,8В, что приблизительно в 800 раз больше значений ЭКГ, которые можно измерить на поверхности тела. Даже при использовании очень хорошо согласованных электродов возникающее на них постоянное напряжение смещения может все-таки значительно превышать значение измеряемого физиологического показателя. Большое напряжение смещения может помешать проведению измерений или повлиять на их результат и привести к получению нежелательных артефактов.

Эксперименты показали, что происходящие в электродах химические явления могут явиться причиной возникновения флуктуации напряжения (шумов) при отсутствии каиих-либо физиологических сигналов. Такие изменения могут также быть восприняты как артефакты. Как шум, так и потенциал полуэлемента, можно уменьшить, выбрав соответствующий материал электродов или (в некоторых случаях) специально их обработав. Было установлено, что электрод серебро-хлорид серебра (Ag-AgCl) является наиболее стабильным и его электродный потенциал мал. Электрод такого типа изготовляется путем химического покрытия куска почти чистого серебра солью - хлоридом серебра. Обычно покрытие производят, погружая очищенный кусок серебра в раствор хлористого натрия. В этот раствор погружают и второй кусок серебра; оба куска подсоединяют к источнику постоянного напряжения таким образом, чтобы электрод, который покрывается хлоридом серебра, был положителен по отношению к другому. При этом ионы серебра соединяются с ионами хлора из соляного раствора и образуют тонкую пленку нейтральных молекул хлорида серебра, которая покрывает серебряный электрод. При очистке такого электрода после использования необходимо проявлять осторожность, чтобы не повредить покрытие из хлорида серебра. Эти электроды можно очищать мягкой хлопчатобумажной тряпочкой, смоченной изопропиловым спиртом или тепловатой водой.

При накладывании электрода на поверхность кожи на переходе электрод-кожа существует определенное электрическое сопротивление. Для надежной записи физиологических сигналов, свободной от артефактов, необходимо, чтобы электрод имел хороший (с малым сопротивлением) контакт с кожей. Так как верхний слой кожи в значительной мере состоит из мертвых клеток и на нем всегда присутствует некоторое количество жиров и грязи, то естественное электрическое сопротивление кожи высоко по сравнению с сопротивлением жидкостей в организме. Поэтому при размещении электродов на поверхности кожи то место, на которое будет наложен электрод, обычно подготавливают или обрабатывают, чтобы понизить сопротивление. Слой мертвых клеток может быть удален из области наложения электрода спиртом или какими-либо другими подходящими очищающими агентами. Затем между электродом и поверхностью кожи наносят проводящую (электролитическую) пасту. Эта паста образует как бы мост между ионами тела и поверхностью электрода и обеспечивает низкое сопротивление перехода электрод- кожа. Некоторые пасты содержат в электролите очень маленькие абразивные частицы. Эти пасты можно применять и для подготовки места наложения электрода, и для снижения контактного сопротивления.

Размер и тип используемого электрода также играют важную роль при определении его сопротивления. Более крупные электроды обычно имеют меньшее сопротивление. Поверхностные электроды имеют сопротивление 2000...10000 Ом, а маленькие игольчатые - значительно более высокое.