Электроды для снятия биоэлектрических потенциалов

Электроды, применяемые для снятия биоэлектрических потенциалов тела, могут иметь самые различные формы и размеры. Для снятия потенциалов ЭКГ, ЭЭГ или ЭМГ можно использовать любые электроды. Однако более крупные обычно применяют для снятия ЭКГ, так как при этом не так важна локализация измерений. При снятии ЭЭГ и ЭМГ, а также при наблюдении за плодом применяют меньшие электроды.

На ранней стадии измерений биоэлектрических потенциалов использовались погружаемые (иммерсионные) электроды, которые представляли собой просто бадьи с солевым раствором, в которые пациент погружал руки и ноги. Как и следовало ожидать, использование электродов такого типа было связано с многочисленными трудностями, например неудобное фиксированное положение пациента и опасность разлить электролит.

По сравнению с погружаемыми электродами введенные в практику примерно в 1917 г. пластинчатые электроды (рис. 6) были значительным шагом вперед. Сначала эти электроды отделялись от кожи пациента хлопчатобумажной или фетровой прокладкой, пропитанной солевым раствором. Позднее такие пропитанные прокладки были заменены проводящими пастами, при этом металл контактировал с кожей. Пластинчатые электроды такого типа используются и сегодня, так же как и пропитанные солевым раствором марлевые прокладки.

Другим довольно старым типом электрода, который используется и в настоящее время, является электрод на присоске (рис. 6), в котором с кожей действительно контактирует только кольцевой край. Используются электроды на присосках двух размеров; диаметр чашечки приблизительно 30 мм для обследования взрослых пациентов, 15 мм для обследования детей. Обычно электроды на присосках используются для грудных отведений при снятии ЭКГ.

Одним из неудобств при использовании пластинчатых электродов является возможность их сползания или смещения. Эта проблема возникает и при использовании электрода на присоске после его достаточно длительной эксплуатации. Были найдены несколько методов преодоления этих затруднений, например использование липкой ленты для закрепления электродов, придание поверхности электрода формы терки, зубцы которой проникают в кожу, уменьшая контактное сопротивление и снижая вероятность соскальзывания электрода.

Рис. 6. Металлические пластинчатые электроды (они обычно изготовлялись или покрывались из серебра, никеля или аналогичных сплавов). Электрод на присоске.

Все описанные выше электроды имеют общий недостаток: они чувствительны к перемещению, одни в большей, другие в меньшей степени. Даже малейшее перемещение изменяет толщину тонкой пленки электролита между металлом и кожей, что приводит к изменению потенциала смещения и контактного сопротивления. Эти изменения проявляются как артефакты на записи ЭКГ или на экране монитора для наблюдения за пациентом; они являются источниками дрейфа нуля (опорной линии) или блужданий. Во многих случаях изменения потенциала настолько существенны, что они полностью блокируют биоэлектрические потенциалы, которые пытаются измерить с помощью электродов. Липкая лента и применение электродов в виде терки уменьшают эти артефакты, связанные с перемещением электродов, так как они ограничивают возможности смещения электродов и уменьшают переходное сопротивление, но ни одно из этих средств не может эффективно обеспечить нечувствительность измерений к движению.

Позднее некоторые изготовители предложили несколько моделей нового типа электрода - плавающего или электрода со столбом жидкости. В них артефакты, обусловленные перемещением электрода, практически полностью устраняются, так как здесь отсутствует прямой контакт между металлом и кожей. Единственным проводящим путем между металлом и кожей является слой пасты или желе, который образует электролитический мост. Даже если поверхность электрода образует прямой угол с поверхностью кожи, функционирование электрода не ухудшается, так как электролитический мост поддерживает контакт и с кожей, и с электродом. На рис. 7 показано поперечное сечение плавающего электрода и типичные образцы плавающих электродов. Можно заметить, что металлическая поверхность электродов находится в углублении и не может непосредственно контактировать с кожей.

Плавающие электроды обычно прикрепляются к коже с помощью двухстороннего клейкого хомутика (или кольца), который прилипает к пластиковой поверхности электрода и к коже.

Рис. 7. Схема плавающего поверх ностного электрода. Вид сверху, снизу и сбоку плавающих поверхностных электродов.

В последние несколько лет в практику вошли различные типы одноразовых электродов (однократного применения), которые устраняют необходимость очистки электродов после каждого использования и упрощают сам процесс исследований. Эти электроды, первоначально рассчитанные для наблюдения за ЭКГ пациента, можно также использовать и для снятия ЭЭГ и ЭМГ. В большинстве случаев одноразовые электроды являются плавающими с простым зажимом для подключения проводников (которые используются неоднократно). Некоторые одноразовые электроды уже при изготовлении смазываются пастой, что устраняет необходимость наносить пасту между электродом и подготовленной поверхностью кожи.

Недавно разработаны одноразовые электроды, при использовании которых не нужны проводящие пасты и подготовка кожи. Эти электроды содержат слой электролитической жидкости и тонкопленочную проницаемую мембрану, которая контактирует с кожей. При установке на поверхности кожи мембрана с микропорами пропускает электролит, увлажняя кожу; это устраняет необходимость подготовки участка кожи для установки электрода.

Усовершенствованные в последнее время одноразовые электроды можно использовать для непрерывного наблюдения за пациентами в течение длительного времени при небольшом дискомфорте для пациента. Гибкие пластиковые конструкции электродов и чашечек, мягкие пенопластовые липкие кольца позволяют таким электродам точно следовать всем контурам тела. Кроме того, пенопластовые кольца, наложенные на кожу, предотвращают проникновение воздуха к электроду и высыхание пасты. Поэтому низкое сопротивление кожи сохраняется в течение относительно длительного времени.

Все кожные электроды, используемые для непрерывного наблюдения, необходимо периодически перемещать на смежные участки кожи пациента, так как электролитическая среда и липкий состав могут вызвать сильное раздражение кожи. В некоторых специализированных отделениях электроды перемещают и заменяют (если они одноразовые) каждые 8 ч, в других отделениях не реже одного раза за 24 ч, в зависимости от чувствительности кожи пациента.

Для других применений разработаны специальные типы поверхностных электродов. Например, ушной клипсовый электрод был разработан для использования его в качестве опорного электрода при снятии ЭЭГ. Поверхностные электроды для снятия ЭЭГ обычно представляют собой небольшие диски диаметром около 7 мм или маленькие гранулы (шарики) припоя, которые закрепляются на обезжиренной коже головы с помощью электролитической пасты.

Чтобы уменьшить артефакты, связанные с движением, некоторые специалисты в области электроэнцефалографии используют при снятии ЭЭГ небольшие игольчатые электроды, которые вводятся под кожу на некоторое расстояние вперед, параллельно ей.

Более длинные иглы в некоторых случаях вводятся в мозг для того, чтобы получить локализованные измерения потенциалов в отдельных специфических участках мозга. Такие электроды должны располагаться чрезвычайно точно, чтобы можно было идентифицировать источник измеренного потенциала.

Одновременные измерения в участках, лежащих на различной глубине вдоль одной определенной оси мозга можно выполнить с помощью специальных электродов с большим числом измерительных окончаний на разной глубине. Электрод такого типа обычно состоит из пучка тонких проволочек, каждая из которых обрезана на различном уровне; существуют электроды, у которых на каждой проволочке на различном уровне создано по одному участку проводящей поверхности.

Некоторые игольчатые электроды состоят просто из тонких изолированных проволочек, расположенных так, что их концы, когда они оголены, контактируют с нервом, мышцей или другой тканью, на которой проводятся измерения. Остальная часть проволочек покрыта изоляцией, предотвращающей короткое замыкание. Проволочные электроды из меди или платины часто используются для снятия ЭМГ определенных мышц. Эти проволочки либо хирургически имплантируются, либо вводятся с помощью иглы для подкожных впрыскиваний, которая потом извлекается, оставляя электроды в нужном месте. В электродах такого типа взаимодействие между металлом и электролитом происходит как взаимодействие между неизолированным кончиком проволочки и электролитами организма, хотя в некоторых случаях перед введением в организм проволочка покрывается электролитической пастой.

В некоторых случаях игла для подкожных впрыскиваний является частью конструкции электрода и не извлекается. При этом проволочки, образующие электрод, размещаются внутри иглы, которая создает отверстие, необходимое для введения электрода, и защищает проволочки. Единственная проволочка внутри иглы выполняет роль униполярного электрода, который измеряет потенциалы в точке контакта по отношению к некоторому индифферентному или опорному потенциалу, получаемому при размещении электрода на некотором расстоянии от исследуемой мышцы. Две проволочки, размещенные внутри иглы, позволяют произвести очень точно локализированные измерения между двумя их концами, это измерение называется биполярным

ЭЛЕКТРОДЫ И ОТВЕДЕНИЯ

Рисунок 8. Запись ЭКГ в различных отведениях

Чтобы записать биопотенциалы, к телу пациента необходимо прикрепить несколько электродов. Их подключают к соответствующему аппарату (электро- кардио/энецефало/миографу) с помощью такого же числа проводов. Эти провода и электроды, к которым они подсоединены, обычно называют отведениями. Для записи ко входу регистрирующего усилителя (канал записи) подключают два электрода или один электрод и соединенные между собой несколько электродов. Нужно заметить, что и отдельные электроды, и группы специальным образом соединенных электродов рассматриваются как отведения. В дальнейшем термин отведение будет использоваться только для обозначения специальной группы электродов и способа, которым они связаны с усилителем. Для отдельных отводящих проводов, а также для физического подсоединения к телу пациента будет использован термин электрод.

ЭЛЕКТРОДЫ И СИСТЕМЫ ОТВЕДЕНИЙ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИИ

Напряжение, возникающее при работе сердца, в действительности представляет собой векторную величину, у которой абсолютное значение и ориентация в пространстве изменяются во времени. Так как сигнал ЭКГ измеряется с помощью электродов, закрепленных на поверхности тела, то вид кривой этого сигнала очень сильно зависит от их размещения. На рис 8, а показана типичная запись сигнала ЭКГ. При определенном размещении электродов некоторые сегменты этой кривой могут практически исчезать, другие - четко выделяться. Поэтому при обычном электрокардиографическом исследовании производится запись ЭКГ от нескольких различных отведений, обычно от 12. Такой метод гарантирует, что при записи не будут опущены некоторые важные детали истинной ЭКГ. Места размещения электродов, а также названия и конфигурация отведений в настоящее время стандартизированы, их используют во всех странах мира.

Рис. 9. 12 стандартных типов отведений ЭКГ: V1 – у правого края грудины в IV межреберье, V2 –• у левого края грудины в IV межреберье, V3 – между электродами V2 и V4, V4 – по левой срединно-ключичной линии в V межреберье, V5 – по передней аксиллярной линии на уровне (на горизонтали) электрода V4, V6 – по средней аксиллярной линии на уровне (на горизонтали) электродов V4 и V5.

Размещение электродов и цветовой код, используемый для обозначения каждого из них, показаны на рис. 9. В ходе экспериментов Эйнтховен установил, что наибольшие преимущества дает запись ЭКГ с помощью электродов, разнесенных по вертикальной и по горизонтальной осям тела. У первых электрокардиографов было три электрода, из которых только два использовались одновременно. При введении в практику электронных усилителей возникла необходимость применить дополнительный электрод, закрепленный на теле, в качестве опорной (заземленной) точки. Хотя этот электрод можно располагать почти в любой точке тела, общепринято размещать его на «свободной» правой ноге.

Грудной или предсердный электрод был введен позднее. Обычно в качестве электродов на конечностях используют пластинчатые, а в качестве грудного - электрод на присоске (рис. 6).

ОТВЕДЕНИЯ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИИ

При нормальном размещении для записи ЭКГ используют четыре электрода; электрод на правой ноге используется только в качестве опорного. Так как вход электрокардиографа имеет только две клеммы, то из имеющихся активных электродов нужно выбрать два. На рис. 9 показаны 12 стандартных отведений, которые используются наиболее часто. Три биполярных отведения - от конечностей, впервые введенные Эйнтховеном:

Отведение I: левая рука (ЛР, LA) - правая рука (ПР, RA).

Отведение II: левая нога (ЛН, LL) - правая рука (ПР, RA).

Отведение III: левая нога (ЛН, LL) - левая рука (ЛР, LA).

Эти три отведения называются биполярными, так как при каждом отведении ЭКГ записывается с двух электродов, а третий электрод не подключается.

Другие отведения, показанные на рис. 9, являются униполярными. Этот тип отведений был впервые использован Вильсоном в 1944 г. При униполярных отведениях ЭКГ записывается между единственным исследовательским электродом и центральной точкой (центральным отводом), которая имеет потенциал, соответствующий центру тела. Центральный отвод образуется соединением трех активных электродов на конечностях через резисторы с одинаковыми сопротивлениями. Потенциал в точке соединения резисторов соответствует среднему значению потенциалов на этих трех электродах. При униполярных отведениях от конечностей один из электродов на конечностях применяется в качестве исследовательского, в то же время он вносит свой вклад в потенциал центрального отвода. Такое двойное использование приводит к тому, что сигнал ЭКГ имеет очень малую амплитуду. При увеличенных (усиленных) униполярных отведениях от конечностей электрод на конечности, используемый в качестве исследовательского, не подключается к центральному отводу; при этом амплитуда сигнала ЭКГ возрастает, а форма его не претерпевает сколь-либо заметных изменений. Эти отведения обозначаются как усиленные aVR, aVL и aVF (foot - нога).

При униполярных грудных отведениях все три активных электрода на -конечностях используются для образования центрального отвода, а в качестве исследовательского применяется отдельный грудной электрод.

Кроме уже рассмотренных систем отведений существуют определенные дополнительные модификации, которые достаточно широко используются в кардиологических отделениях.

ЭЭГ

Электроэнцефалография (ЭЭГ) (электро- + др.-греч. ενκεφαλος - "головной мозг" + γραφω - "пишу", изображать) - раздел электрофизиологии, изучающий закономерности суммарной электрической активности мозга, отводимой с поверхности кожи головы, а также метод записи таких потенциалов.

Электроэнцефалография дает возможность качественного и количественного анализа функционального состояния головного мозга и его реакций при действии раздражителей. Запись ЭЭГ широко применяется в диагностической и лечебной работе (особенно часто при эпилепсии), в анестезиологии, а также при изучении деятельности мозга, связанной с реализацией таких функций, как восприятие, память, адаптация и т. д.

Рисунок 10. Система расположения электродов «10-20».

Регистрация ЭЭГ производится специальными электродами (наиболее распространенные мостиковые, чашечковые и игольчатые). В настоящее время чаще всего используется расположение электродов по международным системам «10-20 %» или «10-10 %». Каждый электрод подключен к усилителю. Для записи ЭЭГ может использоваться или бумажная лента или сигнал может преобразовываться с помощью АЦП и записываться в файл на компьютере. Наиболее распространена запись с частотой дискретизации 250 Гц. Запись потенциалов с каждого электрода осуществляется относительно нулевого потенциала референта, за который принимается мочка уха, или кончик носа.

Точки расположения электродов в системе «10-20» определяют следующим образом. Измеряют расстояние по сагиттальной линии от inion до nasion и принимают его за 100%. В 10% этого расстояния от inion и nasion устанавливают соответственно нижний лобный (Fp) и затылочный (О) сагиттальные электроды. Остальные сагиттальные электроды (Fz, Cz и Рz) располагают между этими двумя на равных расстояниях, составляющих 20% от расстояния inion-nasion. Вторая основная линия проходит между двумя слуховыми проходами через vertex (макушку). Нижние височные электроды (ТЗ, Т4) располагают соответственно в 10% этого расстояния над слуховыми проходами, а остальные электроды этой линии (СЗ, Cz, С4) – на равных расстояниях, составляющих 20% длины биаурикулярной линии. Через точки ТЗ, СЗ, С4, Т4 от inion к nasion проводят линии и по ним располагают остальные электроды (РЗ, Р4, Т5, Т6, F3, F4, F7, F8, Fpl, Fp2). На мочки ушей помещают электроды, обозначаемые соответственно А1 и А2. Буквенные символы обозначают основные области мозга и ориентиры на голове: О - occipitalis, Р - parietalis, С - centralis, F - frontalis, А - auricularis. Нечетные цифровые индексы соответствуют электродам над левым, а четные - над правым полушарием мозга (рис. 10).