心电图/脑电图/肌电图系统中的生物电位电极传感器

作者：John Kruse and Stephen Lee

心电图 （ECG）、肌电图 （EMG） 和 脑电图 （EEG） 系统测量心脏、肌肉和 通过测量电位（分别）随时间推移的大脑活动 在活组织的表面。神经刺激和肌肉收缩 可以通过测量体内的离子电流来检测。这是 使用生物电势电极完成。

带负电荷的离子是阴离子，带正电的离子是 阳离子。人体内的电流流动是由于离子流，而不是 电子。生物电势电极是感测离子的换能器 分布在组织表面，并将离子电流转换为 电子电流。电解质溶液/果冻放在侧面 与组织接触的电极;另一边 电极由连接到引线的导电金属组成 连接到仪器的电线。化学反应发生在 电解质和电极之间的界面。

电解质-电极界面简介

电流可以从电解质传递到非极化电极。 （极化电极的作用更像电容器，电流被置换 但不能在电解界面上自由移动）。当前 当电极中的原子氧化形成时穿过界面 阳离子和电子。阳离子被排放到电解质中， 电子通过引线携带电荷。同样， 电解质中的阴离子向界面移动以传递游离 电子到电极。由于阴离子分布不均匀，称为半电池电位的电压在界面上产生 和阳离子。它在心电图、肌电图和脑电图中显示为直流偏移。

非常流行的电极是银/银胆化物（Ag/AgCl），因为 其半电池电位非常低，约为220 mV，并且易于 可制造性。银/银氯化电极是非极化电极——它们 允许电流通过电解质和 电极。非极化电极优于极化电极 就他们对运动伪影的拒绝和他们对运动伪影的反应而言 除颤电流。运动伪影和除颤事件都可以 从电解液和电极界面为电容充电。 图 1 显示了一个等效的电气模型。AgCl层降低了 电极的阻抗。这在接近直流的低频下很重要， 进行心电图和脑电图测量的地方。

图1.生物电位电极的等效电路模型。

患者准备挑战与系统设计相关

临床医生在制造生物电势时面临实际挑战 测量。他们必须准备患者的皮肤才能进行良好的接触 用电极。干燥和/或老化的皮肤会产生高阻抗， 这使得很难获得良好的读数。此外，电极 皮肤阻抗因种族、年龄和性别而异。

临床医生用温和的研磨剂擦拭皮肤，以去除薄薄的一层 死皮，使组织和电解质之间有更好的离子流动 在电极上。这确保了更好的测量，但需要时间。 当电解质在几个过程中干燥时也会出现问题 小时。这增加了电解质中的阻抗，从而稳定地 增加直流失调，进而扩展 仪器。这两个挑战都与系统设计人员有关。

使用银/氯化银在 10 Hz 下的皮肤到电极阻抗 适当制备皮肤的电极通常约为5 kΩ。这 阻抗因制造商而异。设计时 心电图和其他生物电势前端电路，设计人员必须 请记住，500 kΩ的阻抗经常会遇到。

许多临床医生从不花时间准备皮肤附着 电极，除非他们在获取良好信号时遇到问题。 此外，脑电图常用带糊剂的金电极 录音，这些产生的阻抗比银/银高得多 氯化物电极。将电极放在胸腔上将 产生皮肤到电极阻抗约2.5×比 电极放置在四肢上。

使用过电位进行设计

过电位是半电池电位与 零潜力。它显示为测量仪器的直流偏移。 在心电图的情况下，一个人胸部的差分电压 （心脏信号）的幅度通常为1.8 mV，采用直流偏移 高达 300 mV。与心脏相比，直流偏移的巨大 信号，限制施加到前端放大器的增益量。为 例如，施加100的增益将增加5 mV的心脏信号 至500 mV，但也会将300 mV直流失调增加到30 V。

在 ±5 V 等宽电源电压下工作的放大器是 通常用于利用较大的输入电压范围。在 此外，设计师能够应用更多的增益。设计师经常使用 ±7.5 V的大电源轨，可处理ECG的恶劣环境 设备必须在手术室 （OR） 等环境中工作。在手术室中，心电图 前端电路将看到消融、电等干扰信号 烧灼、除颤、体外起搏、内部起搏、起搏器 H场遥测和许多其他信号。此外，一些 ADI公司的AD8220和AD8224等放大器具有轨到轨 允许设计人员设置更高增益的架构。

电极放大器

另一个常见问题是电极极化。输入 前端放大器的偏置电流会使电极极化，如果 皮肤接触不良。图2所示为JFET输入运算放大器，如 ADI公司的AD8625/AD8626/AD8627和AD8641/AD8642/AD8643的输入偏置电流小于1 pA。 JFET 输入 仪表放大器，如AD8220和AD8224，如 图2和图3的输入偏置电流低于20 pA。

图2.用作低输入偏置电流缓冲器的JFET运算放大器AD8627。

图3.JFET仪表放大器AD8224提供低输入偏置电流。

结论

了解电极中的电化学相互作用有助于澄清 他们的行为细微差别。此外，它使设计师能够理解 临床医生在患者身上放置电极时面临的挑战。一个 对电极与皮肤界面的透彻了解可确保 信号采集正确可靠，使临床医生能够 正确诊断患者的病情。

审核编辑：郭婷