Електроди. Вимоги до електродів. Класифікація нашкірних та підшкірних електродів: за призначенням, за електричними властивостями, специфічністю.
Вимоги до біомедичних електродів:
До конструкції та матеріалу електродів пред'являється ряд вимог, що визначаються специфічними умовами фізіологічного експерименту та властивостями біооб'єкта:
1. хороша електропровідність;
2. біологічна інертність (нетоксичність);
3. висока міцність;
4. можливість надійного та зручного кріплення;
5. відсутність поляризації, висока завадостійкість до специфічних перешкод;
6. легкість та пластичність;
7. Фізико-хімічна інертність;
8. стабільність вимірів;
9. малі габарити та вага;
10. простота та довговічність.
Так як живої тканини властива реакція на будь-яке стороннє тіло, з яким воно стикається, матеріал електрода повинен бути біологічно інертним (нетоксичним). Крім того, електрод повинен мати по можливості мінімальні розміри, так як тканинна реакція виражена тим сильніше, чим більше стороннє тіло. Розмір електрода має бути невеликим ще й тому, що зі збільшенням електрода збільшуються перешкоди сусідніх ділянок тканини. З іншого боку, перешкодою для зменшення електрода є вимога високої електропровідності та міцності. Щоб уникнути поломки при інтенсивній м'язовій роботі, електроди і дроти, що підходять до них, повинні бути достатньо м'якими і гнучкими. Конструкція електродів повинна передбачати можливість надійного та зручного кріплення. Цими вимогами пояснюється різноманітність конструкцій електродів.
1.2.2 Класифікація біомедичних електродів
За особливостями застосування можна назвати чотири групи електродів: 1) для короткочасного використання (переважно у кабінетах функціональної діагностики); 2) для тривалого, безперервного спостереження біоелектричнихсигналів (за умов палат реанімації, інтенсивної терапії, щодо стану людини у процесі праці); 3) для динамічних спостережень (за наявності інтенсивних м'язових перешкод в умовах фізичних навантажень, у спортивній медицині та палатах реабілітації); 4) для екстреного застосування за умов швидкої допомоги.
За функціональним призначенням біомедичні електроди розрізняють відповідно до виду електрофізіологічної активності, що реєструється (електрокардіографічні, електроміографічні, електроенцефалографічні, мікроелектроди для внутрішньоклітинного дослідження і т.д.).
Залежно від способу контактування з біооб'єктом розрізняють нашкірні (поверхневі) та підшкірні (гольчасті) електроди. У свою чергу, серед поверхневих електродів залежно від характеру опору шкірно-електродного контакту можна виділити такі групи: металеві, ємнісні, резистивні та резистивно-ємнісні.
За схильністю до поляризації електроди діляться на поляризуються, слабополяризуються і неполяризуються. Біомедичні електроди також класифікують за формою, матеріалом активного шару, способом кріплення, поляризуемості та інших ознак. Крім електрофізіологічних вимірів, в медичній практиці електроди широко застосовуються для терапевтичного впливу на організм електричним струмом та іншими факторами. Найбільш повна класифікація біомедичних вимірювальних електродів наведена в ГОСТ 24878-81 (СТ РЕВ 2483-80) "Електроди для знімання біоелектричних потенціалів".
1.2.3 Структура та особливості контакту "електрод-шкіра"
Загальною вимогою, що висувається до поверхневих електродів, є вимога зменшення перехідного опору електрод-шкіра, що повністю визначаєпохибка імпедансу. Значення цього опору залежить від типу матеріалу електрода, властивостей шкіри, площі зіткнення з електродом, від властивостей міжконтактного шару між електродом і шкірою. У випадку структуру ділянки контакту електрода зі шкірою можна представивши у вигляді, зображеному малюнку 1.1. Між шкірою і електродом розміщений тонкий шар електроліту, що виникає природно (виділення потових залоз) або при накладенні електрода (токопровідні пасти, фізіологічний розчин).
Тканини тіла є провідником другого роду, імпеданс якого містить активну та реактивну складові. Місткість тканин створюється мембранами утворюють тканини клітин та численними поверхнями, що розділяють окремі органи та структури тіла. Реактивна складова струму, що протікає по підшкірних тканинах, принаймні на порядок менше активної складової, і нею можна знехтувати. Ємність тканин шкіри досягає 0,1 мкФ/см 2 і її необхідно враховувати,
Електричні властивості контакту "електрод-шкіра" визначаються переважно поляризаційними властивостями поверхонь розділу з різними типами провідностей - переходу "тканини тіла-електроліт" і перехід "електроліт-електрод". Типова крива поляризаціїE=f(j),деЕ- різницю потенціалів на переході;j- щільність струму, наведена малюнку 1.2. Вона носить нелінійний характер, але за малих щільності струму (до 10-15 мкА/см 2 ) у ньому можна назвати лінійний початкову ділянку. Насправді навіть за максимальних амплітудах реєстрованих біоелектричних сигналів шкірно-електродний імпеданс вважатимуться лінійним.
Поверхні розділів характеризує також рівноважна різниця потенціалівЕ0, що виникає на переході за відсутності струму, що визначається природоюконтактуючих середовищ. Залежно від матеріалу електрода, властивостей електроліту, температури, способу обробки шкіри значенняесзмінюється в межах 0,1-50 мВ. Поляризація електродів може сильно спотворювати форму сигналу, що реєструється, тому вона вкрай небажана. При реєстрації біопотенціалів величинаЕ0повинна залишатися постійною, тому для деяких типів електродів необхідно застосування спеціальних заходів для стабілізації значенняЕ0. Розроблені і неполяризуються електроди. Реєстрація біоелектричних сигналів, де це можливо, здійснюється за допомогою підсилювачів змінного струму, нижня гранична частота яких становить частки герц, тому в розрахунках величиноюЕ0, якщо вона стала, можна знехтувати.
Найбільш поширеним типом електродів для знімання біопотенціалів є металеві електроди. Як матеріали для їх виготовлення застосовуються золото, срібло, платина, паладій, нержавіюча сталь, іридієві сплави та інші метали, сплави та сполуки, отримані пресуванням, електролітичним хромуванням і т.д.
Вибір матеріалу та способу обробки поверхні суттєво впливає на величину контактного опору (шкірно- електродний імпеданс), рівень шуму та величину артефактів, а також на інтенсивність потенціалів поляризації.
Перехідний опір між чистою сухою шкірою та електродом може досягати сотень кілоом. З метою зменшення цього опору при використанні металевих електродів застосовують марлеві прокладки, змочені фізіологічним розчином, які поміщають між електродом та шкірою, або спеціальні струмопровідні пасти. Це дозволяє зменшити перехідний опір до десятків кілом.
Перехідний опір зменшується також зі збільшенням площіконтакту електрод – шкіра. Однак при значному збільшенні розмірів електрода зростає похибка усереднення, а отже зменшується діагностична цінність вимірюваного біопотенціалу як сигналу про локальні зміни електричної активності.
Так як для металевого електродаRэ= 0, то еквівалентна схема вхідного ланцюга підсилювача біопотенціалів набуває вигляду, зображеного на малюнку 1.4.
Найбільш широко використовуваними металевими електродами для знімання біопотенціалів з поверхні тіла є металеві пластинки круглої або овальної форми з нержавіючої сталі площею до 20 см 2 , електроди з хлорованого срібла, що неполяризуються, електроди-присоски, забезпечені гумовим балончиком, який дає можливість просто і досить надійно укріплювати у потрібній точці тіла, і ряд спеціальних електродів. Серед електродів спеціальної конструкції слід відзначити поверхневі слабополяризуючі електроди типів ЕПСК (електрокардіографічні), ЕПСМ (електроміографічні), ЕПСЕ (електроенцефалографічні), які призначені для знімання біоелектричних сигналів при тривалому спостереженні за станом тяжкохворих та хворих під час операцій. Електроди типів ЕПСК та ЕПСМ складаються з кількох власне електродів. Кожен такий електрод складається з робочого хлоросрібного елемента, запресованого в пластмасовий корпус верб полістиролу марки ПСМ, і має порожнину для електродної пасти (рисунок 1.5). Електроди типів ЕПСК та ШСМ зміцнюють до біооб'єкта за допомогою клейких кілець. Конструкція електродів типу ЕПСЕ відрізняється наявністю паза, який служить фіксації електродів за допомогою енцефалографічного шолома у відповідних зонах голови (рисунок 1.6). Для реєстрації ЕМГ такожзастосовують голчасті електроди.
64. Система відведення біопотенціалів. Правила накладання електродів.
Відведення
Кожна з вимірюваних різниць потенціалів електрокардіографії називається відведенням. Відведення I, II та III накладаються на кінцівки: I - права рука (-) - ліва рука (+),
II - права рука (-) - ліва нога (+), I
II - ліва рука (-) - ліва нога (+).
З електрода на правій нозі показання не реєструються, його потенціал близький до умовного нуля і він використовується тільки для заземлення пацієнта.
Реєструють також посилені відведення від кінцівок: aVR, aVL, aVF - однополюсні відведення, вони вимірюються щодо усередненого потенціалу всіх трьох електродів (система Вільсона) або щодо усередненого потенціалу двох інших електродів (система Гольдбергера, що дає амплітуду приблизно на 50% більші).
При так званому однополюсному відведенні реєструючий (або активний) електрод визначає різницю потенціалів між точкою електричного поля, до якої він підведений, та умовним електричним нулем (наприклад, системою Вільсона). Однополюсні грудні відведення позначаються літерою V.