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心电图电极

【摘要】阐述生物医学信息检测电极的工作原理和电极噪声对心电图测量实验的影响。

【关键词】电极;接界;半电池电位;电极噪声

生物医学信息的定量检测在医学各个领域的应用非常广泛，而检测生物医学信息的首要问题是如何获取信息。生物医学信息分为电生理信息和非电量生理信息。电生理信息直接通过电极获得，对于非电量生理信息必须通过传感器把非电量转化为电信号，然后由检测仪器进行处理。根据电极功能的不同，可分为检测电极和刺激电极。检测电极主要用来偶合生物体电位到测量仪器上，心电图机的电极就是检测电极。学生在心电图实验中由于电极使用不当，造成测量误差比较大这一问题比较突出，下面对检测电极的有关问题进行初步的探讨。

1电极的工作原理

电极连接在生物体上，目的是要将生物电引出来，然后对其进行处理。生物体内的电流是离子导电，电极和检测仪器中的电流是电子导电，电极必须把离子导电转换为相对应的电子导电。转换的过程发生在电极与生物体接触的界面，称为接界。最简单的生物医学电极就是放入肌体内的金属片，人体的组织液可以看成是电解液，因此可以用电解液和金属片的接界发生的变化来描述电极的工作原理。

金属-电解液接界←e-C←e-C←e-C金属电极Am-Cn+→Am-Cn+→Am-Cn+→电解液

图1金属-电解液接界

如图1所示，金属片放在含有该种金属离子的电解液中时，金属表面与电解液的接界处发生可逆氧化还原反应，化学反应式为［1］:Am-=A+me-C=Cn++ne-式中C表示电极的金属原子，Cn+表示电解液中该金属的正离子，n是C的原子价。Am-表示电解液中的某种负离子，m是A的原子价。假如接界处的电极金属被氧化成正离子和自由电子，正离子进入电解液，留下电子成为电极中的载流子。电解液中的负离子来到接界时，经还原反应变成中性原子而向电极释放自由电子。这就是电解液中的离子导电变换成金属电极中的电子导电过程。当氧化还原反应达到化学平衡时，伴随着电荷的得失，在电极和电解液接界处形成了一个电偶层，因而产生电势差，称为半电池电势，又称为电极电势Ehe［2］。电偶层的作用相当于一个电容，其等效阻抗既有电阻成分Rd又有电容成分Cd。

电极-电解液-皮肤的接界心电图的电极与皮肤接触时，通常在电极与皮肤之间涂有导电膏，以确保良好的接触。这样又形成了一个导电膏和皮肤接界。由于皮肤和金属的性质不同，因此两者接界的性质也不同。皮肤主要由表皮、真皮和下皮层组成，表皮在导电膏和皮肤接界中起主要作用。表皮的角质层可看成是离子的半透摸，如果在膜的两边有离子的浓度差，就会存在浓差电位差Ese。表皮虽然很薄，但具有很大的阻抗，可用Re和Ce并联等效电路来表示。表皮下面的真皮和皮下层可等效为纯电阻R。图2是接在左手的心电图电极，电极与皮肤之间涂有导电膏，等效电路如图3所示［3，5］。

图2心电图肢体电极之一

2电极电位

极化电压电极上有电流通过时，电极的半电池电位将发生变化。电极半电池电位的变化量称为超电压或极化电压。极化电压是由电极的极化现象产生的。一方面来自被检测体的电流通过电解液时，电解液的电阻产生的压降使到达放大器输入端的信号电压降低;另一方面电解液的电阻又随着通过其电流的大小而变化。还有电极附近电解液中离子浓度比电解液内部离子浓度高，这样产生的浓差电势极性与信号源电压的极性相反，其作用也减小了输出到放大器的信号电压。电极的金属氧化成离子进入电解液的同时，电解液中也有离子还原成金属原子而沉积在电极上，这两个过程所需的能量并不相等，在电极与电解液之间也表现为电势差，其结果使得信号电流越来越小。极化电压随着电极的电流增大而增大，因此，实际测量中应保持电极中的电流最小。

电极电位当电极与生物体接触时，即使两极间没有电流通过，由于电极的不对称，仍存在着电位差，上述两极间的组合电位差总称为电极电位。多数金属的电极电位要比研究的生物电势大得多，金属电极放在体表就可以形成几百豪伏的电势，而肌体内部的有用信号往往只有几到几十毫伏［4］。因此电极电位的大小直接影响测量结果。

图3电极-电解液-皮肤接界等效电路

3电极噪声与阻抗对心电图测量的影响

电极电位的不稳定变化又叫电极噪声。电极和生物体之间存在的电极噪声和阻抗，是心电图测量中产生误差的主要原因。电极噪声越低，阻抗越小，电极的性能越好。心电图测量时，在电极和皮肤之间涂上生理盐水，用来保持电极电位的稳定和降低皮肤的电阻。如果电极表面有氧化层或杂质，要清理干净。当电极、导电膏和皮肤之间有相对运动，或被测试者深呼吸、紧张、身体移动，都能影响接界处的电荷分布，图3中的电位差Ehc或Ese产生瞬间的变化，直到建立新的平衡，这种干扰叫做运动伪迹。图4给出了几个实