Технические и методические аспекты регистрации биопотенциалов: 

выбор электродов

Д.В Дроздов

«Альтоника», г. Москва

      На качество регистрации биосигналов в функциональной диагностике оказывают влияние множество факторов, среди ко­торых немаловажную роль играют свойства электродов. Данная статья посвящена обсуждению влияния электродов на качество регистрации сигналов. Необходимо отметить, что обсуждаемые в статье вопросы в равной степени касаются всех методов иссле­дований, при которых происходит съём биопотенциалов как с по­верхности тела, так и с электродов, погруженных в биологические структуры.

      Отведение биопотенциалов предполагает преобразование то­ков, обусловленных движением ионов в биологических жидкостях, в ток, обусловленный движением электронов в металле электрода и соединительных проводниках регистратора. Уже это очевидное положение определяет сложность и многообразие происходящих в месте контакта биологической структуры и электрода процессов.

      Рассмотрим простую модель, в которой металлический элек­трод контактирует с электролитом. При прохождении электри­ческого тока, пусть и минимальной величины, характерной для биообъектов, через границу электролит-металл происходят хими­ческие реакции окисления и восстановления металла электрода. Эти реакции протекают даже и при отсутствии внешнего электри­ческого тока. При протекании реакций окисления и восстановле­ния локальная концентрация ионов в непосредственной близости от электрода изменяется относительно средней концентрации ио­нов в растворе в целом. Это приводит к возникновению разности потенциалов между раствором электролита в целом и части рас­твора, непосредственно прилегающей к электроду. Данное явле­ние называется электродным потенциалом.

      Очевидно, что электродный потенциал зависит как от матери­ала электрода, так и от состава электролита. Оба этих фактора, а также температура, концентрация ионов в растворе и др, опреде­ляют характеристики протекающих химических реакций в непосредственной близости от электрода, которые и создают электродный потенциал.

      В качестве эталона для измерения электродных потенциалов используют потенциал химической реакции Н₂ → 2Н⁺ + 2е^-  (так называемый водородный электрод). По отношению к потенциалу водородного электрода все электроды могут быть разделены на поляризуемые и неполяризуемые. Естественно, идеальных поляри­зуемых или неполяризуемых электродов не существует, однако с определенной долей приближения те или иные конструкции элек­тродов можно отнести к одному из классов.

      Необходимо учитывать, что регистрация биопотенциалов всег­да ведется между парой (или большим числом) электродов, по­этому свойства всех электродов, участвующих в формировании измерительной электрической цепи, должны рассматриваться в совокупности. При различных свойствах электродов одной из­мерительной цепи вследствие разной поляризации возможно возникновение разности межэлектродных потенциалов (РМЭП). Усилители биопотенциалов проектируются таким образом, чтобы было можно без существенных искажений сигнала компенсиро­вать РМЭП. Однако, при превышении РМЭП допустимого для дан­ного усилителя значения возможно искажение регистрируемого сигнала или даже переход усилителя в состояние «насыщения», когда регистрация сигнала вообще становится невозможной.

      Величина РМЭП может быть относительно стабильной, но при определенных условиях она может изменятся с течением време­ни. Такое явление носит название дрейфа РМЭП. С практической точки зрения дрейф РЭМП должен рассматриваться отдельно для случаев кратковременной и продолжительной регистрации био­сигналов. При значительном изменении РМЭП во время реги­страции будет наблюдаться дрейф изоэлектрической линии, а при длительной регистрации возможно насыщение усилителей с неиз­бежными искажениями сигнала.

      Если поверхность электрода электрически неоднородна, то мо­гут возникать области с локальными изменениями концентраций ионов. Поскольку электрохимическая система электрода постоян­но находится в динамическом равновесии (т.е. химические реак­ции в ней протекают постоянно, но уравновешивают друг друга), то такие локальные изменения концентрации ионов приведут к возникновению локальных токов, часть которых может оказаться в полосе частот полезного сигнала. Эта часть токов будет обуслав­ливать т.н. электродный шум. Важно отметить, что электрическая неоднородность поверхности электрода может возникнуть из-за банального загрязнения поверхности электрода.

      При смещении электрода может происходить перераспре­деление зарядов вблизи его поверхности. Результатом является кратковременное изменение электродного потенциала, которое продолжается до тех пор, пока равновесие в электрохимической системе электрода не установится вновь. Этот эффект носит назва­ние электромеханического шума движения.

      Изучение сигналов артефактов движения показало, что их спектр в основном лежит в той же области, что и основные биоло­гические сигналы. Этот факт делает использование фильтрации не самым эффективным методом уменьшения влияния шума движе­ния на качество сигнала. Более эффективны для борьбы с электро­механическим шумом движения неполяризующиеся электроды, снижение сопротивления эпидермиса, предотвращение прямого контакта электрода с кожей, стабилизация положения электрода относительно биообъекта и расслабление мышц в процессе реги­страции. Наибольшую проблему электромеханический шум пред­ставляет при длительном мониторировании биосигналов.

      Немаловажной характеристикой электродов, обусловленной перераспределением ионов вблизи электрода, является устойчить к длительному малому постоянному току. Во входных цепях усилителей биосигналов могут возникать очень небольшие по величине постоянные токи (стандарты нормируют предель­ные величины этих токов на уровнях единиц наноампер). Любой постоянный ток будет приводить к перераспределению ионов в растворе электролита, что в свою очередь приведет к изменению электродного потенциала. Наибольшую проблему представляет данный эффект при длительной регистрации биосигнала. Неполяризуемые электроды, как правило, имеют более высокую устойчи­вость к этому негативному эффекту.

      Для электрокардиографической практики также важно вос­становление свойств электродов и всей регистрирующей системы после разряда дефибриллятора. При протекании через электро­дные цепи значительных по величине токов возникает существен­ное перераспределение концентраций ионов вблизи электродов. Не рассматривая детально происходящие при этом процессы, отметим при сочетании неблагоприятных факторов возможно за­метное увеличение РМЭП с последующей стабилизацией потен­циалов. Это может привести к невозможности регистрации ЭКГ в течение некоторого времени. Существенно, что возобновление отображения ЭКГ в течение установленного стандартом периода (5 с) возможно только с использованием неполяризуемых или малополяризуемых электродов при выполнении специальных требований к конструкции кабеля пациента и входным цепям электрокардиографического оборудования.

      Наиболее распространёнными неполяризуемыми электро­дами в настоящее время являются хлорсеребряные (Ag/AgCI). Распространены две основных конструкции таких электродов. В первой серебряную (или, для снижения цены, посеребрённую) пластину покрывают электролитическим способом слоем хлорида серебра. В другой распространенной конструкции на проводящую подложку наносится смесь порошков серебра и хлорида серебра, которая спекаются с подложкой.

      Работа хлорсеребряного электрода обусловлена протеканием двух химических реакций:

Ад ↔ Ад⁺ + е^-

Ад⁺ + CI^- ↔ AgCI

      Первая реакция приводит к окислению серебра с выделением электрона. Вторая реакция начинается непосредственно после образования иона серебра и приводит к получению его хлорида.

      Ион хлора для этой реакции должен поступить из окружающего электролита, поэтому достаточная концентрация ионов хлора в окружающем электролите является необходимым условием работы такого электрода. Для большинства биологических жидкостей и применяемых проводящих сред это условие выполняется.

      Хлорид серебра не растворим в воде, поэтому электрод не сильно разрушается в процессе эксплуатации. Однако, хлорид серебра плохо проводит электрический ток, поэтому его слой не должен быть слишком толстым. С другой стороны, повреждение поверхностного слоя электрода может привести к нарушению работы хлорсеребряного электрода.

      Подчеркнем, что условием нормального функционирования хлорсеребряного электрода является достаточная концентрация ионов хлора в контактной проводящей среде. Однако в последние годы появились разработки электродов, не требующих

обязательного использования электродного геля. Поверхность таких электродов имеет специально выполненные микронеровности с регулярной или нерегулярной структурой, которые позволяют добиться хороших свойств электродов без нанесения проводящего геля. Между тем, в некоторых случаях может быть необходимо на несение на кожу маловязкой проводящей среды.

      Кроме низкого потенциала поляризации относительно биологических жидкостей, положительными качествами хлорсеребряных электродов являются низкий уровень собственных шумов и стабильность импеданса (полного сопротивления) в зависимости от частоты. Хлорсеребряные электроды хорошего качества также достаточно быстро восстанавливают потенциал после внешних электрических воздействий, что может произойти, во время дефи­брилляции.

      Кроме электрических характеристик электродов их существен­ными для эксплуатации свойствами являются размеры, форма, способ крепления на поверхности биообъекта и другие механиче­ские характеристики. При выборе электродов надо обращать вни­мание на соответствие этих характеристик области применения электродов в конкретных условиях.

Таким образом, на электрические свойства электродов для реги­страции биопотенциалов оказывают непосредственное влияние:

- материал и покрытие электрода;

- состояние и электрическая однородность поверхности элек­трода;

- свойства электродной проводящей среды, при использовании прокладок — толщина и свойства прокладки;

-электрические свойства тканей биообъекта, с которых осу­ществляется съём биопотенциалов;

-  воздействие на биообъект электрических токов и полей, вклю­чая электростимуляцию, дефибрилляцию, исследование импедан­са тканей и др, а также наводок от другого электрического обору­дования.

      При одновременном использовании нескольких электродов для синхронной регистрации нескольких биосигналов, что являет­ся самым частым случаем в современной диагностической практи­ке, необходимо учитывать следующие требования:

-  все электроды комплекта должны быть одной электрохимиче­ской системы;

-  все электроды комплекта должны иметь приблизительно оди­наковую степень износа (следствием является требование одно­временной замены всех электродов комплекта);

-  для всех электродов необходимо использовать качественную и одинаковую проводящую среду.

      Несоблюдение этих требований может привести к возникно­вению различных потенциалов (природа которых рассмотрена выше) между электродами, что неизбежно снизит качество реги­страции сигналов.

      В таблице суммированы данные о влиянии различных потенци­алов, возникающих на электродах, на качество регистрации био­сигналов. Необходимо отметить, что помехи могут наблюдаться как изолированно, так и в совокупности, что затрудняет распоз­навание их природы. Понимание природы возникающих потен­циалов важно для уменьшения их неблагоприятного влияния на качество регистрируемых сигналов.

      В процессе эксплуатации следует своевременно производить очистку электродов. Очистка необходима не только для соблюде­ния требований санэпидрежима, но для сохранения приемлемого качества регистрации сигналов. Очистка должна производиться по инструкции производителя. Высыхание на поверхности электродов электродного геля или иных загрязнений часто приводит к деструкции покрытия электродов. Абсолютно недопустимо использовать для чистки поверхности электродов твердые и острые предметы, абразивы, жесткие мочалки, агрессивные жидкости и т.п. Механические или химические воздействия на поверхность электродов приведёт к порче и необратимому ухудшению электрохимических свойств электрода.

      В завершении обзора проблем регистрации биосигналов, связанных с электродами, отметим, что любые многоразовые электроды имеют ограниченный деструкцией их поверхностного слоя срок службы. Проявлением деструкции покрытия может быть

изменение цвета, появление на поверхности электродов нехарактерных отложений, обнажение подложки и другие повреждение которые могут быть легко и своевременно выявлены осмотром. Наиболее вероятные места деструкции покрытия — углы и кромки электродов, где покрытие подвержено наиболее интенсивне му износу. При выявлении повреждений даже одного электрода необходимо заменять весь комплект или подбирать на замен) электрод с теми же характеристиками, что и заменяемый.

      Таким образом, электроды оказывают существенное влияние на качество регистрации биосигналов. Несоответствие характеристик электродов требованиям регистрации конкретного сигнала может приводить к различным артефактам в записях или даже имитировать неисправности электродиагностической аппаратуры.

Журнал «Функциональная дигностика» №3 2010 г.