ECG/EEG/EMG系统中的生物电势电极传感器

工程师看海 2023-07-18 07:16

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原文来自：云深之无迹

心电图 (ECG)、肌电图 (EMG) 和脑电图 (EEG) 系统通过测量活体组织表面的电势，分别测量心脏、肌肉和大脑随时间的活动。通过测量体内的离子电流可以检测神经刺激和肌肉收缩。这是通过使用生物电电极来实现的。

带负电的离子是阴离子，带正电的离子是阳离子。人体中的电流流动是由于离子流动，而不是电子。生物电电极是一种传感器，可感测组织表面的离子分布，并将离子电流转换为电子电流。将电解质溶液/胶冻放置在电极与组织接触的一侧；电极的另一侧由导电金属组成，连接到连接仪器的引线上。化学反应发生在电解质和电极之间的界面处。

微小的负电位

测量系统的范围和量程

电解质-电极界面简介

电流可以从电解质流向非极化电极。（极化电极的作用更像电容器，电流发生位移，但不能在电解界面上自由移动）。当电极中的原子氧化形成阳离子和电子时，电流穿过界面。阳离子被释放到电解质中，电子通过引线携带电荷。类似地，电解质中的阴离子向界面移动，将自由电子传递到电极。 由于阴离子和阳离子的不均匀分布，界面上会产生一种称为半电池电位的电压。它在心电图、肌电图和脑电图上表现为直流偏移。

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银/氯化银(Ag/AgCl)是一种非常受欢迎的电极，因为它的半电池电位非常低，约为 220 mV，并且易于制造。Ag/AgCl 电极是非极化电极，它们允许电流穿过电解质和电极之间的界面。非极化电极在抑制运动伪影和对除颤电流的响应方面优于极化电极。运动伪影和除颤事件都会对电解质和电极界面的电容进行充电。图 1 显示了等效电气模型。AgCl层降低了电极的阻抗。这对于进行心电图和脑电图测量的直流附近低频非常重要。

患者准备挑战与系统设计相关

临床医生在进行生物电势测量时面临实际挑战。他们必须准备好患者的皮肤，以便与电极良好接触。干燥和/或老化的皮肤会产生高阻抗，从而难以获得良好的读数。此外，电极到皮肤的阻抗因种族、年龄和性别而异。

临床医生用温和的磨料摩擦皮肤，去除薄薄的死皮层，使组织和电极上的电解质之间的离子流动更好。这可以确保更好的测量，但需要时间。当电解质在几个小时内干燥时也会出现问题。这增加了电解质中的阻抗，从而稳定地增加了直流偏移，进而扩大了仪器的动态范围。这两个挑战都与系统设计人员相关。

使用银/氯化银电极在 10 Hz 频率下，在皮肤经过适当处理的情况下，皮肤到电极的阻抗通常约为 5 kΩ。该阻抗因制造商而异。在设计 ECG 和其他生物电势前端电路时，设计人员必须记住，可能会经常遇到 500 kΩ 的阻抗。

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银可被当作工作电极而应用于在生物医药、食品安全、环境检测领域，也可以当作参考电极，前提是要经过化学或电化学处理成银/氯化银电极方能稳定使用，也有人会将银处理成氧化银当作拟参考电极，其参考电位会有些许不同，可参考图1得知，氧化银(Ag/AgxO)对于标准氢电极的电位为-0.153 V ，银/氯化银的参考相对电位是 0.197 V 。

参考的电位

梳状电极

梳状干电极与湿电极阻抗对比

Ag-AgCl（银-氯化银；）电极体直流阻抗<1欧；子母扣电极体直流阻抗<50欧。

第一，无需使用导电膏，可直接使用，体现干电极的特点；

第二，干电极具有很好的柔韧性，保证干电极与头皮稳定接触及使用舒适度；

第三，干电极是梳状结构，可用于有头发覆盖区域。

许多临床医生从不花时间准备皮肤以连接电极，除非他们在获取良好信号时遇到问题。此外，脑电图记录中通常使用带有糊剂的金电极，这些电极产生的阻抗比银/氯化银电极高得多。将电极放置在胸腔上将使皮肤到电极的阻抗比放置在四肢上的电极低约 2.5 倍。

超电势设计

过电势是半电池电势与零电势之间的差值。它显示为测量仪器的直流偏移。就 ECG 而言，人胸部的差分电压（心脏信号）的幅度通常为 1.8 mV，直流偏移高达 300 mV。与心脏信号相比，直流偏移的巨大程度限制了应用于前端放大器的增益量。例如，应用 100 的增益会将 5 mV 心脏信号增加到 500 mV，但也会将 300 mV 直流偏移增加到 30 V。

通常使用在±5V等宽电源电压下运行的放大器来利用更大的输入电压范围。此外，设计者还能够应用更多增益。

设计人员经常使用 ±7.5 V 的大电源轨来应对 ECG 设备必须工作的恶劣环境，例如手术室 (OR)。在手术室中，心电图前端电路会看到干扰信号，例如消融、电烧灼、除颤、外部起搏、内部起搏、起搏器 H 场遥测和大量其他信号。此外，一些放大器（例如 Analog Devices AD8220 和 AD8224）具有轨到轨架构，允许设计人员设置更高的增益。

电极放大器

另一个常见问题是电极极化。如果皮肤接触不良，前端放大器的输入偏置电流会使电极极化。

图 2 显示了输入偏置电流小于 1 pA 的JFET 输入运算放大器，例如 Analog Devices AD8625 / AD8626 / AD8627和AD8641 / AD8642 / AD8643 。JFET 输入仪表放大器（例如AD8220 和AD8224）（如图 2 和图 3 所示）的输入偏置电流低于 20 pA。