Виды электродов и особенности их применения

Чтобы измерять и записывать потенциалы и токи живого организма, необходим интерфейс (устройство сопряжения, связи) между телом и электронным измерительным прибором. Функции такого интерфейса выполняют электрохимические электроды, предназначенные для измерения (отведения) биопотенциалов. При любом измерении потенциалов в измерительной цепи течёт электрический ток, который в идеальном случае должен быть очень маленьким. Однако на практике этот ток никогда не равен нулю. В связи с этим, электроды должны проводить ток между телом пациента и электрической измерительной цепью.

Для оценки состояния здоровья человека и уровня функционирования отдельных систем его организма широкое применение находят разнообразные устройства съёма измерительной информации различных принципов действия и назначений. Среди них большой класс составляют электроды для регистрации электрофизиологических сигналов — электрокардиограммы, электроэнцефалограммы, электромиограммы и др. Электрические сигналы, снимаемые с помощью электродов, порождены биоэлектрическими процессами, происходящими в органах и тканях человека. Сложность их регистрации определяется малыми амплитудами полезного сигнала, большим уровнем помех, частотный диапазон которых иногда перекрывает частотный диапазон исследуемых сигналов, необходимостью выполнения ряда требований, связанных с размещением электродов на поверхности тела человека и т. п. Эти особенности заставляют предъявлять определённые требования к электродам для биологических исследований, поскольку от их метрологических и медикотехнических характеристик зависит достоверность получаемой информации.

При регистрации биопотенциалов электрод определяется как устройство, имеющее токосъёмную поверхность, контактирующую с биологическим объектом, и выходные элементы.

Различают несколько видов электродов, участвующих в съёме биопотенциалов. Измерительный электрод — электрод, устанавливаемый на анатомическую точку поверхности тела, в которой измеряется биопотенциал. Нулевой (индифферентный) электрод — электрод, контактирующий с таким участком биологического объекта, в котором потенциал электрического поля исследуемого органа стремится к нулю или мало зависит от процессов, протекающих в этом органе. Например, при регистрации электроэнцефалограммы нулевой электрод может быть наложен на мочку уха или переносицу, а при регистрации электрокардиограммы в качестве нулевого электрода может быть выбран электрод, подключаемый к точке соединения всех электродов, которые участвуют в электрокардиографических отведениях. Нейтральный электрод — электрод, не участвующий в съёме биоэлектрического напряжения и подключаемый к нейтральной клемме измерительного прибора.

Электроды могут использоваться и для других целей — подведения к организму человека электрических стимулов, позволяющих оказывать на организм направленные электрические воздействия для управления его состоянием. В этих применениях к электродам предъявляются совсем иные требования. В настоящее время в медицинской практике эксплуатируется большое количество электродов различных типов и назначений, которые могут использоваться как для съёма электрофизиологических сигналов (ЭДС, тока, активного, реактивного или комплексного сопротивления), так и для подведения электрических воздействий к различным анатомическим точкам или поверхностям тела.

Особую группу составляют потенциалы, которые зависят в основном от активности ионов водорода.

Существует несколько различных способов классификации электродов. Одним из наиболее общих классификационных признаков для регистрирующих электродов считают вид сигнала контролируемого органа в соответствии с используемым методом исследования, например электрокардиография (ЭКГ), электромиография (ЭМГ), реоплетизмография (РПГ), электроэнцефалография (ЭЭГ), регистрация кожногальванического рефлекса (КГР), состояний биологически активных точек (БАТ) и т. д.

С позиций уточнения требований по входным цепям электронных устройств, к которым подключаются электроды, последние можно классифицировать по степени проводимости:

• — проводящие (обратимые, пористые, металлические);
• — с низкой проводимостью (резистивные, резистивноёмкостные);
• — непроводящие (со структурой МДП, ёмкостные).

Кроме того, в качестве признаков классификации могут выступать способ крепления (на присосках, на прижимах, с помощью пластырей, в виде клипс и прищепок и т. д.), конструктивные особенности и пр.

Электроды для электрического воздействия можно классифицировать по месту контакта с биообъектом (через кожные, имплантируемые на определённые анатомические места и др.), по конструкции, по силе воздействия и т. д.

Электроды, применяемые для регистрации биопотенциалов, делятся на три основные группы.

К электродам первой группы относятся такие, у которых электродная реакция происходит только между металлом электрода и его катионами, находящимися в растворе (ртутные, серебряные, медные, свинцовые, водородные, платиновые, золотые, никелевые и т. д.). Потенциал электродов первого рода определяют по формуле.

где [М⁺] = / • с, с — концентрация ионов в г • экв/л или г • моль/л;/ — коэффициент активности раствора.

Однако большинство чистых металлов быстро окисляются, пассивируются, покрываются оксидной плёнкой, приводящей к неконтролируемым флуктуациям потенциала электрода.

Электроды второй группы образуются из металла, его малорастворимой соли и анионов этой соли, концентрация которых определяет потенциал таких электродов (хлорсеребряный, сульфатнортутный, каломельный).

Электроды третьей группы (газовые электроды) представляют собой пористые системы (например, платиновая чернь, графит, золото) с газовым наполнением.

Эти электроды достаточно сложны, а их потенциалы зависят не только от активности ионов, но и от парциального давления газа.

Теоретически возможно представить себе существование двух крайних типов электродов: абсолютно поляризуемых и абсолютно неполяризуемых. Эта классификация отражает процессы на границе электрода и электролита, которые связаны с прохождением тока через эту границу. Абсолютно поляризуемые электроды — это те, в которых при наличии тока заряд не пересекает границу раздела, так что протекающий ток является током смещения. В данном примере электрод ведёт себя как электрический конденсатор. Абсолютно неполяризуемые электроды — это те, в которых заряды пересекают границу между металлом и раствором, не требуя энергии для такого перемещения. Соответственно, у абсолютно неполяризуемых электродов нет перенапряжения.

На практике не существует подобных идеализированных электродов. В то же время некоторые реально применяемые электроды приближаются по своим характеристикам к абсолютно поляризуемым или неполяризуемым электродам. Электроды, изготовленные из благородных металлов, таких как платина, наиболее близки по характеристикам к полностью поляризуемым электродам. Из-за того, что металл в таких электродах химически инертен, требуется слишком высокая энергия активации для его окисления и перехода в раствор. Таким образом, ток, который течёт между электродом и электролитом, изменяет концентрацию ионов на границе, приводя к концентрационному перенапряжению. По электрическим характеристикам такой электрод весьма похож на конденсатор.