心電圖 (ECG)、肌電圖 (EMG) 和腦電圖 (EEG) 系統通過測量活體組織表面的電勢，分別測量心臟、肌肉和大腦隨時間的活動。通過測量體內的離子電流可以檢測神經刺激和肌肉收縮。這是通過使用生物電電極來實現的。

帶負電的離子是陰離子，帶正電的離子是陽離子。人體中的電流流動是由于離子流動，而不是電子。生物電電極是一種傳感器，可感測組織表面的離子分布，并將離子電流轉換為電子電流。將電解質溶液/膠凍放置在電極與組織接觸的一側；電極的另一側由導電金屬組成，連接到連接儀器的引線上。化學反應發生在電解質和電極之間的界面處。

微小的負電位

測量系統的范圍和量程

電解質-電極界面簡介

電流可以從電解質流向非極化電極。（極化電極的作用更像電容器，電流發生位移，但不能在電解界面上自由移動）。當電極中的原子氧化形成陽離子和電子時，電流穿過界面。陽離子被釋放到電解質中，電子通過引線攜帶電荷。類似地，電解質中的陰離子向界面移動，將自由電子傳遞到電極。由于陰離子和陽離子的不均勻分布，界面上會產生一種稱為半電池電位的電壓。它在心電圖、肌電圖和腦電圖上表現為直流偏移。

銀/氯化銀(Ag/AgCl)是一種非常受歡迎的電極，因為它的半電池電位非常低，約為 220 mV，并且易于制造。Ag/AgCl 電極是非極化電極，它們允許電流穿過電解質和電極之間的界面。非極化電極在抑制運動偽影和對除顫電流的響應方面優于極化電極。運動偽影和除顫事件都會對電解質和電極界面的電容進行充電。圖 1 顯示了等效電氣模型。AgCl層降低了電極的阻抗。這對于進行心電圖和腦電圖測量的直流附近低頻非常重要。

患者準備挑戰與系統設計相關

臨床醫生在進行生物電勢測量時面臨實際挑戰。他們必須準備好患者的皮膚，以便與電極良好接觸。干燥和/或老化的皮膚會產生高阻抗，從而難以獲得良好的讀數。此外，電極到皮膚的阻抗因種族、年齡和性別而異。

臨床醫生用溫和的磨料摩擦皮膚，去除薄薄的死皮層，使組織和電極上的電解質之間的離子流動更好。這可以確保更好的測量，但需要時間。當電解質在幾個小時內干燥時也會出現問題。這增加了電解質中的阻抗，從而穩定地增加了直流偏移，進而擴大了儀器的動態范圍。這兩個挑戰都與系統設計人員相關。

使用銀/氯化銀電極在 10 Hz 頻率下，在皮膚經過適當處理的情況下，皮膚到電極的阻抗通常約為 5 kΩ。該阻抗因制造商而異。在設計 ECG 和其他生物電勢前端電路時，設計人員必須記住，可能會經常遇到 500 kΩ 的阻抗。

銀可被當作工作電極而應用于在生物醫藥、食品安全、環境檢測領域，也可以當作 參考電極，前提是要經過化學或電化學處理成銀/氯化銀電極方能穩定使用，也有人 會將銀處理成氧化銀當作擬參考電極，其參考電位會有些許不同，可參考圖1得知， 氧化銀(Ag/AgxO)對于標準氫電極的電位為-0.153 V ，銀/氯化銀的參考相對電位是 0.197 V 。

參考的電位

梳狀電極

梳狀干電極與濕電極阻抗對比

Ag-AgCl（銀-氯化銀；）電極體直流阻抗<1；歐子母扣電極體直流阻抗<50歐。

第一，無需使用導電膏，可直接使用，體現干電極的特點； 第二，干電極具有很好的柔韌性，保證干電極與頭皮穩定接觸及使用舒適度； 第三，干電極是梳狀結構，可用于有頭發覆蓋區域。

許多臨床醫生從不花時間準備皮膚以連接電極，除非他們在獲取良好信號時遇到問題。此外，腦電圖記錄中通常使用帶有糊劑的金電極，這些電極產生的阻抗比銀/氯化銀電極高得多。將電極放置在胸腔上將使皮膚到電極的阻抗比放置在四肢上的電極低約 2.5 倍。

超電勢設計

過電勢是半電池電勢與零電勢之間的差值。它顯示為測量儀器的直流偏移。就 ECG 而言，人胸部的差分電壓（心臟信號）的幅度通常為 1.8 mV，直流偏移高達 300 mV。與心臟信號相比，直流偏移的巨大程度限制了應用于前端放大器的增益量。例如，應用 100 的增益會將 5 mV 心臟信號增加到 500 mV，但也會將 300 mV 直流偏移增加到 30 V。

通常使用在±5V等寬電源電壓下運行的放大器來利用更大的輸入電壓范圍。此外，設計者還能夠應用更多增益。

設計人員經常使用 ±7.5 V 的大電源軌來應對 ECG 設備必須工作的惡劣環境，例如手術室 (OR)。在手術室中，心電圖前端電路會看到干擾信號，例如消融、電燒灼、除顫、外部起搏、內部起搏、起搏器 H 場遙測和大量其他信號。此外，一些放大器（例如 Analog Devices AD8220 和 AD8224）具有軌到軌架構，允許設計人員設置更高的增益。

電極放大器

另一個常見問題是電極極化。如果皮膚接觸不良，前端放大器的輸入偏置電流會使電極極化。

圖 2 顯示了輸入偏置電流小于 1 pA 的JFET 輸入運算放大器，例如 Analog DevicesAD8625/AD8626/AD8627和AD8641/AD8642/AD8643 。JFET 輸入儀表放大器（例如AD8220和AD8224）（如圖 2 和圖 3 所示）的輸入偏置電流低于 20 pA。

結論

了解電極中的電化學相互作用有助于闡明其行為的細微差別。此外，它還使設計人員能夠了解臨床醫生在給患者放置電極時面臨的挑戰。對電極與皮膚界面的透徹了解可確保信號采集正確可靠，從而使臨床醫生能夠正確診斷患者的病情。
責任編輯：彭菁