Каждую поверхность раздела кожно- электродного контакта можно представить на электрической эквивалентной схеме сложной электрической цепью, содержащей сопротивления и емкости. Такую цепь можно пересчитать в простую параллельную RC -цепь и получить эквивалентные параметры Rк-э, и Ск-э. Эти параметры зависят от частоты тока.
Упрощенная эквивалентная электрическая схема кожно- электродного контакта приведена на рисунке 1.3. Внеё включены уже указанные величины Rк-э, и Ск-э, а также сопротивление потерь R cемкостной составляющей, эквивалентные параметры самого электрода Zэ и эквивалентное сопротивление подкожных тканей Rпк. Параметр Zэ (Rэ и Сэ) определяется конструкцией и материалом электродов.
Электроды
Наиболее распространенным типом электродов для съема биопотенциалов являются металлические электроды. В качестве материалов для их изготовления применяются золото, серебро, платина, палладий, нержавеющая сталь, иридиевые сплавы и другие металлы, сплавы и соединения, полученные прессованием, электролитическим хромированием и т. д.
Выбор материала и способа обработки поверхности существенно влияет на величину контактного сопротивления (кожно- электродный импеданс), уровень шума и величину артефактов, а также на интенсивность потенциалов поляризации.
Переходное сопротивление между чистой сухой кожей и электродом может достигать сотен килоом. С целью уменьшения этого сопротивления при использовании металлических электродов применяют марлевые прокладки, смоченные физиологическим раствором, которые помещают между электродом и кожей, илиспециальные токопроводящие пасты. Это позволяет уменьшить переходное сопротивление до десятков килоом.
Переходное сопротивление уменьшается также при увеличении площади контакта электрод – кожа. Однако при значительном увеличении размеров электрода возрастает погрешность усреднения, а, следовательно, уменьшается диагностическая ценность измеряемого биопотенциала как сигнала о локальных изменениях электрической активности.
Так как для металлического электрода Rэ = 0, то эквивалентная схема входной цепи усилителя биопотенциалов принимает вид, изображенный на рисунке 1.4.
Наиболее широко используемыми металлическими электродами для съема биопотенциалов с поверхности тела являются металлические пластинки круглой или овальной формы из нержавеющей стали площадью до 20 см2, неполяризующиеся электроды из хлорированного серебра, электроды-присоски, снабженные резиновым баллончиком, который дает возможность просто и достаточно надежно укрепить электрод в нужной точке тела, и ряд специальных электродов. Среди электродов специальной конструкции следует отметить поверхностные слабополяризующиеся электроды типов ЭПСК (электрокардиографические), ЭПСМ (электромиографические), ЭПСЭ (электроэнцефалографические), которые предназначены для съема биоэлектрических сигналов при длительном наблюдении за состоянием тяжелобольных и больных во время операций, при биотелеметрии труда и спортивных нагрузок. Электроды типов ЭПСК и ЭПСМ состоят из нескольких собственно электродов. Каждый такой электрод состоит из рабочего хлоросеребряного элемента, запрессованного в пластмассовый корпус ив полистирола марки ПСМ, и имеет полость для электродной пасты (рисунок 1.5). Электроды типов ЭПСК и ШСМ укрепляют к биообъекту с помощью клейких колец. Конструкция электродов типа ЭПСЭ отличается наличием паза, который служит для фиксации электродов посредством энцефалографического шлема в соответствующих зонах головы (рисунок 1.6). Для регистрации ЭМГ также применяют игольчатые электроды.
Емкостные электроды
Основным преимуществом емкостных электродов является отсутствие контактных и поляризационных потенциалов, возникающих при использовании металлических электродов.
Емкостный электрод представляет собой металлическую пластинку, покрытую тонким слоем диэлектрика. Первые емкостные электроды (появились в 1987 г.) были выполнены из анодированного алюминия и обладали сопротивлением более 4000 Мом и емкостью около 5000 пФ при верхней граничной частоте, равной 30 Гц. Однако электроды из анодированного
1. корпус; 2 – маркировочная крышка; 3 – хлоросеребряный рабочий элемент; 4 – полость для электропроводящей пасты
Рисунок 1.5 – электроды типа ЭПСК и ЭПСМ для длительного съёма электрокардио- и электромиографических сигналов
1. - корпус; 2 – паз; 3 – провод отведения
Рисунок 1.6 – Внешний вид электрода типа ЭПСЭ для длительного съёма электроэнцефалографических сигналов
1 – крышка- экран; 2 – диэлектрическое основание; 3 – металлическая пластина; 4 – диэлектрическая плёнка
Рисунок 1.7 – Схематичная конструкция емкостного электрода с истоковым повторителем
Рисунок 1.8 – Эквивалентная схема контакта кожа – емкостной электрод
Рисунок 1.9 – Эквивалентная схема контакта кожа – резистивно – емкостной электрод
алюминия оказались трудновоспроизводимыми и ненадежными вследствие пористости и способности адсорбировать влагу из кожи. Лучшие результаты позволяют получить емкостные электроды, изготовленные из анодированного тантала.
Хорошие результаты дают емкостные электроды с диэлектриком из SiO2. Монокристаллическая структура слоя ив двуокиси кремния обеспечивает высокую химическую устойчивость диэлектрической пленки. При активной площади электрода 0,5 см2 и толщине диэлектрической пленки 1 мкм емкость его составляет около 0,015 мкФ. На рисунке 1.7 изображена конструкция емкостного электрода с электродным потоковым повторителем.
Эквивалентная электрическая схема кожно-электродного импеданса для емкостных электродов представлена на рисунке 1.8.
Полное кожно-электродное сопротивление для емкостных электродов быстро возрастает с уменьшением частоты, а это при измерении потенциалов на инфранизких частотах приводит к недопустимо большим погрешностям.