心電圖電極

生物醫學信息的定量檢測在醫學各個領域的應用非常廣泛，而檢測生物醫學信息的首要問題是如何獲取信息。生物醫學信息分為電生理信息和非電量生理信息。電生理信息直接通過電極獲得，對于非電量生理信息必須通過傳感器把非電量轉化為電信號，然后由檢測儀器進行處理。根據電極功能的不同，可分為檢測電極和刺激電極。檢測電極主要用來偶合生物體電位到測量儀器上，心電圖機的電極就是檢測電極。在心電圖實驗中由于電極使用不當，造成測量誤差比較大這一問題比較突出，下面對檢測電極的有關問題進行初步的探討，闡述生物醫學信息檢測電極的工作原理和電極噪聲對心電圖測量實驗的影響。

電極的工作原理

電極連接在生物體上，目的是要將生物電引出來，然后對其進行處理。生物體內的電流是離子導電，電極和檢測儀器中的電流是電子導電，電極必須把離子導電轉換為相對應的電子導電。轉換的過程發生在電極與生物體接觸的界面，稱為接界。最簡單的生物醫學電極就是放入肌體內的金屬片，人體的組織液可以看成是電解液，因此可以用電解液和金屬片的接界發生的變化來描述電極的工作原理。

金屬-電解液接界←e-C←e-C←e-C：金屬電極Am-Cn+→Am-Cn+→Am-Cn+→電解液金屬片放在含有該種金屬離子的電解液中時，金屬表面與電解液的接界處發生可逆氧化還原反應，化學反應式¹：Am-=A+me-①，C=Cn++ne-②，式中C表示電極的金屬原子，Cn+表示電解液中該金屬的正離子，n是C的原子價。Am-表示電解液中的某種負離子，m是A的原子價。假如接界處的電極金屬被氧化成正離子和自由電子，正離子進入電解液，留下電子成為電極中的載流子。電解液中的負離子來到接界時，經還原反應變成中性原子而向電極釋放自由電子。這就是電解液中的離子導電變換成金屬電極中的電子導電過程。當氧化還原反應達到化學平衡時，伴隨著電荷的得失，在電極和電解液接界處形成了一個電偶層，因而產生電勢差，稱為半電池電勢，又稱為電極電勢Ehe²。電偶層的作用相當于一個電容，其等效阻抗既有電阻成分Rd°又有電容成分Cd°。

電極-電解液-皮膚的接界：心電圖的電極與皮膚接觸時，通常在電極與皮膚之間涂有導電膏（生理鹽水），以確保良好的接觸。這樣又形成了一個導電膏和皮膚接界。由于皮膚和金屬的性質不同，因此兩者接界的性質也不同。皮膚主要由表皮、真皮和下皮層組成，表皮在導電膏和皮膚接界中起主要作用。表皮的角質層可看成是離子的半透膜，如果在膜的兩邊有離子的濃度差，就會存在濃差電位差Ese。表皮雖然很薄，但具有很大的阻抗，可用Re和Ce并聯等效電路來表示。表皮下面的真皮和皮下層可等效為純電阻R。

電極電位

極化電壓電極上有電流通過時，電極的半電池電位將發生變化。電極半電池電位的變化量稱為超電壓或極化電壓。極化電壓是由電極的極化現象產生的。一方面來自被檢測體的電流通過電解液時，電解液的電阻產生的壓降使到達放大器輸入端的信號電壓降低；另一方面電解液的電阻又隨著通過其電流的大小而變化。還有電極附近電解液中離子濃度比電解液內部離子濃度高，這樣產生的濃差電勢極性與信號源電壓的極性相反，其作用也減小了輸出到放大器的信號電壓。電極的金屬氧化成離子進入電解液的同時，電解液中也有離子還原成金屬原子而沉積在電極上，這兩個過程所需的能量并不相等，在電極與電解液之間也表現為電勢差，其結果使得信號電流越來越小。極化電壓隨著電極的電流增大而增大，因此，實際測量中應保持電極中的電流最小。

電極電位當電極與生物體接觸時，即使兩極間沒有電流通過，由于電極的不對稱，仍存在著電位差，上述兩極間的組合電位差總稱為電極電位。多數金屬的電極電位要比研究的生物電勢大得多，金屬電極放在體表就可以形成幾百豪伏的電勢，而肌體內部的有用信號往往只有幾到幾十毫伏⁴。因此電極電位的大小直接影響測量結果。

電極噪聲與阻抗對心電圖測量的影響

電極電位的不穩定變化又叫電極噪聲。電極和生物體之間存在的電極噪聲和阻抗，是心電圖測量中產生誤差的主要原因。電極噪聲越低，阻抗越小，電極的性能越好。心電圖測量時，在電極和皮膚之間涂上生理鹽水，用來保持電極電位的穩定和降低皮膚的電阻。如果電極表面有氧化層或雜質，要清理干凈。當電極、導電膏和皮膚之間有相對運動，或被測試者深呼吸、緊張、身體移動，都能影響接界處的電荷分布，電位差Ehc或Ese產生瞬間的變化，直到建立新的平衡，這種干擾叫做運動偽跡。交流干擾，主要原因是心電圖機附近有干擾源，電極與肢體接觸不好，皮膚電阻過大，電極與右腿的地線接觸不好等。基線不穩，被測試者肢體移動，呼吸不穩，導聯線過緊，電極極化，皮膚與電極接觸不好等。基線震顫，被測試者緊張，肌肉震顫，電極板夾的過緊，室溫太低等。可見了解和正確使用心電圖電極，對高質量完成心電圖實驗非常重要。

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