Поверхностные электроды в электромиографии

При использовании электродов для съема информации с биообъектов  следует иметь в виду большое  количество факторов – артефактов, влияющих на получаемую информацию, включая  явления, возникающие на участках кожно-электродного контакта [2].

 

2 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОДОВ

 

Поверхностные электроды  представляют собой металлические  пластины или диски площадью около 0,2 - 1 см², обычно вмонтированные попарно в фиксирующие колодки, обеспечивающие постоянство расстояний между отводящими электродами, что важно для оценки амплитуды регистрируемой активности. Такие электроды накладывают на кожу над областью двигательной точки мышцы. Кожу перед наложением электрода протирают спиртом и смачивают изотоническим раствором хлорида натрия. Электрические свойства контакта «электрод-кожа» определяются в основном поляризационными свойствами поверхностей раздела с разными типами проводимостей – переходы «ткань-тело-электролит» и переход «электролит-электрод». Типичная кривая поляризации E=f(j), где Е – разность потенциалов на переходе; j – плотность тока.

Она носит нелинейный характер, но при малых плотностях тока (до 10–15 мкА/см²) на ней можно выделить линейный начальный участок. На практике при максимальных амплитудах регистрируемых биоэлектрических сигналов, минимальных площадях электродов и входных сопротивлениях усилителей плотность тока меньше предельной, поэтому кожно-электродный импеданс можно считать линейным.

 

Рисунок 2 – Кривая поляризации  контакта «электрод-кожа»

 

Поверхности разделов характеризует  также равновесная разность потенциалов Е_о, возникающая на переходе при отсутствии тока, которая определяется природой контактирующих сред. В зависимости от материала электрода, свойств электролита, температуры, способа обработки кожи значение Е_о изменяется в пределах 0,1–50 мВ. Поляризация электродов может сильно искажать форму регистрируемого сигнала, поэтому она крайне нежелательна. При регистрации биопотенциалов величина Е_о должна оставаться постоянной, поэтому для некоторых типов электродов необходимо применение специальных мер для стабилизации значения Е_о. Разрабатываются и неполяризующиеся электроды. Регистрация биоэлектрических сигналов, где это возможно, осуществляется с помощью усилителей переменного тока, нижняя граничная частота которых составляет доли герц, поэтому в расчётах величиной Е_о, если она постоянна, можно пренебречь.

Каждую поверхность раздела  кожно-электродного контакта можно  представить на электрической эквивалентной  схеме сложной электрической  цепью, содержащей сопротивления и  ёмкости. Такую цепь можно пересчитать  в простую параллельную RС-цепь и получить эквивалентные параметры R_к-э, и С_к-э. Эти параметры зависят от частоты тока, однако учёт частотной зависимости существенно усложняет анализ, не давая значительного выигрыша в точности расчёта. Сопротивление R_к-э и ёмкость С_к-э можно выразить через усреднённые локальные параметры – удельное сопротивление  и диэлектрическую проницаемость.

 

                                                                                                    (1)

                                                                                                                                                            (2)

 

где S – эквивалентная площадь электрода; h – толщина высокоомного слоя кожи, которая значительно изменяется по поверхности тела и ансамблю испытуемых. Кроме того, импеданс контакта может определяться электрохимическими процессами, протекающими на переходах его структуры. Необходимость учёта полезной площади электрода объясняется тем, что при наложении последнего происходит растекание пасты или физиологического раствора по коже и появляются потовые выделения; при этом размеры электрода как бы увеличиваются. Полная эквивалентная электрическая схема кожно-электродного контакта приведена на рисунке 3. В неё включены уже указанные величины R_к-э и С_к-э, а также эквивалентные параметры самого электрода Z_э, эквивалентное сопротивление подкожных тканей R_пк, и входной импеданс Z_вх усилителя биопотенциала. Параметр Z_э (R_э и С_э) определяется конструкцией и материалом электродов [3].

 

Рисунок 3 – Полная эквивалентная  схема кожно-электродного контакта

 

 

3 ТЕХНИЧЕСКИЕ  ХАРАКТЕРИСТИКИ УСТРОЙСТВА

 

Электроды следует изготавливать в соответствии с требованиями ГОСТ 20790-82 и технических условий на электроды конкретного типа.

Наружные поверхности электродов и принадлежностей к ним должны быть гладкими, без царапин, трещин, заусенцев и других дефектов, видимых  невооруженным глазом.     

Электродное контактное вещество не должно содержать жиров и масел.

Основные параметры электродов должны соответствовать приведенным в таблице 1 [4].

 

Таблица 1 – Основные параметры

Наименование параметра	Значение параметра
Электрическая прочность  изоляции, В, не менее	30
Сопротивление изоляции R , Ом, не мене	109
Напряжение шума, Uт, мкВ, не более	20
Время готовности, Т1, мин, не менее	5
Время непрерывного контактирования, Т2 чменее	1
Температура хранения	+5 – 50 0С
Влажность воздуха	от  20 -80%

 

 

 

 

 Размеры кожного ЭМГ-электродов приведены  в таблице 2.

 

Табилица 2 – Габаритные размеры

Наименование параметра	Значение параметра
Диаметр электрода D, мм	8
Толщина электрода h, мм	2

 

Материалом для изготовления электрода является хлорид серебра. Хлорид серебра имеет следующий элементный состав: Ag (75,26 %), Cl (24,74 %). Основные физические характеристики материала приведены в таблице 3 [5].

 

Таблица 3 – Физические характеристики материала

Наименование параметра	Значение параметра
Плотность материала электрода  ρ, г/см3	5,56
Молярная масса  М, г/моль	143,32
Твердость	2,5

 

 

4. ВЫБОР И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА

 

Габаритные размеры:

1. ширина основания электрода – 25 мм,
2. диаметр  геля – 12 мм,
3. диаметр датчика – 8 мм.
4. Толщина датчика – 2 мм

Материал для проектируемого электрода – хлорированное серебро.

Из специальной литературы выберем необходимые для расчета  величины, являющиеся константами [6],[7]:

ρ = 10³ Ом/см – удельное сопротивление живой ткани;

h = 10 мкм – толщина высокоомного слоя кожи;

ε = 60 – диэлектрическая проницаемость кожи;

ε₀ = 8,854х10^-12 Ф/м – диэлектрическая постоянная;

ρ_el = 1,66х10^-8 Ом/cм – удельное сопротивление материала электрода.

_{В данном курсовом проекте  разрабатывается  резистивно-емкостный  электрод.}

Найдем площадь поверхности  электрода:

                                                                          (3)

Рассчитаем сопротивление  электрода и кожно-электродное  сопротивление по формуле:

                                                                (4)

Расчет емкости системы  «кожа-электрод»:

                              _.                    (5)

 

Собственное сопротивление  электрода зависит от типа материала:

                                             (6)

В естественных условиях сопротивление  кожи не может быть измерено непосредственно. Для нахождения сопротивления кожи используют эквивалентную схему, составленную так, чтобы получить напряжение измеряемого  тока.

Резистивно-Емкостные электроды, предложенные О.Б.Лурье, отличаются от электродов, вместительностей, небольшой проводимостью диэлектрика (10^-6 см и менее), что создает емкость. Эквивалентная электрическая схема кожно-электродного контакта для резистивно - емкостных электродов представлена на рисунке 4. Благодаря очень малой проводимости диэлектрика такие электроды ослабляют контактные и поляризационные потенциалы в сравнении с металлическими электродами в десятки и сотни раз. Вместе с тем наличие незначительной проводимости позволяет передать всю инфранизкочастотную область спектра снимаемых биопотенциалов вплоть до постоянного тока [2].

 

Рисунок 4 Эквивалентная  схема контакта кожа – резистивных –емкостный электрод

 

Для резистивных-емкостных  электродов комплексное сопротивление  системы кожа-электрод имеет вид:

                     (7)

_{В данном курсовом проекте  разрабатывается  резистивно-емкостный электрод, для  регистрации  биопотенциалов  работающий   на  частотах от  0,01  до  1000 Гц. Модуль импеданса для диапазона частот от 0,01 до 1000 Гц рассчитаем с помощью прикладной программы MathCad.}

 

Рисунок 5 – График частотной  зависимости модуля кожно-электродного импеданса от частоты воздействующего  тока

 

Из графика видно, что  с увеличением циклической частоты  сопротивление кожи уменьшается, но так как воздействие происходит на уровне низких частот, то диапазон изменения  сопротивления кожи небольшой.

Уравнение для электродного потенциала имеет такой же вид, как  и уравнение для ЭДС электрохимического элемента, но в него входят активности лишь тех веществ, которые принимают  участие в электрохимической  реакции в данном электроде:           

                                                                    (8)           

где:  - стандартный потенциал для данного материала;

R – универсальная газовая постоянная;

Т – абсолютная температура;

F – Эквивалентное количество электричества;

M₊ – молярная концентрация ионов металла.

В случаях возникновения  явлений поляризации серебряные электроды после предварительной  очистки от окислов подвергают хлорированию. Для этого серебряный электрод подсоединяют к положительному полюсу батареи напряжением 1,5 В и погружают в 1% раствор хлорида натрия. К отрицательному полюсу батареи подсоединяют серебряную пластину, опущенную в тот же раствор. Вследствие прохождения тока через электролит на электроде, являющемся анодом, будет подкладываться слой хлорида серебра. Признаком достаточного покрытия служит равномерное потемнение поверхности электрода, происходящие от действия света на хлорид серебра. Для того чтобы покрытие из хлорида серебра не нарушалось, электродная паста или раствор, которым смачивают электроды, не должны содержать более 5% хлорида натрия.

Концентрация ионов хлористого серебра определится формулой: 
                                                                                             (9)

где K_p - коэффициент растворимости вещества для хлористого серебра.

Для этого случая уравнение  потенциала электрода, выраженного  в вольтах, принимает вид:

                                                     .                       (10)

Концентрация Cl=9,25, в результате потенциал электрод будет равен: 

Е= -0,163 В.

При использовании хлористого серебра потенциал электрода  зависит от наличия этого хлорида  в организме, так что этот потенциал  принимает устойчивое известное значение [7].

5.  ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА

 

В данной курсовой работе рассмотрим круглый одноразовый электрод, так  как подобные электроды в последнее  время получают наибольшее распространение. Он используется для распознавания и коррекции избыточного мышечного напряжения в случае лечения головных болей напряжения, судорожных фантомных болей в ампутированных конечностях, поясничных болей [8].

Обычно размеры электрода  колеблются от 5 мм до 10 мм в диаметре. Зададим размер проектируемого электрода  равный 8 мм в диаметре.

Для лучшего контакта электрода  с кожей гидрофильная прокладка, диаметром 12 мм. Как правило, его контактная площадь немного превышает площадь датчика.

Поскольку электрод должен надежно крепится к телу человека, то необходимо учесть при проектировании ту часть электрода, которая и будет непосредственно соприкасаться с телом при помощи двусторонних липких колец. Этот размер также задается произвольно, но необходимо учесть, что эта площадь не должна быть слишком маленькой, поскольку в этом случае будет ненадежное крепление к телу (отрыв от тела). Также следует учесть, что чрезмерно большие размеры контактной площадки электрода тоже нежелательны. Размеры контактной площадки электрода составляют от 20 мм до 55 мм. Наиболее часто используются электроды, диаметр основания которых равен 25 мм.