УДК 615.471:616-073/97(075.8) ББК 28.707.1 О-664

Рецензенты : д-р техн. наук, проф. Р.И. Бурлаков; д-р техн. наук, проф. В.М. Бахир; д-р мед. наук, проф. Ю.А. Фадеев

Орлов Ю.Н. Электроды для измерения биоэлектрических потенциа-

лов: Учеб. пособие / Под ред. И.С. Щукина. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 224 с.: ил. – (Биомедицин-ская инженерия в техническом университете).

ISBN 5-7038-2888-0 Описаны основы физико-химического взаимодействия биологических

объектов с биоэлектрическими электродами. Приведены классификация, конструкции и характеристики проводящих и изолированных биоэлектри-ческих электродов, а также требования к материалам, используемым в электрографии. Рассмотрены вопросы топографии электродов, временны' х характеристик биологического объекта, его структурированность, опреде-ляющие параметры измеряемого сигнала и требования к измерительным электродам. Данные по разработке и применению электродной техники представлены с учетом требований нормативных документов.

Пособие соответствует курсу лекций, который автор читает в МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Для студентов технических вузов 3-го и 4-го курсов специальностей «Биомедицинские технические аппараты и системы», «Инженерное дело в медико-биологической практике». Может быть полезно студентам меди-цинских вузов, обучающимся по специальности «Функциональная диагно-стика».

УДК 615.471:616-073/97(075.8) ББК 28.707.1

ISBN 5-7038-2888-0

©©

Ю.Н. Орлов, 2006 Оформление. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006

О-664

5

ПРЕДИСЛОВИЕ

В пособии использованы данные электрофизиологических ис-следований, полученные при проведении научно-исследова-тельских работ в ряде ведущих медицинских центров. Совместнаяработа инженерного и медицинского персонала не только под-твердила неизбежность взаимопроникновения технических и ме-дико-биологических дисциплин, но и уточнила круг вопросов,знание которых необходимо инженерам при разработке и эксплуа-тации рассматриваемой в пособии медицинской техники.

Пособие состоит из двух частей. В первой части рассматрива-ются электрохимические основы потенциалообразующих процес-сов в измерительной ячейке, устанавливаются зависимости, опре-деляющие потенциал электрода и потенциал смещения, описыва-ются электропроводность отведения как биологических структур,так и искусственных электролитов, приводятся сведения по соста-вам и применению электродного контактного вещества. Перечис-ленные характеристики и закономерности являются научно-технической основой для изучения типов, особенностей конструи-рования и применения биоэлектрических электродов различныхтипов (электродов первого и второго рода, слабополяризующихсяэлектродов, электродов одноразового применения, изолированныхэлектродов). В Приложении приводятся обязательные термины,стандартные определения, нормативные материалы, а также ос-новные закономерности и правила применения электродов, позво-ляющие свести к минимуму технические ошибки измерения.

Практика работы в области биомедицинских измерений пока-зывает, что в ряде случаев специалист в области медицинской тех-ники должен проявить компетентность не только в конструкциитехнического устройства, но и в методических вопросах примене-ния этой техники (время обследования, продолжительность об-следования, размещение электродов на биообъекте). Эта группавопросов рассматривается во второй части пособия, посвященнойструктурной организации биообъекта, собственному времени био-объекта, биологическим ритмам и топографии электродов.

Изучение материалов данного учебного пособия студентамитехнических ВУЗов целесообразно после знакомства с соответст-вующими разделами биологии, анатомии, физиологии, биохимии,

6

клинической медицины и должно предшествовать изучению ме-дицинских электронных приборов и аппаратов.

Успешному освоению материала учебного курса способствуетобязательный цикл лабораторных работ, посвященный изучениюконструкций и исследованию характеристик различных биоэлек-трических электродов, особенностям их применения и метрологи-ческого обеспечения.

Содержание учебного пособия соответствует разделу курса«Медицинские измерительные преобразователи и электроды» спе-циальностей «Биотехнические и медицинские аппараты и систе-мы», «Инженерное дело в медикобиологической практике».

Данное пособие предназначено для студентов технических ву-зов, обучающихся по направлению «Биомедицинская техника»,«Биомедицинская инженерия», для студентов медицинских вузов,обучающихся по специальности «Функциональная диагностика», атакже может быть полезно специалистам-практикам в областибиомедицинских измерений.

7

Часть I

ТИПЫ И КОНСТРУКЦИИ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХЭЛЕКТРОДОВ

9

ВВЕДЕНИЕ

В медицинской диагностике, включающей в себя целенаправ-ленное медицинское обследование, анализ результатов измеренияфизических параметров биообъекта (БО)∗ и их обобщение, боль-шое распространение получили технические средства и методыизмерения электрических параметров. В рамках таких измерений впрактике здравоохранения наиболее широко представлено иссле-дование биопотенциалов. Именно оно дает изначальную информа-цию о состоянии БО, в наименьшей степени воздействуя на егофизиологическое состояние. Исследование биоэлектрических по-тенциалов, различающихся своими параметрами в норме и патоло-гии, позволяет получить объективные диагностические признаки,которые в совокупности с другими данными (биохимическими,гистологическими и т. д.) решают задачу постановки диагноза ипоследующего выбора методов и средств, направленных на дос-тижение заданного состояния БО. К перечню штатных электро-графических процедур относятся: электрокардиография∗∗ (ЭКГ),векторэлектрокардиография, электрокардиотопография, ЭКГ в ус-ловиях длительного наблюдения, ЭКГ с дозированной физическойнагрузкой, электромиография (ЭМГ), электроэнцефалография(ЭЭГ), электрогастрография (ЭГГ), электроцеребрография (ЭЦГ),электроокулография (ЭОГ), электроретинография (ЭРГ), измере-ние квазипостоянных биопотенциалов клеточных и тканевыхструктур и т. д. В связи с усложнением задач по оценке состоянияБО как в норме, так и при различных патологиях и измененныхсостояниях перечень электрографических исследований непре-рывно расширяется.

Измерение различных физических параметров БО с целью ме-дицинской диагностики реализуется с помощью медицинских при-боров – изделий медицинской техники, предназначенных для полу-

∗ Далее в зависимости от контекста под БО будем понимать целостный орга-

низм, систему органов, отдельный орган, ткань, биопробу, клеточную систему,отдельную клетку.

∗∗ На основании данных медицинской статистики установлено, что наиболеечастыми причинами смертельного исхода в результате заболевания является па-тология сердечно-сосудистой системы. Соответственно, по числу диагностиче-ских процедур первое место занимает электрокардиография.

10

чения, накопления и (или) анализа информации о состоянии орга-низма человека с диагностической или профилактической целью∗.

Если информация о БО, получаемая с помощью техническогосредства, имеет количественный характер (отображается на шкалес нормируемой погрешностью измерения), то такое техническоесредство называют средством измерения медицинского назначе-ния (СИМН). Если информация о БО отражается в качественныххарактеристиках, то такое изделие называют индикатором меди-цинского назначения. Шкала индикаторов не имеет оцифрованныхделений, однако на ней могут быть выделены одна или две харак-терные зоны (например, на медицинских жидкокристаллическихпленочных индикаторах температуры в зависимости от состоянияпациента высвечиваются показания N или F).

СИМН включает в свою структурную схему измерительныйпреобразователь (ИП) – техническое средство с нормативнымиметрологическими характеристиками, служащее для преобразова-ния измеряемой величины в другую величину или измерительныйсигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразо-ваний, индикации или передачи [2].

Классификация ИП основана на использовании различныхпризнаков. К более общей относят классификацию, связанную свидом преобразуемой (входной) энергии (например, тепловые, ме-ханические, оптические, электрические, магнитные и другие ИП).

Выходным сигналом ИП является, как правило, электрическийсигнал (например, преобразование температуры объекта в электри-ческий сигнал). К другому классификационному признакуотносят физическое явление, лежащее в основе работы ИП (напри-мер, термоэлектрический ИП, оптоэлектронный ИП и др.). Сле-дующим классификационным признаком может быть тип диагно-стической процедуры, при которой используется данный ИП (на-пример, электрокардиографический биоэлектрический электрод).

Биоэлектрический электрод (БЭ) – устройство, используемоепри съеме биоэлектрических потенциалов и имеющее токосъем-ную поверхность, контактирующую с биологическим объектом, ивыходные элементы (Приложение 1).

Поскольку биоэлектрические электроды в медицинской прак-тике являются наиболее распространенным и значимым типом из-мерительных преобразователей, на их примере рассмотрим осо-

∗ Во избежание терминологических ошибок следует помнить о других уста-

новленных классификационных рубриках — медицинском оборудовании, меди-цинских инструментах и медицинских аппаратах [1].

11

бенности функционирования измерительного преобразователя вструктуре биотехнической системы (БТС) (рис. В1, В2) [2].

Рис. В1. Структурная схема БТС диагностического типа:БО – биообъект; СИМН – средство измерения медицинского назначения;ДП – диагностические признаки; В – врач; 1 – измерительный преобразова-тель; 2 – измерительный усилитель; 3 – устройство обработки и выводаинформации; 4 – совокупность методов и средств, направленных на дости- жение заданного состояния БО

1. БЭ – первый и единственный элемент биотехнической изме-рительной системы, вступающий в непосредственный контакт сбиологическим объектом. Он определяет задачи согласованияэлектрических, механических, химических и других параметровбиологической и технической систем.

В данном контексте правильнее говорить о БЭ как о первичномизмерительном преобразователе, на который непосредственновоздействует измеряемая физическая величина и БО в целом.

2. БЭ осуществляет выделение на БО исследуемой формыэнергии.

БО характеризуется совокупностью взаимосвязанных парамет-ров: химических, электрических, тепловых, оптических, механиче-ских и т. д. Назначение биоэлектрического электрода – выделениеи дальнейшее преобразование биоэлектрических потенциалов. Од-нако, как мы увидим дальше, на функцию преобразования элек-трода влияют также и другие виды энергии БО (например, тепло-

Рис. В2. Фрагмент структурной схемы БТСс измерительным преобразователем:

o ,T ϕ , рН – параметры БО; 1 2 3, ,f f f – внеш-

ние факторы; Fвх и Fвых – входной и выходнойсигналы измерительного преобразователя

12

вая энергия), что необходимо учитывать при разработке конст-рукции электрода и методики его использования.

3. БЭ осуществляет преобразование сигнала (преобразованиеионных токов БО в электронные токи биоусилителя).

4. БЭ и БО оказывают взаимное влияние друг на друга.Эта особенность не всегда очевидна и требует внимательного

изучения параметров БО и ИП и специфики их взаимодействия.Так, металлический биоэлектрический электрод, осуществляя ос-новную функцию преобразования, может окисляться в результатевоздействия на него потовых выделений кожного покрова. Приэтом ионы металла электрода могут перемещаться в кожныйпокров, вызывая местные биохимические изменения в нем, аэлектрод в целом, герметично перекрывая большую поверхностькожи, может изменять параметры кожного дыхания. Указанныевзаимодействия могут приводить к изменению электрических ха-рактеристик как БО, так и электрода.

5. БЭ подвергается влиянию внешней среды, при этом могутизменяться параметры преобразования.

Очевидно, что изменения температуры, влажности, механиче-ских воздействий и других параметров внешней среды могут ока-зывать влияние на функционирование как самого БО, так и БЭ.

Вышеперечисленные особенности БЭ позволяют выделить их внаиболее многочисленную и ответственную группу ИП. Исходя изсказанного, БЭ должны обладать научно обоснованными и законо-дательно установленными нормативными метрологическими харак-теристиками, которые определяют погрешность измерения стан-дартных сигналов при установленных условиях измерения, а такжедолжны быть сертифицированы и разрешены к применению.

В то же время необходимо дальнейшее развитие методологиии технических средств метрологической поддержки СИМН, в пер-вую очередь, корректных имитаторов биоэлектрических сигналов,в достаточной мере отражающих как реальные свойства биообъек-тов, так и их взаимодействие с биоэлектрическим электродом.

Конструкция первых простейших биоэлектрических электро-дов для электрокардиографии была предложена Эйнтховеномоколо ста лет назад. Сначала это были простые контактные метал-лические пластинки, затем они были преобразованы в медные ем-кости с водой, куда погружались конечности пациентов. К на-стоящему времени разработаны и применяются многочисленныеразновидности электродов и электродных систем. Вместе с тем длярешения новых диагностических задач могут быть востребованыновые типы, конструкции и модели биоэлектрических электродов.

13

Решение этой задачи возможно при использовании системныхзнаний в области биофизики, биохимии и электрофизиологии био-объекта – с одной стороны; материаловедения, электрохимии,электроники, метрологии – с другой стороны, т. е. на основе прин-ципов методологии анализа и синтеза биотехнических систем (см.Приложение 1). Изучение особенностей работы и характеристикбиоэлектрических электродов следует начать с наиболее типично-го и распространенного случая – контактного взаимодействияэлектрода и биообъекта в формализованной схеме отведения.

14

1

ФОРМАЛИЗАЦИЯ ЗАДАЧИ. ОТВЕДЕНИЕ,ПОЛУЭЛЕМЕНТ, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ЯЧЕЙКА

Электрод в совокупности с контактирующим с ним биообъектом представ-ляет собой биотехническую систему, функционирование которой определяется,с одной стороны, физико-химическими закономерностями единой структуры, сдругой стороны, особенностью жизнедеятельности биологического объекта,контактирующего с электродом. Взаимосвязь указанных закономерностей мо-жет приводить к появлению ложных электрических сигналов, не идентифици-руемых с электрофизиологическими проявлениями биообъекта.

Будем считать, что при измерениях биоэлектрических потен-циалов электрод соединен с биообъектом контактно∗, т. е. сущест-вуют физический и гальванический контакты. Наличие такихконтактов позволяет отводить от БО как потенциальный, так и то-ковый сигналы и дает наиболее полную информацию об объектеисследования. Выделим для рассмотрения отведение, т. е. зонуконтакта БО с БЭ, ответственную за образование биоэлектрохими-ческих процессов в измерительной цепи, которая включает в себяряд структур БО, собственно БЭ, электролиты, находящиеся в об-ласти отведения, коммутационные элементы и отводящие проводаили кабели отведения (рис. 1.1, а).

В связи с тем, что в процессе одной диагностической процедурына БО единовременно могут быть установлены десятки и более БЭ,примем следующее допущение: все отведения во время одной диаг-ностической процедуры на одном БО эквивалентны друг другу.

Указанное допущение позволяет выделить для дальнейшегорассмотрения формализованный типовой полуэлемент (рис. 1.1, б).Электроды отведений (полуэлементов) в большинстве случаев из-готавливают из металлов (золота, серебра, олова, платины и т. д.),металлических сплавов (нержавеющей стали, серебра с никелем,платино-иридия и т. д.) и токопроводящих неметаллов – резин илипластмасс, углеродоподобных материалов, т. е. проводников пер-

∗ Возможен и бесконтактный съем биопотенциалов с помощью изолирован-

ных электродов емкостного типа (см. гл. 5).

19

2

ПОТЕНЦИАЛООБРАЗУЮЩИЕ ПРОЦЕССЫИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЯЧЕЙКИ

Ложные электрические сигналы измерительной ячейки могут возникать наоснове фундаментальных термодинамических закономерностей. Локализацияисточников ложных сигналов – границы разделов различающихся фаз: металл 1 –металл 2 , раствор 1 – раствор 2, металл – раствор. Наибольшее внимание припроектировании и эксплуатации отведений следует уделять границе М |Р, на ко-торой возможно появление сигнала ошибки за счет механизмов гидратацииионов металла, адсорбции заряженных химических элементов, присутствующихв растворе, и окислительно-восстановительных процессов.

2.1. ПОТЕНЦИАЛЫ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ФАЗ«МЕТАЛЛ – МЕТАЛЛ»

Границы раздела фаз разнородных металлов М1|М2 обнаружи-ваются в отведении в контактах металлических электродов с отво-дящими проводами, а также в конструкции двухслойных электро-дов, когда на металл электрода наносится покрытие из другого ме-талла (например, на латунь наносится слой серебра, на свинец –слой пищевого олова и т. д.).

Контактная разность потенциалов 1 2M |M ,ϕ возникающая на

границе двух разнородных металлов, определяется отношениемразности работ выхода электронов для металлов каждой фазы кзначению заряда электрона:

1 21 2

M |M ,A Ae−

ϕ =

где 1 2,A A – работа выхода электронов из металлов М1 и М2; e –заряд носителя тока (электрона).

Работа выхода электронов, эВ, для некоторых металлов имеетследующие значения [4]: Cu – 4,40; Fe – 4,31; Ni – 4,50; Ag – 4,30;Cr – 4,58.

Из двух металлов положительно зарядится тот, у которого ра-бота выхода электрона меньше. Например, при контакте медного

48

3

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙЯЧЕЙКИ

Оптимизация параметров измерительной биотехнической системы требу-ет установления соответствия между параметрами естественной биологиче-ской структуры и искусственными техническими элементами. Применительно котведению, в первую очередь, необходимо соблюдение соответствия по химиче-ским и электрическим параметрам элементов БТС (типу, составу и концентра-ции элементов, а также выходному и входному электрическому сопротивлению).Задача оптимизации БТС требует знания параметров БО на требуемом уровнерассмотрения (например, органном, тканевом, клеточном), среди элементовтехнической системы необходимо выделять параметры искусственного элек-тролита, собственно электрода и входных цепей электронного усилителя.

Одной из задач оптимизации отведения является приведение всоответствие сопротивлений технических элементов (электродно-го контактного вещества, собственно электрода и входных цепейусилителя) с биообъектом (клеточной структурой, тканевой жид-костью, кровью, лимфой, проводящими элементами кожного по-крова и т. д.)

Количество значащих составляющих определяется уровнемзнаний о функциях и свойствах структур биологического объекта.

Отметим, что в эквивалентных схемах, имеющих отношение кметодикам ЭКГ, ЭЭГ, ЭМГ, измерению кожных потенциалов,биологически активных точек и т. п., генератор, отражающийэлектрогенез БО, заключен в объеме условного электролита Р(рис. 3.1, а). Такие структурные схемы могут быть преобразованыв традиционную схему с эквивалентным генератором во внешнейчасти электрической цепи (рис. 3.1, б). Таким образом, структураИЯ, включающая в себя два биоэлектрических электрода, генера-тор и электролит, в общем виде приобретает характерные чертыклассической электрохимической (электролитической) ячейки(ЭЯ), а биоэлектрические электроды, в зависимости от полярностисигнала, становятся анодом (+) и катодом (–).

73

4

ТИПЫ, ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОВОДЯЩИХ

БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОДОВ

Вся совокупность электродов, используемых в медицинской практике дляизмерения биопотенциалов, подразделяется на две группы: проводящие и изоли-рованные электроды.

Проводящие электроды соединены с биообъектом проводящей средой (элек-тродным контактным веществом). В зависимости от структуры и особенно-стей электрохимического процесса на границе «Металл|Раствор» эти электро-ды делятся на две подгруппы: проводящие электроды 1-го рода, используемыепри исследовании переменных процессов, и проводящие электроды 2-го рода,используемые при исследовании квазистационарных процессов. Другие классифи-кационные рубрики основаны на различиях в конструкциях и технологии приме-нения электродов.

При измерении электрических потенциалов биообъекта, кото-рые выявляются в частотном диапазоне от квазипостоянных сиг-налов до нескольких килогерц, в выходном сигнале измерительнойячейки может проявиться электрический сигнал помехи: низкочас-тотный дрейф (с частотой менее 1 Гц) и шум (более 1 Гц). Однимиз путей, позволяющих корректно выделять исследуемый биопо-тенциал на фоне указанных помех, является обоснованный выбортипа и конструкции электродной системы.

Основным классификационным признаком, позволяющимпринципиально разделить множество биоэлектрических электродовна два отдельных класса, является характер проводимости границыраздела фаз «электрод – биообъект». В наиболее распространенныхпроводящих электродах участок между токосъемной поверхностьюэлектрода и биообъектом является проводящим; в изолированныхэлектродах (см. гл. 5) передача электрического потенциала от био-объекта к электроду осуществляется через диэлектрик.

В свою очередь, проводящие электроды в зависимости от осо-бенностей электрохимических процессов на границе раздела фаз«электрод – биообъект» подразделяются на два типа.

К первому типу относятся конструкции, в которых электрод,выполненный из проводника первого рода (металла либо неме-

105

5

НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОДНОЙТЕХНИКИ

Появление и распространение электродов второй группы – изолированныхэлектродов – основано на стремлении минимизировать токи в измерительнойцепи, приводящие к кинетике поляризации электрода, т. е. к появлению инстру-ментальной ошибки. Классическим примером изолированных электродов являет-ся емкостной электрод. Расширение частотного диапазона в медицинской диаг-ностике привело к появлению резистивных, резистивно-емкостных, емкостно-динамических и твердотельных МДП-электродов.

Анализ источников погрешностей, связанных с контактными(на границе фаз Р|Р) и поляризационными (на границе фаз М|Р)потенциалообразующими процессами при использовании электро-дов первого рода, приводит к следующему важному выводу: дляуменьшения инструментальной погрешности измерения токи визмерительной цепи должны иметь минимальное значение.

Ток в измерительной цепи определяется как характеристикамиБО (значением биопотенциалов и внутреннего сопротивления), таки параметрами технических элементов отведения (включая сопро-тивления электрода и входных цепей усилителя Rвх). Не рассмат-ривая здесь вопросы целесообразности повышения Rвх, отметимвозможность уменьшения погрешностей измерения путем увели-чения внутреннего сопротивления электродов.

Развитие идеи о повышении электродного сопротивления при-вело к появлению конструкции изолированных емкостных элект-родов, в которых осуществляется разрыв гальванической цепи«электрод – биообъект» (реализуется бесконечно большое актив-ное сопротивление), при этом физической основой преобразованияи передачи биопотенциалов является использование емкостнойпроводимости отведения.

Первые емкостные электроды представляли собой алюминие-вую пластину, покрытую тонким слоем диэлектрика [24]. Емкостьтакого электрода из анодированного алюминия составляла при-мерно 5 нФ, сопротивление диэлектрика около 4 ⋅ 109 Ом. Такие

111

Часть II

ВЛИЯНИЕ МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯБИОПОТЕНЦИАЛОВ

НА ПАРАМЕТРЫ ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВБИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОДОВ

113

ВВЕДЕНИЕ

В основе разработки любой диагностической методики, ис-пользующей измерения электрофизиологических параметров, ле-жат изучение и систематизация соответствующих биомедицинскихсведений, и на этой базе – обоснованное проектирование, выбор иприменение биоэлектрических электродов. Несмотря на кажу-щуюся простоту конструкции и несложную технологию использо-вания электродов при измерении биоэлектрических потенциаловмогут возникать ложные сигналы. Оказывается, что высокая элек-тропроводность и химическая инертность небольшой металличе-ской пластинки, контактирующей с поверхностью кожи, – это ми-нимальное требование к конструкции электрода. Более того, ме-таллический электрод является измерительным преобразователемсредства измерения медицинского назначения только при исполь-зовании электродного контактного вещества, обладающего целымкомплексом специальных характеристик. Что же касается соответ-ствия конструкции электрода особенностям биообъекта и пара-метрам исследуемого процесса, то эта связь также оказываетсясложной и неоднозначной. Так, микроэлектрод, соответствующийпо применяемому материалу и размерам рабочей части исследуе-мому биообъекту, как элемент электрической цепи обладает нели-нейной проводимостью и может искажать параметры биоэлектри-ческого сигнала. Динамика собственного потенциала электрода(шум, дрейф, скорость изменения потенциала электрода, длитель-ность установления собственного потенциала электрода) должнаучитываться при выборе методики и соответствовать аналогичнымпараметрам биоэлектрического сигнала.

Во многих случаях конструкции электродных систем и техно-логия съема биопотенциалов хорошо отработаны и не нуждаютсяв дополнительных исследованиях (см. Приложение 3). Вместе стем, перечень задач, которые могут решаться с привлечением ме-тодик электрографии, необычайно широк и позволяет выявлять иисследовать новые диагностические признаки традиционно иссле-дуемых либо малоизученных структурно-функциональных биоло-гических систем. Каковы при этом возможности электродной тех-

114

ники? Насколько известная (даже стандартизованная) конструкцияэлектрода является универсальной при различных медико-био-логических задачах?

Оказывается, например, что корректное изучение интервала STв электрокардиографии в отличие от методики анализа RR–интер-вала в той же электрокардиографии требует применения электро-дов с существенно иными свойствами.

Система отведений и топография отдельных электродов присъеме биоэлектрических потенциалов даже в известных методикахне всегда оказываются достаточно аргументированными и кор-ректными. Так, в электрокардиографии – наиболее разработаннойметодике электрографии – при униполярной методике измеренийнекорректно решается вопрос организации электрической нулевойточки (суммированием потенциалов двух – по Гольдбергеру илитрех – по Вильсону, но не четырех (!) конечностей). Результатомтакой топографии является: а) искажение получаемых электрокар-диографических сигналов; б) некорректность действий «деление,умножение» для значений биоэлектрических сигналов, отнесен-ных к шкале интервалов, которая характеризуется отсутствиемистиного нулевого значения параметра; в) невозможность полногосопоставления значений биоэлектрических потенциалов, получен-ных при различных системах отведений.

В случае общепринятой установки заземляющего электрода Nна правой ноге пациента при съеме электрокардиограммы элек-трические помехи в ряде случаев проявляются больше, чем приустановке того же электрода на шее пациента.

На характеристики выходного сигнала электродов оказываетвлияние не только топография, но и время обследования. Так, су-щественно отличаются друг от друга амплитудно-частотные ха-рактеристики дневного и ночного ЭКГ-сигнала, снятые с одногопациента.

Диалектически обоснованы разработка и появление ряда новыхэлектрофизиологических методик исследования: интегральнаяэлектрография, электрография общей и дифференциальной асим-метрии, сравнительная оценка электрогенеза биологических сис-тем на различных структурных уровнях живого, мониторинг элек-трофизиологических параметров при физиотерапии и др.

Во всех перечисленных случаях параметры биоэлектрическогосигнала до начала эксперимента неизвестны. Как назначать тип итопографию электродов в таких случаях?

115

Вопросы анализа и идентификации снимаемых с электродовбиопотенциалов должны решаться при сопоставлении характери-стик электродов и биообъекта в задачах топографической и вре-менной (частотной) оптимизации, и только после предварительнойоценки биомедицинских параметров следует определять не толькотип и конструкцию, но и методику применения электродов. При-водимые ниже материалы следует воспринимать как дополнитель-ные сведения для задач оптимизации биоэлектрических измере-ний; при необходимости эти сведения можно расширить с помо-щью специальной литературы.

116

6СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ БИООБЪЕКТА,

ИСТОЧНИКИ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ИИХ ЧАСТОТНЫЕ (ВРЕМЕННЫЕ) ХАРАКТЕРИСТИКИ

Структурированность окружающего нас мира определяет соответствую-щую структурированность его характеристик. Используемый частотный диа-пазон медицинской диагностической электрографии (ЭКГ, ЭМГ, ЭГГ и др.) име-ет отношение лишь к части структурных уровней живого. Оценка параметровожидаемых биоэлектрических сигналов при электрографии малоизученныхфункциональных структур строится на основе сопоставительного анализа ха-рактеристик структурных уровней исследуемого объекта.

Одним из основных условий, обеспечивающих корректное из-мерение биопотенциалов, является соответствие статических идинамических характеристик собственно биоэлектрического элек-трода аналогичным параметрам сигналов исследуемого объекта.Биоэлектрический электрод в измерительной биотехнической сис-теме является наиболее простой структурой с заранее известными(или проектируемыми) параметрами, которыми в определенныхпределах можно управлять. Поэтому этап предварительной оценкиожидаемых параметров биоэлектрических потенциалов предшест-вует выбору методики измерения, типа и конструкции электрода,определяющему параметры преобразования.

При детальном рассмотрении любой живой объект предстаетсложно организованной иерархической структурой [27–29], со-стоящей из множества закономерно расположенных подуровней,соответствующих различной организации материи и выполняю-щих специфические функции (табл. 6.1). В зависимости от поста-новки биофизической задачи и глубины ее рассмотрения количе-ство исследуемых (упоминаемых) авторами подуровней «живого»может расширяться как в сторону микромира (субатомные части-цы), так и в сторону макромира (популяции, биогеоценоз, биосфе-ра) [30–32].

Установление необходимого и достаточного количества иерар-хических уровней при определении живого ставит вопрос о харак-теристике структурного состава живого, и в целом – о происхож-дении жизни.

122

7

ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИБИООБЪЕКТА. СОБСТВЕННОЕ ВРЕМЯ

При диагностике и дальнейшем лечении принято оценивать изменениеисследуемых параметров пациента (биохимических, температурных, электро-физиологических и др.), а также назначать время лечебных процедур в соответ-ствии со шкалой астрономического времени. Однако ход времени конкретногобиообъекта, называемый собственным временем, отличается от линейного иравномерного течения времени, определяемого техническими часами. Собствен-ное время биообъекта нелинейно, темп собственного времени неравномерен.Физический смысл собственного времени заключается в том, что оно связываетпоследовательность событий и состояний биообъекта с его энергетикой.

Поскольку все процессы жизнедеятельности (в том числе ибиологические) протекают во времени, а время, судя по механиче-ским, электронным и даже атомным часам, течет непрерывно и,как кажется на первый взгляд, линейно (ночь и день с постояннойпериодичностью сменяют друг друга), понятие времени представ-ляется очевидным, не требующим дополнительных комментариев.По этой причине описание динамических свойств исследуемогообъекта сопровождается временными функциональными характе-ристиками. В электрофизиологии такими характеристиками явля-ются, например, временнáя характеристика мембранного потен-циала мпϕ в состоянии покоя и в состоянии возбуждения (процессполяризации – деполяризации – реполяризации) (рис. 7.1)

Базовое определение понятия – «время есть основная, наряду спространством, форма существования материи» – не дает разъяс-нений и подробных характеристик сущности этой физической ка-тегории. Несмотря на кажущуюся очевидность и даже банальностьэтого понятия, при более детальном анализе временной динамикипараметров биообъекта возникают вопросы по поводу физическойсущности этой величины.

Рассмотрим две простые зависимости: а) размер упругого эле-мента (длину пружины) как функцию воздействующей на него си-лы; б) размер тела (рост человека) как функцию времени (рис. 7.2).

127

8БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИТМЫ

Собственное время биообъекта проявляется в ритмическом функциониро-вании – биоритмах – на всех структурных уровнях его строения. Основой воз-никновения, эволюционного развития и закрепления биоритмов послужили внеш-ние ритмические воздействия различной природы, действующие на биообъект.При регистрации сложных ритмических процессов возможно выявление мульти-польной природы биоритмов. Основные параметры ритмических электрофизио-логических процессов должны быть согласованы с характеристиками техниче-ских элементов БТС (электродной системой, биоусилителем и регистратором).

В результате проведения многочисленных медико-биологи-ческих исследований было установлено, что адаптация биообъек-тов к непрерывно меняющимся условиям окружающей средыобеспечивается временной координацией, синхронизацией и рит-мической деятельностью соподчиненных между собой структур-но-функциональных систем. Внутренние (эндогенные) ритмиче-ские проявления биологических и физиологических процессовбиообъекта, получившие название биологических ритмов, харак-теризуются взаимоувязанной ритмикой на всех уровнях иерархи-ческой системы.

Биологические ритмы представляют собой периодически по-вторяющиеся изменения интенсивности и характера биологиче-ских и физиологических процессов, отражающих собственноевремя биологических структур. Говоря о собственном времени не-кой биологической структуры, мы по существу переходим к опи-санию биоритмов этой структуры. Рассмотренные выше законо-мерности развития собственного времени объектов целиком пере-носятся на категорию биоритмов этих объектов.

В генезе эндогенных биоритмов определяющую роль сыгралипериодические внешние (экзогенные) воздействия на биообъект втечение его зарождения и дальнейшего развития. Со временем эк-зогенные ритмы закрепились в базовых характеристиках биообъ-ектов и с учетом собственных характеристик элементов структур-ных уровней приняли характер эндогенных ритмов. Однако этасвязь не является жесткой: сохраняясь принципиально, эндоген-ные ритмы могут приобретать иные характеристики при исчезно-вении или изменении параметров экзогенного влияния.

141

9

ТОПОГРАФИЯ ЭЛЕКТРОДОВ (ОТВЕДЕНИЙ) Исследование параметров электрогенеза является традиционным и универ-

сальным методом обследования биообъекта при решении диагностических искрининговых задач в практическом здравоохранении, лечении и профилактикезаболеваний, контроле за состоянием человека в условиях трудовой деятельно-сти, в исследовательской и спортивной медицине и т. д. Измерение биопотен-циалов не травмирует пациента, не переводит его самого или его системы виное физиологическое состояние ни в момент измерения, ни в отдаленные мо-менты времени и поэтому является объективным и универсальным методомисследования живого. Используемые в настоящее время электрофизиологическиеметодики обследования отвечают лишь на часть вопросов диагностики. По-этому их необходимо развивать, чтобы глубоко изучать имеющиеся проблемы, атакже ставить и решать медико-биологические задачи.

Разработку методологии электрофизиологического обследова-ния и сопутствующей ей топографии электродов обычно разделя-ют на две части. Первая часть, связанная с медико-биологическойпостановкой проблемы, анатомическими и электрофизиологиче-скими особенностями исследуемого биообъекта и отдельныхструктурно-функциональных биологических систем, условиямиповедения пациента и съема информации, решается, как правило,силами медицинского персонала. Вторая, связанная с техническойчастью БТС – обеспечением при заданных условиях съема макси-мальной достоверности и информативности отведений – реализу-ется при инженерной проработке проблемы. Тщательный анализсовокупности возникающих при этом вопросов показывает необ-ходимость объединения этих задач в рамках разработки единойбиотехнической методологии.

Универсальность методик измерения биопотенциалов диалек-тически определяет единство фундаментальных подходов в мето-дах исследования биоэлектрической активности при существен-ных различиях медико-биологических задач, типов и конструкцийэлектродных систем, а также правил размещения электродов набиообъектах при исследовании биопотенциалов, т. е. топографииэлектродов. Однако при всем разнообразии задач электрографиче-ского обследования биообъектов можно выделить всего два прин-ципиально различных метода в оценке биоэлектрической активно-

219

Список литературы

1. ГОСТ Р 50444–92. Приборы, аппараты и оборудование медицин-ские. Общие технические условия. М.: Госстандарт России, 1992. 39 с.

2. Рекомендации по межгосударственной стандартизации РМГ 29–99. Государственная система обеспечения единства измерения. Метрология. Основные термины и определения. Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1999. 32 с.

3. Ахутин В.М. Биотехнические системы. Теория и проектирование. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1981. 219 с.

4. Физическая энциклопедия / Под ред. А.М. Прохорова. М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. 786 с.

5. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физиче-ских величин. Измерительные преобразователи. Л.: Энергоатомиздат, 1983. 319 с.

6. Мейтис Л. Введение в курс химического равновесия и кинетики: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. 480 с.

7. Полинг Л., Полинг П. Химия: Пер. с англ. М.: Мир, 1978. 683 с. 8. Физическая химия / Под ред. К.С. Краснова. М.: Высшая школа,

1982. 687 с. 9. Швец-Тенета-Гурий Т.Б. Биоэлектрическая активность головного

мозга. М.: Наука, 1980. 203 с. 10. Качалов Ю.П., Гнетов А.В., Ноздрачев А.В. Металлический мик-

роэлектрод. Л.: Наука, 1980. 158 с. 11. Буреш Я., Петрань М., Захар И. Электрофизиологические методы

исследования: Пер. с чешского. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1962. 456 с. 12. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. Л.:

Химия, 1978. 392 с. 13. Белик Д.В. Импедансная электрохирургия. Новосибирск: Наука,

2000. 274 с. 14. Леонов Б.И., Прилуцкий В.И., Бахир В.М. Физико-химические ас-

пекты биологического действия электрохимически активированной воды. М.: Академия медико-технических наук РФ, 1999. 243 с.

15. Андреев В.С. Кондуктометрические методы и приборы в биологии и медицине. М.: Медицина, 1973. 332 с.

16. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элемен-тов / Ю.А. Ершов, В.А. Попков, А.С. Берлянд и др. М.: Высшая школа, 1993. 560 с.

17. Человек. Медико-биологические данные / Под ред. В.С. Снайдера. Публикация № 23 Международной комиссии по радиологической защи-те: Пер. с англ. М.: Медицина, 1977. 496 с.

220

18. Пасынков Е.И. Общая физиотерапия. М.: Медицина, 1969. 351 с. 19. Лощилов В.И., Калакутский Л.И. Биотехнические системы элек-

тронейростимуляции. Основы теории и проектирования. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1991. 169 с.

20. Плэмбек Дж. Электрохимические методы анализа. Основы теории и применения: Пер. с англ. М.: Мир, 1985. 503 с.

21. Справочник химика / Под ред. Б.П. Никольского. Т. 1. Л.: Химия, 1971. 1070 с.

22. Рубинштейн Д.Л. Общая физиология. М.: Медгиз, 1997. 646 с. 23. John G. Webster. Medical instrumentation. Application and design.

Currently with the Harward – M.I.T. Division of Health Sciences and Tech-nology. Houghton Mifflin Company, Boston. 1987, ISBN, 0 – 395 – 25411 – 6 –729 p.

24. Теория и проектирование диагностической электронно-меди-цинской аппаратуры: Учеб. пособие / Ахутин В.М., Лурье О.Б., Немирко А.П, Попечителев Е.П. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1980. 148 с.

25. Коловский Р.А. Биоэлектрические потенциалы древесных расте-ний. Новосибирск: Наука, 1980. 175 с

26. Патент России № 1200901, А 61 В 5/0408. Электродное устрой-ство. Авдеева Д.К. и др. Бюл. № 48, 1985.

27. РЛС – пациент / Под ред. Г.Л. Вышковского. М.: Изд-во «ООО РЛС 2002», 2003. 1053 с.

28. Антомонов Ю.Г. Моделирование биологических систем: Спра-вочник. Киев: Наукова думка, 1997. 259 с.

29. Романовский Ю.М. Математическое моделирование в биофизике. М.: Институт компьютерных исследований, 2004. 471 с.

30. Краткий очерк теории эволюции / Н.В. Тимофеев-Ресовский и др. М.: Наука, 1977. 210 с.

31. Амосов Н.М. Биологическая система. Киев: Гл. ред. УСЭ, 1974. 115 с.

32. Курашов И. Познание природы в интеллектуальных коллизиях научных знаний. М.: Наука, 1995. 282 с.

33. Развитие научных идей В.И. Вернадского. Тематический выпуск // Вестник РАЕН. М.: Изд-во РАЕН, 2003. № 1. Т. 3. 88 с.

34. Электроника / Под ред. В.Г. Колесникова. М.: Советская энцик-лопедия, 1991. 688 с.

35. Лощилов В.И. Введение в валеотехнологию. М.: Аллегро-пресс, 1997. 176 с.

36. Терапия, контроль и коррекция состояния организма человека / В.И. Афромеев, М.М. Нагорный, И.И. Соколовский и др. // Миллиметро-вые волны в биологии и медицине. М.: Радиотехника. № 2. 1998. С. 7.

37. Бич. А.М. Природа вермени. М.: Астрель, 2002. 286 с. 38. Канке. В.А. Формы времени. М.: УРСС, 2002. 230 с. 39. Электромагнитные поля в биосфере / Под ред. Н.В. Красногор-

ского. М.: Наука, 1984. 375 с.

221

40. Дубовой Л.В. Магнитная терапия – современное состояние и пер-спективы // Вестник Академии медико-технических наук. СПб., 2003. № 7. С. 71.

41. Физические методы в лечении и медицинской реабилитации боль-ных и инвалидов / Под ред. И.З. Самосюка. Киев.: Здоровье, 2004 / 621 c.

42. Хронобиология и хрономедицина / Под ред. Ф.И. Комарова. М.: Медицина. 1989. 399 с.

43. Сарчук В.Н. Руководство по электропунктурной диагностике и энергоинформационной коррекции различных категорий больных. Алма-Ата: Коре. 1992. 404 с.

44. Лувсан Г. Очерки методов восточной рефлексотерапии. Новоси-бирск.: Наука, 1991. 575 с.

45. Инструментальные методы исследования сердечно-сосудистой системы (справочник) / Под ред. Т.С. Виноградовой. М.: Медицина, 1986. 416 с.

46. Орлов Ю.Н., Плаунов С.Е. Интегральная электрография как метод функциональной диагностики // Медицинская электроника. М., 1999, № 3. С. 33–35.

47. Тыкочинская Э.Д. Основы иглорефлексотерапии. М.: Медицина, 1979. 342 с.

48. Березовский А.А., Колотилов Н.Н. Биофизические характеристики тканей человека. Киев: Наукова думка, 1990. 223 с.

222

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ............................................................................................. 5 Часть I. Типы и конструкции биоэлектрических элек-

тродов ................................................................................

7

Введение ............................................................................................... 9 1. Формализация задачи. Отведение, полуэлемент, измери-

тельная ячейка .............................................................................

14 2. Потенциалообразующие процессы измерительной ячейки .. 19

2.1. Потенциалы границы раздела фаз «Металл–Металл» ........2.2. Потенциалы границы раздела фаз «Раствор–Раствор» .......2.3. Потенциалы границы раздела фаз «Металл–Раствор» ........

19 22 26

3. Электропроводность измерительной ячейки .......................... 48 3.1. Электропроводность биологических структур отведения ..3.2. Электропроводность искусственных электролитов ............

49 57

4. Типы, особенности конструирования и применения прово-дящих биоэлектрических электродов ......................................

73

4.1. Проводящие электроды первого рода ...................................4.2. Проводящие электроды второго рода ...................................4.3. Проводящие слабополяризующиеся электроды ..................4.4. Проводящие электроды одноразового применения ............

74 90 98

102 5. Направления развития электродной техники ......................... 105

Часть II. Влияние методики измерения на параметры

выходных сигналов биологических электродов .......

111

Введение .............................................................................................. 113 6. Структурная организация биообъекта, источники био-

электрических сигналов и их частотные (временные) ха-рактеристики ................................................................................

116 7. Временные характеристики биообъекта. Собственное

время ..............................................................................................

122 8. Биологические ритмы .................................................................. 127 9. Топография электродов (отведения) ......................................... 141

Приложения ............................................................................................. 154

Приложение 1 ......................................................................................А. Выдержки из ГОСТ 24878–81 «Термины и определения по-

нятий в области биоэлектрических электродов, предназна-ченных для съема потенциалов, создаваемых органами итканями человека, находящегося в воздушной и воднойсредах» ......................................................................................

154

154

223

Б. Выдержки из ГОСТ 25995–83 «Электроды для съема био-электрических потенциалов». Термины и пояснения ...........

165

Приложение 2. Перечень металлов, рекомендованных для изде-лий медицинского назначения .....................................................

167

Приложение 3. Выдержки из ГОСТ 25995–83 «Электроды длясъема биоэлектрических потенциалов». Общие техническиетребования и методы испытаний .................................................

170 Приложение 4 ......................................................................................

А. Выдержки из ГОСТ 17792–72 «Электрод сравнения насы-щенный образцовый 2-го разряда» .........................................

191

191 Б. Выдержки из паспорта на электрод вспомогательный лабо-

раторный ЭВЛ-1М4 по ТУ 25-05(1Е2.840.517)–78 ...............

193 Приложение 5. Выдержки из паспорта на электроды поверхност-

ные слабополяризующиеся (по ТУ 64-1-31755–76) ...................

195 Приложение 6. Технология изготовления и способы хранения

электродов на основе Ag | AgCl ...................................................

201 Приложение 7. Биоадекватные методы и техника контрольно-

поверочных операций некоторых СИМН ...................................

202 Приложение 8. Технические характеристики и рекомендации к

применению одноразовых ЭКГ-электродов Skintact .................

206 Приложение 9. Выдержки из ГОСТ 25995–83 «Электроды для

съема биоэлектрических потенциалов». Указания по состав-лению эксплуатационных документов .........................................

213 Приложение 10. Рецептуры некоторых простых составов ЭКВ

(% масс.) .........................................................................................

215 Приложение 11. Выдержки из ГОСТ 25995–83 «Электроды для

съема биоэлектрических потенциалов». Обозначения и топо-графия ЭКГ-электродов ................................................................

216 Список литературы ................................................................................ 219

Учебное издание

Биомедицинская инженерия в техническом университете

Юрий Николаевич Орлов

ЭЛЕКТРОДЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ

Редактор Н.Г. Ковалевская Технический редактор Н.В. Быкова

Корректоры О.Ю. Соколова, Л.И. Малютина Художник Н.Г. Столярова

Компьютерная верстка О.В. Беляевой

Оригинал-макет подготовлен в Издательстве МГТУ им. Н.Э. Баумана

Санитарно-эпидемиологическое заключение

№ 77.99.02.953.Д.005683.09.04 от 13.02. 2004 г.

Подписано в печать 12.09.2006. Формат 60×90/16. Бумага офсетная. Печ. л. 14,0. Уч.-изд. л. 13,24. Тираж 1000 экз.

Заказ №

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская, 5

Отпечатано с диапозитивов

в ГУП ППП «Типография «Наука» 121099, Москва, Шубинский пер., 6

9 7 8 5 7 0 3 8 2 8 8 8 5

I SBN 5 - 7038 - 2888 - 0