3.2 生物电测量电极
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本-第三章-生物电测量电极与生物传感器
换能器将此信号转 换到电信号，从而 检测出特测物质
2011年上海大学“生物医学传感器与测量”课程
具有分子别功能的敏感元件需经固定化处理 换能器作用：将化学物质的变化转换为可测量
的电信号 换能器类型
各种电极：氧电极、氨电极、CO2电极、pH电 极。。
光电转换器（光电倍增管）
热电转换器（热敏电阻）
生物传感器的优点
特异性高、敏感性高 稳定性好 成本低廉 体积小 能在体进行快速实时的连续检测 一般不需要样品的预处理，样品用量少，响应
分类：
宏电极：测量较大部位的电位
体表电极：湿电极、干电极(按是否用导电膏) 体内电极：皮下电极、植入电极
微电极:尖端0.05-10um，测量细胞内、外电位
2011年上海大学“生物医学传感器与测量”课程
电极的极化和极化电位
平衡电位
极化
电极与电解质溶液的双电层界面 在有电流通过时，界面电位由原 有平衡电位变为新的电位，该极 化电位与通过的电流密度有关
电极面积大时，阻抗低
2011年上海大学“生物医学传感器与测量”课程
常用生物电测量电极
体表电极
针电极
插入表皮层的测量电极（不锈钢或贵金属材料制针形)
2011年上海大学极 （绝缘膜电极)
不使用导电膏
采用电容耦合信号的原理
很薄且阻抗极 高的氧化膜
因此在实际应用中应尽量设法减小电极极化
如采用交流电代替直流电
2011年上海大学“生物医学传感器与测量”课程
极化电极
存在极化电压（超电压）的电极 Ag、Pt、Au等憜性金属制作的电极
电极本身难被氧化和分解 金属电极和电解质溶液界面形成双电层，其性能与电容器性
2011年上海大学“生物医学传感器与测量”课程
具有分子别功能的敏感元件需经固定化处理 换能器作用：将化学物质的变化转换为可测量
的电信号 换能器类型
各种电极：氧电极、氨电极、CO2电极、pH电 极。。
光电转换器（光电倍增管）
热电转换器（热敏电阻）
生物传感器的优点
特异性高、敏感性高 稳定性好 成本低廉 体积小 能在体进行快速实时的连续检测 一般不需要样品的预处理，样品用量少，响应
分类：
宏电极：测量较大部位的电位
体表电极：湿电极、干电极(按是否用导电膏) 体内电极：皮下电极、植入电极
微电极:尖端0.05-10um，测量细胞内、外电位
2011年上海大学“生物医学传感器与测量”课程
电极的极化和极化电位
平衡电位
极化
电极与电解质溶液的双电层界面 在有电流通过时，界面电位由原 有平衡电位变为新的电位，该极 化电位与通过的电流密度有关
电极面积大时，阻抗低
2011年上海大学“生物医学传感器与测量”课程
常用生物电测量电极
体表电极
针电极
插入表皮层的测量电极（不锈钢或贵金属材料制针形)
2011年上海大学极 （绝缘膜电极)
不使用导电膏
采用电容耦合信号的原理
很薄且阻抗极 高的氧化膜
因此在实际应用中应尽量设法减小电极极化
如采用交流电代替直流电
2011年上海大学“生物医学传感器与测量”课程
极化电极
存在极化电压（超电压）的电极 Ag、Pt、Au等憜性金属制作的电极
电极本身难被氧化和分解 金属电极和电解质溶液界面形成双电层，其性能与电容器性
生物电测量技术
◦ 胸导联：探查电极安放在前胸壁上的六个固定的位置，将心 电信号送入放大器的正输入端，参考电极接放大器的负输入 端的导联方式。
V1、V2、V3、V4、V5、V6
胸前导联系统—反映心脏横截面情况
心电图机从功能上可大至分为以下几种 ： ⑴单道手动心电图机。 ⑵单道自动心电图机 。 ⑶多道全自动心电图机 。 ⑷具有自动分析诊断功能的智能型心电图机 。
（3）高频滤波器 ◦ 作用：隔离高频干扰。 ◦ 组成：RC低通网络，截止频率：10KHz。
22k
220p
（4）缓冲放大器
◦ 作用：提高电路的输入阻抗，减少心电信号的衰减和匹配 失真。
◦ 组成：电压跟随器。
（5）导联选择器
◦ 作用：将同时接触人体各部位的电极的导联线按需要切换 组合成某种导联方式。
AB-针电极：测量EMG，用不锈钢制作。
C-丝电极：用注射针将它插到待测部位，慢慢抽出针管，使 它能长期留在体内。将倒钩拉直后即可取出。可能会移位， 折断等。
D-螺线管电极：能克服丝电极的缺点.
心电电极----连接到人体体表，用来监测心电信号 的传感器。
心电导联----连接到人体体表的任意两个心电电极 所组成的回路。
单极标准导联-3
心电图的导联（标准12导联）
◦ 加压导联：在单极导联的基础上，当记录某一肢体单极导联 心电波形时，将该肢体与中心电端之间所接的平衡电阻断开， 改进成增加电压幅度的导联形式，称为单极皮肤加压导联， 简称加压导联。可增加电压信号幅度50%
aVR aVL aVF
心电图的导联（标准12导联）
极化状态( polarization )：在生理学中，将静息状态下细胞 膜跨膜电位内负外正的状态。超极化( hyperpolarization)： 膜内负电位增大(例如从-70mv变为-90mv)。
V1、V2、V3、V4、V5、V6
胸前导联系统—反映心脏横截面情况
心电图机从功能上可大至分为以下几种 ： ⑴单道手动心电图机。 ⑵单道自动心电图机 。 ⑶多道全自动心电图机 。 ⑷具有自动分析诊断功能的智能型心电图机 。
（3）高频滤波器 ◦ 作用：隔离高频干扰。 ◦ 组成：RC低通网络，截止频率：10KHz。
22k
220p
（4）缓冲放大器
◦ 作用：提高电路的输入阻抗，减少心电信号的衰减和匹配 失真。
◦ 组成：电压跟随器。
（5）导联选择器
◦ 作用：将同时接触人体各部位的电极的导联线按需要切换 组合成某种导联方式。
AB-针电极：测量EMG，用不锈钢制作。
C-丝电极：用注射针将它插到待测部位，慢慢抽出针管，使 它能长期留在体内。将倒钩拉直后即可取出。可能会移位， 折断等。
D-螺线管电极：能克服丝电极的缺点.
心电电极----连接到人体体表，用来监测心电信号 的传感器。
心电导联----连接到人体体表的任意两个心电电极 所组成的回路。
单极标准导联-3
心电图的导联（标准12导联）
◦ 加压导联：在单极导联的基础上，当记录某一肢体单极导联 心电波形时，将该肢体与中心电端之间所接的平衡电阻断开， 改进成增加电压幅度的导联形式，称为单极皮肤加压导联， 简称加压导联。可增加电压信号幅度50%
aVR aVL aVF
心电图的导联（标准12导联）
极化状态( polarization )：在生理学中，将静息状态下细胞 膜跨膜电位内负外正的状态。超极化( hyperpolarization)： 膜内负电位增大(例如从-70mv变为-90mv)。
生物电的测量以及几种常见生物电位的形成和相互联系
清楚 电变化和细胞 其他基 本功 能之间的联 系 ， 电生 是
理研究 中的一个重 要领 域 ， 成为细胞 生理学 的重要 内
容之一 。 ２ 人和动物体 内的几种电位
动作电位主要 组成部分 的这 种迅速 变化 的特点 ， 阴 在 极射线示波器或 电脑显示屏可描记的图形上表现 为一
电图、 脑电图、 肌电图、 以及诱发电位和神经干复合动
ｉ ｔｓｎｈ ｔ ｅｌｏ８ ｅｉ ｕｒ ｔｓｔ ｔ ｎ ｆ ｓ ｙ ｔｅ ｃｃｌ ｔ ｅ ｔ ｃ ｒ ｎ ｉ ａｉｎ ａ ｄｆｔｒ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔ ｒ ｉ ｓ ｅ ｕ ｏ ｕｕ ｅｄ ｖ ｌｐ ｎ．
Ｃ ｉｅｅＳｉｎｅＢ ｌ ｔ ， ６ ３ ：２ ｈｎｓ ｃｅｃ ｕｌ ｉ ５ （ ）２ ９—２７ ｅｎ ３
续发生两次方 向相 反 的偏 转 ， 表示 组织表 面 已兴奋 部
对生物电现象 进行定 量研究 时 ， 常是测 定生 物 通
位 和其他 部位之间出现 了电位差 。 在临床医学、 生理学 、 心理研 究 和竞技 训练 中 ， 通 常在整 体情况下记 录某一 器官或 组织 的电变化 ， 如心
２ ８ １— ）：１ ４ （ ３ ５ ７—５ ３ ２
［Ｏ 张柳燕 ， １］ 王
晶． ００合 成生物学研 究进展 与应用． ２１． 生物产 业
［］ ｕ ｃ Ｅ Ｗ ｉ ． ０９ Ｔ ｅｓ ｏｄｗ ｖ ｏ ｎ ｅｃ ｉｅ ３ Ｐｍｉ Ｐ Ｍ， ｅ ｓ ２０． ｈ ｃｎ ａｅ ｓ ｔ ｔ ｄ － ｋ ｓＲ ｅ ｙ ｈ ｉｂ ｆ
ｐ ｔｗ ｙｉ ｃ ｅｌ ｈａｃ ｌｆｒｐｏ ｕ ｔ ｎｏ ｅｐ ｎ ｉｓ ａｈ ａ ｎＥｓｈ ｒ ｉ ｏｉ ｏ ｒｄ ｃ ｏ ｆ ｒｅ ｏｄ ．ＮａｕｅＢｉ－ ｃ ｉ ｔ ｔｒ ｏ
物理实验技术中的生物电学测量方法与技巧
物理实验技术中的生物电学测量方法与技巧引言：生物电学是研究生物器官和生物组织内外部产生的电现象的学科，它在生物医学领域有着广泛的应用。
在物理实验技术中，生物电学测量方法和技巧是进行生物电信号记录和分析的关键。
下面将介绍一些常用的生物电学测量方法和技巧，供广大研究者参考。
一、脑电图（EEG）的测量方法与技巧脑电图是测量大脑电活动的一种方法，广泛应用于神经科学和临床医学研究中。
进行脑电图测量时，需要注意以下几个关键步骤和技巧：1. 电极的选择和定位：选择合适的电极类型和布局方式，并进行准确的电极定位，以保证信号的准确性和可靠性。
2. 避免干扰信号：在进行脑电图测量时，应尽量避免测量环境中存在的干扰信号，如电磁辐射、电源干扰等。
3. 信号放大和滤波：为了放大和记录脑电信号，需要使用合适的放大器，并设置合适的滤波器以去除噪音和干扰。
4. 数据分析和解释：对记录的脑电信号进行数据分析和解释，可以采用时频分析、相关性分析、特征提取等方法，以获取有用的信息。
二、心电图（ECG）的测量方法与技巧心电图是测量心脏电活动的一种方法，广泛应用于心血管疾病的诊断和监测。
进行心电图测量时，需要注意以下几个关键步骤和技巧：1. 导联的选择和安装：根据需要选择合适的心电图导联方式，并正确安装导联电极，保证信号采集的准确性。
2. 信号放大和滤波：使用合适的心电图放大器，设置适当的滤波器，去除噪音和干扰，增强信号质量。
3. R波检测与分析：对心电图信号进行R波检测，可以使用峰值检测和相关算法等方法，再对R-R间期、心率等进行分析和解释。
4. 心电图的分类和诊断：通过对心电图信号进行分类和诊断，可以判断心脏的功能和病理状态，为临床医学提供支持。
三、肌电图（EMG）的测量方法与技巧肌电图是测量肌肉电活动的一种方法，被广泛应用于运动生理学和康复医学领域。
进行肌电图测量时，需要注意以下几个关键步骤和技巧：1. 电极选择和安装：选择合适的肌电图电极类型，并正确安装电极，使其与肌肉充分接触，减小信号采集过程中的噪音和干扰。
生物电现象的观察实验报告
生物电现象的观察实验报告
实验名称：测量静息电位及动作电位
实验目的：通过对生物体内的电现象进行观察，了解生物电现象的基本特征和测量方法。
实验原理：生物电现象是指生物体内的电现象，主要包括静息电位和动作电位。
静息电位是指细胞膜在静息状态下的电位，其大小在-70mV左右。
动作电位是指细胞膜受到某种刺激后的瞬时电位变化，其大小在+30mV左右。
测量静息电位可通过采用微电极技术封管吸管进入细胞内，测量动作电位则可采用外置微电极技术。
实验器材：微电极、外置微电极、示波器、信号发生器等。
实验步骤：
1. 进行静息电位的测量：将微电极封管吸管进入细胞内，通过示波器显示出其输出的电位信号，记录其数值。
2. 进行动作电位的测量：将外置微电极放置于细胞膜表面，通过示波器显示出其输出的电位信号，用信号发生器调节输出信号的大小和频率，使细胞膜产生动作电位，观察其输出信号的变化并记录其数值。
实验结果及分析：通过实验观察，得出如下结论：
1. 静息电位大小约为-70mV左右，表明在静息状态下细胞内外存在静电场差，在细胞膜的质子泵和离子泵的共同作用下，使得细胞内外的离子浓度不同，形成细胞外液为高钠离子、低钾离子的环境，而细胞内液则相反，这种离子梯度的存在使得细胞内外电位产生差别。
2. 动作电位为短暂的电生理现象，其大小约为+30mV左右，表明在受到某种刺激时，细胞膜上离子通道发生开关状态的转换，使得离子在细胞膜上发生大量的流动，形成电生理现象。
结论：通过实验我们了解了生物体内的电现象及其基本特征和测量方法，增强了我们对生物学基础知识的理解和认识。
电极原理
• (a)为锌电极放入含Zn2＋的溶液中，锌电 极中Zn2＋进入溶液中，在金属上留下电 子带负电，溶液带正电。
• 进入水中的正离子和带负电的金属彼此 吸引,使大多数离子分布在靠近金属片的 液层中,形成的电场E,阻碍Zn2＋进一步迁 移最终达到平衡。
• 此时金属与溶液之间形成电荷分布产生 一定的电位差。
• 检测电极是敏感元件,用来测定生物电位 的。需用电极把这个部位的电位引导到 电位测量仪器上进行测量,这种电极称为 检测电极。
• 剌激电极是对生物体施加电流或电压所 用的电极。剌激电极是个执行元件。
剌激电极主要用于三个方面
①研究可兴奋组织的传导和反应的规律; ②向生物体内通入外加电流以便达到治疗
的电极电位。
表3.2 几种常用电极材料在25℃时半 电池电位 E0
• E是0 金属在含该金属离子有效浓度为 lmol/L的溶液中达到平衡时的电极电位
• 可看出 E0值远远大于所有生物电位信号的 大小。
• E0与金属以离子形态转入溶液的能力K以 及温度T有关系。
3.2.2 3.电极的极化和极化电位
• 在两界面形成的电位分布是双电层分 布。图所示为界面电极电位E的表示。
• 金属和含有该金属离子溶液所构成的体 系称为电极
• 金属与溶液之间的界面电位差称为电极 电位,又称半电池电势
• 3.2.2 .2 电极电位的确定
• 单个电极电位无法确定，国际上规 定氢电极标准电位为零，电极电位 相对与氢电极便可确定。
• 电刺激：是电流通过电极反应将电子转 换成离子传送到生物体内,然后经过组织 器官在另一电极界面,将离子转换成电子 而进入电极。
• 产物不能扩散离开,阳极吸附氧气成为氧 电极。电极附近H+浓度增加。
第四章 生物电测量
二、电
电极: 金属片，金属丝
极
直接测量两点电位差
Cl-为导电膏，保证接触良好
将人体离子导电变为体外电子导电，相当于传感器
电极电位(接触电位)
• 金属离子扩散溶液，金属带负电 • 吸引离子沉淀，离子分布在电极附近，抑制扩散， • 当扩散与沉淀平衡时形成双电层（电容），产生电极电位
电离过程
金属离子扩散，溶液中负离子在电极上还原，都释放电子 体外电路为电子导电
局部电流产生刺激
•
在膜外侧，电流从静息膜流向兴奋膜；
• 在膜内侧，电流由兴奋膜流向静息膜。
• • • 结果使静息膜膜内侧电位升高而膜外侧降低，即发生了去极化。 当去极化使静息膜的膜电位达到阈电位水平时，大量钠通道被激活，引 起动作电位。 在末端复极化，局部电流使内膜电位低，外膜电位高，
3 心电测量基础
• 1903发明,1924年获得诺贝尔奖金
• 肢体导联（导线连接方式） • 标准导联，I，II，III，规定的测量方式
+,- 指接放大器的输入端
•4肢电位等于该连接点电位是近似的 •矩形内任意一点的电位,与A,B近似相等 •A,B间距离较近,近似等电位 •上下肢内两点ECG近似为0,包括头中的ECG也近似与上锁骨相同 •一个在手,一个在头,有无ECG •测量EMG不要在胸部,在肢体间(ECG小) •EEG要在脑部两点间
加压导联
• • • • aVR=VR-VC VC=-(VF+VL)/2,可用分压简单计算 VF+VR+VL=0,相当于0点从O到C aVR=VR+1/2VR=3/2VR
VC
C
O点，电位0 VC=(VF+VL)/2= -VR/2
aVL=3/2VL, aVF=3/2VF
生物电位的测量及分析在医疗中的应用
生物电位的测量及分析在医疗中的应用随着生物医学技术的迅速发展，越来越多的医疗领域开始引入电生理学技术，尤其是生物电位的测量和分析技术。
生物电位是指由生物系统内的离子流动和分布等因素所产生的电势差或电场的变化。
生物电位测量及分析技术可以对人体内部的生物活动进行监测和分析，从而帮助医生更好地诊断病情，制定治疗方案，达到更好的治疗效果。
一、生物电位的测量方法1.1 EEG测量人脑活动产生的电位信号属于生物电位测量中应用最为广泛的一种，通常可以通过脑电图(EEG)来测量。
在进行EEG测量时，需要将电极贴在被测者的头皮上，通过记录大脑皮层的电活动，得到与脑功能相关的多种信息，如睡眠状态、认知和情绪状态等。
目前在医疗领域中，EEG被广泛应用于癫痫、脑卒中、颅脑创伤等脑部疾病的诊断和康复治疗中。
1.2 ECG测量心电图(ECG)是记录心肌电位变化的图形记录，通常通过12个导联来采集，反映心脏除极和肌肉收缩等变化。
ECG测量可以帮助医生更好地了解心脏功能，诊断各种心脏疾病，如心律失常、心肌梗死等。
同时，ECG测量也广泛应用于身体健康检测和病人的监护。
1.3 EMG测量肌肉电图(EMG)是以肌肉缩放和松弛的电生物信号为基础的，可以通过将肌肉电极贴在皮肤表面或直接植入肌肉内来进行测量。
EMG测量可以帮助医生了解肌肉功能和运动控制及神经病变等情况，用于诊断神经肌肉疾病、肌肉萎缩等疾病。
此外，EMG也可以用来评定康复治疗的效果，指导患者的康复训练。
1.4 EOG测量眼电图(EOG)是通过电极贴在眼部皮肤表面来测量眼球的电位变化。
EOG主要用于检测眼球的运动，如追踪、眼转运动，以及眼动的定位和凝视时的非意识动作等。
EOG广泛应用于诊断神经系统疾病、嗜睡症和精神疾病等领域。
二、生物电位的分析方法2.1 频谱分析频谱分析是将时间域信号转换为频域信号的一种方法。
在生物电位测量中，频谱分析可以用于提取信号频率的相关信息。
例如，脑电信号的频率分析可以帮助医生判断病人的睡眠状态、精神状况和认知状态等。
《生物电测量电极》课件
非接触式电极
非接触式电极采用无线或光学技术，无需直接接触生物组织，适用于一些敏感区域或需要长 时间监测的场景。
生物电测量电极的选用
1 测量目标
根据需要测量的生物电信号类型和频率，选择适合的电极类型。
2 适用环境
考虑测量环境的特殊要求，如湿度、温度、振动等，选择具备相应性能的电极。
3 材料安全性
确保电极材料对人体安全，避免过敏反应或其他不良影响。
测量生物电信号的原理基于生物体内存在的微弱电流或电压变化。通过将电 极与生物体接触，可以感知这些电信号，并将其转化为可测量的电信号。
生物电测量电极的分类
干接触电极
干接触电极直接与生物组织接触，适用于皮肤表面和某些外部测量应用场景，如心电图和肌 电图。
湿接触电极
湿接触电极使用导电胶或盐水等介质，通过浸润生物组织，提高电极与组织的接触质量和测 量效果。
《生物电测量电极》PPT课件
本课件旨在介绍生物电测量电极，涵盖电极的定义、测量原理、分类、选用 方法及使用注意事项。让我们深入了解这个有趣的话题吧！
生物电测量电极定义
生物电测量电极是一种用于测量生物电信号的装置，通过接触生物组织或体液，将生物电信号转化为电 信号，以便进一步分析和研究。
测量生物电信号的原理
生物电测量电极的使用ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ意事项
1 清洁与消毒
2 正确放置
保持电极的清洁与消毒， 以防交叉感染或信号干 扰。
根据具体测量对象，正 确放置电极，以确保信 号的准确采集。
3 肤贴性能
注意电极的粘性和贴合 性能，以防止电极脱落 或肤贴不良影响信号测 量。
非接触式电极采用无线或光学技术，无需直接接触生物组织，适用于一些敏感区域或需要长 时间监测的场景。
生物电测量电极的选用
1 测量目标
根据需要测量的生物电信号类型和频率，选择适合的电极类型。
2 适用环境
考虑测量环境的特殊要求，如湿度、温度、振动等，选择具备相应性能的电极。
3 材料安全性
确保电极材料对人体安全，避免过敏反应或其他不良影响。
测量生物电信号的原理基于生物体内存在的微弱电流或电压变化。通过将电 极与生物体接触，可以感知这些电信号，并将其转化为可测量的电信号。
生物电测量电极的分类
干接触电极
干接触电极直接与生物组织接触，适用于皮肤表面和某些外部测量应用场景，如心电图和肌 电图。
湿接触电极
湿接触电极使用导电胶或盐水等介质，通过浸润生物组织，提高电极与组织的接触质量和测 量效果。
《生物电测量电极》PPT课件
本课件旨在介绍生物电测量电极，涵盖电极的定义、测量原理、分类、选用 方法及使用注意事项。让我们深入了解这个有趣的话题吧！
生物电测量电极定义
生物电测量电极是一种用于测量生物电信号的装置，通过接触生物组织或体液，将生物电信号转化为电 信号，以便进一步分析和研究。
测量生物电信号的原理
生物电测量电极的使用ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ意事项
1 清洁与消毒
2 正确放置
保持电极的清洁与消毒， 以防交叉感染或信号干 扰。
根据具体测量对象，正 确放置电极，以确保信 号的准确采集。
3 肤贴性能
注意电极的粘性和贴合 性能，以防止电极脱落 或肤贴不良影响信号测 量。
生物电测量技术..
EASY TO USE Gain Set with One External Resistor (Gain Range 1 to 1000) Wide Power Supply Range (±2.3 V to ±18 V) Higher Performance than Three Op Amp IA Designs Low Power, 1.3 mA max Supply Current
共模干扰形成原因
位移电流
位移电流idb会 造成共模电位 Vc=idbZG
Z in Z in V V Vc Z in Z 2 Z in Z1
除了提高共模抑制比以外， 提高放大器的输入阻抗对减 小共模干扰很有帮助。另外， 尽可能的减少电极阻抗，减 小各电极阻抗之间的差别也 对减少共模t
前置放大器
差模增益： Gd1=1+2R2/R1 Gd2=R4/R3 共模增益： Gc1=1 总增益： Gd=Gd1Gd2
总的共模增益Gc为D3组成的差模放大器的共 模增益，共模抑制比CMRR=Gd/Gc。 电路中的R1常被用来调节增益
仪器放大器
有很多这样的集成电路芯片如AD620， INA118等，可以直接用来作为前置放大 器。
高增益
生物电信号非常弱小：通常放大 器的增益达500倍至1000000倍左 右，针对不同的信号应选择不同 的增益。
低噪声
由于信号弱小，放大器本身的噪声 幅度必须远低于信号幅度，尤其是 放大器的前置级噪声，它会与信号 一起经后级放大器放大，因此，前 置放大器的元件必须采用低噪声的。
高输入阻抗
2R f Vc idb R Vc o Ra
共模干扰形成原因
位移电流
位移电流idb会 造成共模电位 Vc=idbZG
Z in Z in V V Vc Z in Z 2 Z in Z1
除了提高共模抑制比以外， 提高放大器的输入阻抗对减 小共模干扰很有帮助。另外， 尽可能的减少电极阻抗，减 小各电极阻抗之间的差别也 对减少共模t
前置放大器
差模增益： Gd1=1+2R2/R1 Gd2=R4/R3 共模增益： Gc1=1 总增益： Gd=Gd1Gd2
总的共模增益Gc为D3组成的差模放大器的共 模增益，共模抑制比CMRR=Gd/Gc。 电路中的R1常被用来调节增益
仪器放大器
有很多这样的集成电路芯片如AD620， INA118等，可以直接用来作为前置放大 器。
高增益
生物电信号非常弱小：通常放大 器的增益达500倍至1000000倍左 右，针对不同的信号应选择不同 的增益。
低噪声
由于信号弱小，放大器本身的噪声 幅度必须远低于信号幅度，尤其是 放大器的前置级噪声，它会与信号 一起经后级放大器放大，因此，前 置放大器的元件必须采用低噪声的。
高输入阻抗
2R f Vc idb R Vc o Ra
生物医用电极
电击能量成人第1次为200J，第2次为300J，第 3次360J；儿童第1次2J/kg，以后按4J/kg计算。电 除颤后，一般需要20~30s才能恢复正常窦性节律， 因此电击后仍应继续进行CPR（心肺复苏），直 至能触及颈动脉搏动为止。如第1次电击不成功， 应至少间隔30s以上再次电击。持续CPR\纠正缺氧 和酸中毒、静脉注射肾上腺素（可加大剂量到5mg） 及溴苄胺（5~10mg/kg）可提高除颤成功率。
除颤器是抢救用的医疗仪器，是以较高的电 压弱电流短暂的电击心脏，使所有的心肌纤维完 全停止收缩，然后由心脏具有较强自律性的窦房 结发生冲动，控制心脏活动恢复正常心律。
电击除颤的操作步骤为：①电极板涂以导电 糊或垫上盐水纱布；②接通电源，确定非同步相 放电，室颤不需麻醉；③选择能量水平及充电； ④按要求正确放置电极板，一块放在胸骨右缘第 2~3肋间（心底部），另一块放在左腋前线第5~6 肋间（心尖部），并用约11kg压力按压；⑤经再 次核对监测心律，明确所有人员均未接触病人、 病床后，同时按压两个电极板的放电电钮；⑥电 击后即进行心电监测与记录。
• 体表电极，应满足如下要求：电极电位稳定； 阻抗小；安放容易且不易脱落；不易产生运动
伪迹；可长期监测；无毒安全、对人体刺激要 小。
临床上常用的体表电极
• 临床上常用的体表电极种类繁多、形状多样， 常见的有金属板电极、Ag/Agcl电极等。不锈 钢、铂或镀金（银）的圆盘电极常用于肌电和 脑电的记录。
电极 机体外
机体内 -
＋
＋ ＋
＋＋
电极在生物体内离子导 电和金属的电子导电体 系之间形成一个电化学 界面，能实现离子流与 电子流的互相转换，从 而使生物体和测量仪器 间构成了电流回路。
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• 由电化学知识可知,当金属放入含有该金属
离子的电解质溶液中,在金属和溶液的界面 发生化学反应产生电极电位。 • 如图3.3.2-1所示。
图 电极－溶液界面的平衡电位
• (a)所示为锌电极放入含Zn2+的溶液中，锌
电极中Zn2+进入溶液中，在金属上留下电子 带负电，溶液带正电。 • 进入水中的正离子和带负电的金属彼此吸 引,使大多数离子分布在靠近金属片的液层 中,形成的电场,阻碍Zn2+进一步迁移最终达 到平衡。 • 此时金属与溶液之间形成电荷分布产生一 定的电位差。
• AgCl镀层厚度对电极特性的影响 ： • AgCl镀层较厚，频率特性变化小,趋近纯阻
3.2.5 几种常用电极
• (a)四肢用金属板式电极
几种常用电极
• (b)圆盘电极
几种常用电极
• (c)带吸附球的电极
绝缘干电极
• 电极为1.56×0.95×0.63 cm3。这种绝缘干电极
由于含有有源器件,又称为有源电极。附着在电极 上的缓冲放大器起到阻抗变换的作用,从根本上提 高了测量中的稳定性和抗干扰性能。电极的频率 响应可以从0.lHz到1KHz,
• 宏电极又分为体表电极和体内电极
– 体表电极置在生物体皮肤表面的电极。 – 体内电极是穿透皮肤的电极。 • 体内电极又分为皮下电极和植入电极。
• 皮下电极: 为穿透皮肤与细胞外液接触的电
极。它能形成良好的电极/电解质溶液接界。 常用于肌电测量和外科手术患者心电监测。
• 植入电极: 是长期埋植于体内的电极,用以
极化现象实验图
以银电极板模拟电极，以NaCl溶液模拟生物体 电解液，电池E模拟电剌激电源或偏置电压， 泄漏电流,电阻R模拟检测系统输入阻抗。
实验过程
• 开关K置1：平衡状态，两电极半电池电位
相等，无电流通过电极 。 • 开关K置2：电源E接入,使左银极为阳极,而 右为阴极。R上有电压降,说明电解池回路 中有电流通过电极。且电流随时间增加减 小，要维持电流必须升高电压。 • 开关K置3：电源E脱开，电解池产生与外加 电源E极性相反的电动势，既左正,右负。 产生极化现象
• 有时同一个电极兼有检测和剌激双重功能。
心脏起搏器上的电极即属于此种电极。
• 根据电极的大小和工作时所处的位置可将电
极分为宏电极和微电极。
– 宏电极: 是外形较大的电极。它主要用于测定 生物体较大部位电位或向生物体较大部位施加电 剌激。 – 微电极: 是一种尖端细小、机械性能好、能检 测细胞电活动的电极。测量细胞内或外电位改变 的微电极,其尖端直径约在0.05μm到10μm之间。
极 • 测定心电、脑电时流过电极电流非常 小,Ag/AgCl电极很适用于作为检测电极测 定心电和脑电。 • Ag/AgCl的电极反应是电解反应，与金属的 极化不同。
3.制作Ag/AgCl电极的方法: 电解法和烧结法
• 电解法装置
• 阳极为要镀AgC1层的银电极 • 阴极为供给镀银的银板 • 1.5V电池作为电源,串联电阻R用以限制峰
有关，可按Nernst方程计算。
• 电极电位E
• R- 气体常数,为8.314J/（mol· K）； • F- 法拉第常数,为96487库仑； • T- 绝对温度；n- 金属离子价数； • C- 金属离子的有效浓度（mol/L）； • K- 为一与金属特性有关的常数。 • - 为标准电极电位，常温下在单位浓度离子的电
微电极
• 提取单细胞或神经元电位的电极,是比细胞
尺寸还小的微电极。 • 微电极的尖端为圆锥形，尺寸在 0.05μm- 10μm 范围内。
• 从制作材料上分为:
– 金属微电极 – 填充电解液的玻璃微电极。
金属微电极
金属电极 绝缘层
A B
+ 膜电位 + 细胞质 + + + 组织液 + + 参比电极
• Rfa,Cωa为电极
值电流。 • 电流表观察电流，电流密度约5mA/cm2为宜。
• 烧结法制作 Ag/AgCl电极：
将净化 纯银丝放在模具内,再填满银和氯化银粉末 混合物,加压,压成圆柱体,然后再在400℃ 温度下烘几个小时,制成圆柱体Ag/AgCl电 极，不怕磨损,便于保存,成本低。
银引线
烧结的AgCl和Ag
• Ag/AgCl电极称为可逆变电极 • Ag/AgCl电极作为阳极使用：氯离子与银结
3.2 生物电测量电极 3.2.1 电极的基本概念
• 生物电是生物体最基本生理现象，各种生物
电位的测量都要用电极 • 给生物组织施加电剌激也要用电极 • 电极实际上是把生物体电化学活动而产生的 离子电位转换成测量系统的电位 • 电极起换能器作用，是一种传感器。
• 电流在生物体内是靠离子传导的,在电极和
导线中是靠电子传导的, • 在电极和溶液界面上则是将离子电流变成 电子电流或将电子电流变成离子电流,从而 使生物体和仪器体系构成了电流回路。
• 本节首先讨论电极在换能过程中的基本机
理以及这些机理对电极性能的影响 • 然后研究电极阻抗特性和等效电路,最后介 绍一些常用检测电极和剌激电极。
• 医用电极按工作性质可分为检测电极和刺
合成AgCl,使电极上AgCl层增厚。
• 电极作为阴极使用：氯离子从AgCl层中进
人溶液,消耗了AgCl层,使其变薄。
使用Ag/AgCl电极应注意的问题
• 电极用铜线作引出线，不要使焊点与活组
织(或电解质)接触。因为焊点极化电位是 不稳定的。 • 为使Ag/AgCl电极良好工作,在电极和活组 织间提供足够的氯离子。 • 工作电流小于10-9A为宜。 • 电极用作记录信号电极而不用作剌激电极。 • Ag/AgCl电极一般配以高输入阻抗放大器。
• 电极与人体之间的电容为2500pF-5000pF,
与放大器输入电阻形成时间常数,并由此决 定可测出的信号的最低频率成分。 • 对不同的生物电信号进行测量时,可适当修 正这一时间常数。例如进行心电测量时,要 求低频为0.05Hz，对于5000pF的电容电极 来说,放大器输入端阻抗应大于600MΩ。
• 麦克斯韦(James Clerk Maxwel 1831～
1879)英国物理学家 , • 麦克斯韦首先提出：世界上存在一种尚未 被人发现的电磁波
• 对于电容器两极板间不导电的介质，虽然
没有自由电荷定向移动形成传导电流，但 却有一个变化的电场E • 电场中某一点位移电流密度等于该点电位 移矢量对时间的变化率，也与电场对时间 的变化率成比例。通过积分可以求出位移 电流。
• 与电容器相似,极性与外加电压极性相反。
• 非极化电极：不需要能量使电流通过电极/
电解质溶液界面的电极,称为非极化电极。
• 实际上完全不需要能量的电极是不存在的。
• 测量生理信号常用的Ag/AgC1电极接近非极
化电极性能。
• 位移电流的概念：
在电路理论中，回路中传导电流是连续 的，即流入电流等于流出电流。 但回路中含电容器，电容的一个极板有 传导电流流入但没有流出，另一个有传导 电流流出但没有流入，对回路而言电流是 不连续的。 解释这种现象可用麦克斯韦(Maxwell) 提出的位移电流的概念。
解释
• 当系统处于平衡状态,溶液中NaCl浓度分布
是各处均匀的。 • 电池E电压加到电极上,电极有电流通过,阴 极上发生电极反应为:
• 由于产物不能扩散离开,阴极吸附氢气,成
为氢电极,电极附近OH- 浓度增加。
• 在阳极上发生电极反应为
• 产物不能扩散离开,致使阳极吸附氧气成为
氧电极。电极附近H+浓度增加。 • 由于极化，氧电极的银电极对外电路为正, 而为氢电极的银电极对外电路为负，其极性 恰与外接电池E相反。阻止进一步极化
尖端与细胞内液 界面的等效阻抗
E(t)细胞膜电位； Ea电极尖端与组织电解液间电位； Eb参考电极和电介质间电位 •电极金属杆与细胞外液间由绝缘层隔开,存在分布电容Cd,总电容C = ΣCd
极电位。
表3.2.2-1几种常用电极材料在25℃时半 电池电位
•
是金属在含该金属离子有效浓度为 1mol/L的溶液中达到平衡时的电极电位
• 可看出 值远远大于所有生物电位信号的
大小。 • 与金属以离子形态转入溶液的能力K以 及温度T有关系。
3.电极的极化和极化电位
• 电极的极化是指电极与电解质溶液的双电
• 传导电流和位移电流共同组成全电流定律。 • 据全电流定律可知，含电容器的回路电流
是连续的，电荷以传导电流流入极板，又 以位移电流形式穿过极板间介质，在电路 中全电流处处相等。
• 传导电流和位移电流共同点是都在空间产
生磁场 • 二者根本区别是传导电流是电荷运动，通 过电阻必将产生焦耳热。位移电流则是电 场的变化，在空间和介质中不产生焦耳热。 • 极化电极界面通过的是位移电流。按照全 电流定律电极电流是连续的。
2.Ag/AgCl电极－非极化电极
• 表面镀有氯化银的银板或银丝放在含Cl-离
子溶液中所构成。电极的表面上存在下列 平衡反应:
• 给电极加正电位时,反应向左方进行
• 放出电子与正电荷中和,使电极电位不变。 • 当给电极加负电位,反应向右方进行:
• 消掉电子,使电极电位不变。
• Ag/AgC1电极在小电流时非常接近非极化电
电极极化对使用的影响
• 电刺激：电流通过电极反应将电子转换成
离子传送到生物体内,然后经过组织器官在 另一电极界面,将离子转换成电子而进入电 极。 • 电刺激目的是将电流通过电极送入生物组 织器官。 • 电极极化会阻碍电流进入生物体组织器官。 应尽量设法减小电极极化。
• 生物电位测定:是通过电极把待测部位的生
3.2.4.电极的电特性
• 电极的等效电路：
• C为双电层电容,E为半电池电势。 R1为双电层的