生物医学图像处理

电极 机体外
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Leabharlann Baidu机体内
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生物电检测电极示意图
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要求掌握
电极的分类 双电层 电极电位（半电池电势） 电极极化，极化电位 电极极化的影响 极化电极与非极化电极 位移电流与传导电流 Ag/AgCl电极 微电极及其等效电路
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。
• E 是金属浸在含有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, 称为这种金属的标准电极电位（表3.2 ） • 可看出 E 0 值远远大于所有生物电位信号 的大小。 0 • E 与金属以离子形态转入溶液的能力K 以及温度T有关系。
0
表3.2 几种常用电极材料在25℃时半 电池电位 E 0
植入电极: 是长期埋植于体内的电极,用 以控制或替代生物体的某些功能。 植入电极需具备如下要求:
①极化阻抗低,以减小剌激所需的能量; ②对生物体无毒无害; ③生物组织相容性好。
3.2.2 电极的极化现象和极化电位
1.电极的电化学电极电位
电极是经过一定处理的金属板或金属丝、金 属网等。 用电极引导生物电信号时,与电极接触的是电 解质溶液,如导电膏、人体汗液或组织液（针 电极插入皮下时）。因而形成一个金属 - 电 解质溶液界面。
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。
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。 是长期埋植于体 内的电极,用以 控制或替代生物 体的某些功能。
图 电极－溶液界面的平衡电位
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。
第3章 生物医学传感器基础
常向荣 changxiangrong@163.com
3.２ 生物电测量电极
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。
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。
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。
按照尺寸大小可分为：
宏电极 微电极
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某 种疾病的目的; ③控制或替代生物体某些功能,如临床用的除 颤器和心脏起搏器的电极。
电极电位E
RT C EE ln nF K
0
式中：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。 E 0 - 为标准电极电位，是指常温下该电极在单位浓度的 电极电位。 当金属离子的有效浓度C=1 mol/L的特殊情况下, 电极电 位为 0 4 T E 2 10 lg K n
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
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 相对于氢电极便可确定。 • 电极电位与温度，材料和反应物质 的活度有关，可按Nernst方程计算。
以银电极板模拟电极， 以NaCl溶液模拟生物体电解液， 电池E模拟电剌激电源或检测系统输入级的 偏置电压及漏泄电流, 电阻R模拟检测系统输入阻抗。
极化现象实验图 ——模拟电极与生物体之间的导电液体情况
检测电极或 刺激电极
输入阻抗
检测电极或 刺激电极
电解液
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
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。
3.2.1 电极的基本概念
作用
把化学活动产生的离子电转换为电子测量系 统的电位。
按照电极的工作性质可分为：
检测电极 刺激电极
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 电层界面在有电流通过时,电极-电解质溶 液界面电位从原有平衡电位变化为新电 极电位，该极化电位与通过电流密度有 关。 将有电流通过的电极电位与无电流的平 衡电极电位的偏离现象称为极化现象。 两个电位的偏差采用极化电压或超电压 描述。
有电流流经一对电极时，电极出现极化 现象并产生极化电压。 模拟电极与生物体之间的导电液体情况