生物医学信号检测

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13.2.3 电极的电性能与等效电路
等效电路模型
第一类模型：未考虑流出双电层的离 子在电解液中扩散
第二类模型：考虑流出双电层的离子 在电解液中扩散
双电极检测及其等效模型
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13.2.3 电极的电性能与等效电路
• 第一类模型（未考虑扩散过程）
因为，经实验研究： • 电极性能类似一个非线性元件。
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13.2生物电测量电极
13.2.1 引导电极的种类
体表电极 按位置分类： 皮下电极
湿电极 干电极
植入电极
按电极形状分类：
板状电极 针状电极 螺旋电极 环状电极 球状电极
按电极大小分类： 宏电极
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微电极
13.2生物电测量电极
13.2.1 引导电极的种类 常见宏电极：
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左图所示为锌电极放入含Zn 2+的溶 液中，锌电极中Zn 2+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 Zn 2+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13章 生物医学信号检测
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本章要点：
生物医学信号的特点及其检测要求 生物电测量电极的种类、电性能、特点及其应
用 采用微电极测量细胞电位信号的特点 心电信号的幅值、频率、波形，测量心电信号
时存在的主要干扰信号及其特点 共模驱动技术的作用和适用范围。 右腿驱动技术的作用和适用范围 生物电放大器的设计
板状四肢电极
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四肢电极夹
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13.2生物电测量电极
13.2.1 引导电极的种类
体表心电电极
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13.2.1 引1导3电.2极生的物种电类测量电极
针状皮下电极：
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绝缘干电极
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13.2.1 引导电极的种类
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13.2生物电测ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电极
生物电测量电极：
即引导电极，用于检测心电图、脑电图、 肌电图、眼电图及细胞等体内、体表生物电 时所采用的一类传感器。 通常是由经处理的某种金属板、金属细针 或金属网制成。
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进一步理解：
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
• 被测生理量的难接近性 • 生理数据的时间变异性和个体差异 • 生理系统间存在相互的作用 • 缺乏对系统间本互关联关系的足够了解 • 传感器对被测生理量的影响 • 伪迹 • 能量限制 • 安全问题
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13.2生物电测量电极
13.2.1 引导电极的种类 13.2.2 生物电极的基本知识 13.2.3 电极的电性能与等效电路 13.2.4 微电极及其等效电路
Rt表示其泄漏电阻
Rt
该电路在很低频率及直流时，只呈现电阻特性
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13.2.3 电极的电性能与等效电路
• 第二类模型（考虑扩散过程）
若考虑扩散过程，电路中必须引入表征扩散作用的扩散阻抗。 且扩散阻抗与频率和电流相关，所以描述扩散特性用RC电路表 示。
• 电极性能与流过它的电流密度、电流频率相关。
所以，电极的电性能用其阻抗特性表示的一类模型（未考虑扩
散过程）：
串联模型：
Rf
C
R
R f 用来表示频率 为零时的电阻 特性
CH
并联模型：
Rt
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13.2.3 电极的电性能与等效电路
得并联模型电路：
Rf
CH
CH表示双电层的电容且与频率相关
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本章内容： 13.1 引言 13.2生物电测量电极 13.3心电信号和心电图机 13.4 神经系统电信号检测与脑电图机 13.5 生物电检测前置放大器的设计
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13.1引言 生物医学电信号特点：
• 幅值低 • 频率低
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13.1引言
影响生物医学电信号测量的因素：
当某种金属（电极）浸入含有这种金属离子的电解质溶液， 溶液中的金属离子也将在金属电极上沉积，当两种过程相平 衡时，在金属和电解质溶液的接触面附近形成电荷分布－双 电层，并将建立起一个平衡的电位差，且对某种金属与电解 质溶液来说，这种电位差是一个完全确定的量。这种金属与 电解质的组合宛如半个电解质电池，故称之为半电池电极。
电极电位往往比所要测定的生物电信号强，且是一变化量， 因此为了有效地检测生物电信号，应尽量使电极电位趋于 恒定，并尽量降低其数值。
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13.2.2 生物电极的基本知识
稳定电极电位措施：
（1）采用电极电位稳定的电极：如 Ag/AgCI电级。（小
而稳定半电池电位，不可极化）
（2）用电路进行补偿：将电极电位与生物电信号分开； 两个电极采用完全对称结构，以便在放大器输入端进行补 偿；对电极所接触的组织表面进行处理，电极与组织之间 用饱和NaCl溶液浸湿加一层导电膏，提高放大器输入阻抗 以降低输入电流等措施。
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。
13.2.2 生物电极的基本知识
• 半电池电位 几种常用电极 材料在25℃时的半电池电位
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13.2.2 生物电极的基本知识
• 电极的极化与电极电位
当有电流流经电极和电解质溶液之间时，电极会产生极化现象， 并产生极化电位，使电极－电解质溶液间的电位发生变化。
半电池电位与极化电位的组合电位差称为电极电位 电极电位特点：
柔性体表电极 环状电极
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13.2.2 生物电极的基本知识
• 电极的换能作用 离子导电
电子导体
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
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13.2.2 生物电极的基本知识
• 半电池电位