针电极

调研报告

针电极

【概述】

针电极是一种常用的医用传感器件。在检测生物电或行电刺激时，电极是仪器系统与生物体连接或耦合的环节。电极的用途是从生物体中直接取出电信号。应用电极在生物体上获取电信号时，被测对象的特点不同，采用的电极结构也不一样。在探测单个细胞或组织深部的电位时，采用微电极；测量组织局部区域的电活动时，采用针电极；测量生物体表的电位时，可采用体表电极。本文重点介绍针电极的原理、结构及应用。

【针电极的基本原理】

针电极是在使用时需要穿透皮肤直接与细胞外液接触的电极，能形成良好的电极-电解质溶液界面。有些针电极为细的绝缘金属线，其露出的尖部同待测的神经、肌肉或其他组织接触。针电极和其他形式电极在皮下形成的界面同体表电极相比，能降低界面阻抗和移动的伪迹。

由电化学知识可知，当金属放入含该金属离子的电解质溶液时，在金属和溶液的界面发生化学反应产生电极电位。针电极的等效电路如图1所示：

图1 针电极的等效电路

由银、铂、镍、不锈钢或钨制成的针形电极，它们一般电阻很小，

制作也简单。由于其尺寸一般是毫米级的，为了与微米级尺寸的“微电极”区别，一般也称为“宏电极”。由于其形态、功用及附属结构的不同，又有许多具体的名称。根据用途分，用于刺激的宏电极，简称为“刺激电极”；而记录用的“宏电极”，则称为“记录电极”或“引导电极”。根据形态分，有“单极针电极”、“同心圆针电极”、“多极针电极”等。带有保护固定结构的称为保护电极，埋藏在组织中的称为埋藏电极。这些电极的材料一般应具有抗氧化、不腐蚀组织、具有生物惰性和电极电位小的特点。电极作记录用时一般外部有屏蔽层，以减少干扰。

【常用针电极介绍及其临床应用】

图2所示的针电极是基本针电极，也称为单极针电极，它是针电极中出现最早、结构最简单的一种。单极针电极是以不锈钢制成，针尖锐利，在尖端处裸露0.2－0.4mm，其他部分用绝缘膜覆盖。

图2 单极针电极

单极针电极一般用于测定感觉神经动作电位。测定时，将一单极针电极作为参考电极置于皮下。另一单极针电极作为记录电极接近神经干，此时可记录到清晰、波幅大而稳定的电位。单极针电极在使用前置于生理盐水中可减少其电阻。单极针电极还可用于记录骨骼肌兴奋的电变化。将针形电极按上下方向插入已经分离好的蛙类或蟾蜍的

腓肠肌中，利用RM6240B生理实验系统便可实现骨骼肌静息电位与动作电位的记录。

图3、图4所示为同心圆针电极。在针管中心穿一根绝缘金属细丝，针管内充填满绝缘材料(如环氧树脂)，再用锉刀锉针的顶部，以使中心金属丝露出作为触点。内丝一般由镍铬合金、银或白金组成，直径约0.1mm。针尖为椭圆形，面积为150μm×600μm。细丝另一端接同轴电缆的芯线，针身接到同轴电缆的屏蔽线上。这种电极具有屏蔽作用，亦称之为屏蔽针电极。

图3 同心圆针电极

图4 同心圆针电极实物图

同心圆针电极最主要的应用在于肌电图的检测。在活体内，当肌肉收缩时，动作电位可从肌纤维经组织的导电作用反映至皮肤表面。经针电极直接插入肌肉内，可记录到肌肉活动时的动作电位。这种记

录叫做肌电图（EMG）。在临床上，肌电图可用来判定神经、肌肉所处的功能状态，也就是骨骼肌纤维受神经支配的状况，以及神经肌纤维本身的状态，这有助于对运动神经、肌肉疾患的诊断。在科学研究上，肌电图也是一种有用的观察指标。针电极引导的肌电图如图5所示：

图5 针电极引导的肌电图

A 单相；

B 双相；

C 三相

同心圆针电极刺入肌肉内可接触1~10条肌纤维，可引导邻近针尖的几千条肌纤维的电活动。然而，实际上由于一个运动单位通常包含几百条肌纤维，其直径可达几个mm，而针电极只能接触少数肌纤维，引导0.5mm范围内的电活动，所以利用针电极测得的电位也仅是运动单位中的小部分肌纤维电活动的总和。

与同心圆针电极类似的电极是双极同心圆针电极（如图6）。不过与同心圆针电极不同的是，双极同心圆针电极的针管内有两条细金属丝，且两条之间相互绝缘。这种针电极所测定的范围较小而局限，

只能测到少数的肌纤维，又不易了解运动单元电位的全貌，因此临床上只在特殊选择的分析时才使用。

图6 双极同心圆针电极

双极同心圆针电极应用的一个典型例子就是腕管综合症（亦称腕正中神经卡压症）治疗手术前，利用双极同心圆针电极检查患侧拇短展肌、拇对掌肌在静息时自发电位情况，以及轻、重收缩时运动单位电位。

图7所示为单纤维针电极。它由一个旁开小孔的针管和直径25μm的绝缘金属细丝组成。除侧孔外其余部分均绝缘，以使所记录的信号具有高度的选择性，其收集面积为离针大约300 μm的范围，仅可记录到1～2条肌纤维的信息。一个针管中也可安置多个绝缘细丝，以同时收集一系列的单纤维电位。但目前临床最常用的还是只安置一条细丝的电极。

图7 单纤维针电极

单纤维针电极最主要的应用在于单纤维肌电图的检测。单纤维肌电图(SFEMG)用于研究一个运动单位内不同肌纤维及其运动终板的电活动。由于单纤维肌电图需要用一收集范围非常小的针电极，以便个别地收集肌纤维电位，所以单纤维针电极的特点正好适用于单纤维肌电图的记录。单纤维肌电图在对重症肌无力（MG）、运动神经元病（MND）、周围神经病（如糖尿病性神经病、酒精中毒性神经病、尿毒症性神经病等）、肌病等都有很重要的检测及预防的意义。

图8所示为多级针电极。它是在针管内安置三条或更多的绝缘丝，每条细丝的直径为1mm，在针管的侧面分别为每一条绝缘丝各自开口，开口的距离可以不同。这种多极针电极用于测定运动单位电位的范围。测定肌病时，常用开口间距为0.5mm的针电极，测定周围神经时，多用开口间距为1mm的针电极。多极电极的针较粗大，可能

引起患者一定程度的不适。

图8 多级针电极

【针电极的发展历史】

电生理学技术和概念始于1791年Galvaani的一次实验，至今已达2个世纪之久。1820年，丹麦的科学家发明了电流计以后，意大利的物理学家Matteucci.C开始利用针电极和体表电极进行电生理学的实验，发现肌肉的横断面与未损伤部位之间存在电流，而且这种电流是从未损伤部位流向横断面的。但是，此时的人们并不清楚这种电流产生的基础。经过80年的艰苦努力，人们终于发现活组织本身就存在生物电，当肌肉被横切时在局部会产生损伤电位。另外，电流作用于组织时也会引起组织本身的兴奋与电位的变化。与此同时，电生理学技术也开始应用于临床，如对心脏的研究，记录出了心电图。肌电图、脑电图也在此时相继产生。

20世纪60年代，随着计算机技术应用，电生理学的记录又得到了一次跨越式的发展。脑电图的记录结合计算机应用出现了脑电地形图；同时，利用计算机技术，可做肌电图的自动分析，如解析肌电图、单纤维肌电图以及巨肌电图等，提高了诊断的阳性率。

【针电极的发展现状】