生物医用电极
体表电极
调研报告体表电极【概述】体表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。
本文重点介绍体表电极的原理、结构及应用。
【体表电极的基本原理】在体表采用体表电极检测生物电位时，常采用两个电极安放在人体的表面，在电极与体表间加有导电膏时，将有两个界面存在，如图1（a）所示。
图1 双电极检测及其等效电路模型一个是电极与导电膏间的界面，另一个是导电膏与表皮间的界面：电极与导电膏界面存在半电池电位E，表皮的外层（角质层）可看作是对于离子的半透膜，膜两边若有离子浓度差别，则存在电位差E’。
表皮的阻抗以Re和Ce表示，表皮下面的真皮和皮下层则呈现纯电阻特性，因此图1（b）就反映了用一对电极检测生物电的实际电路模型，了解这个模型，有利于对电极参数的认识，以及指导我们怎样设计与正确使用性能优良的检测电极系统。
体表电极主要由银、铂、镍、不锈钢或钨制成，它们一般电阻很小，制作也简单。
其尺寸一般是毫米级的。
体表电极的形状很多，有用于肢体的金属板电极（如图2A）、用橡皮膏粘贴的金属盘电极（如图2B）、吸球电极（如图2C）、浮动型表面电极、按扣电极（如图2D）以及特殊形式的表面电极等。
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。
A 金属板电极B 金属盘电极C 吸球电极D 按扣电极图2 各种体表电极【体表电极的临床应用】1. 脑电图与皮层电图大脑皮层是神经系统最高级的中枢，它管理和支配全身各处的感觉功能和运动功能，有着数量极其庞大的神经元。
据统计，人类大脑皮层神经元的数量约为140亿。
医用电极
电刺激的主要用途： 电刺激的主要用途： ①研究可兴奋组织的传导和反应的 规律 如对神经， 如对神经，肌肉等组织产生人为的 兴奋（物理刺激） 兴奋（物理刺激）以便了解其传导和 反应的规律。 反应的规律。
②电治疗 如治疗神经麻痹症， 如治疗神经麻痹症，可采用扎针 通电的方法，达到刺激激活的目的； 通电的方法，达到刺激激活的目的； 对各种因风湿炎症引起的慢性疼痛， 对各种因风湿炎症引起的慢性疼痛， 施以适量的电刺激可使疼痛减轻； 施以适量的电刺激可使疼痛减轻；如 临床上使用的去颤器是对处于纤维性 颤动而杂乱兴奋的心肌细胞给予瞬间 高能量电刺激， 高能量电刺激，强使心肌兴奋相位变 为一致的除颤作用； 为一致的除颤作用；另外还有其它的 电治疗机。 电治疗机。
③控制和替代生物体的某些功能。 控制和替代生物体的某些功能。 植于体内的心脏起搏器 心脏起搏器是用于替 植于体内的心脏起搏器是用于替 代心脏某种缺陷的。控制监测心脏节 代心脏某种缺陷的。 率并在搏动失常时给予适当的电刺激 维持心肌的搏动等。 维持心肌的搏动等。
有时同一个电极既是检测电极， 有时同一个电极既是检测电极， 又是刺激电极，兼有双重功能。 又是刺激电极，兼有双重功能。 如心脏起博器中的电极就属于此 种电极。 种电极。
通过与生物体的接触耦合，将生 通过与生物体的接触耦合， 物体内的电位和生物电流有效地导出 的敏感元件称为检测电极（ 的敏感元件称为检测电极（Detecting electrode） electrode）。
生物电测量的难点： 生物电测量的难点： ①生物电信号弱，心电信号只有 生物电信号弱， 0.5～4mv（皮肤电极）、脑电信号则 0.5～4mv（皮肤电极）、脑电信号则 ）、 只有5 300μv（头皮电极）。 只有5～300μv（头皮电极）。 信号源阻抗高， ②信号源阻抗高，生物体与电极间 的界面现象复杂。极化、漂移、 的界面现象复杂。极化、漂移、噪声 和干扰等不稳定因素不易控制。 和干扰等不稳定因素不易控制。
生物电极材料
生物电极材料生物电极材料是一种应用于生物电子学领域的关键材料，用于传感、检测和调控生物体内的电信号。
它们具有优异的生物相容性、高灵敏度和稳定性，广泛应用于医学诊断、神经科学研究和生物传感器等领域。
本文将从生物电极材料的种类、制备方法以及应用领域等方面进行介绍。
一、生物电极材料的种类生物电极材料的种类繁多，常见的包括金属电极、碳材料电极和导电聚合物电极等。
金属电极是最常用的生物电极材料之一，如银、金、钛等金属具有良好的电导性和化学稳定性，可用于记录和刺激生物体内的电信号。
碳材料电极包括石墨电极、碳纳米管电极和碳纳米纤维电极等，其特点是具有大表面积、良好的生物相容性和电化学活性，适用于生物传感器和生物电化学检测等领域。
导电聚合物电极是一类特殊的生物电极材料，如聚噻吩、聚苯胺等，具有高导电性和生物相容性，可用于神经传感和组织工程等应用中。
生物电极材料的制备方法多种多样，常见的包括物理沉积、化学合成和生物修饰等技术。
物理沉积方法主要是通过蒸发、溅射或电镀等方式，在电极表面沉积金属或碳材料，制备金属电极和碳材料电极。
化学合成方法是通过化学反应合成导电聚合物材料，如聚噻吩和聚苯胺等。
生物修饰方法是将生物分子或细胞膜修饰到电极表面，实现与生物体的相互作用，常用于生物传感器和组织仿生等研究中。
三、生物电极材料的应用领域生物电极材料在医学诊断、神经科学研究和生物传感器等领域具有广泛的应用。
在医学诊断中，生物电极材料可用于记录心电图、脑电图和肌电图等生物电信号，辅助医生进行疾病诊断和治疗。
在神经科学研究中，生物电极材料可用于记录和刺激神经元活动，研究神经网络的功能和疾病机制。
在生物传感器中，生物电极材料可用于检测生物分子、细胞和组织的电信号，实现生物分析和生物检测等应用。
总结：生物电极材料是一类在生物电子学领域中具有重要地位的材料，其种类多样，制备方法多样，应用领域广泛。
随着生物电子学的不断发展，生物电极材料将在医学、科学研究和生物技术等领域中发挥越来越重要的作用。
生物电极在生物传感器中的关键作用
生物电极在生物传感器中的关键作用生物电极在生物传感器中的关键作用生物电极是生物传感器中的核心组成部分，能够将生物体产生的电信号转化为可测量的电信号，从而实现对生物体的监测和分析。
生物电极的关键作用不仅体现在信号转换的功能上，还涵盖了信号质量、稳定性、灵敏度等方面的要求。
首先，生物电极在生物传感器中起到了信号转换的重要作用。
生物体内部的生物电信号通常是微弱且复杂的，例如心电图中心脏的电活动和脑电图中脑的电活动。
生物电极能够将这些信号转换为电压或电流信号，以便后续的放大、滤波和数字化处理。
通过生物电极，我们可以更加直观地了解生物体内部的电活动情况，为疾病的诊断和治疗提供了重要的依据。
其次，生物电极对信号质量和稳定性具有重要影响。
信号质量直接影响到传感器的测量精度和可靠性。
生物电极应具有良好的信号响应特性，能够准确地捕捉和传递生物体产生的电信号。
同时，生物电极还要具备较高的稳定性，能够长时间稳定地工作，不受环境和时间的影响。
只有信号质量和稳定性达到一定的要求，生物传感器才能准确地反映生物体的状态和变化。
此外，生物电极的灵敏度也是关键因素之一。
生物电信号通常非常微弱，因此需要生物电极具备较高的灵敏度才能准确地检测到这些信号。
灵敏度的提高可以通过改善电极的结构和材料，增加电极的表面积以提高信号传递效率，或者引入放大器来增强信号的幅度。
通过提高生物电极的灵敏度，可以更加精确地监测和分析生物体的电活动，为临床诊断和治疗提供更多的信息。
最后，生物电极在生物传感器中还需要具备一定的生物相容性。
生物电极与生物体直接接触，必须具备良好的生物相容性，以防止对生物体产生不良的影响。
生物电极应选用无毒、无刺激和耐腐蚀的材料，以降低对生物体的损害。
此外，电极的设计和制造过程也要遵循一定的生物安全标准，确保生物传感器的安全可靠性。
综上所述，生物电极在生物传感器中扮演着重要的角色。
它能够将生物体产生的电信号转换为可测量的电信号，为后续的信号处理提供基础。
医用电极
②电治疗
如治疗神经麻痹症，可采用扎针通 电的方法，达到刺激激活的目的；对 各种因风湿炎症引起的慢性疼痛，施 以适量的电刺激可使疼痛减轻；如临 床上使用的去颤器是对处于纤维性颤 动而杂乱兴奋的心肌细胞给予瞬间高 能量电刺激，强使心肌兴奋相位变为 一致的除颤作用；另外还有其它的电 治疗机。
电刺激治疗：
②信号源阻抗高，生物体与电极间 的界面现象复杂。极化、漂移、噪声 和干扰等不稳定因素不易控制。
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。
-
＋
-
-
＋
-
-
-
生物电检测电极示意图
所谓极化就是当电流通过电极界面时电 极电位偏离平衡电位的现象。 在有和无电 流通过两种情况下电极的半电池电位的差 值称为极化电压（超电压）。
超电压(Over-voltage)——极化现 象的定量量度。
所谓超电压是指电解时实际电极电 位与平衡电极电位之差
2.极化现象对检测生物电 和电刺激的影响
(1)对电刺激的影响
保持良好接触，并且在此之 前用砂纸摩擦去除部分皮肤 角质层，可以显著减小表皮
的电极。
电阻。
体表电极应满足如下要求：
电极电位稳定；阻抗小；不易产生运动伪迹；
安放容易且不易脱落；
可长期监测；无毒安全、 当电极相对于电
对人体刺激要小。
解液运动时，使 界面处电荷分布
打乱，会产生运
动伪迹。
二、极化现象及对生物电检测 和电刺激的影响
2.刺激电极
Stimulating electrode
针电极、体表电极、微电极
双极同心圆针电极
单纤维针电极 多级针电极
单极针电极
单极针电极以不锈钢制成，针尖锐利，
在尖端处裸露0.2－0.4mm，其他部分 用绝缘膜覆盖。
单极针电极的临床应用
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 极臵于皮下。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
体表电极的发展历史
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。
体表电极的发展历史
电位，不过脑电地形图仪利用了计算机强 大的计算功能，将脑电图进行一定的处理。
常规脑电图的波形复杂，不易阅读和分析，
许多信息不能方便的从中提取出来。计算
机的应用，为脑电图的阅读分析、信息提
取等提供了许多新的手段。通过快速傅里
叶转换，可获得精确的脑电功率谱，并能
在很短时间内完成运算。在功率谱分析的 基础上发展起来的脑电地形图技术，是脑 电记录与分析技术的又一发展。
主要集中在对肌电图的研究上。
肌电图的研究热点
如何将肌电图作为临床上确诊疾病的手段？ 虽然肌电图在脊髓前角细胞疾病、周围神 经病、肌源性疾病和锥体外系疾病的检测 中有重要作用，但是想要利用肌电图确诊 此类疾病还需要漫长的研究过程。
肌电图的研究热点
虽然针电极使用起来很方便，但并不是 所有的肌肉都适合使用针电极插入，或 者有的肌肉插入方法并无标准，如何能 让针电极按照标准插入所需检测的肌肉 中，一直是人们研究的课题。
生物医学信息检测电极
Max-Planck-Institut für medizinische Forschung, Heidelberg, Federal Republic of Germany b. 1942
玻璃电极经热抛光，有光滑的尖端, 与细胞面接触后，对电极内加负压，使细胞膜与电极紧密封闭，封闭电阻达1G。可用生理盐水充填，泄漏很小，噪声降低一个量级。
1 电极电位
测量时要用一对电极，它们可能放置在体表或皮下。 电极总是要与各类电解质溶液接触，包括汗水，组织液，电极膏（ECG, EEG 电极专用的电极膏）或者生理盐水等。 于是形成一个金属—电解质溶液界面，在电极和电解质溶液界面之间便会存在电位差。
金属-水界面
金属中的电子会在整齐排列成晶格的金属离子间运动。因此，把一片金属（如Ag）浸入水中，发生水化作用，一部分金属离子会进入水中，使金属表面带负电，溶液带+电。（溶解过程） 由于相互吸引，+离子聚集于电极表面附近，甚至跑回金属晶格中，并阻止更多的金属+离子进入溶液。（沉淀过程） 最后达到动态平衡，并在表面形成一定的电位差。 M M+n + ne-
玻璃电极与放大器构成低通滤波器，高频响应较差，所以主要用来检测细胞电位。
膜片钳技术（Path Clamp)
为减小阻抗又不引起充填液泄漏而发明的微电极技术,发明人Neher和Sakmann（1976-1981年）。 该技术能够钳住一小片膜，以记录单个通道的离子电流。 因此,主要用来观察细胞膜单个离子通道开、闭时的通道电流变化。 1991年，Neher和Sakmann的膜片钳技术荣获诺贝尔医学/生理学奖。
电极定义
电极—由金属浸在含该金属离子的溶液中所构成的体系成为电极。
针电极、体表电极、微电极
针电极的基本原理
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 等效电路下图所示：
针电极的基本原理
针电极一般由银、铂、镍、不锈钢或钨制 成，其电阻很小，制作也简单。 针电极的尺寸一般为毫米级。
常用针电极介绍及其临床应用
单极针电极 同心圆针电极 双极同心圆针电极 单纤维针电极 多级针电极
单极针电极
单极针电极以不锈钢制成，针尖锐利， 在尖端处裸露0.2－0.4mm，其他部分 用绝缘膜覆盖。
单极针电极的临床应用
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。
多级针电极
多级针电极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。
多级针电极的临床应用
多极针电极主要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。
生物电极的基本特点
抗氧化 不腐蚀组织 具有生物惰性 电极电位小
生物电极的分类
宏电原理
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。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。
针电极的发展历史
1791年，Galvaani的一次实验，产生了电生理学的技 术和概念。
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。
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2、电解液浓度超电Vc(concentration overpotential)：当有电流流动时， 电极和电解液之间的氧化-还原反应平 衡关系被打破，引起离子浓度分布的
改变，从而使半电池电位偏离平衡状
态时半电池电位，其差值称为浓度超 电位。（2、3）
3、欧姆超电位Vr(ohmic overpotential)： 低离子浓度的电解液不利于电流的流动， 产生了电压降，此电压降与电流大小及电 解液的阻抗成正比。由于人体离子浓度很 低，不完全满足欧姆定律，但仍称由此产 生的超电位为欧姆超电位（4）
二、电极极化对生物电位的检测和电刺激 的影响
3 K2
电位差计
3
R
2
K
银板
1
1ห้องสมุดไป่ตู้
HCl H2 O
直流电流 极化电流
Cl- Na+
H OH NaOH
结论：
1、刺激电极的极化，阻碍了电流进入生物 体组织器官，因此电极极化对电刺激是 个不利因素。
2、前置放大器的偏置电流和皮肤电反应的 电压会使测量电极发生极化，产生超电 压，在前置放大器的输入端产生直流偏 置电压，与被测的生物电位一起输到检 测系统，因而使被测的生物电位失真。
刺激电极（stimulating electrode） 对生物体施加电流或电压所用的电极。
作用 1、研究可兴奋组织的传导和反应规律 2、向生物体内输入外加电流以便达到治 疗某种疾病的目的或控制和替代生物体的 某 些功能。
比较 测量电极是敏感元件
刺激电极是执行元件
2：按电极大小和所处位置分类
宏电极（macro electrode） (1)体表电极(body-surface electrode)：
用的器件称为电极
当电极与人体接触时，在电极上产生电位，
电极实质上完成了将人体内离子（主要是 细胞外液中的Na+和Cl-离子，在高频测量 中还有细胞内液中的K+）转化为可在金属 电极直至前置放大器中流动的电子
第一节：电极分类
1：按工作性质：检测电极和刺激电极
检测电极（detecting electrode）：由于 生物体内的物理、化学变化使生物体内各 个部分的正负电荷分布不均匀，从而造成 生物体内不同部位或细胞内外的电位不等， 测定不同部位的电位需要用电极把这个部 位的电位引导到电位测量仪器上进行测量， 这种电极称为测量电极。
常见的极化电极：
惰性金属如Pt、Au、Ag在空气中很难被氧化 和分解，但当这些金属与电解质溶液在一 起时，只要给这些电极施加电压，则很容 易在金属/电解质界面上形成双电层，发生 极化
3、电极极化产生的超电压虽不恒定，但主 要成分是直流成分。
第三节：极化电极和不极化电极
电极极化：电极与电解质溶液界面形成 双电层以及在有电流通过时电极/电解
质溶液界面电位发生变化
一、极化电极（polarized electrode）
当电流流过电极与电解质界面时，在界面上 没有发生实质上的电荷转移，在金属电极 与电解质溶液的界面形成双电层，如同一 个电容器（其极性与外加电压的极性相 反），流经此界面的电流为位移电流，这 种很容易发生极化的电极称为完全极化电 极（perfectly polarizable electrodes）
要求:极化阻抗小、无毒无害、相容性好
微电极（micro electrode）:尖端细 小,机械性能好,能检测细胞电活动 的电极
第二节：极化现象及其对 生物电检测和电刺激的影响
一、极化现象
平衡电极电位：当没有电流通过电极/ 溶液界面时电极所具有的电位。也称 为标准半电池电位。
当金属电极插入电解液时，在相互接触的
极化现象：在有电流通过电极/溶液界面 时，电极电位从平衡电极电位E（0）变为 一个新的、与电流密度有关的电极电位 E（i），将电极在有电流通过时的电极电位 与它没有电流通过时的平衡电极电位发
生偏离的现象称为极化现象
1、如何定量描述极化现象
E(i) E(o)
当η不等于零时，则称电极出现极化现象， 电极出现不可逆工作状态。 当电流足够小，平衡电极的反应速率没 有受到明显的干扰，则电极电位接近于 平衡值，此时称电极处于可逆工作状态
2、电极极化产生的原因
在有一定电流通过电极时，电流将会 受到各种阻力作用而产生超电压 （overvoltage）(或叫极化电压)
产生超电压的原因： 1. 通过电极双电层的电荷转移
2. 反应物朝向电极的扩散和产物离开 电极的扩散
3. 电极上的化学反应 4. 电阻极化
1、活度超电位Va （activation overpotential）当电极与电解液接触时， 发生氧化-还原反应都需要克服一定的能量 势垒，称为活度能。在平衡状态下金属原子 被氧化为离子，或金属离子被还原成金属原 子沉淀在金属电极上，所需要的活度能量是 相当的。但当有电流流过时，则正反两方向 所需的活度能不再相等，其大小直接与电流 方向相关联，这个能量的差值表现在电极与 电解液之间的电压差，称为活度超电压。 （1、3）
界面处，正负离子的浓度由于化学反应， 已发生了显著的变化，其结果是环绕金属 电极周围的电解液，与其余电解液之间形 成电位差，该电位差称为半电池电位 （half-cell potential）
当金属上离子的溶解速度和溶液中 金属离子向金属沉积的速度相等时, 达到了相对稳定,此时金属和溶液 之间形成电荷分布—双电层,产生 一定的电位差。
生物医用电极 Biopotential Electrodes
重点内容： 一、什么是电极 二、电极极化的原因 三、电极极化对测量和电刺激的影响 四、极化电极和不极化电极 五、刺激电极的参数
电极
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，因此 在电极和溶液界面上需要将离子电流 转变成电子电流或将电子电流转变成 离子电流，从而使生物体和仪器体系 构成了电流回路。完成这种换能器作
使用时放在生物体皮肤表面 (2)体内电极(internal electrode)：使用
时穿透皮肤的电极
皮下电极(hypodermic electrode)：穿 透皮肤直接与细胞外液接触的电极
植入电极(implantable electrode)：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