Рассмотрены особенности сенсорных электродов для съема биопотенциалов с поверхности кожи пациента.

Электрокардиографы (ЭКГ), электроэнцефалографы (ЭЭГ) и электромиографы (ЭМГ) предназначены для оценки состояния соответственно сердца, головного мозга и мышц пациента путем измерения и анализа биопотенциалов, снимаемых с поверхности его кожи. Нервные импульсы и мышечные сокращения могут быть исследованы путем измерения ионных токов, протекающих через тело пациента.

Чувствительными элементами в измерительной схеме являются сенсорные электроды. Ионы могут иметь как положительный заряд (катионы), так и отрицательный (анионы). Сенсорные электроды предназначены для съема биопотенциалов, образованных движением ионных токов в теле человека, и преобразования их в электрический ток. Сенсорная часть электрода покрыта электролитом, который контактирует с кожей пациента и с металлической частью, подключенной к проводнику, с которого снимается электрический ток, поступающий на вход медицинского прибора. Ток формируется в результате электрохимической реакции между электролитом и металлическим электродом.

Наиболее распространенные электроды выполнены из серебра и хлорида серебра (Ag/AgCl) с потенциалом на выходе не более 220 мВ. Эти электроды относятся к классу неполяризованных электродов, которые имеют преимущество по сравнению с поляризованными, а именно, они более устойчивы к внешним воздействиям (движениям пациента), которые могут привести к изменению потенциала на их выходе. Эквивалентная схема этого электрода приведена на рис.1. Электроды типа Ag/AgCl имеют самый низкий импеданс среди аналогов, что важно в ЭКГ и ЭЭГ, так как изменения потенциалов при таких исследованиях имеют низкочастотный характер. В клинических условиях кожа пациента претерпевает специальную подготовку (обезжиривание, удаление посторонней влаги и т.п.) перед установкой электрода.

Эквивалентная схема медицинского электрода

Дифференциальный кардиосигнал имеет типовую амплитуду 1.8 мВ при смещении до 300 мВ. Таким образом, усиливая кардиосигналы в 100 раз, мы доводим смещение до 30 В.

Компания Analog Devices разработала операционные усилители AD8220 и AD8224 для усиления кардиосигналов. При типовом напряжении питания усилителей ±5 В, оно может быть увеличено до ±7.5 В.

При работе с поляризованными электродами усилитель может вызвать поляризацию такого электрода при ослаблении его контакта с кожей пациента. На рис. 2 приведены схемы усилителей с входным каскадом на основе полевых (JFET) транзисторов компании Analog Devices типа AD8641/ AD8642/AD8643, ток смещения которых не более 1пА. Ток смещения измерительных усилителей типа AD8220 и AD8224 (рис. 3) составляет не менее 20 пА.

Аналоговый интерфейс сенсорных электродов на основе ОУ AD8627 Аналоговый интерфейс сенсорных электродов на основе ОУ AD8224

Сенсорные электрохимические электроды, применяемые в медицине для съема биопотенциалов, имеют ряд конструктивных и схемотехнических особенностей. Учет этих особенностей позволяет создавать для них надежные интерфейсы на основе измерительных усилителей с сверхмалыми токами смещения.