БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОДЫ ДЛЯ МЕДИЦИНСКОЙ АППАРАТУРЫ

В статье рассмотрены особенности сенсорных электродов для съема биопотенциалов.
С. Ли, Дж. Круз

Медицинские приборы, такие как электрокардиографы, электромиографы и электроэнцефалографы, предназначены для исследования соответственно электрической активности сердца, мышц и головного мозга.
Биоэлектрическим электродом называют устройство, используемое при съеме биоэлектрических потенциалов, имеющеее токосъемную поверхность и выходные элементы. При контакте с биообъектом электрод вступает во взаимодействие с электролитом (контактным веществом), наносимым на кожу перед измерениями. Наибольшее распространение в настоящее время получили слабополяризующиеся хлорсеребряные электроды, выполненные из чистого серебра, подвергнутого электролитическому хлорированию.
На рис. 1 приведена эквивалентная схема биоэлектрического электрода, где VPH – величина биопотенциала, CP – емкость, учитывающая распределенную емкость кожа-электрод и входную емкость электрода, RP – сопротивление, учитывающее активную составляющую сопротивления кожа-электрод и сопротивление собственно электрода, RS – выходное сопротивление электрода.
Отметим, что параметры эквивалентной схемы зависят от возраста и пола пациента, а также от качества контакта между кожей и поверхностью электрода.

Рис. 1. Эквивалентная схема биоэлектрического электрода

Типовое сопротивление хлорсеребряного электрода на частоте 10 Гц составляет 5 кОм. Отметим, что величина снимаемого с электрода кардиосигнала составляет примерно 1.8 мВ, а смещение на постоянном токе достигает 300 мВ. Поэтому в качестве усилителей биопотенциалов использует, как правило, rail-to-rail ОУ с большим размахом напряжений питания. К таким усилителям относятся ОУ типа AD8220 и AD8224.
Еще одной проблемой, возникающей при усилении биопотенциалов, является поляризация электрода выходными токами смещения ОУ. Для ослабления эффекта поляризации следует использовать усилители с полевыми транзисторами на входе, такие как AD8225/ AD8226/AD8227 и AD8641/AD8642/AD8643, выходной ток смещения которых не превышает 1 пА. Типовые схемы усилительных каскадов для съема биопотенциалов с биоэлектрических электродов приведены на рис. 2, 3.

Рис. 2. Схема измерительного усилителя на основе JFET-ОУ AD8687

Входной ток смещения этих усилителей не превышает 20 пА.
ВЫВОДЫ
1. Качество съема биопотенциалов в медицинской аппаратуре определяется параметрами биоэлектрических электродов и усилительных каскадов.
2. При проектировании входных каналов такой аппаратуры необходимо учитывать влияние помех и искажений в каждом звене цепи кожа-электрод-вход усилителя.