Электроды для измерения биоэлектрических потенциалов

Рекомендовано УМО по образованию в области радиотехники,
электроники, биомедицинской техники и автоматизации
в качестве учебного пособия для студентов
высших учебных заведений, обучающихся
по направлению подготовки дипломированных специалистов
Биомедицинская техника и направлению подготовки
«
»
бакалавров и магистров Биомедицинская инженерия
«
»

Москва
Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана
2006

Þ.Í. Îðëîâ

Ýëåêòðîäû
äëÿ èçìåðåíèÿ
áèîýëåêòðè÷åñêèõ
ïîòåíöèàëîâ

Ýëåêòðîäû
äëÿ èçìåðåíèÿ
áèîýëåêòðè÷åñêèõ
ïîòåíöèàëîâ

Под редакцией доктора технических наук, профессора С.И. Щукина

УДК 615.471:616-073/97(075.8)  
ББК 28.707.1 
         О-664 
 
 
Рецензенты:  
д-р техн. наук, проф. Р.И. Бурлаков;  
д-р техн. наук, проф. В.М. Бахир;  
д-р мед. наук, проф. Ю.А. Фадеев 

  Орлов Ю.Н. 
Электроды для измерения биоэлектрических потенциалов: Учеб. пособие / Под ред. И.С. Щукина. – М.: Изд-во 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 224 с.: ил. – (Биомедицинская инженерия в техническом университете). 
               ISBN 5-7038-2888-0 

Описаны основы физико-химического взаимодействия биологических 
объектов с биоэлектрическими электродами. Приведены классификация, 
конструкции и характеристики  проводящих и изолированных биоэлектрических электродов, а также требования к материалам, используемым в 
электрографии. Рассмотрены вопросы топографии электродов, временны' х 
характеристик биологического объекта, его структурированность, определяющие параметры измеряемого сигнала и требования к измерительным 
электродам. Данные по разработке и применению электродной техники 
представлены с учетом требований нормативных документов. 
Пособие соответствует курсу лекций, который автор читает в МГТУ 
им. Н.Э. Баумана. 
Для студентов технических вузов 3-го и 4-го курсов специальностей 
«Биомедицинские технические аппараты и системы», «Инженерное дело в 
медико-биологической практике». Может быть полезно студентам медицинских вузов, обучающимся по специальности «Функциональная диагностика». 
 
 
                                                                                       УДК 615.471:616-073/97(075.8)  
                                                                            ББК 28.707.1  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 5-7038-2888-0 

©
©
 

 Ю.Н. Орлов, 2006  
 Оформление. Издательство МГТУ 
 им. Н.Э. Баумана, 2006 

О-664 

ПРЕДИСЛОВИЕ

 В пособии использованы данные электрофизиологических исследований, полученные при проведении научно-исследовательских работ в ряде ведущих медицинских центров. Совместная
работа инженерного и медицинского персонала не только подтвердила неизбежность взаимопроникновения технических и медико-биологических дисциплин, но и уточнила круг вопросов,
знание которых необходимо инженерам при разработке и эксплуатации рассматриваемой в пособии медицинской техники.
Пособие состоит из двух частей. В первой части рассматриваются электрохимические основы потенциалообразующих процессов в измерительной ячейке, устанавливаются зависимости, определяющие потенциал электрода и потенциал смещения, описываются  электропроводность отведения как биологических структур,
так и искусственных электролитов, приводятся сведения по составам и применению электродного контактного вещества. Перечисленные характеристики и закономерности являются научнотехнической основой для изучения типов, особенностей конструирования и применения биоэлектрических электродов различных
типов (электродов первого и второго рода, слабополяризующихся
электродов, электродов одноразового применения, изолированных
электродов). В Приложении приводятся обязательные термины,
стандартные определения, нормативные материалы, а также основные закономерности и правила применения электродов, позволяющие свести к минимуму технические ошибки измерения.
Практика работы в области биомедицинских измерений показывает, что в ряде случаев специалист в области медицинской техники должен проявить компетентность не только в конструкции
технического устройства, но и в методических вопросах применения этой техники  (время обследования, продолжительность обследования, размещение электродов на биообъекте). Эта группа
вопросов рассматривается во второй части пособия, посвященной
структурной организации биообъекта, собственному времени биообъекта, биологическим ритмам и топографии электродов.
Изучение материалов данного учебного пособия студентами
технических ВУЗов целесообразно после знакомства с соответствующими разделами биологии, анатомии, физиологии, биохимии,

клинической медицины и должно предшествовать изучению медицинских электронных приборов и аппаратов.
Успешному освоению материала учебного курса способствует
обязательный цикл лабораторных работ, посвященный изучению
конструкций и исследованию характеристик различных биоэлектрических электродов, особенностям их применения и метрологического обеспечения.
Содержание учебного пособия соответствует разделу курса
«Медицинские измерительные преобразователи и электроды» специальностей «Биотехнические и медицинские аппараты и системы», «Инженерное дело в медикобиологической практике».
Данное пособие предназначено для студентов технических вузов, обучающихся по направлению «Биомедицинская техника»,
«Биомедицинская инженерия», для студентов медицинских вузов,
обучающихся по специальности «Функциональная диагностика», а
также может быть полезно специалистам-практикам в области
биомедицинских измерений.

Часть I

ТИПЫ И КОНСТРУКЦИИ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ЭЛЕКТРОДОВ

ВВЕДЕНИЕ

В медицинской диагностике, включающей в себя целенаправленное медицинское обследование, анализ  результатов измерения
физических параметров биообъекта (БО)∗ и их обобщение, большое распространение получили технические средства и методы
измерения электрических параметров. В рамках таких измерений в
практике здравоохранения наиболее широко представлено исследование биопотенциалов. Именно оно дает изначальную информацию о состоянии БО, в наименьшей степени воздействуя на его
физиологическое состояние. Исследование биоэлектрических потенциалов, различающихся своими параметрами в норме и патологии, позволяет получить объективные диагностические признаки,
которые в совокупности с другими данными (биохимическими,
гистологическими и т. д.) решают задачу постановки диагноза и
последующего выбора методов и средств, направленных на достижение заданного состояния БО. К перечню штатных электрографических процедур относятся: электрокардиография∗∗ (ЭКГ),
векторэлектрокардиография, электрокардиотопография, ЭКГ в условиях длительного наблюдения, ЭКГ с дозированной физической
нагрузкой, электромиография (ЭМГ), электроэнцефалография
(ЭЭГ),  электрогастрография (ЭГГ), электроцеребрография (ЭЦГ),
электроокулография (ЭОГ), электроретинография (ЭРГ), измерение квазипостоянных биопотенциалов клеточных и тканевых
структур и т. д. В связи с усложнением задач по оценке состояния
БО как в норме, так и при различных патологиях и измененных
состояниях перечень электрографических исследований непрерывно расширяется.
Измерение различных физических параметров БО с целью медицинской диагностики реализуется с помощью медицинских приборов – изделий медицинской техники, предназначенных для полу
                                                          

∗ Далее в зависимости от контекста под БО будем понимать целостный организм, систему органов, отдельный орган, ткань, биопробу, клеточную систему,
отдельную клетку.
∗∗ На основании данных медицинской статистики установлено, что наиболее
частыми причинами смертельного исхода в результате заболевания является патология сердечно-сосудистой системы. Соответственно, по числу диагностических процедур первое место занимает электрокардиография.

чения, накопления и (или) анализа информации о состоянии организма человека с диагностической или профилактической целью∗.
Если информация о БО, получаемая с помощью технического
средства, имеет количественный характер (отображается на шкале
с нормируемой погрешностью измерения), то такое техническое
средство называют средством измерения медицинского назначения (СИМН). Если информация о БО отражается в качественных
характеристиках, то такое изделие называют индикатором медицинского назначения. Шкала индикаторов не имеет оцифрованных
делений, однако на ней могут быть выделены одна или две характерные зоны (например, на медицинских жидкокристаллических
пленочных индикаторах температуры в зависимости от состояния
пациента высвечиваются показания N или F).
СИМН включает в свою структурную схему измерительный
преобразователь (ИП) – техническое средство с нормативными
метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный
сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи [2].
Классификация ИП основана на использовании различных
признаков. К более общей относят классификацию, связанную с
видом преобразуемой (входной) энергии (например, тепловые, механические, оптические, электрические, магнитные и другие ИП).
Выходным сигналом ИП является, как правило, электрический
сигнал (например, преобразование температуры объекта в электрический 
сигнал). 
К 
другому 
классификационному 
признаку
относят физическое явление, лежащее в основе работы ИП (например, термоэлектрический ИП, оптоэлектронный ИП и др.). Следующим классификационным признаком может быть тип диагностической процедуры, при которой используется данный ИП (например, электрокардиографический биоэлектрический электрод).
Биоэлектрический электрод (БЭ) – устройство, используемое
при съеме биоэлектрических потенциалов и имеющее токосъемную поверхность, контактирующую с биологическим объектом, и
выходные элементы (Приложение 1).
Поскольку биоэлектрические электроды в медицинской практике являются наиболее распространенным и значимым типом измерительных преобразователей, на их примере рассмотрим осо
                                                          

∗ Во избежание терминологических ошибок следует помнить о других установленных классификационных рубриках — медицинском оборудовании, медицинских инструментах и медицинских аппаратах [1].

бенности функционирования измерительного преобразователя в
структуре биотехнической системы (БТС) (рис. В1, В2) [2].

Рис. В1. Структурная схема БТС диагностического типа:
БО – биообъект; СИМН – средство измерения медицинского назначения;
ДП – диагностические признаки; В – врач; 1 – измерительный преобразователь; 2 – измерительный усилитель; 3 – устройство обработки и вывода
информации; 4 – совокупность методов и средств, направленных на дости                                    жение заданного состояния БО

1. БЭ – первый и единственный элемент биотехнической измерительной системы, вступающий в непосредственный контакт с
биологическим объектом.  Он определяет задачи согласования
электрических, механических, химических и других параметров
биологической и технической систем.
В данном контексте правильнее говорить о БЭ как о первичном
измерительном преобразователе, на который непосредственно
воздействует измеряемая физическая величина и БО в целом.
2. БЭ осуществляет выделение на БО исследуемой формы
энергии.
БО характеризуется совокупностью взаимосвязанных параметров: химических, электрических, тепловых, оптических, механических и т. д. Назначение биоэлектрического электрода – выделение
и дальнейшее преобразование биоэлектрических потенциалов. Однако, как мы увидим дальше, на функцию преобразования электрода влияют также и другие виды энергии БО (например, тепло
Рис. В2. Фрагмент структурной схемы БТС
с измерительным преобразователем:

o,
T
ϕ , рН – параметры БО; 
1
2
3
,
,
f
f
f  – внеш
ние факторы; Fвх и Fвых  – входной и выходной
сигналы   измерительного преобразователя

вая энергия), что необходимо учитывать при разработке  конструкции электрода и методики его использования.
3. БЭ осуществляет преобразование сигнала (преобразование
ионных токов БО в электронные токи биоусилителя).
4. БЭ и БО оказывают взаимное  влияние друг на друга.
Эта особенность не всегда очевидна и требует внимательного
изучения параметров БО и ИП и специфики  их взаимодействия.
Так, металлический биоэлектрический электрод, осуществляя основную функцию преобразования, может окисляться в результате
воздействия на него потовых выделений кожного покрова. При
этом ионы металла электрода могут перемещаться в кожный
покров, вызывая местные биохимические изменения в нем, а
электрод в целом, герметично перекрывая большую поверхность
кожи, может изменять параметры кожного дыхания. Указанные
взаимодействия могут приводить к изменению электрических характеристик как БО, так и электрода.
5. БЭ подвергается влиянию внешней среды, при этом могут
изменяться параметры преобразования.
Очевидно, что изменения температуры, влажности, механических воздействий и других параметров внешней среды могут оказывать влияние на функционирование как  самого БО, так и БЭ.
Вышеперечисленные особенности БЭ позволяют  выделить их в
наиболее многочисленную и ответственную группу ИП. Исходя из
сказанного, БЭ должны обладать научно обоснованными и законодательно установленными нормативными метрологическими характеристиками, которые определяют погрешность измерения стандартных сигналов при установленных условиях измерения, а также
должны быть  сертифицированы и разрешены к применению.
В то же время  необходимо дальнейшее развитие методологии
и технических средств метрологической поддержки СИМН, в первую очередь,  корректных имитаторов биоэлектрических сигналов,
в достаточной мере отражающих как реальные свойства биообъектов, так и их взаимодействие с биоэлектрическим электродом.
Конструкция первых простейших биоэлектрических электродов для электрокардиографии была предложена Эйнтховеном
около ста лет назад. Сначала это были простые контактные металлические пластинки, затем они были преобразованы в медные емкости с водой, куда погружались конечности пациентов. К настоящему времени разработаны и применяются многочисленные
разновидности электродов и электродных систем. Вместе с тем для
решения новых диагностических задач могут быть востребованы
новые типы, конструкции и модели биоэлектрических электродов.

Решение этой задачи возможно при использовании системных
знаний в области биофизики, биохимии и электрофизиологии биообъекта – с одной стороны; материаловедения, электрохимии,
электроники, метрологии – с другой стороны, т. е. на основе принципов  методологии анализа и синтеза биотехнических систем (см.
Приложение 1). Изучение особенностей  работы и характеристик
биоэлектрических электродов следует начать с наиболее типичного и распространенного случая – контактного взаимодействия
электрода и биообъекта в формализованной схеме отведения.