Контакт электрода с кожей и артефакты движения

Чтобы понять поведение электрода во время регистрации биопотенциалов на поверхности кожи, мы должны принять во внимание ещё одну дополнительную поверхность раздела — раздел между электрохимической системой электрод — электролит и кожей. При наложении электрода на кожу обычно используется прозрачный электролитный гель, содержащий С1^_ в качестве основного аниона, обеспечивающий надёжный электрический контакт.

Как вариант, можно использовать специальный электродный крем, который имеет консистенцию лосьона для рук и также содержит ионы Cl;

Поверхность раздела между этим гелем и электродом является границей того же типа, как и вышеописанная поверхность раздела электрод — электролит. Напротив, граница между электролитом и кожей отличается по своим свойствам и требует специального рассмотрения.

Для того чтобы отобразить на эквивалентной схеме (рис. 9.20) электрический контакт электрода с кожей при использовании электролитного геля, её следует дополнить так, как показано на рисунке 9.23.

Эквивалентная схема контакта электрод — электролит соответствует поверхности раздела электрода с гелем. В этой схеме последовательное сопротивление R_s отвечает эффективному сопротивлению геля в промежутке между электродом и кожей.

Мы можем рассматривать эпидермис (или по крайней мере его роговой слой) как полупроницаемую для ионов мембрану. Соответственно, на сторонах мембраны создаётся разность концентрации ионов (ионный градиент) и разность потенциалов E_se, определяемая уравнением Нернста.

Эпидермальный слой обладает электрическим импедансом, который можно смоделировать параллельной RC-цепочкой, как показано на рисунке 9.23.

Рис. 9.23. Накожный электрод и общая эквивалентная электрическая схема системы электрод—кожа. Каждый элемент схемы справа изображён приблизительно на том уровне левого рисунка, где происходят физические процессы, связанные с этим элементом Импеданс участка кожи площадью 1 см² уменьшается от величины приблизительно 200 кОм на частоте 1 Гц до 200 Ом на частоте 1 МГц. В целом дерму и лежащий под ней подкожный слой можно смоделировать одним активным сопротивлением, причём возникающими здесь постоянными потенциалами можно пренебречь.

Таким образом, мы видим, что электрод станет более стабильным, если уменьшить влияние рогового слоя. Мы можем сделать это, удалив из-под электрода роговой слой или по крайней мере часть его. Для этого существует множество способов — от энергичной чистки кожи тампоном, пропитанным ацетоном, до обдирания рогового слоя наждачной бумагой. Применение всех этих процедур приводит к закорачиванию (шунтированию) E_se, С_е и R_e (рис. 9.23) и, следовательно, к увеличению стабильности сигнала.

В некоторых случаях, например при измерениях кожно-электрического сигнала психогенной природы (кожногальваническая реакция, КГР), важную роль играют потовые железы и потовые протоки. Жидкость, секретируемая потовыми железами, содержит ионы Na+, К⁺ и С1- в концентрациях, которые отличаются от их концентрации в межклеточной жидкости. Следовательно, образуется разность потенциалов между просветом потового протока и дермой с подкожным слоем. Этот потенциал, который представляет потовую железу и проток, соединяется в схеме последовательно с параллельной Я_рС_р-цепочкой, как показано пунктирной линией на рисунке 9.23. В том случае, когда электроды не используются для измерения кожно-электрического сигнала или КГР, этими компонентами можно пренебречь.

Когда поляризуемый электрод находится в контакте с электролитом, у его поверхности образуется двойной слой зарядов. Если электрод перемещается относительно электролита, это механическое движение ведёт к изменению распределения зарядов на границе раздела, в результате чего происходит кратковременное изменение электродного потенциала, продолжающееся до тех пор, пока равновесие не установится вновь. Если в электролите находится пара электродов и один из них движется, в то время как другой остаётся неподвижным, между этими двумя электродами во время движения возникает разность потенциалов. Этот потенциал известен как артефакт движения, и он является серьёзной помехой при измерениях биопотенциалов.

Поскольку артефакт движения возникает главным образом из-за перераспределения зарядов на границе раздела электрод — электролит вследствие механического движения, следует ожидать, что этот эффект уменьшится при использовании неполяризуемых электродов.

Изучение сигналов, возникающих вследствие артефактов движения, показывает, что основной компонент этого шума лежит в низкочастотной области. Далее будет показано, что сигналы различных биопотенциалов имеют различные спектры. Низкочастотные артефакты не так сильно сказываются на сигналах ЭМГ или при измерении потенциалов действия (ПД) аксона, как на ЭКГ, ЭЭГ или ЭОГ. В первом случае вклад артефактов движения можно значительно уменьшить путём фильтрации исходного сигнала. Однако во втором случае подобная фильтрация приведёт к искажению сигнала. Следовательно, чтобы минимизировать артефакты движения, возникающие на границе раздела электрод — электролит, следует использовать неполяризуемые электроды.

При работе с накожными электродами артефакты движения не являются единственным источником неприятностей. Из показанной на рисунке 9.23 эквивалентной схемы следует, что в дополнение к электродному потенциалу E_hc имеется также потенциал E_se возникающий на границе раздела гель — кожа. Если при перемещении электрода его величина изменяется, этот потенциал также может вызывать артефакты движения. При использовании Ag/AgCl-электродов изменения именно этого потенциала являются основным источником артефактов движения. Артефакты можно значительно уменьшить, если с помощью тонкой абразивной бумаги механически удалить роговой слой кожи. Использование этой методики также ведёт к уменьшению эпидермальной составляющей импеданса кожи. Удаление внешнего защитного барьера делает эти участки кожи более чувствительными к раздражающему действию электролитного геля, следовательно, большое значение имеет выбор материала, из которого изготовлен гель. Следует также иметь в виду, что, поскольку эпидермис постоянно обновляется, роговой слой кожи может восстановиться в течение довольно короткого промежутка времени (за сутки), вновь став источником артефактов движения. Это следует принимать во внимание в том случае, когда электроды используются для продолжительного мониторинга. Разность потенциалов между внешней и внутренней поверхностью кожи можно измерить. Растяжение кожи изменяет этот потенциал на 5… 10 мВ, и это изменение также проявляется в виде артефакта движения. Десять проколов кожи диаметром 0,5 мм шунтируют эту разность потенциалов, при этом артефакт растяжения становится менее 0,2 мВ. Создана модель, объясняющая возникновение этого кожного потенциала и показано, что его можно уменьшить при сдирании слоя кожи при помощи липкой ленты.