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 ис-
следований, полученные при проведении научно-исследова-
тельских работ в ряде ведущих медицинских центров. Совместная
работа инженерного и медицинского персонала не только под-
твердила неизбежность взаимопроникновения технических и ме-
дико-биологических дисциплин, но и уточнила круг вопросов,
знание которых необходимо инженерам при разработке и эксплуа-
тации рассматриваемой в пособии медицинской техники.
Пособие состоит из двух частей. В первой части рассматрива-
ются электрохимические основы потенциалообразующих процес-
сов в измерительной ячейке, устанавливаются зависимости, опре-
деляющие потенциал электрода и потенциал смещения, описыва-
ются  электропроводность отведения как биологических структур,
так и искусственных электролитов, приводятся сведения по соста-
вам и применению электродного контактного вещества. Перечис-
ленные характеристики и закономерности являются научно-
технической основой для изучения типов, особенностей конструи-
рования 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 ос-
новные закономерности и правила применения электродов, позво-
ляющие свести к минимуму технические ошибки измерения.
Практика работы в области биомедицинских измерений пока-
зывает, что в ряде случаев специалист в области медицинской тех-
ники должен проявить компетентность не только в конструкции
технического устройства, но и в методических вопросах примене-
ния этой техники  (время обследования, продолжительность об-
следования, размещение электродов на биообъекте). Эта группа
вопросов рассматривается во второй части пособия, посвященной
структурной организации биообъекта, собственному времени био-
объекта, биологическим ритмам и топографии электродов.
Изучение материалов данного учебного пособия студентами
технических ВУЗов целесообразно после знакомства с соответст-
вующими разделами биологии, анатомии, физиологии, биохимии,

клинической медицины и должно предшествовать изучению ме-
дицинских 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 назначе-
ния (СИМН). Если информация о БО отражается в качественных
характеристиках, то такое изделие называют индикатором меди-
цинского назначения. Шкала индикаторов не имеет оцифрованных
делений, однако на ней могут быть выделены одна или две харак-
терные 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 преобразова-
ния измеряемой величины в другую величину или измерительный
сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразо-
ваний, индикации или передачи [2].
Классификация ИП основана на использовании различных
признаков. К более общей относят классификацию, связанную с
видом преобразуемой (входной) энергии (например, тепловые, ме-
ханические, оптические, электрические, магнитные и другие ИП).
Выходным сигналом ИП является, как правило, электрический
сигнал (например, преобразование температуры объекта в электри-
ческий 
сигнал). 
К 
другому 
классификационному 
признаку
относят физическое явление, лежащее в основе работы ИП (напри-
мер, термоэлектрический ИП, оптоэлектронный ИП и др.). Сле-
дующим классификационным признаком может быть тип диагно-
стической процедуры, при которой используется данный ИП (на-
пример, электрокардиографический биоэлектрический электрод).
Биоэлектрический электрод (БЭ) – устройство, используемое
при съеме биоэлектрических потенциалов и имеющее токосъем-
ную поверхность, контактирующую с биологическим объектом, и
выходные элементы (Приложение 1).
Поскольку биоэлектрические электроды в медицинской прак-
тике являются наиболее распространенным и значимым типом из-
мерительных преобразователей, на их примере рассмотрим осо-

                                                          

∗ Во избежание терминологических ошибок следует помнить о других уста-
новленных классификационных рубриках — медицинском оборудовании, меди-
цинских 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 преобразова-
тель; 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 изме-
рительной 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 парамет-
ров: химических, электрических, тепловых, оптических, механиче-
ских и т. д. Назначение биоэлектрического электрода – выделение
и дальнейшее преобразование биоэлектрических потенциалов. Од-
нако, как мы увидим дальше, на функцию преобразования элек-
трода 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  конст-
рукции 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 ос-
новную 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 ха-
рактеристик как БО, так и электрода.
5. БЭ подвергается влиянию внешней среды, при этом могут
изменяться параметры преобразования.
Очевидно, что изменения температуры, влажности, механиче-
ских воздействий и других параметров внешней среды могут ока-
зывать 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 законо-
дательно установленными нормативными метрологическими харак-
теристиками, которые определяют погрешность измерения стан-
дартных 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 пер-
вую очередь,  корректных имитаторов биоэлектрических сигналов,
в достаточной мере отражающих как реальные свойства биообъек-
тов, так и их взаимодействие с биоэлектрическим электродом.
Конструкция первых простейших биоэлектрических электро-
дов для электрокардиографии была предложена Эйнтховеном
около ста лет назад. Сначала это были простые контактные метал-
лические пластинки, затем они были преобразованы в медные ем-
кости с водой, куда погружались конечности пациентов. К на-
стоящему 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 био-
объекта – с одной стороны; материаловедения, электрохимии,
электроники, метрологии – с другой стороны, т. е. на основе прин-
ципов  методологии анализа и синтеза биотехнических систем (см.
Приложение 1). Изучение особенностей  работы и характеристик
биоэлектрических электродов следует начать с наиболее типично-
го и распространенного случая – контактного взаимодействия
электрода и биообъекта в формализованной схеме отведения.