1、 針電極、體表電極、微電極生物電極是一種常用的醫(yī)用傳感器件。在檢測生物電或行電刺激時，生物電極是儀器系統(tǒng)與生物體連接或耦合的環(huán)節(jié)。電極的用途是從生物體中直接取出電信號。應(yīng)用電極在生物體上獲取電信號時，被測對象的特點不同，采用的電極結(jié)構(gòu)也不一樣。在探測單個細(xì)胞或組織深部的電位時，采用微電極；測量組織局部區(qū)域的電活動時，采用針電極；測量生物體表的電位時，可采用體表電極。抗氧化不腐蝕組織具有生物惰性電極電位小 宏電極 微電極 針電極 體表電極 針針 電電 極極針電極是在使用時需要穿透皮膚直接與細(xì)胞外液接觸的電極，能形成良好的電極-電解質(zhì)溶液界面。針電極和其他形式電極在皮下形成的界面同體表電極相比，能

2、降低界面阻抗和移動的偽跡。由電化學(xué)知識可知，當(dāng)金屬放入含該金屬離子的電解質(zhì)溶液時，在金屬和溶液的界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電極電位。針電極的等效電路下圖所示：針電極一般由銀、鉑、鎳、不銹鋼或鎢制成，其電阻很小，制作也簡單。針電極的尺寸一般為毫米級。單極針電極同心圓針電極雙極同心圓針電極單纖維針電極多級針電極單極針電極以不銹鋼制成，針尖銳利，在尖端處裸露0.20.4mm，其他部分用絕緣膜覆蓋。單極針電極一般用于測定感覺神經(jīng)動作電位。測定時，將一單極針電極作為參考電極置于皮下。另一單極針電極作為記錄電極接近神經(jīng)干，此時可記錄到清晰、波幅大而穩(wěn)定的電位。單極針電極在使用前置于生理鹽水中可減少其電阻。單極針

3、電極還可用于記錄骨骼肌興奮的電變化。將電極按上下方向插入已經(jīng)分離好的蛙類或蟾蜍的腓腸肌中，利用RM6240B生理實驗系統(tǒng)便可實現(xiàn)骨骼肌靜息電位與動作電位的記錄。在針管中心穿一根絕緣金屬細(xì)絲，針管內(nèi)充填滿絕緣材料(如環(huán)氧樹脂)，再用銼刀銼針的頂部，以使中心金屬絲露出作為觸點。內(nèi)絲一般由鎳鉻合金、銀或白金組成，直徑約0.1mm。針尖為橢圓形，面積為150m600m。細(xì)絲另一端接同軸電纜的芯線，針身接到同軸電纜的屏蔽線上。這種電極具有屏蔽作用，亦稱之為屏蔽針電極。同心圓針電極最主要的應(yīng)用在于肌電圖的檢測。在活體內(nèi)，當(dāng)肌肉收縮時，動作電位可從肌纖維經(jīng)組織的導(dǎo)電作用反映至皮膚表面。經(jīng)針電極直接插入肌肉內(nèi)

4、，可記錄到肌肉活動時的動作電位。這種記錄叫做肌電圖（EMG）。在臨床上，肌電圖可用來判定神經(jīng)、肌肉所處的功能狀態(tài)，也就是骨骼肌纖維受神經(jīng)支配的狀況，以及神經(jīng)肌纖維本身的狀態(tài)，這有助于對運(yùn)動神經(jīng)、肌肉疾患的診斷。在科學(xué)研究上，肌電圖也是一種有用的觀察指標(biāo)。A 單相；B 雙相；C 三相同心圓針電極刺入肌肉內(nèi)可接觸110條肌纖維，可引導(dǎo)鄰近針尖的幾千條肌纖維的電活動。然而，實際上由于一個運(yùn)動單位通常包含幾百條肌纖維，其直徑可達(dá)幾個mm，而針電極只能接觸少數(shù)肌纖維，引導(dǎo)0.5mm范圍內(nèi)的電活動，所以利用針電極測得的電位也僅是運(yùn)動單位中的小部分肌纖維電活動的總和。與同心圓針電極類似的電極是雙極同心圓針電

5、極。不過與同心圓針電極不同的是，雙極同心圓針電極的針管內(nèi)有兩條細(xì)金屬絲，且兩條之間相互絕緣。雙極同心圓針電極所測定的范圍較小而局限，只能測到少數(shù)的肌纖維，又不易了解運(yùn)動單元電位的全貌，因此臨床上只在特殊選擇的分析時才使用。雙極同心圓針電極應(yīng)用的一個典型例子就是腕管綜合癥（亦稱腕正中神經(jīng)卡壓癥）治療手術(shù)前，利用雙極同心圓針電極檢查患側(cè)拇短展肌、拇對掌肌在靜息時自發(fā)電位情況，以及輕、重收縮時運(yùn)動單位電位。單纖維針電極由一個旁開小孔的針管和直徑25m的絕緣金屬細(xì)絲組成。除側(cè)孔外其余部分均絕緣，以使所記錄的信號具有高度的選擇性，其收集面積為離針大約300 m 的范圍，僅可記錄到12條肌纖維的信息。一個

6、針管中也可安置多個絕緣細(xì)絲，以同時收集一系列的單纖維電位。但目前臨床最常用的還是只安置一條細(xì)絲的電極。單纖維針電極最主要的應(yīng)用在于單纖維肌電圖的檢測。單纖維肌電圖(SFEMG)用于研究一個運(yùn)動單位內(nèi)不同肌纖維及其運(yùn)動終板的電活動。由于單纖維肌電圖需要用一收集范圍非常小的針電極，以便個別地收集肌纖維電位，所以單纖維針電極的特點正好適用于單纖維肌電圖的記錄。單纖維肌電圖在對重癥肌無力（MG）、運(yùn)動神經(jīng)元病（MND）、周圍神經(jīng)病（如糖尿病性神經(jīng)病、酒精中毒性神經(jīng)病、尿毒癥性神經(jīng)病等）、肌病等都有很重要的檢測及預(yù)防的意義。多級針電極是在針管內(nèi)安置三條或更多的絕緣絲，每條細(xì)絲的直徑為1mm，在針管的側(cè)面

7、分別為每一條絕緣絲各自開口，開口的距離可以不同。多極針電極主要用于測定運(yùn)動單位電位的范圍。測定肌病時，常用開口間距為0.5mm的針電極，測定周圍神經(jīng)時，多用開口間距為1mm的針電極。多極電極的針較粗大，可能引起患者一定程度的不適。1791年，Galvaani的一次實驗，產(chǎn)生了電生理學(xué)的技術(shù)和概念。1820年，丹麥的科學(xué)家發(fā)明了電流計以后，意大利的物理學(xué)家Matteucci.C開始利用針電極和體表電極進(jìn)行電生理學(xué)的實驗，發(fā)現(xiàn)肌肉的橫斷面與未損傷部位之間存在電流，而且這種電流是從未損傷部位流向橫斷面的。但是，此時的人們并不清楚這種電流產(chǎn)生的基礎(chǔ)。經(jīng)過80年的艱苦努力，人們終于發(fā)現(xiàn)活組織本身就存在生

8、物電，當(dāng)肌肉被橫切時在局部會產(chǎn)生損傷電位。另外，電流作用于組織時也會引起組織本身的興奮與電位的變化。與此同時，電生理學(xué)技術(shù)也開始應(yīng)用于臨床，如對心臟的研究，記錄出了心電圖。肌電圖、腦電圖也在此時相繼產(chǎn)生。20世紀(jì)60年代，隨著計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用，電生理學(xué)的記錄又得到了一次跨越式的發(fā)展。利用計算機(jī)技術(shù)，可做肌電圖的自動分析，如解析肌電圖、單纖維肌電圖以及巨肌電圖等，提高了診斷的陽性率。針電極由于其尺寸較大、制作簡單、使用方便的特點，如今已鮮有人將針電極作為專門的研究課題。與針電極有關(guān)的研究，主要集中在對肌電圖的研究上。如何將肌電圖作為臨床上確診疾病的手段？雖然肌電圖在脊髓前角細(xì)胞疾病、周圍神經(jīng)病、肌

9、源性疾病和錐體外系疾病的檢測中有重要作用，但是想要利用肌電圖確診此類疾病還需要漫長的研究過程。雖然針電極使用起來很方便，但并不是所有的肌肉都適合使用針電極插入，或者有的肌肉插入方法并無標(biāo)準(zhǔn)，如何能讓針電極按照標(biāo)準(zhǔn)插入所需檢測的肌肉中，一直是人們研究的課題。一個典型例子就是，肛門外括約肌(EAS)肌電圖檢查方便而無太多不適,且易于尋找典型的運(yùn)動單位動作電位(MUPs)。然而肛門外括約肌解剖很復(fù)雜，而針電極插入技術(shù)尚未標(biāo)準(zhǔn)化。如何使得針電極插入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化以獲得準(zhǔn)確的肌電圖，一直是研究的熱點。 體體 表表 電電 極極在體表采用體表電極檢測生物電位時，常采用兩個電極安放在人體的表面，在電極與體表間加有

10、導(dǎo)電膏時，將有兩個界面存在，如下圖（a）所示。一個是電極與導(dǎo)電膏間的界面，另一個是導(dǎo)電膏與表皮間的界面：電極與導(dǎo)電膏界面存在半電池電位E，表皮的外層（角質(zhì)層）可看作是對于離子的半透膜，膜兩邊若有離子濃度差別，則存在電位差E。表皮的阻抗以Re和Ce表示，表皮下面的真皮和皮下層則呈現(xiàn)純電阻特性，因此上圖（b）就反映了用一對電極檢測生物電的實際電路模型。體表電極一般由銀、鉑、鎳、不銹鋼或鎢制成，其電阻很小，制作也簡單。體表電極的尺寸一般為毫米級。 金屬盤電極 金屬板電極 吸球電極 按扣電極腦電圖與皮層電圖腦電地形圖肌電圖心電圖將體表引導(dǎo)電極放在頭皮上，通過腦電圖機(jī)可以記錄出大腦皮層的自發(fā)電位，所記錄

11、到的腦電活動的圖形，稱為腦電圖（EEG）。在動物實驗或在臨床給病人做開顱手術(shù)時，為了診斷的目的，也可以把引導(dǎo)電極直接放在大腦皮層的表面來記錄其自發(fā)電活動，所得圖形稱為皮層電圖（ECoG）。腦電圖的波形很不規(guī)則，但有些類似正弦波，可以作為以正弦波為主體的波動來進(jìn)行分析。通常根據(jù)其頻率和振幅不同，可以把正常的腦電圖分為四種基本波形：波：頻率813次/s，振幅20100V波：頻率1430次/s，振幅520V波：頻率47次/s，振幅約100150V波：頻率13.5次/s，振幅20200V腦電地形圖采集腦電波的方法與腦電圖類似，都是將體表引導(dǎo)電極放在頭皮上，通過特殊的儀器可以記錄出大腦皮層的自發(fā)電位，不

12、過腦電地形圖儀利用了計算機(jī)強(qiáng)大的計算功能，將腦電圖進(jìn)行一定的處理。常規(guī)腦電圖的波形復(fù)雜，不易閱讀和分析，許多信息不能方便的從中提取出來。計算機(jī)的應(yīng)用，為腦電圖的閱讀分析、信息提取等提供了許多新的手段。通過快速傅里葉轉(zhuǎn)換，可獲得精確的腦電功率譜，并能在很短時間內(nèi)完成運(yùn)算。在功率譜分析的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的腦電地形圖技術(shù)，是腦電記錄與分析技術(shù)的又一發(fā)展。在活體內(nèi)，當(dāng)肌肉收縮時，動作電位可從肌纖維經(jīng)組織的導(dǎo)電作用反映至皮膚表面。在皮膚表面放兩個金屬電極，可記錄到肌肉活動時的動作電位。這種記錄叫做肌電圖（EMG）。所用的體表電極為直徑約1cm的金屬圓盤，記錄時將兩個體表電極，沿肌肉的縱方向（距離約2cm）

13、粘貼在待查肌肉的皮膚表面上作為引導(dǎo)電極，而在離開引導(dǎo)電極的部位，粘貼12個體表電極接地。A 干擾相；B 混合相；C 單純相心電圖指的是心臟在每個心動周期中，由起搏點、心房、心室相繼興奮，伴隨著心電圖生物電的變化，通過心電描記器從體表引出多種形式的電位變化的圖形（簡稱ECG）。心電圖是心臟興奮的發(fā)生、傳播及恢復(fù)過程的客觀指標(biāo)。心電圖的記錄，通常要用到以下兩種電極：肢體電極吸球電極肢體電極用于連接左上肢（L），右上肢（R），左下肢（F），和右下肢（RF），用來記錄I，II，III，aVR，aVL，aVF心電信號。電極尺寸在36cm之間，用導(dǎo)電膏來減小電極與皮膚之間的阻抗。吸球電極用于胸部短期的EC

14、G記錄。測量V1V6的心電信號。胸導(dǎo)聯(lián)電極連接部位1791年，Galvaani的一次實驗，產(chǎn)生了電生理學(xué)的技術(shù)和概念。1820年，丹麥的科學(xué)家發(fā)明了電流計以后，意大利的物理學(xué)家Matteucci.C開始利用針電極和體表電極進(jìn)行電生理學(xué)的實驗，發(fā)現(xiàn)肌肉的橫斷面與未損傷部位之間存在電流，而且這種電流是從未損傷部位流向橫斷面的。但是，此時的人們并不清楚這種電流產(chǎn)生的基礎(chǔ)。經(jīng)過80年的艱苦努力，人們終于發(fā)現(xiàn)活組織本身就存在生物電，當(dāng)肌肉被橫切時在局部會產(chǎn)生損傷電位。另外，電流作用于組織時也會引起組織本身的興奮與電位的變化。與此同時，電生理學(xué)技術(shù)也開始應(yīng)用于臨床，如對心臟的研究，記錄出了心電圖。肌電圖、

15、腦電圖也在此時相繼產(chǎn)生。20世紀(jì)60年代，隨著計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用，電生理學(xué)的記錄又得到了一次跨越式的發(fā)展。腦電圖的記錄結(jié)合計算機(jī)應(yīng)用出現(xiàn)了腦電地形圖；同時，利用計算機(jī)技術(shù)，可做肌電圖的自動分析，如解析肌電圖、單纖維肌電圖以及巨肌電圖等，提高了診斷的陽性率。體表電極由于其出現(xiàn)時間早，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，所以如今專門研究體表電極的研究人員已經(jīng)很少了，大部分的研究集中在體表電極的臨床應(yīng)用上，如心電圖、肌電圖與腦電圖。在刺激時間很長的慢性實驗中不適用。因為，在電流作用下，離子由電極進(jìn)入組織，可產(chǎn)生毒性作用。在記錄直流信號時，由于形成電極電位，影響實驗結(jié)果。而在做細(xì)胞內(nèi)記錄時，需使用尖端尺寸比細(xì)胞還小的微電極

16、。因此，在一些要求較高的科研實驗，做精確記錄時，必須使用一些更為復(fù)雜的電極。 微微 電電 極極常用微電極有金屬和玻璃兩類，其電學(xué)性質(zhì)不同，適用范圍也略有差別。金屬微電極是一種高強(qiáng)度金屬細(xì)針，尖端以外的部分用漆或玻璃絕緣。金屬電極絲由不銹鋼、鉑銥合金或碳化鎢絲在酸性溶液中電解腐蝕而成，有多種成品可供選擇，其缺點是微電極的幾何形狀與絕緣狀態(tài)難以保持一致。玻璃微電極由用戶根據(jù)需要用硬質(zhì)毛細(xì)管拉制而成。用于測量細(xì)胞內(nèi)靜息電位和動作電位時，其尖端需小于0.5m；用于測量細(xì)胞外活性區(qū)域非活性點電位時，其尖端可為15m。上圖所示為單管玻璃微電極的結(jié)構(gòu)示意圖。在電極的粗端插入銀氯化銀電極絲作為電氣連接。玻璃微

17、電極尖端內(nèi)的電解液，與被測組織液之間形成了液體接觸界面，界面的兩側(cè)離子遷移率和濃度不同，可以形成電位差。另一方面，由于電極尖端內(nèi)徑極小，因此形成高電極阻抗。通常選用3mol/L KCl溶液灌注玻璃微電極，用以減小電極阻抗。玻璃微電極可做成多管式，如右圖所示。多管玻璃微電極的臨床應(yīng)用普通微電極的臨床應(yīng)用多管玻璃微電極主要用于觀察在藥物作用下的細(xì)胞生物電活動，是研究中樞功能與物質(zhì)傳遞的重要手段。其優(yōu)點在于藥物直接作用在較小范圍，藥物用量及其作用時間均可精確測定。記錄管藥物管對照管記錄管用以觀察細(xì)胞電活動，其作用與單管微電極相同。藥物管用以向被觀察細(xì)胞鄰近的極小范圍內(nèi)，通過微電泳法導(dǎo)入離子化藥物。為

18、避免管內(nèi)高濃度藥物不至于因濃度差而向組織液中彌散，藥物管在不導(dǎo)出藥物時，需加以與導(dǎo)出藥物時極性相反的滯留電流，其大小常為毫微安的量級。然而，滯留藥物的電流將會導(dǎo)出同藥物離子極性相反的非藥物離子（例如溶液中的Cl-離子等），以致破壞被觀察細(xì)胞附近局部組織的電中性。對照管的一個作用是保持被觀察細(xì)胞局部環(huán)境的電中性，方法是由它導(dǎo)出為達(dá)到電中性目的所需極性和數(shù)量的離子，如Na+離子。對照管的另一作用是與微電泳藥物的效應(yīng)相對照。當(dāng)被觀察細(xì)胞出現(xiàn)陽性反應(yīng)時，為確定此反應(yīng)是藥物而不是電流的作用，需借對照管所灌注的、不會引起被觀察細(xì)胞陽性反應(yīng)的離子，通進(jìn)與導(dǎo)入藥物同樣大小的電泳電流。細(xì)胞外記錄細(xì)胞內(nèi)記錄電壓鉗

19、記錄細(xì)胞放電產(chǎn)生細(xì)胞外電流，從膜的靜息區(qū)流向活動區(qū)，用細(xì)胞外電極能記錄到這種間質(zhì)性電流。得到的記錄在外形上近似于膜電位真正變化（細(xì)胞內(nèi)記錄得到的是單相波）的二次微分一個短暫的雙相峰波。軸突的鋒電位主要表現(xiàn)為正鋒電位，迅速上升，緩慢衰減。當(dāng)微電極離活動神經(jīng)元150200m時，開始記錄出單相負(fù)鋒電位，距離愈近，幅度愈大。進(jìn)一步接近胞體時，鋒電位幅度可達(dá)15mV并呈雙相正-負(fù)波形。細(xì)胞內(nèi)微電極為記錄單個細(xì)胞活動提供最好的方法，無論在細(xì)胞的靜息期或活動期，都能獲得有關(guān)膜電變化的完全定量的資料。微電極推進(jìn)中常不可避免的造成神經(jīng)元的損傷。靜息膜電位和動作電位的幅度較小，或迅速變小及持續(xù)期延長；鋒電位立即轉(zhuǎn)

20、變成正后電位；以及高頻放電等情況的出現(xiàn)，均表明神經(jīng)元功能狀態(tài)不佳，神經(jīng)元受損或死亡。由于胞膜本身具有黏液介質(zhì)的性質(zhì)，刺入電極所致的輕微損傷常可自行封合，所以微電極記到的電位仍能反映細(xì)胞膜兩側(cè)的真正電位差。細(xì)胞膜的靜息電位和動作電位是由于離子流跨膜流動引起的。為了了解各種不同離子在細(xì)胞活動過程中的跨膜流動規(guī)律，需要將欲研究的單一離子流從眾多復(fù)合的離子流中分離出來。利用離子通道啟閉的電壓依從性，電壓鉗記錄采用靈敏的負(fù)反饋放大器，用胞內(nèi)或軸突內(nèi)注入電流的方法，人為的將一定空間的細(xì)胞膜的膜電位鉗制在某一水平并維持一定時間，即可選擇性的激活某一離子通道活動，來研究有關(guān)的某一跨膜離子流。在多細(xì)胞標(biāo)本上，雙

21、微電極法是電壓鉗記錄的方法之一。雙微電極法同時向細(xì)胞內(nèi)刺入兩個微電極，一個注入電流，另一個監(jiān)測膜電位，可以避免細(xì)胞外液導(dǎo)電的短路效應(yīng)，并且由于兩個微電極之間的距離僅約0.2mm左右，易于保證電壓鉗在空間上的均勻性。在游離的單細(xì)胞標(biāo)本上，有兩種方法進(jìn)行電壓鉗記錄。第一種方法，可用一個微吸管電極吸破細(xì)胞膜，使微吸管內(nèi)液與細(xì)胞內(nèi)液相通，以進(jìn)行電壓鉗制，也可用雙微電極刺入同一細(xì)胞進(jìn)行電壓鉗制。游離單細(xì)胞鉗制效果較好，并可避免多細(xì)胞標(biāo)本電壓鉗制過程中細(xì)胞間隙離子濃度變化本身所致的假象，是較理想的電壓鉗制記錄法。微電極是在20世紀(jì)30、40年代發(fā)展起來的。微電極的發(fā)現(xiàn)，迅速的為可興奮組織的顯微生理學(xué)奠定了

22、基礎(chǔ)。1939年，Cole、Curtis、Hodgkin、Huxley首次成功的進(jìn)行了烏賊巨軸突的軸突內(nèi)記錄，揭開了細(xì)胞記錄的新篇章。此時的記錄是將圓柱形的金屬或玻璃微電極沿軸突走行，縱行刺入軸突內(nèi)的。第2年，一位年僅21歲的研究生Graham，開始在Gerard的實驗室用微電極做細(xì)胞內(nèi)穿刺，并于翌年即記錄到了肌細(xì)胞的細(xì)胞內(nèi)“真正電位”。當(dāng)時，她所用的微電極尖端直徑約10m，所記錄到的靜息電位平均為41mV，是有史以來最好的記錄。1942年，當(dāng)Gerard在美國生理學(xué)會報告時，他們所用的微電極尖端平均直徑為510m，靜息電位平均為54mV。此時，他們已經(jīng)意識到微電極尖端的高電阻使快速變化的動作電位記錄失真。1946年，在Graham離開之后，一