1、 针电极、体表电极、微电极生物电极是一种常用的医用传感器件。在检测生物电或行电刺激时，生物电极是仪器系统与生物体连接或耦合的环节。电极的用途是从生物体中直接取出电信号。应用电极在生物体上获取电信号时，被测对象的特点不同，采用的电极结构也不一样。在探测单个细胞或组织深部的电位时，采用微电极；测量组织局部区域的电活动时，采用针电极；测量生物体表的电位时，可采用体表电极。抗氧化不腐蚀组织具有生物惰性电极电位小 宏电极 微电极 针电极 体表电极 针针 电电 极极针电极是在使用时需要穿透皮肤直接与细胞外液接触的电极，能形成良好的电极-电解质溶液界面。针电极和其他形式电极在皮下形成的界面同体表电极相比，能
2、降低界面阻抗和移动的伪迹。由电化学知识可知，当金属放入含该金属离子的电解质溶液时，在金属和溶液的界面发生化学反应产生电极电位。针电极的等效电路下图所示：针电极一般由银、铂、镍、不锈钢或钨制成，其电阻很小，制作也简单。针电极的尺寸一般为毫米级。单极针电极同心圆针电极双极同心圆针电极单纤维针电极多级针电极单极针电极以不锈钢制成，针尖锐利，在尖端处裸露0.20.4mm，其他部分用绝缘膜覆盖。单极针电极一般用于测定感觉神经动作电位。测定时，将一单极针电极作为参考电极置于皮下。另一单极针电极作为记录电极接近神经干，此时可记录到清晰、波幅大而稳定的电位。单极针电极在使用前置于生理盐水中可减少其电阻。单极针
3、电极还可用于记录骨骼肌兴奋的电变化。将电极按上下方向插入已经分离好的蛙类或蟾蜍的腓肠肌中，利用RM6240B生理实验系统便可实现骨骼肌静息电位与动作电位的记录。在针管中心穿一根绝缘金属细丝，针管内充填满绝缘材料(如环氧树脂)，再用锉刀锉针的顶部，以使中心金属丝露出作为触点。内丝一般由镍铬合金、银或白金组成，直径约0.1mm。针尖为椭圆形，面积为150m600m。细丝另一端接同轴电缆的芯线，针身接到同轴电缆的屏蔽线上。这种电极具有屏蔽作用，亦称之为屏蔽针电极。同心圆针电极最主要的应用在于肌电图的检测。在活体内，当肌肉收缩时，动作电位可从肌纤维经组织的导电作用反映至皮肤表面。经针电极直接插入肌肉内
4、，可记录到肌肉活动时的动作电位。这种记录叫做肌电图（EMG）。在临床上，肌电图可用来判定神经、肌肉所处的功能状态，也就是骨骼肌纤维受神经支配的状况，以及神经肌纤维本身的状态，这有助于对运动神经、肌肉疾患的诊断。在科学研究上，肌电图也是一种有用的观察指标。A 单相；B 双相；C 三相同心圆针电极刺入肌肉内可接触110条肌纤维，可引导邻近针尖的几千条肌纤维的电活动。然而，实际上由于一个运动单位通常包含几百条肌纤维，其直径可达几个mm，而针电极只能接触少数肌纤维，引导0.5mm范围内的电活动，所以利用针电极测得的电位也仅是运动单位中的小部分肌纤维电活动的总和。与同心圆针电极类似的电极是双极同心圆针电
5、极。不过与同心圆针电极不同的是，双极同心圆针电极的针管内有两条细金属丝，且两条之间相互绝缘。双极同心圆针电极所测定的范围较小而局限，只能测到少数的肌纤维，又不易了解运动单元电位的全貌，因此临床上只在特殊选择的分析时才使用。双极同心圆针电极应用的一个典型例子就是腕管综合症（亦称腕正中神经卡压症）治疗手术前，利用双极同心圆针电极检查患侧拇短展肌、拇对掌肌在静息时自发电位情况，以及轻、重收缩时运动单位电位。单纤维针电极由一个旁开小孔的针管和直径25m的绝缘金属细丝组成。除侧孔外其余部分均绝缘，以使所记录的信号具有高度的选择性，其收集面积为离针大约300 m 的范围，仅可记录到12条肌纤维的信息。一个
6、针管中也可安置多个绝缘细丝，以同时收集一系列的单纤维电位。但目前临床最常用的还是只安置一条细丝的电极。单纤维针电极最主要的应用在于单纤维肌电图的检测。单纤维肌电图(SFEMG)用于研究一个运动单位内不同肌纤维及其运动终板的电活动。由于单纤维肌电图需要用一收集范围非常小的针电极，以便个别地收集肌纤维电位，所以单纤维针电极的特点正好适用于单纤维肌电图的记录。单纤维肌电图在对重症肌无力（MG）、运动神经元病（MND）、周围神经病（如糖尿病性神经病、酒精中毒性神经病、尿毒症性神经病等）、肌病等都有很重要的检测及预防的意义。多级针电极是在针管内安置三条或更多的绝缘丝，每条细丝的直径为1mm，在针管的侧面
7、分别为每一条绝缘丝各自开口，开口的距离可以不同。多极针电极主要用于测定运动单位电位的范围。测定肌病时，常用开口间距为0.5mm的针电极，测定周围神经时，多用开口间距为1mm的针电极。多极电极的针较粗大，可能引起患者一定程度的不适。1791年，Galvaani的一次实验，产生了电生理学的技术和概念。1820年，丹麦的科学家发明了电流计以后，意大利的物理学家Matteucci.C开始利用针电极和体表电极进行电生理学的实验，发现肌肉的横断面与未损伤部位之间存在电流，而且这种电流是从未损伤部位流向横断面的。但是，此时的人们并不清楚这种电流产生的基础。经过80年的艰苦努力，人们终于发现活组织本身就存在生
8、物电，当肌肉被横切时在局部会产生损伤电位。另外，电流作用于组织时也会引起组织本身的兴奋与电位的变化。与此同时，电生理学技术也开始应用于临床，如对心脏的研究，记录出了心电图。肌电图、脑电图也在此时相继产生。20世纪60年代，随着计算机技术应用，电生理学的记录又得到了一次跨越式的发展。利用计算机技术，可做肌电图的自动分析，如解析肌电图、单纤维肌电图以及巨肌电图等，提高了诊断的阳性率。针电极由于其尺寸较大、制作简单、使用方便的特点，如今已鲜有人将针电极作为专门的研究课题。与针电极有关的研究，主要集中在对肌电图的研究上。如何将肌电图作为临床上确诊疾病的手段？虽然肌电图在脊髓前角细胞疾病、周围神经病、肌
9、源性疾病和锥体外系疾病的检测中有重要作用，但是想要利用肌电图确诊此类疾病还需要漫长的研究过程。虽然针电极使用起来很方便，但并不是所有的肌肉都适合使用针电极插入，或者有的肌肉插入方法并无标准，如何能让针电极按照标准插入所需检测的肌肉中，一直是人们研究的课题。一个典型例子就是，肛门外括约肌(EAS)肌电图检查方便而无太多不适,且易于寻找典型的运动单位动作电位(MUPs)。然而肛门外括约肌解剖很复杂，而针电极插入技术尚未标准化。如何使得针电极插入技术标准化以获得准确的肌电图，一直是研究的热点。 体体 表表 电电 极极在体表采用体表电极检测生物电位时，常采用两个电极安放在人体的表面，在电极与体表间加有
10、导电膏时，将有两个界面存在，如下图（a）所示。一个是电极与导电膏间的界面，另一个是导电膏与表皮间的界面：电极与导电膏界面存在半电池电位E，表皮的外层（角质层）可看作是对于离子的半透膜，膜两边若有离子浓度差别，则存在电位差E。表皮的阻抗以Re和Ce表示，表皮下面的真皮和皮下层则呈现纯电阻特性，因此上图（b）就反映了用一对电极检测生物电的实际电路模型。体表电极一般由银、铂、镍、不锈钢或钨制成，其电阻很小，制作也简单。体表电极的尺寸一般为毫米级。 金属盘电极 金属板电极 吸球电极 按扣电极脑电图与皮层电图脑电地形图肌电图心电图将体表引导电极放在头皮上，通过脑电图机可以记录出大脑皮层的自发电位，所记录
11、到的脑电活动的图形，称为脑电图（EEG）。在动物实验或在临床给病人做开颅手术时，为了诊断的目的，也可以把引导电极直接放在大脑皮层的表面来记录其自发电活动，所得图形称为皮层电图（ECoG）。脑电图的波形很不规则，但有些类似正弦波，可以作为以正弦波为主体的波动来进行分析。通常根据其频率和振幅不同，可以把正常的脑电图分为四种基本波形：波：频率813次/s，振幅20100V波：频率1430次/s，振幅520V波：频率47次/s，振幅约100150V波：频率13.5次/s，振幅20200V脑电地形图采集脑电波的方法与脑电图类似，都是将体表引导电极放在头皮上，通过特殊的仪器可以记录出大脑皮层的自发电位，不
12、过脑电地形图仪利用了计算机强大的计算功能，将脑电图进行一定的处理。常规脑电图的波形复杂，不易阅读和分析，许多信息不能方便的从中提取出来。计算机的应用，为脑电图的阅读分析、信息提取等提供了许多新的手段。通过快速傅里叶转换，可获得精确的脑电功率谱，并能在很短时间内完成运算。在功率谱分析的基础上发展起来的脑电地形图技术，是脑电记录与分析技术的又一发展。在活体内，当肌肉收缩时，动作电位可从肌纤维经组织的导电作用反映至皮肤表面。在皮肤表面放两个金属电极，可记录到肌肉活动时的动作电位。这种记录叫做肌电图（EMG）。所用的体表电极为直径约1cm的金属圆盘，记录时将两个体表电极，沿肌肉的纵方向（距离约2cm）
13、粘贴在待查肌肉的皮肤表面上作为引导电极，而在离开引导电极的部位，粘贴12个体表电极接地。A 干扰相；B 混合相；C 单纯相心电图指的是心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着心电图生物电的变化，通过心电描记器从体表引出多种形式的电位变化的图形（简称ECG）。心电图是心脏兴奋的发生、传播及恢复过程的客观指标。心电图的记录，通常要用到以下两种电极：肢体电极吸球电极肢体电极用于连接左上肢（L），右上肢（R），左下肢（F），和右下肢（RF），用来记录I，II，III，aVR，aVL，aVF心电信号。电极尺寸在36cm之间，用导电膏来减小电极与皮肤之间的阻抗。吸球电极用于胸部短期的EC
14、G记录。测量V1V6的心电信号。胸导联电极连接部位1791年，Galvaani的一次实验，产生了电生理学的技术和概念。1820年，丹麦的科学家发明了电流计以后，意大利的物理学家Matteucci.C开始利用针电极和体表电极进行电生理学的实验，发现肌肉的横断面与未损伤部位之间存在电流，而且这种电流是从未损伤部位流向横断面的。但是，此时的人们并不清楚这种电流产生的基础。经过80年的艰苦努力，人们终于发现活组织本身就存在生物电，当肌肉被横切时在局部会产生损伤电位。另外，电流作用于组织时也会引起组织本身的兴奋与电位的变化。与此同时，电生理学技术也开始应用于临床，如对心脏的研究，记录出了心电图。肌电图、
15、脑电图也在此时相继产生。20世纪60年代，随着计算机技术应用，电生理学的记录又得到了一次跨越式的发展。脑电图的记录结合计算机应用出现了脑电地形图；同时，利用计算机技术，可做肌电图的自动分析，如解析肌电图、单纤维肌电图以及巨肌电图等，提高了诊断的阳性率。体表电极由于其出现时间早，技术已经相当成熟，所以如今专门研究体表电极的研究人员已经很少了，大部分的研究集中在体表电极的临床应用上，如心电图、肌电图与脑电图。在刺激时间很长的慢性实验中不适用。因为，在电流作用下，离子由电极进入组织，可产生毒性作用。在记录直流信号时，由于形成电极电位，影响实验结果。而在做细胞内记录时，需使用尖端尺寸比细胞还小的微电极
16、。因此，在一些要求较高的科研实验，做精确记录时，必须使用一些更为复杂的电极。 微微 电电 极极常用微电极有金属和玻璃两类，其电学性质不同，适用范围也略有差别。金属微电极是一种高强度金属细针，尖端以外的部分用漆或玻璃绝缘。金属电极丝由不锈钢、铂铱合金或碳化钨丝在酸性溶液中电解腐蚀而成，有多种成品可供选择，其缺点是微电极的几何形状与绝缘状态难以保持一致。玻璃微电极由用户根据需要用硬质毛细管拉制而成。用于测量细胞内静息电位和动作电位时，其尖端需小于0.5m；用于测量细胞外活性区域非活性点电位时，其尖端可为15m。上图所示为单管玻璃微电极的结构示意图。在电极的粗端插入银氯化银电极丝作为电气连接。玻璃微
17、电极尖端内的电解液，与被测组织液之间形成了液体接触界面，界面的两侧离子迁移率和浓度不同，可以形成电位差。另一方面，由于电极尖端内径极小，因此形成高电极阻抗。通常选用3mol/L KCl溶液灌注玻璃微电极，用以减小电极阻抗。玻璃微电极可做成多管式，如右图所示。多管玻璃微电极的临床应用普通微电极的临床应用多管玻璃微电极主要用于观察在药物作用下的细胞生物电活动，是研究中枢功能与物质传递的重要手段。其优点在于药物直接作用在较小范围，药物用量及其作用时间均可精确测定。记录管药物管对照管记录管用以观察细胞电活动，其作用与单管微电极相同。药物管用以向被观察细胞邻近的极小范围内，通过微电泳法导入离子化药物。为
18、避免管内高浓度药物不至于因浓度差而向组织液中弥散，药物管在不导出药物时，需加以与导出药物时极性相反的滞留电流，其大小常为毫微安的量级。然而，滞留药物的电流将会导出同药物离子极性相反的非药物离子（例如溶液中的Cl-离子等），以致破坏被观察细胞附近局部组织的电中性。对照管的一个作用是保持被观察细胞局部环境的电中性，方法是由它导出为达到电中性目的所需极性和数量的离子，如Na+离子。对照管的另一作用是与微电泳药物的效应相对照。当被观察细胞出现阳性反应时，为确定此反应是药物而不是电流的作用，需借对照管所灌注的、不会引起被观察细胞阳性反应的离子，通进与导入药物同样大小的电泳电流。细胞外记录细胞内记录电压钳
19、记录细胞放电产生细胞外电流，从膜的静息区流向活动区，用细胞外电极能记录到这种间质性电流。得到的记录在外形上近似于膜电位真正变化（细胞内记录得到的是单相波）的二次微分一个短暂的双相峰波。轴突的锋电位主要表现为正锋电位，迅速上升，缓慢衰减。当微电极离活动神经元150200m时，开始记录出单相负锋电位，距离愈近，幅度愈大。进一步接近胞体时，锋电位幅度可达15mV并呈双相正-负波形。细胞内微电极为记录单个细胞活动提供最好的方法，无论在细胞的静息期或活动期，都能获得有关膜电变化的完全定量的资料。微电极推进中常不可避免的造成神经元的损伤。静息膜电位和动作电位的幅度较小，或迅速变小及持续期延长；锋电位立即转
20、变成正后电位；以及高频放电等情况的出现，均表明神经元功能状态不佳，神经元受损或死亡。由于胞膜本身具有黏液介质的性质，刺入电极所致的轻微损伤常可自行封合，所以微电极记到的电位仍能反映细胞膜两侧的真正电位差。细胞膜的静息电位和动作电位是由于离子流跨膜流动引起的。为了了解各种不同离子在细胞活动过程中的跨膜流动规律，需要将欲研究的单一离子流从众多复合的离子流中分离出来。利用离子通道启闭的电压依从性，电压钳记录采用灵敏的负反馈放大器，用胞内或轴突内注入电流的方法，人为的将一定空间的细胞膜的膜电位钳制在某一水平并维持一定时间，即可选择性的激活某一离子通道活动，来研究有关的某一跨膜离子流。在多细胞标本上，双
21、微电极法是电压钳记录的方法之一。双微电极法同时向细胞内刺入两个微电极，一个注入电流，另一个监测膜电位，可以避免细胞外液导电的短路效应，并且由于两个微电极之间的距离仅约0.2mm左右，易于保证电压钳在空间上的均匀性。在游离的单细胞标本上，有两种方法进行电压钳记录。第一种方法，可用一个微吸管电极吸破细胞膜，使微吸管内液与细胞内液相通，以进行电压钳制，也可用双微电极刺入同一细胞进行电压钳制。游离单细胞钳制效果较好，并可避免多细胞标本电压钳制过程中细胞间隙离子浓度变化本身所致的假象，是较理想的电压钳制记录法。微电极是在20世纪30、40年代发展起来的。微电极的发现，迅速的为可兴奋组织的显微生理学奠定了
22、基础。1939年，Cole、Curtis、Hodgkin、Huxley首次成功的进行了乌贼巨轴突的轴突内记录，揭开了细胞记录的新篇章。此时的记录是将圆柱形的金属或玻璃微电极沿轴突走行，纵行刺入轴突内的。第2年，一位年仅21岁的研究生Graham，开始在Gerard的实验室用微电极做细胞内穿刺，并于翌年即记录到了肌细胞的细胞内“真正电位”。当时，她所用的微电极尖端直径约10m，所记录到的静息电位平均为41mV，是有史以来最好的记录。1942年，当Gerard在美国生理学会报告时，他们所用的微电极尖端平均直径为510m，静息电位平均为54mV。此时，他们已经意识到微电极尖端的高电阻使快速变化的动作
23、电位记录失真。1946年，在Graham离开之后，一位来自中国的研究生Ling在Gerard实验室学习拉制微电极，并于1947年使微电极的尖端直径小到1m，阻抗高达100M，所记录的肌纤维的静息电位达到78mV。1948年，Hodgkin同Nastuk一起，改用3mol（而不是等渗）KCl充灌微电极，借以降低电极电阻和液体接头电位，并在微电极与放大器之间多加了一个阴极跟随器，借以减少栅极电容。同年年底，他们即清楚的记录到超射达3040mV的动作电位，并证明细胞外钠的缺如可降低动作电位幅值。在Hodgkin和Nastuk的工作未发表之前，微电极细胞记录电位的技术即已迅速传播开来并蓬勃发展起来。如
24、今，微电极依然在记录各种细胞的静息电位和动作电位起着至关重要的作用。为了实现同时对更多的神经元进行刺激和记录的功能，研究人员开发出了各种各样的微电极阵列与微电极组。其中，微电极组可分为“二维微电极组”和“三维微电极组”。微电极不仅在科学研究中扮演着重要的角色，而且在治疗一些疾病时也起到了重要的作用。例如，中国科学院曾研究过用于视网膜修复的微电极，利用体内植入电极对视细胞进行电刺激，能使患者的视力得到一定程度的恢复。由于体内条件苛刻，电极要与组织长期共存并提供适量的电刺激，因此必须要求其性质稳定，具有良好的生物相容性，能够长期工作而不易被体液腐蚀。实验神经生物学吕国蔚主编机能实验学 高兴亚 汪晖 戚晓红 倪秀雄主编现代麻醉学 庄心良等主编肌电图检查基础知识作者不详腕管综合症的肌电图与临床分析 李满 王琦 连永针电极法对胸锁乳突肌功能的肌电图测定 姚培德等肛门括约肌肌电图的标准刘宇用于视网膜修复的微电极研究王淑静周围神经微电极的研究进展李立钧 张键 陈统一 陈中伟电生理学发展概况 董武 王威 陈国英 王世吉 周立波
