ch.2 biopotential electrodes-2bme2.aut.ac.ir/mhmoradi/medical instrumentation course/ch... · 2019....

1

دسته بندي الكترودها از نظر شكل و كاربرد

ريز الكترودها

)Microelectrode( الكترودهاي سوزني

)Needle( الكترودهاي سطحي يا پوستي)Surface (

اندازه گيري سيگنالهاي داخل

يا مجاور سلولير سطح پوست برداشت ولتاژهاي ز

ه منابع بيوال ك و نزد

برداشت سيگنال از روي سطح پوست

2

Types of electrodes

–

– –

– –

External electrodes

Subdural electrodes

Micro-electrodes

Microsensors

Humanlevel

Animallevel

Tissueslice level

Cellularlevel

types of neural microsystems applications

In vivo applications

In vitro applications

انواع الكترودها

يسطحي

هالكترود صفحفلزي

الكترود خشك

الكترود قابلانعطاف

الكترود شناور

يالكترود مكش

5

الكترودهاي فعال

الكترودهايغيرتماسي

8

الكترود صفحه فلزيو يا EEG ،از روي سينه ECGبراساس شكل ساخت براي ثبت

EMG وي بدن بكار مي روند كه با چسب يا نوارهاي پالستيكي بر ر.نصب مي شوند

.جنس آنها از استيل ضدزنگ ، پالتين و يا طال است EMGدر از نظر قطر كوچكتر از الكترودهاي EEGو EMGالكترودهاي

ECG هستند .يز در كلينيك ها از الكترودهاي يكبار مصرف كه در داخل خود ژل را نند دارند وروي آنها چسب هايي براي نصب الكترود روي بدن وجود دار

اسبي با ، خيلي مناسب بشمار مي روند و در پشت آنها نيز محل اتصال من.سيم هاي ارتباطي در نظر گرفته مي شود

اين الكترودها از دو مزيت .ندبرخوردارقابليت نصب سريع و مناسب بودن خمير

10

11

12

الكترود مكشي.نياز به نوار يا چسب براي نصب روي بدن ندارند

. بكار مي روند ECGصورت گسترده در كلينيك براي ثبت ه ب قسمت فلزي آن بصورت استوانه اي است كه قاعده اش

ي را مي تواند با پوست در تماس بوده و سيگنالهاي پوستيكي آن ي كه توسط حباب پالستئدريافت كند و توسط خال

.توليد مي شود بر روي پوست ثابت مي ماند اين الكترودها در آزمايشات زمان كوتاه استفاده مي شود ،

چون مكش و فشار منفي آن در طوالني مدت مي تواند به .پوست صدماتي وارد كند

13

14

الكترود شناوردار براي حذف كامل آرتيفكت هاي حركتي نياز به پاي

. كردن شرايط مكانيكي الكترود استر حفره اي ويژگي اين الكترود در اين است كه فلز الكترود دوست ندارد و قرار دارد و هيچ تماس مكانيكي مستقيمي با پ

كامالً پر مي شود و چون اين Kclحفره الكترود با خمير ارد ، پس هيچ محلول نسبت به الكترود حركت مكانيكي ند

. كند اثري را روي اليه دوگاني يوني نمي تواند تحميل

.است -Agcl Ag جنس فلز اين الكترودها نيز 15

16

الكترود قابل انعطاف اب الكترودهاي ، دارد را منظمي غير شكلهاي بدن سطح چون غييراتت با را مناسبي سازگاري نمي توانند قبلي سخت بدنة

يحركت اغتشاشات بالطبع و دهند نشان بدن سطح هندسي

براي انعطاف قابل الكترودهاي .كند ايجاد مي تواند را بيشتري.مي روند بكار موارد اين از اجتناب

17

انواع الكترودهاي قابل انعطاف قابل الكترودهاي شكل معمولترين از يكي•

رهنق سيم هاي توري يا مش يك از انعطاف شده لمتص رابط سيم يك به كه باريك اي

كيكوچ پالستيكي قسمت درون و است رخمي . است گرفته قرار (a) شكل مطابق

و اي نقره توري روي نيز الكتروليت.مي شود اعمال الكترود

قابل الكترودهاي ساخت ديگر تكنيك•Silicon از انعطاف Rubber از كه

موادي مخلوط ؛ است شده پر كربن كارب الكترود بعنوان مي تواند فوق بصورت

) (b) شكل( .رود كه تاس نازك فيلم الكترود ،ديگر نوع•

كه نازك Mylar فيلم ميكرون 13 از رسوب Agcl و نقره با را آن روي (c) شكل .اند داده

18

ABالكترودهاي

تر

الكترودهايغيرتماسي

الكترودهاي خشك

C

الكترود خشك شده بحث الكترودهاي تمامي

ترودالك خمير به نياز ، قبل در بلقا و مناسب اتصال تا دارند

و پوست بين را اطمينان.آورند فراهم الكترود

بدون خشك الكترودهاي ربكا الكتروليت از استفاده .مي روند

اب ديسكي خشك الكترودهاي از مثالي .است ميليمتر 7 قطر با و ضدزنگ استيل

20

نقش الكتروليت را عرق روي سطح. پوست ايفا مي كند

21

Dry active electrode with adjustable anchoring system.

داليل استفاده از الكترودهاي خشك

22

.iو شده خشك الكتروليت مدت دراز كاربردهاي در معمولي الكترودهاي در مصنوعي دست هاي در مثالً ( مي دهد دست از را خود خواص

) الكترومايوگرافي.iiبمناس ژل و الكتروليت از ميبايد )ژل با همراه( خيس الكترود يك با

بهتر الاتص تا كنيم تميز كامال را پوست بايد همچنين كنيم، استفاده يتالكترول و پوست بين حالت اين در .آيد پايين مقاومت و شود انجام

يخوردم بهم يوني جريان توزيع بيمار حركت با نتيجه در ميشود، جمع بار.ميشود نويز ايجاد باعث و

.iiiيگرددم بيماران براي پوستي ناراحتيهاي باعث بيمار پوست كردن تميز.

23

ت الكترود خشكيخصوص

24

ي باال و بافتهاي ابتدايي پوست مقاومت الكتريكاز آنجا كه اين برانسطوح داخلي ضريب هدايت الكتريكي خوبي دارند ب

خازني بوجود مي آيد كه اليه هاي در الكترودهاي خشك صفحة پرمقاومت بعنوان دي الكتريك و سطوح داخلي بعنوان

. ديگر آن عمل مي كنندارهاي فاصلة بين صفحات اين خازن بزرگتر از الية دوگان ب

ـ الكتروليت است و خازن بوجود آمده واسطه الكترود .كوچكتر از حالت نظيراست

ر از مقاومتي كه با اين خازن موازي مي شود بسيار بزرگت .حالت قبل است

پس مدار معادل اين الكترود از مقاومت با امپدانس باال .تشكيل شده است

شكلم بر اينكه براي خشك الكترودهاي از بسياري در يهال برنداشتن يا و الكتروليت ژل نداشتن وجود داخل رد بافر كننده تقويت يك از آيند، فائق پوست.ميبرند بهره خود

نندهك تقويت يك از اكتيو خشك الكترودهاي واقع در شافزاي اثر تا ميكنند استفاده باال امپدانس با

ندبتوان و كنند جبران را پوست – الكترود مقاومت ارسال و تقويت مناسبي شكل به را دريافتي سيگنال

.كنند

25

نويز الكتريكي بوجود آمده بوسيله يك الكترود خشك دو برابر كمتر از نويزي .بوجود مي آيد) همراه با ژل(است كه به سبب اليه بار در الكترودهاي خيس

الكترودهاي فعال

نشان داد كه با EEGمثل الكترود يهدرمورد الكترودهاي فعال اول اي مطالعهكارمي كنند، ولي EEGو EKGثبت وجود اين كه آنها بخوبي در

.ستهاي كلينيكي واقعي رد مي شوندتدر:مسائلي كه درهنگام تست مشاهده مي شوند

اشباع گهگاه تقويت كننده • 60Hzتداخل امواج •نويز باال •كتهاي حركتي باال فآرتي•

تقويت كننده با تغييرپتانسيل الكترود پوست .يا جريان نشتي ورودي به اشباع مي رفت

-+

Comercial Electrode

Metalic Box

Coaxial Cable

انس ورودي كم، دبررسيها نشان داد كه اين الكترودها امپجريان باياس بسيار زياد

.وجريان نشتي درحد نانوآمپردارند

پوست ازنقطه نظرعملي، تغييرات پتانسيل كلي درورودي الكترود ناشي ازتغييرات مقاومتژيكي بايد به مراتب كمتر ويا حداقل هم دامنه با سيگنال بيولو ,وتغييرات ولتاژ پالريزاسيون

ي ماند وبه دراين صورت تقويت كننده موجود دروسيله هميشه درناحيه فعال خودباقي م. باشد.نواحي قطع واشباع نمي رود

را ايجاد Vosست فمي گذرد، ولتاژ آ Rsجريان ورودي به الكترود،، كه ازمقاومت پوست، ست درمحدودة بزرگي ف، ولتاژ آRs ,با تغييرات ناشي ازاتصاالت پوست الكترود. مي كند

يادي براي كه اين مورد مي تواند باعث اشباع تقويت كننده شود وبه زمان ز. نوسان مي كند) . به مقدار فركانس قطع پايين بسته(بازگشت به حالت فعال نياز دارد

ا • ه شدت تابع ج زاسيون الر ل س تا ان آفست ورودي و ند كه ج هسود . پوست جاري است‐درواسطة ب ال

-و ارتباط بين الكترود Rsاگرجريان وردي خيلي كوچك باشد، حتي اگر•ن كوچك پوست عوض شوند، تغييرات كلي ولتاژ آفست و ولتاژ پالريزاسيو

ودراين . باقي مي ماند EEG خواهد بود ودرمحدودة فعال تقويت كننده. صورت اشباعي اتفاق نمي افتد

ست تنها فمگااهم تغييركند، تغييرات ولتاژ آ10باشد، حتي اگر بيش از 25PAجريان ورودي كوچكتر ازاگر .كمترازيك ميلي ولت خواهد بود كه مي تواند درنظرگرفته نشود

27

,به عنوان الكترود Stainless steelدليل استفاده از

. ستوست در اثر تعرق اپ -دانس الكترودپكاهش تغييرات ام

28

29

-استفاده از الكترودهاي خشك با ميله EEGهاي ثبت يكي از راه•هاي نازك است كه از ميان موها رد شده و نيازي به آماده سازي

. قبلي پوست ندارداستفاده EEGو همكارانش از اين نوع الكترود براي ثبت متيو •

ي كرده و نتايج حاصل را در مواقعي كه بيمار ثابت بود به خوب.الكترودهاي تر ارزيابي نمودند

اومت ولي در الكترودهاي خشك نويز حركتي به علت باال بودن مق •.تماسي بيشتر بود

از اين الكترودها توانستند TiNفيدلر و همكارانش با ارائه نوع •.كيلو اهم برسانند 15الي 14را از ده مگا اهم به هميلمقاومت هر

30

كردن نياز به تماس فيزيكي هر دو الكترود مرطوب و خشك براي عمل•. مستقيم با پوست دارند

ا ها را بها، الكترود بدون تماس، مي تواند سيگنالنهايي اين سنسورنوع •. ي مشخصي بين سنسور و بدن حس كندوجود فاصله

سازد بدون وجود يك اليه دي الكتريك خاص وسنسور را قادر مي, امراين •.از طريق عايق مانند مو، لباس يا هوا عمل كند

ز طريق ها اكردن سيگنالكوپل هاي غيرتماسي معموال به سادگي با الكترود •.عمل مي كنند) پيكوفاراد 10(يك ظرفيت خازني كوچك 31

بدون, زاددر فضاي آاندازه گيري پتانسيل بيوالكتريكي بدن •استفاده از ژل و آماده سازي پوست

)پوشيدني(تماسيهاي غيرالكترود

نياز به پياده سازي كوپلينگ خازني

, كوپل شدن يك الكترود فلزييك عايق و پوست جهت

تشكيل يك خازن

ك اندازه گيري سيگنال بيوالكتريبدون هيچ تماس اهمي با پوست

. ها به طور كامل خازني هستنداين نوع از الكترود

ند كعمل ميمانند يك فيلتر باالگذر خازني الكترود •با DCزيرا، يك خازن امپدانس بااليي را در مقابل ولتاژ

. كندايجاد ميديش وورمقاومت

شماتيك مدار الكترود خازني يا غيرتماسي

:دموثرانبه طور كلي عوامل زير در درستي عملكرد الكترود هاي خازني رسانايي الكترود•سطح الكترود •ضخامت عايق •ثابت دي الكتريك عايق•

از ) 7/1(پارچه پنبه اي ثابت دي الكتريك بيشتري , در صورت ثابت بودن ضخامت و سطح الكترود

. دارد در نتيجه سيگنالي با كيفيت خيلي خوب ثبت شد) 3/1(و پلي استر) 3/5(كاغذ

طراحي يك الكترود نواري مسي خيلي كوچك كه با كتان عايق شده با سطح

ايي سانتي متر مربع قابليت شناس 2.324ميلي متر از بدن 0/5سيگنال در فاصله

37

توانند ميهاي خشك و غيرتماسي اگر به درستي شيلد شوند ، الكترود. هاي ترعمل كنندحتي خيلي بهتر از الكترود

اي شبكه هبدون سيم براي غيرتماسي به صورت EEG/ECGالكترود سنسوري بدن

سنتي 25ي يك سكه اندازهدر PCBدو ساخته شده از هر الكترود •ارد كه گذرا به نمايش ميخروجي الكترود مقدار ديجيتالي , جاي خروج يك سيگنال آنالوگبه •

. هاي مورد نياز كاهش يابدشود تعداد سيمباعث مي.جريان را انتقال مي دهدسيمه كوچك 10دو الكترود يك كابل فلزي بين •. ودشرا شامل ميكننده امپدانس ورودي خيلي باال تقويتبه عنوان يك INA116برد پاييني يك •نند يك بندي شده و ماي مسي محكم است كه با پوشش لحيم عايقپاييني برد يك اليهسطح •

.. كندالكترود رفتار مي. كندسطح يك خازن كوپلينگ با بدن ايجاد مياين •گرفتن ي داخلي محكم الكترود را ازتشكيل شده در يك صفحهفعال ) شيلدينگ(پوشش يك •

.كندنويز خارجي حفاظت مي يك برد ضخيم خارجي براي الكترود, براي به حداقل رساندن ظرفيت خازني اين پوشش •

. . شوداستفاده مي

شماتيكي از طراحي الكترود غيرتماسي

غيرتماسيشماتيك كلي الكترود ننده سپس يك تقويت كدارد و بافر نقش با امپدانس ورودي خيلي باالكه يك مدار اوليه

بيتي براي خواندن و 16آنالوگ به ديجيتال از يك مدار مبدل . تقويت مي كندرا بافر خروجي .تبديل خروجي نهايي استفاده شده است

حلقه اي تماسيغير الكترودهايبا سه قطب خازنيالكترود حلقه اي يك :تواندالكترود غير تماسي مياين

.كندآرتيفكت را تضعيف ميزان .دو تفكيك كنهاي حسي و حركتي بدن را تشخيص ورودي

دومين , مترميلي9/6ي داخلي حلقه(تر آن وجود قطر كوچك با درزولوشن مكاني اين نوع الكترو افزايشهاي فعال غيرتماسي قبل نسبت به الكترود) مترميلي20/4ي خارجي متر و حلقهميلي15/8 حلقه

مترميلي24/26متر تا ميلي22/5(

موادي هاي غيرتماسي همانند الكترود خشك نيازي به ژل هدايت كننده ندارند،از آنجايي كه الكترود-تعيين مي برند، عملكرد الكترود را نسبت به امپدانس تماسي و نويزكه برروي سطح الكترود بكار مي

چالش هميشگي هاي پايين به دليل تداخل با نويز و دريفت در پتانسيل نيم پيل يكثبت فركانس. كننده به صورت خالصه موادي كه ممكن است براي ساخت اين نوع الكترود استفاد 2ي جدول شماره. است

ر ثبت نقره كلريد، نقره و طال عملكرد بهتري را د-نقره. ي عملكرد اين مواد آورده شده استشود و نحوه. اندپتانسيل حياتي نشان داده

TCRE

TCRE: Tripolar Concentric Ring Electrode

Conventional disc electrode (A) and tripolarconcentric ringelectrode (B).

سيبررسي مواد استفاده شده دراين نوع الكترودهاي غيرتما

ت ولتاژ آفست، مقاومموادميزان نويزميزان دريفتو قطبيت

كمخيلي كمخيلي كمنقره كلريد سخت-نقره

كمخيلي كمكمرفنقره كلريد يكبار مص-نقره

كممتغيرمتغيرنقره

پايينمتغيرمتغيرنقره با روكش طال

پايين-خيلي باالپالتين

متوسط-خيلي باالاستيل ضد زنگ

باالباالباالقلع

هاي خازني و غيرتماسي، يك نقص مهم سنسور•ها به حساسيت آن, همانطور كه قبال گفته شد

. هاي حركتي استآرتيفكت

44

-يم مـيها به سه منبع تقسبراي الكترودهاي غير تماسي، آرتيفكت

:شوند.Iامپدانس باال.

.II يجـاد تواند عامـل ادر فاصله الكترود تا پوست نيز ميجابجايي.آرتيفكت باشد

.III پارچه، مـو، و غيـره(در نهايت اصطكاك بين الكترود و عايق (.تواند باعث ايجاد ولتاژ بزرگ در ورودي حساس شودمي

الكترودهاي ترمتداول ترين نوع الكترود

استفاده از يك ژل به عنوان الكتروليت

امپدانس پايين

كاهش آرتيفكت حركت

زياد بودن زمان آماده سازي

خشك شدن ژل و تميز كردن

الكترودهاي خشك

نيازي به ژل ندارند

آماده سازي پوست كم

نياز به مدار ورودي با امپدانس باال

يتاثيرپذيري زياد آرتيفكت حركت

الكترودهاي غير تماسيجاسازي راحت در چارچه

به صورت كامال خازني

عدم نياز به آماده سازي پوست

قابليت ثبت سيگنال از راه دور

) DCعدم عبور جريان (امنيت بيمار

نياز به امپدانس خيلي باال در ورودي

تاثيرپذير زياد آرتيفكت حركتي

معايبهامزيتنوع الكترود

ترالكترود

تقريبا غير قطبي-آرتيفكت حركتي كم-متداول-امپدانس پايين-

نياز به ژل هدايت كننده-بتنياز به زمان زياد براي مهيا سازي الكترود ث-باقيماندن ژل بر روي الكترود-سختي جداسازي ژل از الكترود در عمل-

خشكالكترود

عدم نياز به ژل رسانا-كم كردن زمان مهيا سازي ثبت-

تاثير پذيري از آرتيفكت حركتي ورودي-نياز به مدار ورودي با امپدانس باال-قطبي شوندگي باال-

الكترود )خازني(غيرتماسي

عدم نياز به ژل رسانا-راحتي در عمل و آزمايش-عدم نياز به مهيا سازي پوست- هاي طـوالني مـوردتواند براي ثبتمي-

.استفاده قرار بگيرد

امپدانس ورودي باال-تاثير پذيري از آرتيفكت حركتي ورودي-نياز به يك مدارورودي امپـدانس بـاالي فعـال -

.دارد

مقايسه اين سه نوع الكترود

ها از نظر مدلسازي الكتريكي و نويزبررسي كلي الكترود

الكترود مرطوب

اين فلز هادي در الكترود آغشته به ژل الكتروليت شده وت به الكتروليت جريان الكتريكي را از اليه دروني پوس

كنداليه بيروني منتقل ميبافت، -استفاده از ژل براي كاهش امپدانس الكترود

يه مدلسازي به صورت يك منبع پتانسيل نيم پيل، دو السري با يك مقاومت) RCدو اليه (خازن موازي با مقاومت

الكترود ژ خشك كوپالمقاومتي

ژل ميان پوست و الكترود حذف شده•پوست از واسط -براي جبران امپدانس باالي الكترود•

شوديالكتريكي با امپدانس ورودي بسيار باال استفاده م.از ديدگاه نويز نيز بهينه است•.پوست بيشتر مقاومتي است-كوپالژ الكترود•

ها از نظر مدلسازي الكتريكي و نويزبررسي كلي الكترود

هاي الكترودايزوله

ت نوع ديگري از الكترود خشك كه كوپالژ الكترود پوساست تا مقاومتي خازنيبيشتر

د كه الكتريكي وجود داربر روي صفحه فلزي الكترود اليه دي-يايجاد مكوپالژ خازني ميان پوست و صفحه فلزي الكترود

.كندتي بافت از كوپالژ مقاوم-امپدانس الكتروددر كوپالژ خازني

الكترود است، لذا واسط الكتريكي نيز بايد نسبت به بيشتره باشد داشتامپدانس ورودي بيشتري كوپالژ مقاومتي خشك با

.تا سيگنال از دست نرودود و الكترمزيت كوپالژ خازني اين است كه امپدانس بين •

ك با برخالف الكترود خش(ماند مي ثابتبه مرور زمان بافت م پيل اثر پتانسيل نيهمچنين در اين روش ) كوپالژ مقاومتي.رودنيز از بين مي

ها از نظر مدلسازي الكتريكي و نويزبررسي كلي الكترود

52

.EEGو ECGهاي خشك و غيرتماسي هاي الكترودسيستم

53

Review of Sensor Implementations

54

Internal Electrodeالكترودهاي داخلي

55

چون در درون بافتهاي بدن مايعات خارج سلولي وجوددارند به هيچ مواد واسطه

ياز اي بين الكترود و بدن نالكترودهاي . نمي باشد

داخلي به صورت سوزني .مي موجود هستنديوس

هاي و پتانسيل فرو مي روند درون بدن به الكترودهايي كه زير جلدي يا الكترودهاي داخلي بيوالكتريكي را ثبت مي كنند ،

. مي باشند

56

الكترودهاي سوزني

57

بصورت الكترودها اين مايوگرافي -الكترو در وسيعي

.مي روند بكار كلينيكي

در ECG ثبت براي آنها از نوعي.مي روند بكار جراحي اعمال

با يلاست جنس از سوزن از اي پايه با يسوزن الكترود .مي شود ساخته عايق مواد از اي دسته و تيز نوك

Amniotic fluid is conductive. So, surface ECG electrode cannot be used.

Fetal ECG is monitored during labor.

.از سطح جنين بكار مي رود ECGنوعي ديگر براي ثبت

59

سط نوك تيز و. نوع ديگر الكترود سوزني ، الكترود مكشي است ه و الكترود به هنگام خالء در درون الكترود به زيرپوست فرو رفت

.اتصال پيدا مي كند epidermisتا اليه هاي دروني پوست

60

سييالكترودهاي ماتر

61

فلزي الكترودهاي همانند جنس نظر از الكترودها اين قرار هم كنار n×m منظم آرايه يك در كه مي باشند

.اند گرفته

62

Electrode Arrays

كروالكتروديم

ر در مطالعات الكترو فيزيولوژي سلولهاي تحريك پذي استراحت و عمل غشاء هاي سلولي ، اندازه گيري ولتاژهاي

بسيار مهم مي باشد و براي اينكه پتانسيل ها اندازه گيري .شوند ، بايد الكترودهايي درون سلول فرستاده شود

.ميكرون مي باشند 10 تا0.5رميكروالكترودها داراي قط64

Neural Microelectrodes

Flat array of micro electrode for in-vivo application

Pyramidal shaped microelectrode for in-vivo application Simple, triple and multiple

shank electrode for in-vivo application

كروالكتروديانواع م

كروالكترود يمپتيكروپيم

كروالكترود فلزييمت شدهيحما

كروالكترود فلزييم

66

كروالكترود فلزييم لزف جنس از باريك سوزني از الكترود ميكرو اين اين محكم و تيز نوك .مي شود ساخته شده بندي عايق

براي كردنetch و شيميايي هاي تكنيك با الكترودها .شود مي طراحي خاصي كاربردهاي

م ـ جنس فلز آنها از استيل ضد زنگ ، لوله هاي پالتينيو.ريديم و تنگستن هستند

67

ت شدهيكروالكترود فلزي حمايم آن بخشي بهبود براي الكترود اين در مختلف مواد نوع دو خواص

اوليه حمايت هاي براي بتوانند كه عايق مواد . است شده استفاده اين هادي قسمتهاي نيز خوب فلزهاي و گيرند قرار استفاده مورد

.مي دهند تشكيل را الكترودها اي هشيش پيپت ميكرو يك الكترودها اين كالسيك نوع

.است شده پر خالص فلز از آن درون كه است

68

در نوعي ديگر از اين

الكترودها با استفاده از تكنيك نيمه هادي نوارهاي

رسوب داده Siطال روي بدنه سطح اين فلزها . مي شود

هادي نيز با تكنيك خاصيقرار Sio2 اكسيد سيلسيم

مي گيرد تا عايق مناسب آن . نيز فراهم آيد

پتيكروپيكروالكترود ميم اي هشيش باريك لوله هاي از ميكروپيپت اي شيشه ميكروالكترودهاي

نازك كامالً تا مي شود گرم لوله ها اين مركزي ناحية .مي شود ساخته شيشه هلول نيمه در .مي شود كشيده سريع بطور سپس و گردد

ساخته نوك در ميكرون 1 قطر با الكترودهايي و شده شكسته.مي شود

مي شود پر Kcl مول سه الكتروليتي محلول با آن سپس با همراه Kcl درون ظرف انتهاي در فلزي الكترود و

.مي شود نصب رابط سيم

69

الكترود فلزي آن معموال Ag-Agcl پالتينيوم و گاهي ،

.استيل است

ي كه با استفاده از تكنولوژي يكروالكترودهايچند نوع ازمك ساخته شده انديكروالكترونيم

70

Cortical Recording/Stimulation

G. Kovacs, Integrated circuits lab, Stanford Univ.Center for Neural comm. Tech., Univ. of Michigan,

Ann Arbor.

High density comb shaped metal

microelectrode.U. H. Balbale, J. E. Huggins, S. L. BeMent, S. P. Levine, “Multi-channel analysis of human event-related cortical

potentials for the development of a direct brain interface”, vol. 1, pp 13-16, 1999.

Implantable probe with integrated VLSI potentiostat and

electrochemical sensors.P. A. Passeraub, A. C. Almeida, N. V. Thakor, "Design,

microfabrication and characterization of a microfluidic chamber for the perfusion of brain tissue slices," Biomedical Microdevices, vol. 5, pp.

147-155, June, 2003.

Ceramic - based Multisite Electrode

Courtesy K. Moxon

In Vivo Implantation and Recording

Multisite recording from barrel cortex

200m

200 m

200 m

A. B. C.

High density electrode array for

recording.(http://www.eecs.umich.edu/~wise/Research/Overview/Wise_Research.p

df)

Implantable Silicon micromachined electrodes

to stimulate the cortex.

PJ Rousche , RA Norman, “Chronic intracortical microstimulation (ICMS) of cat sensory cortex using Uthan intracortical electrode array”,

Rehabilitation Engineering, IEEE Transactions, vol 7, pp. 56-68

Cortical Microelectrodes

Neural Probe for Drug Delivery

Micromachined drug delivery probe with channels for drug

delivery and electrodes for stimulating

J. Chen, K.D. Wise, JF Hetke, Jr SCB (1997a), “A multichannel neural probe for selective chemical delivery at the

cellular level”, Biomedical Engineering IEEE Transactions, pp 760-769.

Cross section of drug delivery channel

MEMS Probe Microelectrode Actuator

A

B

SEM of gear assembly –rotational to linear motion.

(Sandia Labs, NM)

SEM of an output gear

J. Muthuswamy (ASU) and M. Okandan (Sandia)

MEMS Microprobe forBrain Tissue Penetration

microprobe

cortex

microprobe

Successful penetration with dura pierced

120 m

140 m

300 V

100 m

11

1

210 msec

خواص الكتريكي ميكرو الكترودها مالحظات اساس بر بايستي الكترودها اين دارمعادلم

sR متمقاو سري يك از الكترود ميكرو .شود ارائه فيزيكي در شتربي مقاومت اين .مي شود تشكيل فلز مقاومت بعنوان طحس به طول نسبت چون مي باشد، الكترود ميكرو نوك با عموالًم فلز چون .مي باشد رگبز خيلي الكترود نوك مقطع تسياال و فلز بين خازن يك مي شود پوشيده عايق يك

اين .داشت خواهد وجود الكترودها اين در سلولي خارج نظر رد مي تواند الكترود سطح در شده پخش بصورت خازن و مي دهد نشان را خازنها يكجاي حالت dC .شود گرفته

ميكرو اطراف حول محوري بصورت را آنها مي تواند .داد نمايش طول واحد در خازن يك با الكترود

78

ود مقاومت اص در نوک ال

يمدار معادل الكترود فلزMetal rod

Tissue fluid

Membranepotential

N

C

B

A

Referenceelectrode

Insulation

CdCellmembrane

++ +

++

+++

++

++++++++

++++

B

A

RmbRma

EmbEma

EmpRi

Re

CmbCma

Cdi

Cd2

Rs Cw

Cd1

Metal-electrolyteinterface

Referenceelectrodemodel

Lead wirecapacitance

Shaftcapacitance

Electroderesistance

Tissue fluidresistance

Shankcapacitance

Cellmembrane

Cytoplasmresistance

To amplifier

sR: الكترود، فلز مقاومت dC: سلولي خارج االتيس و فلز نيب خازن

maR,maC,maE:الكترود فلز وتيالكترول واسطهmbC,mbR,mbE: مرجع الكترود

iR:نوك در تيالكترول مقاومتmpE:غشاء ليپتانس

wC:رابط مهاييس خازن eR: سلولي خارج مواد سري مقاومت

ميتوان ميكروالكترود را مانند خازن استوانه اي هم محور مدل كرد

)(

2 0

dDLnL

C rd

طول ساقهقطر الكترود شامل فلز و

ق دور آنيعا

قطر الكترود

خواص الكتريكي ميكرو الكترودها

80

EmpMembraneandactionpotential

Cma

Rma

Cd + Cw

Ema - Emb

E

0

A

B

تپيكروپيكروالكترود ميمالكتريكي مدل .است فلزي الكترودهاي از تر پيچيده ها ميكروپيپت معادل مدار

را maR,maC,maE اي واسطه مؤلفه هاي ميكروپيپت داخلي الكترود بدنه در الكتروليت tR ، مقاومت عناصر اين با سري حالت در . دارد بدنه ناحية در dC شده توزيع خازن .دارد وجود الكترود نوك و

قابل ، ستا كلفت خيلي اي شيشه ديوار اينكه بعلت ، الكترود ميكرو.مي باشد كردن صرفنظر

:دو پتانسيل در ميكرو الكترود وجود دارد لداخ مايع و الكتروليت بين پتانسيل .jE مايعات اتصالي پتانسيل 1.

.سلولينوك رد نازك هشيش غشاء پتانسيل بعلت الكترود نوك tE پتانسيل 2.

مقاومت cR و سلولي داخل مايع مقاومت iR شامل مدل همچنين .ميگردد نيز سلولي خارج مايع

81

پتيكروپيكروالكترود ميمدار معادل مmaR,maC,maE: تپيكروپيم داخلي الكترود

tR: ترودالك نوك و بدنه در تيالكترول مقاومتdC: ودكروالكتريم بدنة در شده عيتوز خازنiE: عاتيما اتصالي ليپتانسtE: ليانسپت علت به الكترود نوك ليپتانس

نازك شهيش غشاءiR: سلولي داخل مواد مقاومتeR: سلولي خارج مواد مقاومت

mbmatjm EEEEE

82

Cellmembrane

Tip+-+

-+++

--

+ -

-+ -

+- + + + + +- - - - -+

++

---

+--++++

---

Taper

Internalelectrode

Glass

A BTo amplifier

Electrolytein

micropipet

Stem

(a)

Referenceelectrode

Cell membrane

CytoplasmN = Nucleus

N

Environmentalfluid

Cd

Ema

Rma

Rt

Ri Re(b) Emp

Emb

RmbCmb

Ej

Et

Cma

Cd

A B

پتيكروپيكروالكترود ميخواص م

دالكترو اين اصلي امپدانس ، قبلي الكترود برخالف و هما مگا100 تا 1 ي سر مقاومت يك با و است مقاومتي

.مي شود مدل فاراد پيكو حدود در tC كلي خازن يك

83

Rt

Em

A

B

Membraneand

actionpotential

(c)

Emp

Em = Ej + Et + Ema- Emb

Cd = Ct0

Rt = all the series resistance lumped together(ranges from 1 to 100 MW)

Ct = total distributed capacitance lumpedtogether (total is tens of pF)

Em = all the dc potentials lumped together

مثال

130

76.4

27.43 10

( )

12.8

2

rd

LR

AR M

LC F

Ln D d

f KHZRC

: است زير ابعاد داراي ميكروپيپت الكترود ميكرو يك

84

كرون،يم1.5:نوك قطر متر، سانتي اهم 2:تيالكترول مخصوص مقاومت

كرون،يم lumen:1قطر ،1.82:نسبي عبور بيضر

متر لييم3:محفظه shank طول پائين ترفيل فركانس ماكزيمم و كنيد محاسبه را آن تقريبي مدل

؟ ديكن نييتع را آن گذر

، )C( شكل معادل مدار به باتوجه : حل همحفظ مقاومت با معادل سري مقاومت بهمحاس زير بصورت كه مي باشد الكترود.مي شود

الكترودهاي تحريك الكتريكي همانند الكتريكي تحريكات در شده استفاده الكترودهاي

از عبوري جريان هاي در ولي مي شوند طراحي برداشت الكترودهاي ودحد در جريان هايي اينجا در چون ، دارند تفاوت يكديگر با واسطه

.مي كند عبور الكترود مقطع سطح از ميلي آمپر

عرض در كه خالصي جريان ، تحريك هاي الكترود در .نيست صفر مساوي هميشه ، مي كند عبور واسطه

جريان ، مي شود استفاده Ag-Agcl مثل الكترودي وقتي را منفيClدجدي گيري شكل يا و احياء مي تواند تحريك كه )شوند كم يا و اضافه Agcl اليه هاي ( .كند ايجاد.دهد تغيير را الكترود مشخصاتتواند مي

85

Stimulating Electrodes

– Cannot be modeled as a series resistance and capacitance (there is no single useful model)

– The body/electrode has a highly nonlinear response tostimulation

– Large currents can cause– Cavitation– Cell damage– Heating

Types of stimulating electrodes1. Pacing2. Ablation3. Defibrillation

Features

Platinum electrodes:Applications: neural stimulation

Modern day Pt-Ir and other exotic metal combinations to reduce

polarization, improve conductance and long life/biocompatibility

Steel electrodes for pacemakers and defibrillators

الكتروليتهاي تحريك ستپو روي از تحريك براي باال مقاومت با الكتروليتهاي تحريك هنگام در الكتروليت باالي مقاومت .هستند مناسبتر

:داشت خواهد مثبت نتيجه دويكنواخت تر شدن شكل موج جريان-1

تحريك هنگام در بيمار درد كاهش-2

كار به السيگن ثبت براي كه الكترودهايي خالف بر نتيجه در از بايدمي تحريك، نتايج به بخشيدن بهبود براي ميروند،

.كنيم استفاده باال مقاومت با الكتروليتهاي87

عيمرب پالسهاي از تحريك در معموالً جريان زير شكل در . مي شود استفاده .دمي شو مشاهده ولتاژ پاسخ و تحريك عناصر وجود علت هب ولتاژ موج شكل نمي نجريا شبيه الكترود مدار در راكتيو تغيير يك ، جريان سريع تغيير با . باشد

اهمي امپدانس هاي علت هب ناگهاني دبوجو الكتروليت ـ الكترود واسطة توزيع در تغييراتي بعلت سپس و مي آيد پالريزه علت هب واسطه مجاور بارهاي يزمان ثابت با ولتاژ موج شكل ، شدن

يوقت .مي كند افزايش به شروع خاصي تاژول ، مي كند پيدا افت ناگاه به جريان

اولية رمقدا به نه ولي ، مي يابد تغيير نيز آن از بيشتر مقداري به بلكه ، خود

وليها مقدار به شيبي با سپس و مي رسد . برمي گردد

88

نكات عملي در استفاده از الكترود اي واسطه مواد از معموالً الكترودها و رابط سيم هاي اتصاالت در •

برداشت ، دباشن تماس در الكتروليت با مواد اين اگر كه دمي شو استفاده اين هاستفاد از االمكان حتي پس د،نمي ساز مشكل دچار را سيگنال

و رابط سيم هاي پيني يا پرچي اتصاالت و نمود پرهيز بايستي اتصالي مواد.شود مي پيشنهاد ها الكترود

، شود استفاده گيري اندازه براي الكترود جفت دو وقتي •.باشند جنس يك از الكترود دو هر است بهتر

يقو و انعطاف قابل الياف از بايد عمل در الكترودها رابط سيم هاي • .نيايد پيش نهاآ در قطعي احتمال تا شوند ساخته

هب را آب اينها و است ريمپلي مواد از الكترودها عايق• يرتغي رابط سيم با آنها مقاومت و مي كنند جذب خود

دست از را خود عايقي خواص است ممكن و مي كند.بدهند

.باشد بدن با سازگار بايستي الكترود نصب نوارهاي و ها چسب •89

Try to eliminate those possible artefacts as much as possible by anticipating on them

during measurement setup!!

a) good electrode placement, make sure a patient is relaxed and warm (shivering involves heavy muscle movements)

b)press or glue electrodes well to skin

c)use electrode material that minimises polarisation

effects and try to minimise electrical current density

d)avoidance of loops in cables, shielding, use of

Faraday cage

e) try to measure as far away as possible from potentially interfering equipment

f)make personnel well aware of the measurement set-up

90

91

92