ЭЛЕКТРОДНОЕ УСТРОЙСТВО
ELECTRODE DEVICE

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для измерения биоэлектрических потенциалов, используемых преимущественно в приборах медицинской диагностики.
Известно электродное устройство [RU 2057482, МПК 6 А61В 5/04, А61В 5/0408, опубл. 10.04.1996], содержащее диэлектрический корпус, в котором расположен диэлектрический пористый контактный элемент, на нерабочей стороне которого выполнено углубление с нанесенным на его поверхность слоем серебра, соединенным с отводящим элементом спаем. Прилегающая к слою серебра часть контактного элемента заполнена хлоридом серебра, а остальная часть насыщена электролитом. Диэлектрическая непористая прокладка со сквозным каналом закреплена на слое серебра. Стенки канала также покрыты слоем серебра. Спай расположен на нерабочей поверхности прокладки. Рабочая поверхность контактного элемента может быть выполнена либо волнообразной, либо сферической. Диэлектрический корпус и прокладка со сквозным каналом выполнены за одно целое.
В этом электродном устройстве в порах контактного элемента создан постоянный несохнущий объемный переход «серебро-хлорид серебра-электролит».
Известно электродное устройство [RU 2469642, МПК 6 А61В /04, А61В 5/0408, опубл. 20.12.2012, Бюл. №35], выбранное в качестве прототипа, содержащее диэлектрический корпус, в котором расположен диэлектрический пористый контактный элемент, на нерабочей стороне которого выполнено углубление с нанесенным на его поверхность слоем серебра, соединенным с отводящим элементом спаем, причем для насыщения диэлектрического пористого контактного элемента использован электролит. Весь объем пор диэлектрического пористого контактного элемента заполнен наночастицами серебра, покрытых хлоридом серебра, и пропитан электролитом. Слой серебра через токоотводящий серебряный элемент с помощью спая электрически связан с проводником, подключенным к входу электрографического прибора. На нерабочую сторону контактного элемента нанесен герметик, покрывающий углубление и место спая.
В качестве электролита выбран состав, мас. %:
вода
31-35
хлористый калий
10-13
агар-агар
2-3
полиакриламид
0,5-0,8
глицерин
остальное
Такое электродное устройство позволило повысить метрологические характеристики устройства для измерения и регистрации сигналов биоэлектрической активности различных органов и тканей человека нановольтового уровня в расширенном диапазоне частот от постоянного тока до десятков килогерц.
Однако для решения задачи регистрации микропотенциалов от 300 нВ в диапазоне частот от 0 до 10000 Гц без фильтров в канале измерения с целью раннего обнаружения признаков внезапной сердечной смерти необходимы электродные устройства с более высокими метрологическими параметрами.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка помехоустойчивой конструкции электродного устройства с более низким уровнем собственных шумов в широкой полосе частот для регистрации сигналов биоэлектрической активности различных органов и тканей человека нановольтового уровня в расширенном диапазоне частот от постоянного тока до десятков килогерц в реальном времени без фильтров.
Поставленная задача решена за счет того, что электродное устройство, также как в прототипе, содержит диэлектрический корпус, в котором расположен диэлектрический пористый контактный элемент, весь объем пор которого заполнен наночастицами серебра, покрытых хлоридом серебра, и пропитан электролитом, на нерабочей стороне диэлектрического пористого контактного элемента выполнено углубление с нанесенным на его поверхность слоем серебра, который через токоотводящий серебряный элемент с помощью спая электрически связан с проводником, подключенным к входу электрографического прибора, а на нерабочую сторону контактного элемента нанесен герметик, покрывающий углубление и место спая.
Согласно изобретению диэлектрический пористый контактный элемент состоит из не менее семи пористых диэлектрических пластин одинакового диаметра, заполненных наночастицами серебра, покрытых хлоридом серебра, пропитанных электролитом и электрически соединенных между собой серебросодержащей пастой путем припекания. На нерабочей стороне верхней пористой диэлектрической пластины выполнено углубление, в котором нанесен слой серебра, который через токоотводящий серебряный элемент с помощью спая соединен с проводником. Нижняя диэлектрическая пластина выполнена с выступом для установки в отверстии дна корпуса. Диэлектрические пластины, расположенные между верхней и нижней диэлектрическими пластинами, выполнены толщиной не более 0,8 мм.
В качестве электролита выбран состав, мас. %:
вода
31-35
хлористый калий
10-13
агар-агар
2-3
полиакриламид
0,5-0,8
глицерин
остальное
В результате такого исполнения электродного устройства достигнута помехоустойчивость к внешним электромагнитным помехам и снижен уровень собственных шумов в широкой полосе частот.
Предложенное электродное устройство позволяет регистрировать сигналы биоэлектрической активности различных органов и тканей человека нановольтового уровня в расширенном диапазоне частот от постоянного тока до десятков килогерц в реальном времени без фильтров.
На фиг. 1 представлена конструкция электродного устройства.
На фиг. 2 представлен собственный дрейф напряжения электродной ячейки ЭЯ1, состоящей из системы электродное устройство-прототип - электролит - электродное устройство-прототип, в диапазоне частот от 0,01 до 1 Гц.
На фиг. 3 представлено собственное напряжение шума электродной ячейки ЭЯ1 в диапазоне частот от 2 до 10000 Гц.
На фиг. 4 представлен собственный дрейф напряжения электродной ячейки ЭЯ2, состоящей из системы предложенное электродное устройство - электролит - предложенное электродное устройство, в диапазоне частот от 0,01 до 1 Гц.
На фиг. 5 представлено собственное напряжение шума электродной ячейки ЭЯ2 в диапазоне частот от 2 до 10000 Гц, 1-ый пример регистрации.
На фиг. 6 представлено собственное напряжение шума электродной ячейки ЭЯ2 в диапазоне частот от 2 до 10000 Гц, 2-ой пример регистрации.
На фиг. 7 представлены спектры электрокардиографических сигналов, зарегистрированных с помощью электродного устройства-прототипа.
На фиг. 8 представлена электрокардиограмма, зарегистрированная в 1-ом канале электрокардиографа предложенным электродным устройством, I грудное отведение по Холтеру, частота дискретизации 32 кГц.
На фиг. 9 представлен спектр электрокардиограммы, зарегистрированной в 1-ом канале электрокардиографа предложенным электродным устройством, I грудное отведение по Холтеру, частота дискретизации 32 кГц, в полосе от 0 до 300 Гц.
На фиг. 10 представлен спектр электрокардиограммы, зарегистрированной в 1-ом канале электрокардиографа предложенным электродным устройством, I грудное отведение по Холтеру, частота дискретизации 32 кГц, в полосе от 0 до 10000 Гц.
На фиг. 11 представлена электрокардиограмма, зарегистрированная во 2-ом канале электрокардиографа предложенным электродным устройством, II грудное отведение по Холтеру, частота дискретизации 32 кГц.
На фиг. 12 представлен спектр электрокардиограммы, зарегистрированной во 2-ом канале электрокардиографа предложенным электродным устройством, II грудное отведение по Холтеру, частота дискретизации 32 кГц, в полосе от 0 до 300 Гц.
На фиг. 13 представлен спектр электрокардиограммы, зарегистрированной во 2-ом канале электрокардиографа предложенным электродным устройством, II грудное отведение по Холтеру, частота дискретизации 32 кГц, в полосе от 0 до 10000 Гц.
На фиг. 14 представлена электрокардиограмма, зарегистрированная в 3-ом канале электрокардиографа предложенным электродным устройством, III грудное отведение по Холтеру, частота дискретизации 32 кГц.
На фиг. 15 представлен спектр электрокардиограммы, зарегистрированной в 3-ем канале электрокардиографа предложенным электродным устройством, III грудное отведение по Холтеру, частота дискретизации 32 кГц, в полосе от 0 до 300 Гц.
На фиг. 16 представлен спектр электрокардиограммы, зарегистрированной в 3-ем канале электрокардиографа предложенным электродным устройством, III грудное отведение по Холтеру, частота дискретизации 32 кГц, в полосе от 0 до 10000 Гц.
Электродное устройство (фиг. 1) содержит диэлектрический корпус 1, в котором расположен диэлектрический пористый контактный элемент 2 в виде многослойной конструкции, состоящей из не менее 7-ми пористых диэлектрических пластин 3 одинакового диаметра, каждая из которых заполнена наночастицами серебра 4, покрытых хлоридом серебра, и пропитана электролитом состава, мас. %:
вода
31-35
хлористый калий
10-13
агар-агар
2-3
полиакриламид
0,5-0,8
глицерин
остальное
Все пористые диэлектрические пластины изготовлены методом литья с последующим отжигом, а затем с помощью серебросодержащей пасты соединены между собой путем припекания.
Верхняя и нижняя пористые диэлектрические пластины выполнены высотой не более 1,5 мм.
На верхней пористой диэлектрической пластине выполнено углубление сверху, в котором нанесен слой серебра 5. Слой серебра 5 через токоотводящий серебряный элемент 6 с помощью спая 7 электрически связан с проводником 8, который соединен с входом электрографического прибора.
Диэлектрические пластины, расположенные между верхней и нижней диэлектрическими пластинами, выполнены толщиной не более 0,8 мм.
Нижняя диэлектрическая пластина выполнена с выступом для установки в отверстии дна корпуса.
Герметик 9 с целью изоляции покрывает углубление, место спая 7 и поверхность верхней диэлектрической пластины со стороны его нерабочей поверхности.
В качестве герметика 9 может быть использован силиконовый герметик.
Принцип действия электродного устройства заключается в следующем.
Биопотенциал, возникающий на коже, прикладывается к поверхности рабочей части нижней пористой диэлектрической пластины и через соединенные между собой пористые диэлектрические пластины 3, верхнюю диэлектрическую пластину к слою серебра 5, от которого - к токоотводящему серебряному элементу 6. Затем потенциал через токоотводящий серебряный элемент 6, спай 7, проводник 8 прикладывается к входу электрографического прибора.
Исследование собственного шума электродного устройства проводили на специально разработанном и аттестованном испытательном оборудовании, аттестат №71/15 «Стенд для испытаний наносенсоров», выданный ФБУ «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Томской области» от 30.06.2015 г.
Для сравнения были проведены экспериментальные исследования собственного дрейфа напряжения и собственного напряжения шума [ГОСТ 25995-83. Электроды для съема биоэлектрических потенциалов] и помехоустойчивости двух электродных ячеек:
1
- ЭЯ - пара электродных устройств, состоящая из системы электродное устройство-прототип - электролит - электродное устройство-прототип;
2
- ЭЯ - пара электродных устройств, состоящая из системы предложенное электродное устройство - электролит - предложенное электродное устройство.
Экспериментальные исследования собственного дрейфа напряжения и собственного напряжения шума проводили на 10 парах электродных ячеек, причем для каждой пары эксперименты повторяли по 10 раз. На фиг. 2-6 показаны результаты с максимальными значениями исследуемых параметров.
Флуктуации собственного дрейфа напряжения электродной ячейки ЭЯ1 в диапазоне частот от 0,01 Гц до 1,00 Гц находятся в пределах ±0,001 мкВ (фиг. 2).
Флуктуации собственного напряжения шума электродной ячейки ЭЯ1 в диапазоне частот от 2 Гц до 100000 Гц находятся в пределах ±0,65 мкВ, фиг. 3.
Флуктуации собственного дрейфа напряжения электродной ячейки ЭЯ2 предлагаемого электродного устройства в диапазоне частот от 0,01 Гц до 1,00 Гц находятся в пределах ±0,000000025 мкВ, фиг. 4.
Флуктуации собственного напряжения шума находятся в пределах ±0,2 мкВ в диапазоне частот от 2 Гц до 10000 Гц для электродной ячейки ЭЯ2, фиг. 5-6.
По результатам экспериментальных исследований собственного дрейфа напряжения и напряжения шума электродных ячеек ЭЯ1 и ЭЯ2 в различных частотных диапазонах можно сделать следующие выводы:
2
1
1. Размах флуктуаций собственного дрейфа напряжения в диапазоне от 0,01 до 1 Гц для ЭЯ с использованием предложенного электродного устройства снизился на несколько порядков по сравнению с прототипом ЭЯ.
2
2. Размах собственного напряжения шума в диапазоне от 0-10000 Гц для ЭЯ с использованием предложенного электродного устройства уменьшился в 3 раза и не превышает по уровню ±200 нВ.
Результаты исследований помехоустойчивости представлены на фиг. 7-16.
Исследования помехоустойчивости электродного устройства проводили на 3-х канальном электрографическом приборе высокого разрешения (в дальнейшем, электрокардиографе для съема биопотенциалов сердца человека) в полосе частот от 0 до 10000 Гц.
Электрокардиограф высокого разрешения имеет следующие параметры:
диапазон входных напряжений - от ±300 нВ до ±10000 мкВ (по ГОСТ 19687-89. Приборы для измерения биоэлектрических потенциалов сердца - от ±0,03 мВ до ±5 мВ.);
диапазон частот - от 0 до 10000 Гц;
частота квантования - 64000 Гц;
число каналов - 3;
число электродов - 7;
питание от порта USB.
Электрокардиограф был испытан на соответствие параметров на специально разработанном и аттестованном испытательном оборудовании, аттестат №70/15 «Стенд для испытаний аппаратно-программных комплексов (АПК)», выданный ФБУ «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Томской области» от 30.06.2015 г.
В спектрах электрокардиографических сигналов, зарегистрированных электрокардиографом высокого разрешения с помощью электродных устройств-прототипов, установленных на поверхности грудной клетки исследуемого по системе Холтера, фиг. 7, присутствует сетевая помеха 50 Гц и ее высокочастотные спектральные составляющие - 100 Гц, 150 Гц, 200 Гц и т.д.
В электрокардиограмме, зарегистрированной в 1-ом отведении электрокардиографом высокого разрешения с помощью предложенных электродных устройств, установленных на поверхности грудной клетки исследуемого по системе Холтера, фиг. 8, отсутствует сетевая помеха и ее гармоники, фиг. 9 и фиг. 10.
В электрокардиограмме, зарегистрированной во 2-ом отведении электрокардиографом высокого разрешения с помощью предложенных электродных устройств, установленных на поверхности грудной клетки исследуемого по системе Холтера, фиг. 11, отсутствует сетевая помеха и ее гармоники, фиг. 12 и фиг. 13.
В электрокардиограмме, зарегистрированной в 3-ем отведении электрокардиографом высокого разрешения с помощью предложенных электродных устройств, установленных на поверхности грудной клетки исследуемого по системе Холтера, фиг. 14, отсутствует сетевая помеха и ее гармоники, фиг. 15 и фиг. 16.
Как показали результаты исследований, фиг. 8-16, в спектре электрокардиограмм отсутствует сетевая помеха 50 Гц и ее высокочастотные спектральные составляющие - 100 Гц, 150 Гц, 200 Гц и т.д.
Разработанные электродные устройства имеют низкий уровень собственных шумов, менее ±200 нВ, обладают помехоустойчивостью и могут быть использованы в электрокардиографической аппаратуре высокого разрешения как по уровню (300 нВ), так и по частоте (0-10000) Гц с целью регистрации микропотенциалов сердца в реальном времени без фильтров для обнаружения ранних признаков внезапной сердечной смерти.