Вопрос 90. Виды физиологических сигналов и их характери­стики. Назначение усилителя биоэлектрических сигналов. Ос­новные требования к усилителям.

Различные физиологические сигналы характеризуются тремя ос­новными параметрами:

- амплитудой сигнала,

- динамическим диапазо­ном,

- полосой частот.

Динамический диапазон сигнала - отношение максимальной амплитуды сигнала к его минимальному значению.

Физиологический сигнал	Амплитуда сигналя, мВ	Динамический диапазон	Полоса час­тот, Гц
ЭКГ электрокардиограмма	0,3-3	10	0,5-400
ФКГ фонокардиограмма	10-100	10	20-800
РГ реограмма	1-10	10	0,3 - 30
ЭМГ электромиограмма	0,02 - 3	150	1-10000
ЭГГ электрогастрограмма	0,01 - 0,4	40	0,02 - 0,06
КГР кожно-гальваничесхая ре­акция	0,1-2	20	0,01 - 10
ЭЭГ электроэнцефалограмма	0,002-0,1	50	0,3-80
Дельта-ритм	0,01-0,03	3	0,3-3.5
Тета-ритм	0,02 - 0,04	2	3,5-8
Альфа-ритм	0,02-1	5	8-13
Бета-ритм	0,002 - 0,03	15	13-80

Литература: лекции.

Вопрос 91. Основные метрологические характеристики уси­лителей и методы их определения. Искажения в усилителях.

Для последующей обработки снятых с помощью электродов или датчиков физиологических сигналов и их анализа данные сигналы необходимо усилить до определенного уровня и не внести в усилен­ный сигнал искажения. Для этих целей в медицинских приборах при­меняются усилители биоэлектрических сигналов.

До недавнего времени электронные усилители выполнялись на ра­диолампах. В настоящее время они выполняются на транзисторах и интегральных микросхемах, что позволило значительно сократить их габариты, вес, энергопотребление, повысить их надежность и улуч­шить параметры.

Исходя из частотного диапазона, усилители подразделяются на усилители постоянного тока и усилители переменного тока.

К основным метрологическим характеристикам усилителя относят­ся:

- динамический диапазон,

- коэффициент усиления,

- рабочий диапа­зон воспроизводимых частот,

- входное и выходное сопротивление.

Большинство характеристик усилителя определяется по его ам­плитудной характеристике - графику зависимости напряжения на вы­ходе усилителя от напряжения на входе при постоянной частоте уси­ливаемого сигнала.

Амплитудная характеристика усилителя.

АВ - линейный участок характеристики.

1. Динамический диапазон усилителя - диапазон изменения сигна­ла на входе усилителя, в котором он усиливается без амплитудных (нелинейных искажений). Под искажениями понимается несоответст­вие формы входного сигнала форме выходного (усиленного) сигнала: m = U_{вх max} / U_{вх min}.

Когда амплитуда напряжения на входе усилителя выходит за пре­делы линейного участка амплитудной характеристики возникают так называемые амплитудные (нелинейные) искажения.

2. Коэффициент усиления усилителя: К_ус = ΔU_вых / ΔU_вх.

Коэффициент усиления усилителя, как его параметр, определяется на середине линейного участка амплитудной характеристики.

Для каждого вида физиологического сигнала коэффициент усиле­ния должен иметь номинальную величину, которая рассчитывается исходя из того, что минимальная величина данного сигнала должна быть, усилена до б Вольт. Такое напряжение необходимо для работы регистрирующих устройств. Учитывая этот факт, можно вычислить номинальный коэффициент усиления усилителя для данного сигнала:

К_ус = 6 В / U_{вх min}. Например, для ЭКГ номинальный коэффициент усиления будет равен:

К_ус = 6 В /0,3 мВ = 20 000.

Для борьбы с амплитудными искажениями в усилителях преду­смотрен методический прием «Калибровка». При этом на вход усили­теля медицинского прибора подается напряжение 1 мВ и регулиров­кой коэффициента усиления в небольших пределах добиваются опре­деленной амплитуды записи. В случае ЭЭГ на вход усилителя подает­ся напряжение 1 мкВ. При уменьшении коэффициента усиления уси­лителя происходит расширение динамического диапазона усилителя, при увеличении коэффициента усиления - сужение динамического диапазона. Это и позволяет приспособить усиливаемый сигнал под линейный участок амплитудной характеристики усилителя.

3. Коэффициент нелинейных искажений: K_н.и= (U_ном - U_вых) /U_ном  100%.

При выходе усиливаемого сигнала за пределы линейного участка характеристики (за пределы динамического диапазона) возникают нелинейные (амплитудные) искажения. Для характеристики этих ис­кажений вводится понятие коэффициента нелинейных искажений, ко­торый определяется по амплитуд­ной характеристике и вычисляется по формуле: K_н.и= (U_ном - U_вых) /U_ном  100%, где U_ном - то значение выходного напряжения, которое давал бы усили­тель, при данном напряжении на входе усилителя, если бы амплитуд­ная характеристика усилителя была бы полностью линейной.

4. Рабочий диапазон воспроизводимых частот усилителя - диапа­зон частот, в котором допустимы 30% частотные искажения. Оказывается, что коэффициент усиления усилителя зависит не только от амплитуды входного напряжения, но и от частоты усили­ваемого сигнала. Эта зависимость выражается частотной характери­стикой усилителя - графиком зависимости коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала при постоянном напряжении на входе усилителя: K_ус.= f() при U_вх = const.

Частотная характеристика Частотная характеристика

усилителя постоянного тока усилителя переменного тока

Для определения частотного диапазона усилителя определяют уровень затухания 3 децибела (0,7 от максимального значения коэффициента усиления) и по точкам пересечения этого уровня с характеристикой определяют граничные частоты: нижнюю _н и верхнюю _в.

5. Входное и выходное сопротивление усилителя.

Рассмотрим эквивалентную схему входной цепи диагностического прибора:

Е - ЭДС источника биопотенциалов;

R_э-к - переходное сопротивление электрод-кожа;

R_вх - входное сопротивление усилителя биопотенциалов;

I_вх - величина входного тока, обусловленного напряжением входного сигнала Е;

U_вх - величина входного напряжения УБП.

По закону Ома: I_вх =E / (R_э-к + R_вх). Тогда: U_вх = I_вх  R_вх = E R_вх / (R_э-к + R_вх).

Значит, если уменьшается R_э-к , то U_вх растет до E.

Для усилителей R_вх должно быть не менее 100 Мом.

Для того чтобы не шунтировать следующие за усилителем блоки диагностического прибора, сопротивление выхода усилителя должно быть примерно равным сопротивлению входа следующего блока ди­агностического прибора.

Литература: Ремизов А.Н., Медбиофизика,-1987, с.379-383; лекции.