3 Усилители электробиосигналов (убс)

Основные понятия. Согласованность с электродами. Дифференциальный вход. Две типовые схемы каскада усиления. Две многоканальные схемы. Рабочая часть. Изолированная раб часть. Динамический диапазон. СКО, пик/пик шума. Связь между ними. Источники помехи. Синфазная помеха. Емкость на пациента. Электрод N. Влияние сопротивления электрод - кожа под электродом N. Влияние емкости питающего трансформатора. Подавление СП. Сигнальные входы/выходы. Рабочее заземление. Защита от статического электричества и импульсов дефибрилятора. Перегрузка. Успокоение, время восстановления.

3.1. Построение усилителей биосигналов (убс)

Общая структура. Типовые величины полезных биосигналов находятся в пределах от единиц микровольт до десятков милливольт. Они низкочастотны и построение таких усилителей не представляло бы особой сложности, если бы не необходимость работы в тяжелой помеховой обстановке, характерной для медицинских учреждений. Это выделяет усилители электробиосигналов (УБС) в особую группу. Как правило УБС - многоканальный усилитель:

а) согласованный для работы с электродами,

б) способный работать при сетевых наводках и помехах, присущих медицинским учреждениям и

в) обеспечивающий электробезопасность пациента и персонала по жестким требованиям для медицинских приборов.

Общая структура УБС показана на рис 2.1.

Все цепи УБС, электрически соединяемые с пациентом (через электроды) называются рабочей частью. Рабочая часть обычно отделена от основного прибора дополнительной изоляцией - "развязкой" (так называемая изолированная рабочая часть). Развязка должна выдерживать испытательное напряжение 2.5 кВ эфф в течение 1 -2х минут. В случае, если рабочая часть не отделяется от основного прибора (например при его малогабаритности) дополнительная изоляция обьединяется с основной и называется усиленной. В сетевых приборах усиленная изоляция должна выдерживать уже 4 кВ эфф пробивного напряжения.

В ыход УБС обычно сопрягается с АЦП или работает на графический регистратор (на бумагу или монитор. Регистрация графиков на бумагу до настоящего времени обеспечивает лучшее качество "читаемости" графиков). Каждый УБС должен иметь контрольный источник сигнала 1 мВ (с точностью 1%) для оперативного контроля работоспособ­ности. Тест сигнал должен вводиться в усилительный тракт до всех возможных регулировок параметров УБС. Обычно усилитель биосигналов имеет ступенчатые регулировки усиления и полосы пропускаемых частот.

Цепи управления усилением и полосой частот, если изменение проводится дистанционно, цепи контроля и выходы на ЭВМ называются сигнальными цепями. Они должны быть изолированы от рабочей части "дополнительной" изоляцией, выдерживающей испытательное напряжение 2.5кВ эфф относительно электродов, накладываемых на пациента. Далее мы коснемся только особенностей построения УБС, считая общую теорию усилителей известной.

3.2 Согласование усилителя с электродами

Согласование усилителя с электродами обеспечивается за счет большого входного сопротивления, малого входного тока и устойчивости к электродным потенциалам.

Высокое входное сопротивление требуется из за большой величины омического сопротивления рогового слоя кожного покрова и нестабильности этого сопротивления. Величина сопротивления колеблется от сотен Ом до 0,2 мОм и более (сухая кожа). Слой кожи неравномерен, он содержит множество точек иннервации и выхода потовых железок ("акупунтурных точек"), где сопротивление мало. Плотность этих точек различна по поверхности: среднее расстояние между точками на ладони 3мм, на животе и спине 40мм. Кроме резистивной составляющей имеется значительная емкостная. Принята эквивалентная схема перехода электрод - кожа - плазма тела имеет вид параллельно включенных сопротивления 51 кОм и емкости 47 нФ. В действительности переход электрод - кожа значительно более сложен. Выявлены зависимость сопротивлений от полярности тока, изменчивость во времени под воздействием эмоций, а так же и от самой величины пропускаемого тока. Однако применительно к усилителям, которые имеют высокое входное сопротивление, электрод работает в бестоковом режиме.

Сопротивление электрод - кожа создает делитель напряжения с входным сопротивлением УБС (R_входа). Естественно, этот делитель имеет нестабильный коэффициент передачи. Для достижения точности в передаче напряжения изменение коэффициента передачи не должно превышать заранее выбранной величины (например 5%). Поэтому общепринято требовать значение входного сопротивления усилителя (Rвх) более 5.0 мОм. Тогда при изменении R _кожи в оговоренных выше пределах (от 100 Ом до 200кОм) изменение коэффициента передачи сигнала не превысит 4%. Электроды, как правило, накладываются на подготовленную кожу, очищенную спиртом и увлажненную специальным гелем. В этом случае сопротивление R кожи не превышает 2-20кОм и требование к величине Rвх снижается почти в 10 раз, но при этом повышаются требования к квалификации и добросовестности мед персонала.

При всех испытаниях УБС на входы подключается и отключается эквивалент кожи: все заявленные производителем характеристики усилителя должны сохраняться при произвольных переключениях эквивалентов. Так, например, заявленная величина усиления (типовая точность выдерживания 2% - 5%) должна быть в допуске при включении и выключении этих эквивалентов.

Измерение R_кожи. Большинство УБС содержит устройство измерения переходного сопротивления электрод - кожа. Этот измеритель одновременно является индикатором плохого наложения электродов. Измеритель работает на обычном принципе: перед сеансом обследования поочередно через каждый наложенный электрод пропускается измерительный импульс тока порядка единиц мкА и по выходу усилителя измеряется результирующее напряжение на переходе электрод - кожа. Если напряжение оказывается больше заданного, то электрод или плохо установлен (например сухой электрод без пасты), или оборвался подводящий провод, или электрод отвалился. Об этом сигнализирует индикация. Процедура контроля обычно занимает доли секунды или секунды.

Устойчивость к электродным потенциалам

Полезные сигналы имеют уровень от долей микровольт до десятков милливольт, а электродный потенциал - сотни милливольт. Усилитель с большим коэффициентом усиления может перегружаться электродным потенциалом. Поэтому приняты общие требования ко всем усилителям биопотенциалов (УБП), устанавливающие, что усилитель должен работать, сохранять все свои параметры при величине входного электродного потенциала от +0.3В до -0.3В.

Простейшей формой отделения электродного потенциала является установка CR цепи (ФВЧ). Т.к. входное сопротивление УБС должно быть велико, более 5 мОм, то обычно оно нестабильно. Поэтому во входной цепи СR фильтр не принято устанавливать. Установке СR цепи на входе так же препятствует необходимость защиты этой цепи от перегрузок - цепь должна разрядиться (успокоиться) от потенциалов перегрузок и статического электричества за время менее 1 сек - большее время восстановления не допустимо. Обычно быстрое восстановление достигается введением в схему ключа, например контактов реле замыкающего емкость. Коммутации на входе высокочувствительного усилителя являются источниками помех и наводок. По всем этим соображениям цепь СR фильтра устанавливают после первого каскада усиления, а усиление первого каскада выбирают небольшим (менее 10), что бы он не перегружался от электродного потенциала +/-0.3В.

Индикация наличия перегрузки. Если обеспечена устойчивость работы УБС при электродных потенциалах +/- 0.3В, то этого еще не достаточно. Статическое электричество и особенно импульсы электродефибрилятора даже хорошие электроды могут поляризовать до напряжений больших, чем +/-0.3В. Для контроля за такими ситуациями УБС должен обеспечить индикацию наличия перегрузок, приводящих к изменению усиления или потере сигнала. При этом должен обеспечиваться выход из режима перегрузки за время меньшее, чем 5 секунд.

Для ускорения разряда СR цепи используют ключ, ускоренно разряжающий емкость С от напряжения перегрузки. При этом наблюдается неприятное явление: большинство типов конденсаторов обладают свойством адсорбции, т.е. их диэлектрик запоминает поданное напряжение помехи - он поляризуется. При замыкании разрядного ключа емкость разряжается только на 90 - 95 %, а 5 - 10% - адсорбционный остаток - остается и уходит очень медленно - сотни секунд. Этого остатка может хватать для перегрузки усилителя. Поэтому в цепи СR фильтра устанавливают конденсаторы с наименьшей и контролируемой адсорбцией (такими являются конденсаторы с полистирольным диэлектриком и некоторые другие пленочные конденсаторы).

Обеспечение малых токов во входных цепях. Входные токи усилителя поляризуют электроды, что приводит к росту электродных потенциалов и их дрейфу. Даже малые входные токи при длительном воздействии приводят к раздражению кожи. Поэтому принято, что постоянные входные токи усилителя биосигналов не должны превышать 10 мкА. Обычно требование малых входных токов обеспечивается современными ОУ с полевыми транзисторами на входе. Однако величина этого тока обязательно контролируется при технических испытаниях УБС.

3.3. Помеховая обстановка при съеме электробиосигналов.

Электробиосигналы очень “низкочастотны” в понятиях радиотехники: ширина их спектра не превышает четырех килогерц и простирается почти от нулевых частот. В этой полосе имеются мощные источники помех, прежде всего промышленная и осветительная сеть с частотой 50Гц. Поэтому построение усилителей биосигналов, работающих в не экранированных помещениях является сложной инженерной задачей.

Пути проникновения помех. Помеха от сети попадает на тело пациента и конструктивные элементы усилителя. Основные пути прохождения помехи: 1) через емкость от провода осветительной сети на тело пациента 2) то же на корпус и элементы усилителя и 3) через трансформатор питания усилителя (при его питании от сети 220В). Наглядно эти пути проникновения сетевой помехи представлены на рис 2.2. Человек считается изолированным от окружающего пространства. Величина внутреннего сопротивления тела человека составляет единицы ом. Поэтому токи, наводимые внешними ЭДС помех создаются внутри тела очень маленькое падение напряжения, единицы мкВ. Это позволяет утверждать, что внутренняя среда эквипотенциальна: наводимые токи не создают заметных разностей потен­циалов. Другими словами наводимые помехи "синфазны" во всех точках тела и их так и называют "синфазными" (СФП).

 Прямая наводка помехи от осветительного провода Сперва будем учитывать только емкости провода осветительной сети на тело человека. Пусть усилитель питается от аккумулятора и не имеет сетевого транс­форматора. Величина емкости "сетевой провод - тело пациента" обычно принимается равной 2 пФ (показана на рис 2.2). Емкость тело пациента - земля имеет величину около 200 пФ. (емкость С2 ). Мы получаем делитель с коэффициентом деления 100, т.е. на теле пациента (на каждом из нас) от сети наводится синфазная помеха около 2х Вольт. Это очень большая величина, т.к. уровень полезного биосигнала в десятки тысяч раз меньше.

О бычно усилитель биопотенциалов имеет дифференциальный вход и подключается не менее чем тремя электродами: два (или более) "сигнальные" и один нейтральный - “заземляющий электрод N”. Под каждым электродом присутствует сопротивление электрод - кожа. Величина этого сопротивления нестабильна, но принято заменять ее эквивалентом, состоящим из параллельно соединенных резистора 51 кОм и конденсатора 47 нФ. Особенно большое значение имеет Z_кожи под электродом N. На этом участке выделяется помеха. Однако если габариты усилителя (и его паразитные емкости на сетевые провода) пренебрежимо малы, он питается от аккумулятора и расположен непосредственно рядом с телом, то после наложения электрода N усилитель электрически соединен с телом и становится эквипотенциальным. Помеха 2 вольта уже не воздействует на входные цепи усилителя, т.к. система усилитель - пациент экаипотенциальна. Если габариты усилителя велики, то уже надо учитывать емкости сетевого провода на усилитель и усилителя на землю. Возникает мостовая схема и по соединяющему нейтральному проводу через электрод N начинают течь уравнивающие токи. (Так как входное сопротивление усилителей велико, то ток через сигнальные электроды не протекает, а сосредотачивается в цепи электрода N). Эти токи на сопротивлении "электрод N - кожа" выделяют напряжение помех, оно синфазно для остальных электродов/входов усилителя. Чем меньше сопротивление электрод - кожа, тем меньше помеха от протекающего тока.

Прохождение помех через питающий трансформатор

На рис 2.3 представлена полная схема проникновения сетевых помех, учитывающая наличие емкости между обмотками питающего трансформатора (так называемую проходную емкость питающего трансформатора). Обычно проходная емкость сетевого трансформатора близка к 500пф. Получается, что емкость на сеть 2 пФ увеличилась в 250 раз. Импенданс этой емкости на частоте сети велик (более 100 мОм), этот путь прохождения помехи может считаться генератором помехового тока. В общей системе пациент, усилитель, трансформатор блока питания, сеть, помеховый ток выделяет помеховое напряжение на R_кожи под электродом N.