3.5. Подавление сетевой помехи вычитанием в усилителе

Т.к. сетевая помеха синфазна в теле пациента, то ее подавить можно вычитанием сигнала одного электрода из напряжения остальных. Уничтожение вычитанием происходит без потери информации, т.к. если одновременно потенциал всех электродов увеличим или уменьшим, распределение потенциалов по электродам не изменится, а именно распределение потенциалов информативно. После вычитания потенциал вычитающего электрода считаем нулевым. Безразлично, какой электрод мы принимаем за вычитающий (референтный).

Коэффициент подавления СФП измеряется в разах (или дециБеллах), и определяется как отношение поданного на вход испытательного синфазного сигнала к наблюдаемому остатку от него. Значение остатка пересчитывается ко входу усилителя. Требуемое значение подавления в самом УБС не менее 80 дБ.

3.6. Типовое построение схем убс (Рис 2.7-2.9)

Все усилительные схемы опираются на применение операционных усилителей (ОУ). Современные ОУ обладают очень хорошими, почти предельно реализуемыми характеристиками (для общности они представлены в таблице 2.1)

Таблица 2.1. Параметры ОУ для построения УБС.

К усиления без ОС дБ	100-120
Подавление СФП дБ	70-100
Частота единичного усиления. мГц.	0.1-5
Входной ток пикоА	10 -500
Эквивалентные шумы нВ/sqrГц	1-30
Низкочастотные шумы 0.1 - 10Гц, мкВ	2 (пик/пик)
Входная емкость пФ	2 - 5
Входное сопротивление мОм.	10 - 100

В задачи разработчика входит выбор типа ОУ по каталогам, обеспечение коэффициента усиления, требуемой частотной характеристики и стабильности параметров. Стабильность параметров имеет очень большое значение, т.к. подавление синфазной помехи обеспечивается вычитанием сигналов разных каналов: для подавления помехи в 100.000 раз нестабильность параметров должна быть менее 10^-5.

Схемы усилителей. Усилители строятся комбинацией из типовых каскадов усиления, представленных на рис 2.7. а и б. Если R₁ и R₂ в формулах рис 2.7 заменить на Z_i(w) то изменение усиления К(w) в функции частоты w будет отображать частотную характеристику усилителя. Собственно усиление каскада определяется величиной отношения: К=R₂/R₁.

Особенностью УБС является использование дифференциального входа с жесткими требованиями к величине входного сопротивления и подавления синфазного сигнала. Дифференциальный усилитель на одном ОУ выполнить нельзя, т.к. входное сопротивление прямого и инвертирующего входов очень различно. Применяют комбинацию узлов рис 2.7 в вариантах рис 2.8. На рис 2.8а представлен "классический" парафазный усилитель, на рис 2.8б и рис 2.9 современные варианты такого усилителя. Схемы эквивалентны по параметрам.

Многоканальные усилители строятся как наборы каналов по схемам рис 2.8, 2.9 так и с использованием особых многоканальных схем. Структура такого многоканального усилителя приведена на рис 2.10а,б.

Схема 10а называется "многофазной" и имеет особенности. Усиление по каждому каналу равно:

K_kk=1+(R₂/R₁)_*(N-1)/N

где N - число каналов. Усиление по синфазному сигналу (помехе) равно 1 и не зависит он номиналов резисторов. Кроме того имеется "пролезание" из канала в канал: оно определяется фомулой.

K_ki=R₂/ (N R₁).

Пролезание из канала в канал не является большим недостатком схемы т.к. "пролезание" исчезает, если в последующих каскадах формируется разность "канальных" сигналов. «Пролезание» играет положительную роль в специализированных усилителях для энцефалографии: сигнал каждого канала формируется относительно усредненного по каналам потенциала - референтного, равного сумме «пролезаний».

Схема рис 2.10б) используется более широко. Она обеспечивает вычитание одного (общего, опорного, индифирентного, синфазного, дифференциального) канала из остальных, за счет чего достигается важное преимущество: число каналов уменьшается на единицу. Используются и другие варианты формирования вычитающего сигнала, обычно он получается усреднением сигналов всех каналов или части их. Очень хорошие результаты достигаются последовательным соединением схем а) б) рис 2.10.

З а счет вычитания достигается подавление синфазной помехи (СФП). Такой важный параметр, как подавление СФП, определяется точностью подбора номиналов резисторов R₁R₂, их стабильностью и коэффициентом усиления каскада (интересно отметить, что требования к точности выдерживания номиналов уменьшаются при увеличении коэффициента усиления каскада). Выражение для К_под - достижимого подавления СФП вычитанием в усилителях имеет вид:

К_под=К_у/(δR/R)

Из за условия работы с электродным потенциалом в пределах +/-0.3В и при использовании напряжения питания +/-5В коэффициент усиления К_у первого каскада не может быть больше 10, допуск на разброс сопротивлений трудно обеспечить лучше 0.1% (10^-3), следовательно подавление СФП в усилителях более 80 дБ трудно достижимо. Полное значение наводимой СФП на теле пациента примерно равно 2В эфф, т.е. требуемое значение коэффициента подавления составляет 120 дБ. Оставшиеся 40 дБ подавления получают внешне структурными соединениями, например использованием изолированной рабочей части, рабочим заземлением, батарейным питанием.

Обычно усилитель заканчивается или регистратором или мультиплексором АЦП. Структура типового УБС представлена в таблице 2.2.

Таблица 2.2. Основные узлы усилителя биосигналов.

Рабочая часть соединена с пациентом электродами:

Электроды (обычно N+1 электрод, N - число каналов)

Защита от статического электричества.

Контроль сопротивления электрод - кожа.

Тест сигнал 1мВ с точностью 1%.

Малошумящие входные каскады усиления, N каналов. Определитель наличия перегрузки усилителя.

ФВЧ отсечки электродных потенциалов. Узел быстрого успокоения при перегрузках. Регулировка нижней граничной частоты. Регулировка верхней граничной частоты. Основные каскады усиления. Регулировка усиления.

АЦП и/или каскады передачи сигналов через изоляцию.

Конец изолированной части. Развязка 2.5 кВ эфф.

Выход на регистратор или процессор обработки.

Управление и индикация режима работы.

Связь с ЭВМ.

Блок питания от сети 220В и Развязка 1.5 кВ эфф. (по классу I) или 4 кВ эфф. (по классу II). Зарядное устройство для аккумулятора.

Нетрудно видеть, что разнообразие требуемых функций оставляет простор для инженерной мысли, однако нет сомнения, что со временем УБС станет типовым узлом - микросхемой. Для примера на рис 2.11 представлена обобщенная полная схема усилителя биосигналов N канального энцефалографа. В таблице 2.3 приведены типовые параметры современного усилителя биосигналов.

Число каналов	1-32
К усиления, дБ	20-60
Регулировка усиления, раз	4 - 8
Подавление СФП, дБ	120
Регулируемая нижняя граничная частота усиления, Гц	0.05 - 80.0
Регулируемая верхняя граничная частота усиления, Гц	75 - 5000
Входное сопротивление, мОм	10.0-100.0
Эквивалентные шумы нВ/sqrГц СКО	1-30
Шум низкочастотный в полосе 0.1 - 10Гц мкВ, пик/пик	2
Устойчивость к электродным потенциалам, В (+/-)	0.3
Граница индикации перегрузки электродным потенциалом, В (+/- )	0.35 - 0.4
Время выхода из перегрузки импульсом 5 кВ, сек	1-5
Измерение сопротивления Электрод - кожа, кОм	2 - 20 >20-тревога

Таблица 2.3 Типовые параметры современных УБС.