Жулев_3_4_9_15_16_20

3.Характеристики биоэлектрических сигналов; обобщенные структуры приборов и систем

регистрации (обработки) биосигналов.

Характеристики биоэлектрических сигналов

При выполнении различных функций некоторые системы организма генерируют сигналы, несущие в себе полезную информацию. Этими сигналами являются биоэлектрические потенциалы, соответствующие проведению нервных импульсов, активности мозга, сердцебиению, мышечной активности и т.п. Биоэлектрические потенциалы фактически являются ионными напряжениями, возникающими в результате электрохимической активности специальных возбудимых клеток. С помощью электродов (преобразователей) ионные напряжения преобразуются в электрические, которые можно измерить и отобразить.

Известны и используются для диагностики целый ряд биоэлектрических сигналов: ЭКГ, ЭЭГ, ЭМГ, ЭГГ, ЭГлГ и др.

1. Электрокардиограмма (ЭКГ) формируется потенциалами в виду

t Q S

ЭКГ-сигнал характеризуется амплитудными значениями зубцов и длительностями временных интервалов.

Типовые амплитудные значения.

В целом амплитудный диапазон ЭКГ: –0,2…+1,5 мВ. Типовые временные интервалы.

Спектральная плотность мощности ЭКС:

Gx(f) 4

5

Рис. 2.4

1 – спектр ЭКС; 2 – дыхательные артефакты; 3 – артефакты движения

тела; 4 – напряжение поляризации электродов; 5 – сетевая наводка 50 Гц; 6 – мышечный шум

Особенности ЭКС:

-чрезвычайно сложная с точки зрения электрических сигналов форма, затрудняющая моделирование и математическое описание (Уолш, Фурье,…);

-широкий амплитудный диапазон (для нормальной ЭКГ);

-широкий диапазон изменения временных параметров;

-реально на ЭКГ накладываются шумы и помехи различного происхождения (рис. 2.4). Для исключения влияния шумов используют методы измерения в определенных местах – отведениях;

-еще большие изменения в форме, спектре, амплитудах, временных интервалах – при патологиях.

Общая характеристика ЭКС – квазидетерминированный сигнал + шумы, но все же ближе к квазипериодическим со случайным периодом (R-R интервалом).

1.Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) характеризует биоэлектрические

3. Электромиограмма (ЭМГ) формируется биопотенциалами, связанными с мышечной активностью (рис. 2.6).

U

t

Рис. 2.6

Частотный диапазон ЭМГ-сигнала лежит в пределах от 0,5 Гц …n 100 Гц, отдельные частотные составляющие могут иметь частоту 10…20 кГц. Амплитуда сигнала колеблется от единиц мкВ до десятков мВ.

Общая характеристика ЭМГ – квазидетерминированный сигнал, ближе

кслучайному.

2.Электрогастрограмма (ЭГГ) является результатом регистрации биопотенциалов желудка, отражающих его двигательную функцию (рис. 2.7).

Типовая ЭГГ в норме. Каждый зубец соответствует перистальтической волне.

U

t

Рис. 2.7

Параметры сигнала: частота f 0,05 Гц (3±0,2 колеб/мин), амплитуда U

= 0,2 … 0,4 мВ.

Сигнал ЭГГ представляет собой квазидетерминированный сигнал, наиболее приближенный к случайному по сравнению со всеми перечисленными выше.

Представим сводную таблицу 2.1 для частотных и амплитудных характеристик рассмотренных выше биосигналов (n – натуральное число).

Выводы:

-все биоэлектрические сигналы относятся к микро- и милливольтовому диапазону, а, следовательно, требуют предварительного усиления;

-все биоэлектрические сигналы относятся к диапазону низких и инфранизких частот, поэтому проблем в преобразовании сигналов с точки зрения быстродействия электронной аппаратуры не возникает;

-все биоэлектрические сигналы подвержены сильному влиянию помех, спектры которых зачастую перекрываются со спектрами самих биоэлектрических сигналов, в связи с этим возникают значительные трудности при фильтрации.

Обобщенные структуры приборов и систем регистрации биоэлектрических сигналов

1. Наиболее простой структурой для регистрации биоэлектрических сигналов является система одного отведения (рис. 2.8).

Рис. 2.8

Принцип действия системы достаточно прост: сигнал с датчика усиливается и поступает на устройство для индикации или регистрации. Недостатком такой системы является возможность измерять сигнал лишь одного отведения.

2. С уч етом недостатка предыдущей системы регистрации была

разработана параллельная система на n отведений (рис. 2.9).

Рис. 2.9

Принцип действия данной системы аналогичен принципу действия системы на рис. 2.8, единственным отличием является возможность регистрации сигналов нескольких отведений одновременно. Недостаток – нет подавления помех.

3. Поскольку биоэлектрические сигналы подвержены значительному влиянию помех, появилась необходимость в фильтрации информативного сигнала. В результате была разработана система регистрации на n отведений с фильтрацией (рис. 2.10).

В этой системе впервые был сформирован измерительный канал, который состоит из предварительного усилителя, аналогового фильтра и оконечного усилителя. Недостаток данной системы заключается в том, что при наличии n отведений отсутствует возможность регистрации сигнала от m

отведений, причем m<n.

4. Для осуществления регистрации от m отведений из n возможных была спроектирована система регистрации, в состав которой вошел коммутатор, работа которого определяется блоком управления (рис. 2.11).

Рис. 2.11

Данный коммутатор позволил согласовать работу n датчиков с работой m измерительных каналов. После разработки данной системы появилась необходимость обработки полученного сигнала и определения его параметров в цифровом виде.

UQR

τP

t

v

5. Для обработки зарегистрированного биосигнала и передачи данных в систему регистрации были введены цифровые средства обработки и регистрации: цифровой осциллограф (регистратор) и ЭВМ (рис. 2.12).

Д1 ПУ1 АФ1 Ок.У1 АЦП1 ЦО

ПЭВМ

Ан.рег.n

Бл. упр.

Рис. 2.12

6. Для осуществления регистрации сигналов от m отведений из n возможных и цифровой обработки информативного сигнала система регистрации на рис. 2.12 была доработана и модернизирована путем введения блока управления коммутаторами, работа которого определяется ЭВМ (рис.

2.13).

Исходя из рассмотренных подходов к построению аппаратуры намечается следующая структура курса: вопросы усиления сигналов; помехозащищенность; фильтрация; аналого-цифровое преобразование; отображение и регистрация информации; обработка сигналов.

4.Коэффициент ослабления синфазного сигнала и способы его повышения.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) характеризует способность ОУ подавлять синфазные напряжения. Данная характеристика ОУ имеет огромное значение при осуществлении регистрации слабых сигналов, поступающих от удаленных источников. Обычно в медицинских системах датчики располагаются на расстоянии нескольких метров от предварительного усилителя (2…5 м).

Основным источником помех являются сетевые наводки частоты 50 Гц, а также электрические, магнитные и электромагнитные поля индустриального происхождения.

При измерении сигналов низкого уровня необходимо обеспечить:

-требуемое ослабление напряжения синфазной помехи;

-требуемое усиление информативного сигнала;

-стабильность;

-высокое входное сопротивление.

Известно, что отрезок силового неэкранированного кабеля длиной 1 м наводит на расположенный параллельно на расстоянии 1 м такой же отрезок неэкранированного сигнального провода напряжение помехи порядка 1 мВ на 1 кВт передаваемой мощности (рис. 3.9), т.е.:

Uп 1мВ/кВт.

~P

1м

1м

Uп 1мВ/кВт Рис. 3.9

Для ослабления наводимых помех необходимо использовать экранированный кабель или провод, что дает ослабление помех, величина