Главная » Все файлы » Просмотр файлов из архивов » Документы » Карпухин В.А. - Биотехнические основы проектирования усилителей электрофизиологических сигналов Правка1

Карпухин В.А. - Биотехнические основы проектирования усилителей электрофизиологических сигналов Правка1 (Всё по 2 лабораторной работе)

2017-12-27СтудИзба

Описание файла

Файл "Карпухин В.А. - Биотехнические основы проектирования усилителей электрофизиологических сигналов Правка1" внутри архива находится в папке "Всё по 2 лабораторной работе". Документ из архива "Всё по 2 лабораторной работе", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "медицинские приборы аппараты системы и комплексы (мпасик)" из 7 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "лабораторные работы", в предмете "медицинские приборы аппараты системы и комплексы (мпасик)" в общих файлах.

Онлайн просмотр документа "Карпухин В.А. - Биотехнические основы проектирования усилителей электрофизиологических сигналов Правка1"

Текст из документа "Карпухин В.А. - Биотехнические основы проектирования усилителей электрофизиологических сигналов Правка1"

Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана

В.А.Карпухин

БИОТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ

ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Утверждено редсоветом МГТУ в качестве учебного пособия

по дисциплине

«Расчет и конструирование электронных медицинских приборов и аппаратов"

Издательство МГТУ им. Н Э Баумана

1994

Рецензенты: В.Л.Петухов, Р.Ш.Загидуллин.

К21 Карпухин В.А. Биотехнические основы проектирования усилителей электрофизиологических сигналов: Учебное пособие. — М.: Изд-во МГТУ, 1994.— 16 с., ил.

В учебном пособии даны практические рекомендации для модельного ана­лиза принципиальных схем усилителей в целях изучения влияния электрических свойств биологических тканей и электродов на качество передачи информации по измерительному тракту.

Для студентов 4-го курса специальности «Биомедицинские технические системы и устройства».

Ил. 5. Табл. 2. Библиогр. 4 назв.

ББК 34.7

Редакция заказной литературы

Валерий Анатольевич Карпухин

БИОТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Заведующая редакцией Н.Г.Ковалевская

Редактор E.К. Кошелева

Корректор О.В. Калашникова

© МГТУ им.Н.Э.Баумана, 1994.

Подписано в печать 22.08.94, Формат 60x84/16, Бумага тип. № 2.

Печ.л. 1,0. Усл.печ.л.0,93. Уч..-изд.л. 0,81-Тираж 200 экз. Изд № 39.

Заказ 457С466

Издательство МГТУ, типография МГТУ.

107005 Москва, 2-я Бауманская, 5.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Большинство процессов жизнедеятельности организма сопровождается генерированием электрических сигналов, которые формируют­ся во всех нервных клетках и распространяются по нервным волокнам, соединяющим все органы с различными отделами нервной системы. Поэтому изучение биоэлектрической активности организма человека имеет важное значение для диагностики большого числа заболеваний.

За последние десятилетия накоплен значительный клинический опыт по изучению состояния организма в норме и патологии с исполь­зованием информации, получаемой при анализе биосигналов.

В наибольшей степени распространена электрокардиография, по­зволяющая контролировать состояние сердечно-сосудистой системы, нарушения в которой занимают ведущее место среди прочих заболева­ний. Электроэнцефалография, связанная с изучением электрической активности головного мозга, используется достаточно часто при диаг­ностике эпилепсии, новообразований в структуре головного мозга и при оценке психоэмоционального состояния человека. Электронейромиография дает возможность диагностировать заболевания нервно-мышечного аппарата. Нейромиосигналы в последнее время весьма успешно используются в биоуправляемых протезах конечностей. Электроретинография и электроокулография применяются при диагности­ке заболеваний вестибулярного аппарата и исследовании вестибулоокулярного рефлекса в космической медицине. Электрогастрография используется при оценке функционирования желудочно-кишечного тракта и перистальтики кишечника.

Однако, несмотря на успехи клинического использования указан­ных методов, требования к аппаратуре для изучения биоэлектриче­ской активности организма постоянно возрастают [1 ]. Основной про­блемой при изучении биоэлектрической активности организма явля­ется повышение достоверности передачи информационных признаков полезного сигнала на фоне помех, которые наводятся на тело человека, и снижение искажений, вносимых каналом передачи информации.

Одновременно на поверхности биообъекта присутствует большое число сигналов от различных систем организма, его органов и клеток (табл. 1.) Как следует из табл. 1, спектры большинства биосигналов перекрываются. Поэтому выделение одного требуемого сигнала из всей совокупности биопотенциалов, являющихся в данном случае по­мехами, затруднено. Помимо биосигналов, обусловленных активно­стью организма, на теле человека имеют место сигналы, связанные с методом отведения потенциалов, а также внешние наведенные поме­хи.

Таблица 1

Основные характеристики биосигналов

Сигнал

Динамический

диапазон, мВ

Частотный

диапазон, Гц

Электрокардиосигнал Электроэнцефалосигнал Электромиосигнал

Кожно-гальванический рефлекс

0,01 ... 5

0,005 ... 0,1

0,05 ... 1

0 ... 0,3

0,8 ... 2000

0,5 ... 500

10... 20000

0... 2

Помехи, возникающие при усилении биопотенциалов

По взаимодействию с полезным входным сигналом помехи можно разделить на аддитивные и мультипликативные. Аддитивные помехи складываются с сигналом. Они вносят наибольшую погрешность при регистрации биопотенциалов. Аддитивные помехи делятся на синфазные и дифференциальные.

Синфазные — помехи, мгновенные значения которых на активных входах усилителя биопотенциалов совпадают (к таким помехам отно­сятся “наводки” от питающей сети). Наличие емкости между провода­ми силовой или осветительной цепи и пациентом приводит к тому, что на поверхности тела относительно земли присутствует напряжение частотой 50 Гц, амплитуду и фазу которого вследствие относительно хорошей проводимости тканей организма можно считать практически одинаковыми во всех точках тела. Максимальная амплитуда синфаз­ной помехи от сети может достигать 5... 10 В.

Инфранизкочастотные синфазные помехи зависят от среднего от уровня поляризационных потенциалов электродов, который может достигать сотен микровольт, а среднечастотные и высокочастотные — от уровня биоэлектрической активности органов, близко расположен­ных к месту отведения потенциалов, и от кожно-гальванического ре­флекса (КГР).

Дифференциальными называют помехи, мгновенные значения ко­торых на активных входах усилителя биопотенциалов равны и противоположны по знаку. К их числу относят следующие составляющие: 1) биоэлектрической активности органов, близко расположенных к месту отведения; 2) неравенство поляризационных потенциалов электродов, достигающее уровня 300 мкВ; 3) напряжение КГР. Кроме того, дифференциальные помехи могут создаваться магнитными полями, пронизывающими контур, образованный проводами, которые соеди­няют электроды с усилителем биопотенциалов.

Мультипликативные помехи связаны с изменением параметров одного или нескольких элементов канала передачи информации от биообъекта к усилителю. Такие помехи зависят в основном от реакции живого организма на внешние психофизические воздействия, приво­дящие к существенному изменению внутренних электрических пара­метров биообъекта, а также от условий отведения биопотенциалов в системе «электрод — кожа», влияющих на изменение коэффициента передачи канала прохождения биосигнала.

Кроме помех на качество передачи биосигналов влияют искаже­ния, вносимые измерительным трактом, включающим в себя входные цепи и усилитель. Эти искажения делятся на линейные, нелинейные и динамические.

Линейные искажения обусловлены прежде всего наличием реак­тивных элементов во входных цепях и инерционных активных элемен­тов. Эти искажения существенно влияют на изменение формы сигнал.

Нелинейные искажения связаны с зависимостью коэффициентов усиления активных элементов от амплитуды сигнала. При условии использования современной элементной базы (например, операцион­ных усилителей (ОУ), охваченных отрицательной обратной связью), нелинейные искажения пренебрежимо малы, если сигнал не выходит за рамки фактического динамического диапазона усилителя.

Динамические искажения возникают в усилителях, охваченных глубокой отрицательной обратной связью. Подобные искажения обус­ловлены инерционностью активных элементов при воздействии сигна­лов с крутыми фронтами и практически отсутствуют у биоусилителей при использовании современных ОУ.

Проведенный анализ помех и искажений, возникающих при изме­рении биопотенциалов, показывает, что в наибольшей степени резуль­тирующая погрешность измерения информативных параметров био­сигнала определяется следующими составляющими:

синфазные помехи от сети;

мультипликативные помехи;

дифференциальные низкочастотные помехи;

линейные искажения.

Ослабление дифференциальных низкочастотных помех достигает­ся выбором материала электрода, места его расположения на теле пациента, а также выбором соответствующей полосы пропускания усилителя.

Количественную оценку влияния помех и искажений на качество Прохождения биосигнала можно получить при исследовании биотехнической системы [2] ’’усилитель — электрод — кожа’’ (БТС УЭК).

Биотехническая система ’’усилитель — электрод — кожа’’.

Количественный анализ БТС УЭК целесообразно проводить с использованием электрических эквивалентных схем замещения, позволяющих получить удовлетворительную математическую модель коэффициента передачи измерительного тракта.

Обобщенная БТС УЭК ( рис 1.) включает следующие элементы: биологический объект (БО), систему «электрод — кожа» (СЭК), входные цепи (ВЦ), биоусилитель (БУ).

Рис. 1. Биотехническая система “усилитель—электрод—кожа”.

Структура БТС УЭК во многом определяется выбранной системой отведений биопотенциалов. В основном распространены две системы отведений: 1) униполярная, в которой применяются один активный и один пассивный электроды; 2) биполярная, в которой используются два активных электрода и один индеферентный. Наибольшее распространение получила биполярная система отведения биопотенциалов, позволяющая уменьшить уровень синфазных помех.

Электрические модели биологического объекта

С учетом системы отведений электрический аналог биологического объекта может быть представлен схемой (рис.2а, где 1,2,3 — номера отведений Z12; Z13; Z23 — комплексные сопротивления между соответствующими электродами; U12; U13; U23 — напряжения, возникающие между соответствующими электродами). Однако такая схема неудобна для анализа. Поэтому, используя известные преобразования сопротивлений треугольника в эквивалентную звезду, найдем сопротивления лучей по следующим формулам:

а б

Рис. 2. Биполярная схема отведения биопотенциалов.

После преобразования схема отведения биопотенциалов будет иметь вид, изображенный на рис.2б, где U1=-0,5*Uд—дифферен­циальное напряжение U2 =0,5*Uд — дифференциальное напряжение; U3 =Uс.с. — синфазное напряжение.

Величины Z12,Z13,Z23 носят в общем случае комплексный харак­тер. Многочисленные исследования показывают, что электрический импеданс биологических тканей может быть представлен в виде набора R и С-элементов. [3,4] Биофизическая сущность этих элементов мо­жет быть пояснена следующим образом. Значение сопротивления R обусловлено прежде всего электропроводностью межклеточной жид­кости, имеющей электрические свойства и насыщенной ионами Na , К и др. Помимо ионов межклеточная жидкость и кровь содержат достаточно большое количество молекул белка, отличающихся существенно большими размерами по сравнению с ионами. При приложении внешнего электрического поля возникает ток, обусловленный, во-пер­вых, движением ионов, во-вторых, поляризацией белковых молекул и их ориентацией по направлению поля. Ионный ток определяет актив­ную его составляющую. Занимающий достаточно продолжительное время процесс поляризации и ориентации белковых молекул во внеш­нем поле определяет емкостную составляющую тока.





Электрический импеданс биоткани существенно зависит от ампли­туды и частоты измеряемого тока, а также от площади измерительных электродов. На рис. 3 представлены эквивалентные схемы замещения биотканей, аппроксимирующие их импеданс в зависимости от вида ткани, условий измерения, диапазона частот и точности аппроксима­ции (табл.2).

Рис. 3. Эквивалентные схемы замещения биологических тканей.

Таблица 2

Значения элементов эквивалентных схем [4]

Вид ткани

Номер рисун­ка

Элемент

R0, кОм

R1, кОм

R2, кОм

С1, нФ

С2, нФ

1.Кожная ткань

3 а

-

13,0

0,34

72,0

-

2.Мышцы

3 в

-

0,1

2,2

50,0

-

3.Кожа прилегающими тканями

3 б

1,0

77,0

0,8

16,0

-

4.Предплечье правой руки

3 г

0,8

11,3

4,2

40,0

75,0

5.Икроножная мышца

3 г

0,95

12,5

11,1

41,0

46,0

6.Передняя большеберцовая мышца

3 г

0,82

25,2

4,4

24,0

48,0

Схема замещения БТС УЭК изображена на рис. 4.



Свежие статьи
Популярно сейчас
Почему делать на заказ в разы дороже, чем купить готовую учебную работу на СтудИзбе? Наши учебные работы продаются каждый год, тогда как большинство заказов выполняются с нуля. Найдите подходящий учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Нашёл ошибку?
Или хочешь предложить что-то улучшить на этой странице? Напиши об этом и получи бонус!
Бонус рассчитывается индивидуально в каждом случае и может быть в виде баллов или бесплатной услуги от студизбы.
Предложить исправление
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
5075
Авторов
на СтудИзбе
455
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее