МПАСиК_наше (Презентации лекций)

Медицинские приборы,
аппараты, системы и
комплексы

Преподаватель:
Карпухин Валерий Анатольевич,
к.т.н., доцент

Содержание
дисциплины МПАСиК
часть 1

Тема 1
Основные принципы построения
медицинских приборов, аппаратов и
систем
• Технические средства в системе здравоохранения,
техническое обеспечение лечебного процесса.
• Классификация медицинских приборов, аппаратов,
систем и комплексов.
• Этапы проектирования медицинской техники.
•
Обобщенные структурные схемы медицинских
систем для диагностики, терапии и хирургии.
•
Биотехнические особенности проектирования
медицинской электронной аппаратуры (МЭА).
• Помехи и шумы биотехнических систем (БТС) МЭА.

Тема 2
Диагностические приборы и системы
• Организация диагностических исследований.
• Приборы и системы для регистрации и анализа
медико-биологической информации.
• Приборы и системы для регистрации
электрофизиологических сигналов:
электрокардиографы, электроэнцефалографы,
электромиографы.
• Предварительные уcилители
электрофизиологических сигналов (ЭФС).
• БТС биоткань-электрод-усилитель (БЭУ).
• Методы отведения биопотенциалов, электрическая
схема замещения, шумы и помехи БТС БЭУ.
• Характеристики усилителей электрофизиологических
сигналов.

• Анализ схемных решений входных каскадов
усилителей электрофизиологических сигналов на
основе дифференциального каскада (ДК).
• Анализ схемных решений усилителей ЭФС на
основе ОУ.
• Методы улучшения основных характеристик
медицинских диагностических приборов и систем.
• Методы повышения входного сопротивления.
• Методы увеличения коэффициента ослабления
синфазного сигнала.
• Методы уменьшения дрейфа напряжения
смещения.
• Методы уменьшения собственных шумов
усилителей.

Зарубежная
элементная база РЭА
медицинского
назначения

Начало занятий - 29.09.06, 8 часов
1.
•
Современное состояние и перспективы
развития электроники
Обзор мирового рынка полупроводниковой
промышленности.
•
Сравнение рынков полупроводниковой
промышленности.
•
Российский рынок электронных компонентов.
•
Направления развития электроники.

2.
Классификация, условные обозначения и
маркировка зарубежных полупроводниковых
приборов
•
Классификация зарубежных полупроводниковых
приборов. Условные обозначения.
•
Цветовая маркировка зарубежных
полупроводниковых приборов.
•
Классификация зарубежных диодов по
применению.

3.
Физические основы зарубежных
полупроводниковых приборов
•
Электропроводность современных
полупроводников. Электронно-дырочные и
металлополупроводниковые переходы.
•
Основные типы и характеристики зарубежных
полупроводниковых диодов.
•
Классификация зарубежных транзисторов.
•
Биполярные транзисторы зарубежного
производства (BJT). Модели биполярных
транзисторов.
•
Полевые транзисторы, основные характеристики и
Spice – модели.

4.
Современные силовые полупроводниковые
приборы
•
Элементная база силовой электроники. MOSFET –
транзисторы, их характеристики и Spice – модели.
•
MOSFET – транзисторы со встраиваемыми
защитными диодами, IGBT устройства.
•
Драйверы силовых транзисторов.
•
Тиристоры, диаки, триаки и их основные
особенности.

Домашнее задание
Исследование схем источников тока канала
измерения кожно - гальванической реакции по
Фере с использованием программы MICROCAP
Вариант для БМТ-1
Вариант для БМТ-2
Срок сдачи: до 03.11.2006

Семинары, лабораторные работы
18 час.(4 сем.) - расписание.
Преподаватель:
Косоруков Артем Евгеньевич (kosorukov@mail.ru).
18 час. (3 л.р.) – расписание.
Преподаватель: он же.
• Работа 1-2. Биотехнические особенности усиления
электрофизиологических сигналов – 12 часов.
• Работа 3. Исследование элементов
электрокардиографов– 6 часов.

Контрольная работа №1 с 2.10.2006
Принципы функционирования современных
полупроводниковых приборов и микросхем.
Контрольная работа №2 03.11.2006
Проектирование входных каскадов аппаратуры
для усиления электрофизиологических сигналов.
Расчет. основных элементов принципиальной
электрической схемы.

Система оценок
Лабораторные работы – 3х5=15 баллов.
Контрольная работа №1 – 20 баллов.
Контрольная работа №2 – 20 баллов.
Домашнее задание – 5 баллов.
Экзамен: минимум - 20, максимум - 40 баллов.
Штрафные санкции:
• Опоздание на лекцию - минус 0.5 балла; отсутствие
на лекции - минус 1 балл;
• Максимальная оценка за задание, выполненного не в
срок, оценивается исходя из половины оценки;
• Все текущие задолженности по дисциплине должны
быть ликвидированы до рубежного контроля.

Экзаменационная оценка
«удовлетворительно» - 65 – 75 баллов.
«хорошо» - 76 – 86 баллов.
«отлично» - > 87 баллов.
Штрафные санкции:
Неправильный ответ на поставленный вопрос –
минус 5 баллов.

Курсовая работа (8 семестр).
Требования к курсовой работе
Преподаватели – консультанты:
1. Карпухин Валерий Анатольевич (БМТ-1);
2. Косоруков Артем Евгеньевич (БМТ-1);
3. Скворцов Сергей Павлович (БМТ-1);
4. Лужнов Петр Вячеславович (БМТ-2);
5. Сергеев Игорь Константинович (БМТ-2);
6. Парашин Владимир Борисович (БМТ-2; ВНИИМП).
Сайт кафедры БМТ-1
Аудитория

Приоритетный
национальный проект
в сфере
здравоохранения

•Укрепление диагностической службы первичной
медицинской помощи – 14300 млн. рублей в 2006 году.
•Укрепление материально – технической базы
скорой медицинской помощи – 3600 млн. рублей
в 2006 году.
Предполагается оснастить современным
диагностическим оборудованием 10170
амбулаторно – поликлинических учреждений.
Перечень закупаемого оборудования:
•аппараты УЗИ;
•аппараты ЭКГ;
•лабораторное оборудование;
•рентгенологическое оборудование;
•эндоскопическое оборудование.

Оснащение медицинским оборудованием
амбулаторно – поликлинических учреждений
Подлежит
оснащению
в 20062007 г.г
ВСЕГО
АПУ
10170
•Поликлиники – 1124
•Поликлиники при ЦРБ – 1740
•Поликлиники при ГБ – 1519
•Детские поликлиники - 478
•Амбулатории – 2165
•Поликлиника при участковой
больнице – 140
•Поликлиника при районной
больнице – 2015
•Женские консультации - 48
УЗИ
4245 шт
ЭКГ
10170 шт
Лаб. обор.
8382 компл.
Рентген
2250 шт
Эндоскопы
3805 шт

Укрепление материально-технической базы
скорой медицинской помощи
Планируется в 2006-2007 году
• обеспечить учреждения СМП 12120
санитарными автомобилями, в том числе
480 реанимобилями (240-детскими с кювезами)
• Общая сумма выделяемых средств из
федерального бюджета -7500,0 млн.рублей

• В России 3268 станций и отделений скорой
медицинской помощи.
• Более 15 тыс.бригад скорой медицинской
помощи.
• Ежегодно получают скорую помощь более 52
млн.чел.
• Износ оборудования, санитарного транспорта
составляет 65%

Удовлетворенность населения в
высокотехнологичных видах
медицинской помощи
Виды медицинской помощи
Процент
Эндопротезирование суставов
6,7
Коррекция врожденных пороках
сердца
35
Операции на сердце с
искусственным кровообращением
13,4
Протезирование клапанов сердца
10,4
Коронароангиография
10

Обеспечение населения высокотехнологичной
медицинской помощью
Цель
Достижение
высоких
показателей
удовлетворенности населения
дорогостоящими
(высокотехнологичными)
видами
медицинской
помощи
Приоритетные
направления
•Травматология
ортопедия и
эндопротезирование
• трансплантология
• нейрохирургия
• кардиохирургия
• репродуктивные
технологии
Задачи
Строительство новых
федеральных
медицинских центров
Модернизация порядка
предоставления ВМП и
увеличение объема квот
Техническая
модернизация
существующих
федеральных
специализированных
медицинских
учреждений

Финансирование
Ассигнования федерального бюджета,
предусмотренные Минздравсоцразвития России по
разделу «Здравоохранение и спорт» на
реализацию государственного задания по
оказанию дорогостоящей (высокотехнологичной)
медицинской помощи
2005 г.
2006 г.
2007 г.
6,3 млрд. руб.
9,9 млрд. руб.
17,5 млрд. руб.

Обеспечение населения
высокотехнологичной
медицинской помощью
•Увеличение объемов оказания
высокотехнологичной медицинской помощи
в 4 раза;
• Удовлетворенность потребности
населения в высокотехнологичной
медицинской помощи до 80%.

Технические средства
в системе
здравоохранения

Организация лечебно-профилактической помощи
населению
Административноуправленческий аппарат
Лечебно-профилактические
учреждения
Амбулаторно-поликлинические
учреждения
Больничные учреждения
(стационары)

I. Техническое обеспечение нормального
функционирования ЛПУ
• Средства водоснабжения.
• Средства теплоснабжения.
• Средства электроснабжения.
• Вентиляция.
• Компьютерные сети.
II.Технические обеспечение лечебного процесса

Обобщенная структура больницы
Административноуправленческий аппарат
Специализированные
лечебные отделения
Вспомогательные
отделения

Техническое обеспечение лечебного процесса
Вспомогательные
отделения
Операционный
блок
Анестезиологииреанимации
КТ и МРТ
Рентгенологическое
Отделение
Клиникофункциобиохимическая
нальной
лаборатория
диагностики
Физиотерапевтическое
Эндоскопическое
Реабилитации

Классификация
медицинских
приборов, аппаратов,
систем и комплексов

Основные подходы к классификации изделий
медицинского назначения
• По направлениям медицинской деятельности.
• По технико-экономическим признакам.
• По принципам функционирования изделий.

По медицинским направлениям:
Функциональная диагностика
Реабилитация
Хирургия и реанимация
Косметология
Акушерство и гинекология
Пластическая хирургия
Урология
Лабораторное оборудование
Эндокринология
Экстракорпоральное
оплодотворение
Эндоскопия
Оборудование для скорой помощи
Отоларингология
Травматология и ортопедия
Офтальмология
Стерилизационное оборудование
Рентгенология и томография
Диагностические инструменты
Стоматология
Физиотерапия

По технико-экономическим признакам
Общероссийский классификатор продукции ОК 005-93
(далее – ОКП) входит в состав Единой системы
классификации и кодирования технико – экономической и
социальной информации (ЕСКК) Российской Федерации.
ОКП представляет собой систематизированный свод
кодов и наименований группировок продукции,
построенных по иерархической системе классификации.
Каждая позиция ОКП содержит шестизначный цифровой
код, однозначное контрольное число и наименование
группировки продукции, которые записывают по
следующей форме:
Например:
Код
КЧ
Наименование
94 0000
1
Медицинская техника

В ОКП предусмотрена пятиступенчатая
иерархическая классификация с цифровой
десятичной системой кодирования.
На первой ступени классификации располагаются
классы продукции (XX 0000), на второй - подклассы
(XX X000), на третьей - группы (XX XX00), на
четвертой - подгруппы (XX XXX0) и на пятой - виды
продукции (XX XXXX).
Коды 2 - 5-разрядных группировок продукции
дополнены нулями до 6 разрядов и записываются с
интервалом между вторым и третьим разрядами.
Классификация продукции в ОКП может быть
завершена на третьей, четвертой или пятой
ступенях классификационного деления.
Общероссийский классификатор продукции ОК 005-93
(Избранные коды)

Классификация
МПАСиК по принципам
функционирования

Медицинская техника делится на 3 основные группы:
Медицинская
техника
Медицинские
инструменты
Медицинская
аппаратура
Медицинское
оборудование
1) Медицинские аппаратура – приборы и аппараты,
обеспечивающие самостоятельное взаимодействие с
пациентом.

Медицинская техника делится на 3 основные группы:
Медицинская
техника
Медицинские
инструменты
Медицинская
аппаратура
Медицинское
оборудование
2) Медицинские инструменты - устройства,
непосредственно действующие на пациента и
значительно расширяющие функциональные
возможности рук врача.

Медицинская техника делится на 3 основные группы:
Медицинская
техника
Медицинские
инструменты
Медицинская
аппаратура
Медицинское
оборудование
3) Медицинское оборудование - вспомогательные
устройства, предназначенные для обслуживания
пациента и обеспечения медицинского
технологического процесса.

Медицинская
аппаратура
Электронная медицинская
аппаратура
Механическая медицинская
аппаратура
Медицинскую аппаратуру подразделяют на два
класса – электронную медицинскую аппаратуру и
механическую медицинскую аппаратуру.
Электронная медицинская аппаратура представляет
собой электротехнические и электронные аппараты,
основанные на использовании электрической
энергии.
Механическая медицинская аппаратура использует
механическую энергию при взаимодействии с
пациентом.

Электронная медицинская
аппаратура
Воздействующая
Воспринимающая
В процессе функционирования аппаратура,
взаимодействуя с пациентом, образует
биотехническую систему (БТС), в которой при этом
возникает энергоинформационный обмен.
В зависимости от направления
энергоинформационного потока всю электронную
медицинскую аппаратуру можно разделить на два
вида: воздействующую (терапевтическую) и
воспринимающую (диагностическую).

Электронная медицинская
аппаратура
Воздействующая
Воспринимающая
Терапевтическая
Терапевтическая аппаратура воздействует на
пациента с целью улучшения состояния его
организма. К классу терапевтических относят так же
хирургические аппараты.
Изделия терапевтической техники принято называть
аппаратами.

Электронная медицинская
аппаратура
Воздействующая
Воспринимающая
Диагностическая
Диагностические приборы предназначены для
исследования характеристик живого организма.
Диагностические приборы могут быть как
воспринимающими так и воздействующими.
Изделия диагностической техники принято называть
приборами.

Информация:
Выставка Экспоэлектроника-2006
-http://chipexpo.chipexpo.ru/
Списки групп по КР-1

Классификация
медицинских
приборов, аппаратов,
систем и комплексов
По принципам
функционирования

Воздействующие
диагностические приборы
ЭМ
МЭ
Воздействующие диагностические приборы делится на
две группы:
•использующие электромагнитную энергию,
•использующая механическую энергию.
Воздействующие диагностические приборы дают
необходимую информацию о реакции пациента на
определенный вид воздействия.
Энергию диагностического воздействия всегда
стремятся снизить до минимума. Предел такому
снижению накладывает чувствительность организма к
воздействию или чувствительность метода
регистрации.

Воспринимающая
аппаратура
ЭМ
МЭ
ХЭ
Воспринимающая аппаратура делится на три группы:
•использующая электромагнитную энергию,
•использующая механическую энергию,
•использующая химическую энергию.
Диагностические воспринимающие приборы дают
информацию о различных физиологических процессах,
происходящих в организме (колебания
биопотенциалов, тепловые поля и т.д.).

В зависимости от спектральных характеристик
параметров энерго–информационного
взаимодействия электронная медицинская
аппаратура, подразделяется на:
- низкочастотную (НЧ)
- ультразвуковую (УЗ)
- высокочастотную (ВЧ)
- Сверх ВЧ (СВЧ)
- Крайне ВЧ (КВЧ)
- Оптическую
- Рентгеновскую
F<20 кГц,
20 кГц200 кГц1 см < λ < 1 м,
 < 1 мм,
 < 1 мкм,
 < 10 нм.

Системы и комплексы
медицинские
автоматизированные
Термины и определения
ГОСТ 27878-88

Автоматизированная
медицинская
система АМС
Автоматизированная
система «человекмашина»,
функционирование
которой осуществляется с
применением
вычислительных средств,
медицинской
информационной базы и
техники для эффективной
реализации медицинской
программы

Подсистема
автоматизированной
медицинской
системы АМС
Составляющая часть
автоматизированной
медицинской системы,
предназначенная для
реализации определенной
части медицинской
программы
автоматизированной
медицинской системы,
имеющая самостоятельное
функциональное значение

Компонент
автоматизированной
медицинской
системы
Компонент АМС
Структурно-функциональная
совокупность элементов в
автоматизированной
медицинской системе или
подсистеме АМС,
выполняющая определенную
часть ее целевой функции
Автоматизированное
рабочее место в
автоматизированной
медицинской
системе
АРС АМС
Рабочее место,
оборудованное средствами,
которые обеспечивают
возможность
непосредственного участия
медицинского персонала в
реализации целевой функции
автоматизированной
медицинской системы

Автоматизированная
медицинская система
обработки данных
АМС обработки данных
Автоматизированная
медицинская система,
осуществляющая сбор или
прием, передачу и логическое
преобразование, выдачу с
регистрацией и (или)
отображением, накопление и
(или) хранение медикобиологических данных.
Примечание.
Например, система, которая
производит преобразование
данных по специальным
медицинским алгоритмам

Автоматизированная
медицинская
информационная
система АМИС
Автоматизированная
медицинская система
обработки данных,
осуществляющая
организацию базы
данных, а также поиск и
сортировку медикобиологических данных

Автоматизированный
медицинский
комплекс АМК
Организованная совокупность
взаимосвязанных между собой
медицинских приборов и (или)
аппаратов и средств
вычислительной техники,
предназначенная для обработки
медико-биологических данных и
(или) реализации лечебного
воздействия и (или) управления им.
Примечание. АМК может
входить в состав АМС либо иметь
самостоятельное функциональное
назначение, например служить для
обработки данных в соответствии с
конкретной медицинской методикой

Медикотехнологический
комплекс МТК
Совокупность изделий
медицинской и вычислительной
техники, медицинского
оборудования и материалов,
технических и вспомогательных
средств, необходимых для
полной реализации конкретного
медицинского технологического
процесса

Автоматизированные Медицинские
Системы
• АМС массовой помощи
• АМС индивидуальной помощи
• Автоматизированная медицинская лечебная
система
• АМС массового обследования населения
• АМС функциональной диагностики
• АМС контроля состояния
• АМС топической диагностики

Автоматизированные Медицинские
Комплексы
•
•
•
•
•
АМК неметрических данных.
АМК доврачебного обследования.
АМК мониторного наблюдения.
АМ диагностический комплекс.
Кардиоваскулярный автоматизированный
диагностический комплекс.
• Респираторный автоматизированный
диагностический комплекс.
• Неврологический автоматизированный
диагностический комплекс.

Автоматизированные Медицинские
Комплексы
• Гастрологический автоматизированный
диагностический комплекс.
• Эндоскопический автоматизированный
медицинский диагностический комплекс.
• Ультразвуковой автоматизированный
медицинский комплекс.
• Рентгеновский автоматизированный медицинский
диагностический комплекс.
• Радионуклидный автоматизированный медицинский
диагностический комплекс.
• Радиоиммунологический автоматизированный
медицинский диагностический комплекс.

Автоматизированные Медицинские
Комплексы
• Клинико-биохимический автоматизированный
диагностический комплекс.
• Клинико-морфологический автоматизированный
диагностический комплекс.
• Автоматизированный медицинский лечебный
комплекс.
• Автоматизированный медицинский комплекс
поддержания функций организма.
• Автоматизированный медицинский комплекс
замещения физиологических функций.
кт

Этапы проектирования
медицинской техники

Существуют три основных этапа разработки
медицинской электронной аппаратуры:
1. Научно-исследовательская разработка (НИР).
2. Опытно-конструкторская разработка (ОКР).
3. Серийное производство.

Информация:
Домашнее задание
Списки групп по КР-1

Этапы проектирования
медицинской техники

Особенности этапа НИР медицинской техники
а) Формирование научно-методических предпосылок
разработки:
• Институты РАМН.
• Медицинские ВУЗы.
• Крупные медицинские центры.
• Учреждения медико-технического профиля.
б) Выбор организации медицинского соисполнителя:
• Проблема врачебного консерватизма.
• Уровень профессионального авторитета.

в) Выбор организации разработчика.
• Специализированные НИИ
• Технические ВУЗы.
• Крупные производители медицинской техники.
г) Источники финансирования.
• Госбюджет.
• Внебюджетные фонды.
д) Окончание НИР:
• Действующий образец МПАСиК.
• Проект инструкции по применению
медицинского изделия.
кт

Особенности этапа ОКР медицинской
техники
ГОСТ 2.103-68 Единая система конструкторской
документации.
Стадии разработки.
а) Разработка и утверждение медико-технических
требований (МТТ).
• ГОСТ 15.013-94
б) Эскизный проект:
Цель - разработка основных подходов к схемному
решению изделия медицинского назначения (ИМН).
• Разработка структурной схемы ИМН.
• Разработка принципиальной схемы ИМН.
• Макетирование узлов и блоков ИМН.
• Предварительные испытания узлов и блоков
ИМН.

в) Технический проект:
Цель - разработка окончательного схемного и
конструктивного решений ИМН.
• Доработка принципиальной схемы ИМН.
• Изготовление конструктивного макета ИМН.
• Проведение предварительных технических
испытаний.
• Корректировка схемы и конструкции.
г) Разработка текстовой и конструкторской
документации опытных образцов.
• Проект технических условий (ТУ).
• Проект инструкции по применению медицинского
изделия (ИП).
• Комплект рабочей конструкторской документации
(КД).

д) Изготовление опытных образцов по разработанной
КД.
• Проведение заводских испытаний на соответствие
ТУ.
• Корректировка КД и присвоение ей литеры О.
е) Регистрация разработки нового отечественного ИМН.
• Представление в Росздравнадзор заявки на
проведение регистрации разработки и требуемого
комплекта документов.
• Корректировка представленного комплекта
документов.
• Проведение Государственных приемочных
технических, токсикологических и медицинских
испытаний.
• Представление результатов испытаний в
Росздравнадзор и их рассмотрение.
• Получение регистрационного удостоверения.

Особенности серийного освоения
медицинской техники
Регистрация установочной серии ИМН.
• Представление в Росздравнадзор заявки на
проведение регистрации ИМН и требуемого
комплекта документов.
• Корректировка представленного комплекта
документов.
• Получение регистрационного удостоверения.
Административный регламент (проект)

Диагностические
приборы и системы
Организация
диагностических
исследований

Диагностика (греч. diagnostics) – способность
распознавать.
Раздел клинической медицины, изучающий
содержание и методы
процесса распознавания болезни.
•
•
•
•
•
Три основные раздела диагностики:
Семиотика - учение о симптомах болезни и их
диагностическом
значении.
Методы обследования больного.
Методологические основы установления диагноза.
Симптомы:
Субъективные – ощущения больного.
Объективные – данные, выявленные
инструментальными методами обследования.

План диагностического обследования
1. Ознакомление с жалобами больного.
2. Анамнез:
• История развития настоящего заболевания.
• История жизни больного.
3. Объективное исследование:
• Общий осмотр.
• Пальпация.
• Перкуссия.
• Аускультация.
• Инструментальные методы исследования.

Основные принципы
построения
медицинских
приборов, аппаратов и
систем

Обобщенная структурная схема
диагностического прибора
ПИП
СЗ
СК
БИС
СУ
ПУ
БАО
I
АК
МУ
ИП
АЦП
ЦПУ
II
СЗ
СУ
ПУ
БАО
ПИП
БИС
АК
МУ
АЦП
МК
ЦПУ
ЖКИ
ИП
СК
––––схема
предварительный
согласующий
–аналоговый
––
микроконтроллер.
источник
масштабирующий
блок
первичный
схема
блок
цифро-печатающее
аналого-цифровой
жидкокристаллический
защиты.
аналоговой
испытательного
контроля.
питания
коммутатор.
измерительный
усилитель.
усилитель.
обработки.
усилитель.
преобразователь
устройство.
сигнала.
индикатор
преобразователь
МК
ЖКИ

Обобщенная структурная схема
диагностической АМС
ПИП
СЗ
СК
БИС
СУ
ПУ
БАО
I
II
АК
МУ
АЦП
БЦО
МК
БГР
ИБ
ПК
ПеУ
М
ИП
БГР
МКБЦО
ПК
ИБ
ПеУ
––микроконтроллер.
––блок
–
персональный
интерфейсный
Пр
–Мблок
периферийные
––гальванической
монитор.
принтер.
цифровой
компьютер.
блок.
обработки
устройства.
развязки
Пр

Обобщенная структурная схема
терапевтического аппарата
ФЧ
ФФ
БУП
ПУ
УМ
БЗ
БС
ЭФП
МК
АЦП
ЖКИ
ИП
ЭФП
ПУ
БЗ
ФЧ
ФФ
БС
УМ
АЦП
МК
ЖКИ
БУП
–––блок
предварительный
–формирователь
–блок
–
микроконтроллер.
усилитель
электрофизический
–аналого-цифровой
жидкокристаллический
блок
защиты.
согласования.
управления
мощности.
частоты.
формы.
усилитель.
параметрами.
преобразователь.
преобразователь
индикатор

Автоматизированные медицинские комплексы
В основе построения АМК лежат фундаментальные
принципы теории биотехнических систем.
Организм человека может быть представлен в виде
совокупности функциональных систем (ФС).
ЦНС
ФС1
ФС2
ФСi
ФСn

Автоматизированный медицинский
лечебный комплекс
Реакция организма на патологический фактор
проявляется в виде изменения параметров ряда ФС,
которые могут быть использованы для оптимизации
терапевтического воздействия.
ФВ
ЭФП
БО
СС
АР
ЭФП
ЭФП
АР
СС
ФВ---анализатор
схема
-формирователь
электрофизический
синхронизации
реакции
воздействия.
преобразователь

Общие сведения о
биотехнических
системах электронной
медицинской
аппаратуры

Помехи и шумы биотехнических систем
электронной медицинской аппаратуры
Виды помех
По положению источника помехи и БТС можно
разделить на:
• внутрисистемные;
• внесистемные.
Внутрисистемные помехи делятся по типу
взаимодействия с полезным сигналом. Различают два
вида помех:
1) Мультипликативные помехи - связаны со случайным
изменением коэффициента передачи информационного
канала и описываются соотношением:

Uвых(t) K(t) Uвх(t)
где
K  t  - коэффициент передачи канала связи,
U ВЫ Х  t  - реакция системы,
U ВХ  t  - входное воздействие.
2)
Аддитивные помехи - складываются с
полезным сигналом и описываются соотношением:
Uвых(t) Uвх(t)  N(t)
где
N  t  - аддитивная помеха.

В зависимости от соотношения продолжительностей
полезного сигнала и помехи, различают три группы
помех:
1) Сосредоточенные во времени.
2) Сосредоточенные по частоте.
3) Флуктуационные (шумы).
Сосредоточенные во времени помехи - это
импульсные помехи, которые представляют собой
нестационарный случайный процесс в виде
непериодической, случайной во времени
последовательности импульсов, длительность
которых меньше длительности элементарных
посылок полезного сигнала.

Ширина спектра такой помехи больше ширины
спектра полезного сигнала (грозовые разряды,
помехи
промышленного
оборудования,
электробытовых приборов, электрохирургической
аппаратуры, линий
электропередач).
Частотный диапазон: 1 Гц - 30 МГц.
У сосредоточенных по частоте помех ширина
спектра соизмерима с шириной спектра полезного
сигнала.
Флуктуационные помехи не сосредоточены ни по
частоте ни по времени. Имеют более широкий спектр,
чем сигнал и присутствуют постоянно (шум).

Шумы
Шумом называются флуктуации различной
физической природы, отличающиеся сложной
временной и спектральной структурой.
Шум всегда аддитивно складывается с сигналом.
В зависимости от физической природы шумы
подразделяют на 2 вида:
1) Акустические.
2) Электрические.

Акустические шумы
Акустические шумы представляют собой
механические колебания в твердых, жидких и
газообразных средах и подразделяются
соответственно на:
Механический шум - вызван вибрацией и
соударениями твердых тел.
Гидродинамический шум - связан с
турбулентными потоками жидкости.
Термодинамический шум - для газообразных сред
обусловлен флуктуациями потоков газа.
Акустические шумы могут служить источниками
информации.

Электрические шумы
Электрические
шумы
характерны
для
радиоэлектронных
устройств
и
связаны
с
флуктуациями
токов,
напряжений
и
напряженностей электромагнитного поля.
В зависимости от физической природы шумы
подразделяются на естественные и технические.
Естественные шумы обусловлены дискретностью
строения вещества и статистическим характером
протекающих в этом веществе процессов.
Технические шумы связаны с конструкторскотехнологическим несовершенством РЭА.

Естественные
электрические
шумы
характеризуются следующими параметрами:
а) Среднеквадратическое значение:
x
2
 t
T
2
1

T
2
x
  t  dt

T
2
б) Спектральная плотность мощности:
W  lim
S
 
2
T
T 
t2
S     x t  e
t1
, где
 j  t
dt

Измеряемыми величинами являются значения
напряжения и тока шума:
f2
U
2
Ш
e
2

 df
f
f1
f2
I
2
Ш

i
2

f
 df
f1
Электрические шумы бывают трех видов:
1) Тепловые.
2) Дробовые.
3) Фликкерные.

Тепловые шумы связаны с хаотичностью
движения заряженных частиц в проводниках.
Среднеквадратичное напряжение теплового шума
определяется уравнением Найквиста:
2
ш
U 4k T Re Z  f ш
где fш - шумовая полоса частот, которая
связана с полосой пропускания усилителя как:

f ш 
2
f 0.7

Дробовые шумы связаны с дискретностью
движения зарядов.
Спектральная плотность тока дробового шума
определяется как:
2
i 2 e I =
 19
e

1
,
6

10
Кл (элементарный заряд),
где
I=
- постоянная составляющая тока.
Фликкер - шум:
bI
W     , ‹ где b = const,  0,6...2.

W(  )


Пример внутрисистемных помех
Обобщенная биотехническая система для
исследования электрофизиологических сигналов.
Х1
Х2
БТ
К
ЭФП
.
.
Хn
Xi - органы человека;
БТ - биоткани, окружающие эти органы;
К - кожа;
ДП - диагностический прибор
ДП

Основной задачей электродиагностики является
задача получения биосигнала от какого-либо одного
конкретного органа.
Проходя через биоткани, полезный сигнал
искажается и к поверхности кожи приходит в виде:
y1  S  x1  KБТ
где S(x) – полезный сигнал;
Кбт –коэффициент передачи биотканей.

В результате сложения этого сигнала с сигналами
от
других
органов
на
поверхности
кожи
формируется совокупность:
n
yОБЩ  y1   S
 xi  K з Тi
i 1
Таким образом, сигналы от
являются
аддитивными
помехами.
соседних органов
внутрисистемными
Далее, полезный сигнал проходя через систему
электрод – кожа искажается за счет изменения
параметров этой системы во времени, что является
внутрисистемной мультипликативной помехой.

Х1
Х2
.
.
ЭК
БТ
К
ЭФП
K(t)
ДП
N(t)
Хn
Собственные шумы усилителя диагностического
прибора, которые складываются с полезным
сигналом,
являются
аддитивными
внутрисистемными помехами.

Внесистемные помехи
Под внесистемными помехами понимают все
естественные и искусственные электромагнитные
поля, создаваемые либо природными явлениями,
либо всевозможными индустриальными
установками.
Наибольшее влияние на прохождение сигнала
в диагностических приборах оказывает помеха,
создаваемая электрическими полями
промышленной частоты 50 Гц.

q
U 
C
q  0 Eds
S
Для сферы:
E
q
4   0  R
U  E вн R
C 4   0  R
E вн
U 600 _ В
2
U c

l
l 6 _ м
R=0.25 м
U=25 В

Приборы и системы
для регистрации
и анализа медикобиологических
показателей и
физиологических
процессов

Медико-биологических показатели,
характеризующие состояние физиологических
процессов:
• Электрические;
• Акустические;
• Тепловые;
• Механические.
Приборы и системы для регистрации
электрофизиологических сигналов:
• Электрокардиографы;
• Электроэнцефалографы;
• Электронейромиографы;
• Электрогастрографы;
• Электроокулографы;
• Электроретинографы;
• Элетронистагмографы;
• Электрографы кожи.

Характеристики основных
электрофизиологических сигналов
Вид
сигнала
Частотный
диапазон,
Гц
Динамический диапазон,
дБ
Амплитудный
диапазон, мВ
Требуемый
Необходимый
Разрядность
АЦП
20lg2=6.02 дБ
на 1 разряд
ЭКГ
ЭКГВР
0,05…100
0,05…
2000
0,01…5
0,001…5
54
74
114
134
19
23
ЭЭГ
0,03…100
0,0005…1
66
140
24
ЭМГ
10…
10000
0.001…10
80
134
23
0,1…2
1…300
50
74
13
КГР
(по
Тарханову)
D 20 lg(
U c _ max  U п _ max
U c _ min
) - необходимый динамический
диапазон.

Биотехнические
особенности
построения систем
для регистрации
электрофизиологическ
их сигналов (ЭФС)

БТС для исследования
ЭФС

Орг.1
БТ
Орг. N
D > 114 дБ
СЭК
КО
ВК
D < 94 дБ
БАО
АЦП
D
<144
дБ
БЦО
ПК
D >190 дБ
ВК
БТ
СЭК
Особенности:
КО
Орг.
–-–входной
биоткани
–кабель
- орган
система
отведений
каскад
электрод-кожа
1. Большой динамический диапазон ЭФС.
2. Малый динамический диапазон аналогового тракта
(АТ).
3. Ремонтопригодность АТ и АЦП.

Синфазая помеха
ЭКГ
ЭМГ
ЭЭГ
АТ
АЦП
12 р
АЦП
16 р АЦП
24 р

Цель раздела – изучение методов и аппаратных
средств, обеспечивающих согласование
динамических диапазонов входного сигнала и
измерительного тракта БТС электрофизиологических
исследований (ЭФИ) по критерию максимума
сигнал/помеха.
Задачи раздела.
• Разработка математической модели для
количественного анализа основных характеристик
измерительного тракта БТС ЭФИ (на примере ЭКГ).

• Исследование влияния элементов БТС ЭФИ на
величину динамического диапазона измерительного
тракта.
• Разработка математических моделей для
количественного анализа основных характеристик
входных каскадов усилителей биопотенциалов.
• Исследование влияния элементов принципиальных
схем усилителей биопотенциалов на точностные
свойства измерительного тракта.
• Изучение схемотехнических решений улучшающих
точностные свойства измерительного тракта.

Разработка математической модели для
количественного анализа основных
характеристик измерительного тракта
БТС ЭФИ (на примере ЭКГ).
Требования к свойствам математической модели
измерительного тракта БТС ЭФИ.
1.Линейность (реализация принципа
суперпозиции).
2.Единство методов описания биологического
объекта и измерительного тракта БТС ЭФИ.
3.Возможность применения инженерных методов
расчета.
Этим свойствам удовлетворяет математическая
модель в виде электрической схемы, состоящей из
пассивных и активных элементов с
сосредоточенными параметрами.

Физиология работы сердца
СА узел – синоатриальный узел;
АВ узел – атриовентрикулярный
узел.
Внутри желудочков
деполяризация происходит по
трем направлениям.

Биотехнические
особенности построения
систем для регистрации
электрофизиологических
сигналов

Электрическая модель отведения
биопотенциалов сердца
В электрофизиологии наиболее
часто пользуются двумя основными
методами отведений
биопотенциалов: униполярным и
биполярным.
Электрическая модель униполярного отведения
биопотенциалов сердца с сосредоточенными
параметрами.

Электрические модели биологических тканей
а) упрощенная схема замещения биологических тканей.
б,в) – схемы замещения соединительной и мышечной
тканей.

Электрические модели системы электрод-кожа
S эл
C   
- емкость кожи.
c
0
lсопротивление
Еhc=0,25 ВRСd- R
электрохимический
R=сus20
=1
=300
=1
100
кОМ
МОм
кОм
нФ
ЕОм
-––потенциал
–
сопротивление
сопротивление
сопротивление
емкость
потенциал
двойного
кожи.двойного
дермы
кожи
геля
слоя
двойного
. .
слояслоя.
d=
sc–
эп

Электрическая модель кабеля отведений
б
Кабели отведений: а) коаксиальные, б) двухпроводные.

Электрическая модель кабеля отведений
Для двухпроводной
коаксиального кабеля:
линии:
l ll bb
k kk
L
lnln 0
Lkk 

R

k
2S da 0
k
Ck 
2l  
k
0
ln  b a 
где b - диаметр экрана;
где
- длина провода;
кабеля отведений;
а
—lкдиаметр
Обычно
Rk сечение
и Lk в диапазоне
низких
частот
пренебрегают.
Sк —
кабеля
отведений;
μо=4π*10-7
Гн/м —провода
начальная
магнитная
проницаемость,
ρ – удельноемежду
сопротивление
на единицукабеля.
длины.
d - расстояние
двумя проводниками

Математическая модель БТС ЭФИ
при униполярном отведении
БО
СЭК
КО
ВК
Источник
Входной
Источник
Источник
Напряжение
Источник
Потенциалы
Напряжение
входного
импеданс
Импеданс
Импеданс
напряжения
Импеданс
напряжения
напряжения
смещения
шума
тока
шума
поляризации
усилительного
кабеля
кожных
электрод-кожа
усилительного
биотканей
усилительного
входного
внутренней
полезного
входного
внешней
отведений
покровов
электродов
каскада
каскада
сигнала
помехи
каскада
помехи
каскада
каскада

Факторы, определяющие динамический
диапазон униполярной (У) БТС ЭФИ
Динамический диапазон определяется как
U max
D 20 lg
U min
где Umax – максимальная амплитуда напряжения
на выходе схемы УБТС,
Umin – минимальная амплитуда напряжения
на выходе схемы УБТС.

Максимальное соотношение сигнал/помеха
достигается в случае
U min
SNR 
1
U п _ max
где Uп_max – максимальная амплитуда помехи
на выходе схемы УБТС
Следовательно: D
max


U
max
20 lg  lim

U п _ max  min SNR U п _ max 

Факторы, определяющие динамический
диапазон УБТС ЭФИ
Верхняя граница
Zэк=
динамического
Zэк1+
Zэк2
Нижняя
граница
ДД:диапазона (ДД):
Zбт= Zбт1+ Zбт2
Zк1+
Zк2
U n _ max 
,
E
,
U
,
U
,
I
,
I
,
Z
)
Uf (U n Zк=

U

K
U
_ вн cпол
шп _ вх
эк
max Епол=
ucm Епол2
max вх _ ш
Епол1+

Математическая
модель
УБТС ЭФИ

Коэффициент передачи по напряжению
Допущения: Uc>0,
все остальные источники напряжения и тока равны нулю.
zбт.э  z к  zбт
zвх.э
z каб zвх

z каб  zвх

Uc
U

z
c
вхэ
I
U вх. ус I zвхэ 
zбтэ  z эк  zвх.э
zбтэ  z эк  zвх.э
U вх. ус
zвх.э
Ku 

Uc
zбтэ  z эк  zвх.э

Коэффициент передачи по напряжению

Выводы:
 Коэффициент передачи по напряжению Кu схемы
УБТС носит комплексный характер.
 Неравномерность АЧХ в полосе пропускания
0.01…10000 Гц не превышает 0.05 дБ при
изменении Rвх в диапазоне 10…100 МОм и Свх э
в диапазоне 100…1000 пФ.
 Неравномерность ФЧХ для тех же условий не
превышает 0.5 градуса.

 ФЧХ близка к линейному виду.
 Модуль Кu max → 1 при Z вхэ → ∞
 Z вхэ ограничено емкостью кабеля отведений
Zk 
1
2fCk
 Для f=50 Гц и Ск=200 пФ, Zk=16 МОм.
 Полученные данные позволяют считать Ku
частотно-независимым для ЭКГ сигнала.

Определение границ динамического диапазона
Бюджет помех УБТС ЭФИ, определяющих нижнюю границу ДД
1. Мультипликативные помехи, обусловленные СЭК
Допущения: Uc>0, все остальные источники напряжения
и тока равны нулю.
U
вх.ус
(K  K
u
min
) U
c
U вх.ус K u U c
K 
u
K u
z эк
z
эк

R
z эк 
K u 
K

z эк (z
z
бтэ
z
K
z
u
z

эк
вх.э
эк
z
вх.э
)2
j w R эк C эк  1
эк
R
эк
, для
эк
R эк
z вх.э  z бтэ  z эк
K
1

z эк
z вх.э

z
эк
R эк

j w R
1
j w R эк C эк  1

( j w R
эк
эк
C
C
Для fпом=10 Гц, Rэк=104 Ом, Сэк=10-7 Ф ,
z эк
j w R эк C эк  1
K 
u
R
R
эк
z вхэ
эк
1
эк
эк
 1) 2

Для ΔRэк=104 Ом, Uc=5*10-3 В , Zвхэ=10 МОм
K u 
U
вх.ус
R эк
z
10
3
вхэ
K U 5 10
u
c
6
В

Влияние мультипликативных помех на форму сигнала
Во временной области U
вх.ус
(t ) 
R эк (t )
z
U c (t )
вхэ
В частотной области
(свертка спектров)
U(w ) вх.ус 
1
wn
U с (w n ) R эк (w  w n )dw n
z вх.э 2  w
n
где Uc(wn), ΔRэк(w) – спектральные плотности
соответственно сигнала и сопротивления ΔRэк ,
wn – круговая частота мультипликативной помехи.

Влияние мультипликативных помех на форму сигнала
Временная область
ЭКГ
Помеха
Частотная область

Zвхэ=104 Ом
Zвхэ=106 Ом
Zвхэ=105 Ом
Zвхэ=107 Ом
Для уменьшения амплитуды мультипликативной
помехи необходимо увеличивать входное
сопротивление входных каскадов и уменьшать Ск.

2. Аддитивные помехи, обусловленные СЭК
Допущения: Uп.вн>0, все остальные источники напряжения и
тока равны нулю.
U вх.ус (K u  K min ) U п.вн
U
п.ад.
K
min
U
п.вн
U п.м K u U п.вн
Аддитивная составляющая
помехи, где
K
min
1  K
Мультипликативная
составляющая помехи.
u max

Влияние мультипликативной составляющей
узкополосной помехи 50 Гц на форму сигнала
U
вх.ус
K U
u
п.вн
U п.вн. U 0 cos(w t )

Спектр помехи
после
Фурье-фильтра.
Zвх.э=107 Ом
Uп.вн=1 В
Для уменьшения влияния мультипликативной составляющей
узкополосной помехи на форму сигнала необходимо
увеличивать Zвх.э. и уменьшать амплитуду помехи.

Влияние аддитивной составляющей узкополосной
помехи Е пол. на форму сигнала
Допущения: Епол.>0, все остальные источники напряжения
и тока равны нулю.
U вх.ус (K u  K min ) E пол.
U вх.ус K min E пол.
Аддитивная составляющая
напряжения поляризации
приводит к насыщению
входных усилителей.

Влияние мультипликативной составляющей
узкополосной помехи Е пол. на форму сигнала
U
U
вх.ус
п.м
(K  K
u
K E
u
min
) E
пол.
пол.
Zвх.э=107 Ом, ΔRэк= 103 Ом.

3. Аддитивные помехи, обусловленные
входными каскадами
Напряжение смещения
Допущения: Uсм>0, все остальные источники напряжения
и тока равны нулю.
Ucм< 1 мВ
Zвх=108…109 Ом
(Z бтэ  Z эк ) Z каб
Zэ 
Z бтэ  Z эк  Z каб
K 
u
Z
вх
Z вх  Z э
1

3. Аддитивные помехи, обусловленные
входными каскадами
Ток смещения (входной ток)
Допущения: Iсм>0, все остальные источники напряжения
и тока равны нулю.
(z бтэ  z эк ) z вх.э
U вх.ус I см 
z бтэ  z эк  z вх.э
Аддитивная составляющая помехи при
Iсм = 10-8 А, Rэк=50 кОм, Uвх.ус≈500 мкВ.
Мультипликативная составляющая помехи при ΔRэк=10 кОм,
U вх.ус z
ΔUвх.ус ≈Iсм ΔRэк= 100 мкВ
U вх.ус 
 эк R эк ,
z эк R эк

3. Аддитивные помехи, обусловленные шумами
Эквивалентная шумовая схема УБТС
Допущения: Iш.вх>0, Uш.вх>0, все остальные источники
напряжения и тока равны нулю.
БТ
Кожа
Эл.
ВК

Эквивалентное
Эквивалентный
Реальная
входное
входной
часть
напряжение
импеданса
ток
шума
шума
кожи
усилителя
усилителя
Эквивалентное
Эквивалентное
Реальная
Эквивалентное
Реальная
часть
часть
напряжение
напряжение
импеданса
напряжение
импеданса
шума
электрод-кожа
биотканей
шума
электрод-кожа
биотканей
кожи

U n _ вх.ус.  Unbt 2  Unk 2  Unek 2  Un 2  Inin 2 (Re Zbt 2  Re Zk 2  Re Zek 2 )
Для en=5 нВ/Гц0.5 , in=0.57 пА/Гц0.5, Δfш=4.1 МГц,
Un_вх.ус ≈ 10 мкВ.
Основной вклад в напряжение шума УБТС вносит
Un=en* Δfш0.5

Выводы
 Верхняя граница динамического диапазона УБТС ЭФИ
определяется амплитудой внешней помехи и
напряжением поляризации электродов.
ЭКГ
Синфазая
помеха
ЭМГ
ЭЭГ
ЭКГ
ЭМГ
ЭЭГ
АТ
АЦП
12 р. АЦП
16 р.
АЦП
24 р.

 Факторы, определяющие нижнюю границу
динамического диапазона:
 Аддитивные составляющие помехи.
1. Токи смещения входных каскадов.
2. Напряжение смещения входных каскадов.
3. Эквивалентные входные напряжение и ток шума.
 Мультипликативные составляющие помехи.
1. Напряжение полезного сигнала.
2. Напряжение внешней помехи.
3. Напряжение поляризации электродов.
4. Токи смещения входных каскадов.

 Мультипликативные составляющие помехи
вносят искажения в полезный сигнал.
 Для уменьшения мультипликативных помех
необходимо увеличивать входное сопротивление
входных цепей и уменьшать емкость кабеля.
 Для обеспечения максимального динамического
диапазона необходимо во входных цепях
использовать малошумящие каскады с малыми
входными токами и напряжением смещения.

Математическая
модель
биполярной
БТС ЭФИ

Система основных отведений ЭКГ
Стандартные отведения
U I U L  U R
U II U F  U R
U III U F  U L

Усиленные отведения
U AVR
(U L  U F )
U R 
2
U AVL
(U R  U F )
U L 
2
U AVF
(U L  U R )
U F 
2
Грудные отведения
(U L  U R  U F )
U V 1 U C1 
3

Эквивалентная схема замещения
БО
СЭК
КО
ВК

Выводы:
 Дифференциальное напряжение определяется как
U д U1  U 2
 Синфазное напряжение определяется как
U cc
U1  U 2

2
 Основное достоинство биполярной БТС ЭФИ –
ослабление синфазной внешней помехи и
напряжения поляризации электродов.

Вопросы к экзамену для
самостоятельной проработки
1.Вывод выражения для коэффициента передачи
дифференциального сигнала биполярной БТС
ЭФИ.
2.Вывод выражения для коэффициента передачи
синфазного сигнала биполярной БТС ЭФИ.
3.Вывод выражения для коэффициента
преобразования синфазного сигнала в
дифференциальный биполярной БТС ЭФИ.

Структурная схема одноканальной
электрокардиографической системы
ИУ
МУ
––
ПН
инструментальный
ЭС
–
–схема
повторитель
электродная
Д––защиты
дисплей
напряжения
система
усилитель
усилитель
ПЛИС
DSP
– АЦП
программируемая
–БГР
ПК
цифровой
–КОМ
аналого-цифровой
ФНЧ
ФВЧ
УВ
персональный
блок
МК
–––коммутатор
–устройство
гальванической
фильтр
процессор
П
микроконтроллер
принтер
логическая
нижних
верхних
компьютер
ввода
отведений
обработки
частот
развязки
интегральная
частот
сигналовсхема
СЗК
–масштабирующий
ипреобразователь
контроля

Входные цепи
Схемы защиты
усилителей ЭКГ
сигналов от
дефибрилляторов

Эквивалентная схема
выходной цепи дефибриллятора

Напряжение на электродах дефибриллятора

Ограничивающие
резисторы
предназначены
для
R1,
VD5,
R2,
VD6
–
параметрические
стабилизаторы,
VD1-VD4 диодный мост предназначен для определения
поглощения
основной
мощности импульса
определяющие
порог
срабатывания
схемы защиты (Uст).
полярности импульса дефибриллятора.
дефибриллятора.

UR≈0
Ucт≈+5 В
UL≈0
Исходное состояние: VD1-VD4 смещены
в обратном направлении.
Обратные токи диодов складываются с
входными токами усилителей.

ΔUR > Uст
ΔUL < -Uст
Ucт≈+5 В
Для указанного распределения потенциалов импульса
дефибриллятора входные токи протекают следующим
образом:

Исходные данные для расчета Rогр
1. Предельная рассеиваемая мощность резистора
- Импульсная
Pимп.

U имп.  U cm  2

R
огр.
Мощность, рассеиваемая на резисторе Rогр

2


U
(
t
)

U
1
ст
 
dt
T
- Средняя
P
ср
T

0
R огр
Большими значениями импульсной мощности
обладают резисторы ТВО.
2. Максимальное импульсное напряжение
резистора.
3. Максимальное допустимое падение напряжения
при протекании входных токов смещения
усилителя и обратных токов диодов.
U
cm.огр.
(2 I
обр.
I
вх.ус.
)R
огр.

4. Максимальный допустимый импульсный
прямой ток диодов.
5. Максимальный допустимый импульсный
обратный ток стабилитронов.
U
I max  и.макс.
R
огр.
6. Максимальное допустимое напряжение шума.
2
Uш
4 k T R огр. f ш

Входные цепи
Схема обнаружения
неисправностей
в электродной системе
ЭКГ

Принцип
Недостатки:
работы
высокий
схемы
уровень
основан
шума,
на различии
обусловленный
уровней
синфазного
резисторами
сигнала
R1, R2;
на электродах
при их подсоединении
Схема
выделения
Делитель
Компаратор
напряжения
синфазного
сигнала
или
высокая
отсоединении
вероятность
от поверхности
ложного срабатывания.
тела.

Усилители
электрофизиологических
сигналов

Основные характеристики
1) Коэффициент передачи дифференциального сигнала:
K 
U вых.диф
д
U
,
при
U
cc
0
вх.диф
2) Коэффициент передачи синфазного сигнала:
K сс 
U вых.синф
U вх.синф
,
при U
диф
0
3) Коэффициент преобразования синфазного сигнала
в дифференциальный:
U вых.диф
Kсд 
,
при U

0
диф
U
вх.синф

4) Коэффициент режекции: H 
5) Коэффициент дискриминации:
Kд
K сд
F
Kд
K
сс
6) Коэффициент ослабления синфазного сигнала:
K
F H
д
K осс 

F H K K
сд
сс
В некоторых частных случаях
K
осс
F
или
K осс H

7) Полоса пропускания характеризует частотные свойства и
быстродействие усилителя.
8) Напряжение смещения - UСМ - это напряжение, которое
необходимо подать на два активных входа, чтобы
выходное напряжение равнялось нулю.
Причиной возникновения напряжения смещения является
неидентичность транзисторов входных каскадов ОУ.
9) Ток смещения - IСМ - минимальный входной ток, который
необходим для нормальной работы усилителя.

10) Ток сдвига - IСД - разность входных токов смещения.
11)Скорость нарастания выходного напряжения.
12)Входное эквивалентное напряжение шума - U ВХ Ш.
13) Входной эквивалентный ток шума - iш.
14) Чувствительность - S - минимальный входной сигнал,
при котором на выходе достигается
значение
сигнал  шум.
номинальное
напряжения при заданном соотношении

Входные каскады
Входные усилители выполняются по двухкаскадной схеме.
Первый каскад должен обеспечивать следующие
характеристики:
 Максимальное входное дифференциальное и синфазное
сопротивление.
 Максимальный коэффициент передачи.
 Минимальный входной ток.
 Минимальное напряжение смещения.
 Минимальное напряжение шума.
Второй каскад должен обеспечивать ослабление синфазного
сигнала.
Uвх
СУ
ДУ
Дифференциальный
Согласующий усилитель
усилитель
Uвых

Операционный усилитель
Структурная схема типового операционного усилителя (ОУ)
Первый каскад ОУ выполнен на основе
дифференциального каскада (ДК).
ДК может быть реализован на биполярных или полевых
транзисторах.
Этот каскад обеспечивает все входные характеристики
усилителя.
Коэффициент передачи ДК лежит в диапазоне 300…1000.

Операционный усилитель
Структурная схема типового операционного усилителя (ОУ)
Второй каскад может быть собран либо по схеме с общим
эмиттером либо по дифференциальной схеме.
Коэффициент усиления второго каскада лежит в диапазоне
300…1000.
Третий каскад выполнен по схеме двухтактного
эмиттерного повторителя и служит для согласования с
нагрузкой. Коэффициент усиления близок 1.

Принципиальная схема типового
операционного усилителя
Несимметричное
Третий
Второй
Активная
каскад
каскаднагрузка
по
токовое
по схеме
схеме
зеркало
сс ОК
ОЭ
Дифференциальный
каскад

Особенности активной нагрузки ДК
Цель введения активной нагрузки – повышение
коэффициента усиления.
K д  2 g п R н
gп 
Недостатки пассивной нагрузки:
I
0
4 
T

I4
Iб5
I3
I1
Iб6
I2
1.1.Транзистор
ТранзисторQ5
Q5
задает
обеспечивает
напряжение
симметрию
б-э Q3, Q4.
коллекторных токов Q1, Q2.
I
б5
 (I
5
б3
I
б4
)
I б6  6 I б7

Амлитудно-частотная характеристика
реального ОУ
Эквивалентная схема транзистора
rб 100...300 Ом
rэ 
Cэ 
Ск* = Ск(β + 1), rк* = rк/(β + 1)
T
I
I
э
э
2   f
T
T

Эквивалентная схема транзистора

Амлитудно-частотная характеристика
реального ОУ
1. АЧХ первого каскада
K д  g п R н

АЧХ первого каскада
Эквивалентная схема
g 1 g Q 4  g Q 2  g i
C C
1
Q4
C
Q2
C
i

U
g
К  вых  п
Д
U
Y
вх
1
где
Y g  p C
1
1
1
p – оператор Лапласа

A1(p)  A  1
1 p
1
где
A1 
g
g
п
 
1
1
g
1
C
1

2. АЧХ второго каскада

A 2(p)  A  2
2 p
где
A2 
g п2
g
2
2
 
2
g2
C2

3. АЧХ третьего каскада

A3(p)  A  3
3 p
,
где
3
g3
A  1 , 3 
3
C
3
4. АЧХ ОУ
A(p)  A1(p) A 2(p) A3(p)
A p  
A1 1 A 2 2 A3 3
p 3   1  2  3 p 2   1 3  1 2  2 3 p  1 2 3
Для f1=800 Гц, f2=8 кГц, f3=800 кГц

Амлитудно-частотная характеристика реального ОУ
ω1
ω2
ω3

АЧХ реального ОУ с обратной связью (ОС)
Коэффициент передачи усилителя
с отрицательной ОС
A p 
Koc p  
1   A p 
R2

R1  R 2
Koc p  
A1 1 A 2 2 A3 3
p 3   1  2  3 p 2   1 3  1 2  2 3 p    A1 A 2 A3  1 1 2 3
Для f1=8 кГц, f2=16 кГц, f3=16 МГц, β=0.1

АЧХ реального ОУ с обратной связью

АЧХ реального ОУ с коррекцией
Ск

Структурная схема ОУ с внутренней коррекцией
I2
Ск
I0
U1
-A2
I1
U2
g1
Допущения: Uвых=U2, коэффициент передачи
каскада с ОЭ равен -А2
Для узла U1 можно записать уравнение Кирхгофа: I0=I1+I2
I 0 g
п1
U
д
I1 g1 U1
I 2 p C k (U1  U 2)

C учетом сделанных допущений можно записать:
g п1 U д U1 g1  p C k (U1  Uout )
Uout
Подстановка U1  A 2 в полученное уравнение дает:
Uout
Uout
g U 
g1  p C (
 Uout )
п1
д
k
A2
A2
После преобразований получаем:
Uout
A(p) 

Uд
g
п1
g1
p C k 
A2

Вводя обозначение
g1
c 
C k A 2
, найдем:
c
g п1
A(p)  A 2  
g1 p  c
Для gп1=0.25 мА/В, g1=1 мкСм, А2=500, Сk=20 пФ
получим fc=16 Гц.
Частота единичного усиления ωT может быть найдена
из уравнения:
A(p) 1

Следовательно, из
c
g
A 2  п1 
1 находим:
g1
 2  c2
g п21
2
  
T
c
g п1
2
g1
2
A 2  1
а т.к.
T 
g
2
g1
2
A 2  1
п1
Ck
Для указанных данных fT=2 МГц.
, то

АЧХ реального ОУ с коррекцией
ωc
ωТ

I2
I0
Ск
U1
-A2
I1
g
1
U2

Скорость нарастания выходного
напряжения ОУ с коррекцией
I2
Ск
U1
I1
U2
Допущения: g1→0, IвхОЭ→0. Uвых=U2, U2>>U1.
Для узла U1 можно записать уравнение Кирхгофа: I1 I 2
I1 g U
п
д
d
I 2 C k  U вых
dt
I0
d
U вых 
Vmax
dt
Ck
I1
max
I
0
Для Io=20 мкА,
Ск=20 пФ,
Vmax=1 В/мкс

Условие неискаженного выходного сигнала
Для U вых U m sin( t )
Vmax  U m
 В 
Vmax 1 

мкс


U
m

dU вых
dt
 max  U m
f неиск 
10  В 
f
неиск
V
max
2  U
m
15915  кГц

Максимальная амплитуда Umax неискаженного выходного
сигнала при максимальной полосе пропускания
U
V

max
max

Т
Максимальная полоса пропускания ОУ с внутренней
коррекцией определяется соотношением:
gп
Т 
C
k
I0
Учитывая, что V

max
C
U
g 
п
k
max
4 
T
I
0
4 
T

Применение ОУ во входных каскадах
Uвх
СУ
СУ
ДУ
Uвых
Задача 3. Разработка математических моделей для
количественного анализа основных характеристик
входных каскадов усилителей биопотенциалов.

Математическая
модель
дифференциального
усилителя
с одним ОУ

Коэффициенты передачи
Принципиальная схема дифференциального усилителя
с одним ОУ

Допущения:
1. Токи смещения равны нулю.
2. Напряжение смещения равно нулю.
3. Эквивалентные входные напряжение и ток шума равны
нулю.
4. Коэффициент усиления дифференциального сигнала А
разомкнутого ОУ конечен.
5. Коэффициент усиления синфазного сигнала Асс
разомкнутого ОУ конечен.
Уравнение для выходного напряжения:
Uout A (U 2  U1)  Acc Ucc

Для выбранных направлений токов уравнения имеют вид:
Uin1  U1 U1  Uout

R1
R2
R4
U2 
Uin 2
R3  R 4
(2)
Uout  A  U 2  U1  Acc Ucc
(3)
(1)

Из выражения (1) найдем U1:
Uin1 R 2  Uout R1
U1 
R 2  R1
(4)
Подставим выражения (2) и (4) в выражение (3) и
разрешим уравнение относительно Uout:
Uout D1 Uin1  D2 Uin 2  D3 Ucc
где:
(5)
 A R 2 R3  A R 4 R 2
D1 
 R3  R 4  R 2  R1  A R1
A R 4 R 2  A R 4 R1
D2 
 R3  R 4  R 2  R1  A R1
D3 
Acc R3 R 2  Acc R3 R1  Acc R 4 R 2  Acc R 4 R1
 R3  R 4  R 2  R1  A R1

Коэффициенты передачи
Коэффициент передачи дифференциального сигнала
Коэффициент передачи дифференциального сигнала Kd
может быть найден при условии Uin1=Ud/2, Uin2= - Ud/2,
Ucc=0
Uout
Kd 
Ud
Для
1
1
Uout  D1 Ud  D2 Ud
2
2
Kd 
1
(D2  D1)
2
После подстановки D1 и D2:
1
R 2 R3  2 R 2 R 4  R 4 R1
Kd  A 
 R3  R 4  R 2  R1  A R1
2

При условии R1=R3, R2=R4 Kd приобретает вид:
A
Kd  R 2 
R 2  R1  A R1
При А более 10000 Kd упрощается до Kd 
Учитывая, что
A 
c
A(p) 
p
c
0
R2
R1
где С- частота
среза
A 
R2
0 c
Kд 

A 0 R1
R1  R 2
p   (1 
)
c
R1  R 2
A R1
0
  (1 
)
0
c
R1  R 2

Коэффициенты передачи
Коэффициент преобразования синфазного сигнала
в дифференциальный
Коэффициент преобразования синфазного сигнала в
дифференциальный связан с неидентичностью резисторов
схемы и может быть определен при условии Uin1=Uin2=Ucc и
D3=0 как:
Uout D1 Uin1  D2 Uin 2  D3 Ucc
Kcd 
Uout
Ucc
Kcd D1  D2
 R 2 R3  R 4 R1
Kcd  A 
 R3  R 4  R 2  R1  A R1
При А более 10000 Kcd упрощается до
 R 2 R 3  R 4 R1
Kcd 
 R3  R 4 R1

Предполагая, что R3=R1+D1, R4=R2-D2
  R 2 1  R1  2 
Kcd 
 R1  1  R 2   2 R1
Абсолютные величины отклонений номиналов
резисторов могут быть выражены через
относительный разброс:
1 1 R1
 2 2 R 2
1  2
Таким образом Kcd  R 2 
R1  1 R1  R 2  2 R 2

Так как в реальных схемах d менее 1%, то
выражение может быть упрощено до:
1  2
Kcd  R 2 
R1  R 2
При условии
R1=R2 (Кd=1) и δ1=δ2=δ
Kcd=δ
При условии R1<>1)
Kcd=2δ

Коэффициенты передачи
Коэффициент передачи синфазного сигнала
Коэффициент передачи синфазного сигнала
определяется непосредственно характеристиками ОУ
и может быть рассчитан по формуле:
Kcc=D3
При условии R1=R3, R2=R4 Kcc приобретает вид:
Acc
Kcc ( R2 R1) 
R2 R1 A R1

Коэффициенты передачи
Коэффициент передачи синфазного сигнала
Преобразуем к виду:
Acc
Kcc 
R1
1 A 
R1 R2
При А более 10000:
Асс
Ксс 
А

Коэффициенты передачи
Коэффициент ослабления синфазного сигнала
Кд
Косс 
Ксд  Ксс
R2
Кд 
R1
 1  2
Kcд  R2
R1 R2
Kocc 
R2

R1
Асс
Ксс 
А
R2
Acc
( 1  2) 
R1 R2
A

Коэффициенты передачи
Для
R2= 100 кОм
R1=10 кОм
1=2=1%                A>104
R2
1
R1 100060дБ
Косс 
 1  2

Влияние напряжения смещения на выходное
напряжение ДУ с одним ОУ

Влияние напряжения смещения на выходное
напряжение ДУ с одним ОУ
R3R 4
R 
R3 R 4
/
3

Влияние напряжения смещения на выходное
напряжение ДУ с одним ОУ
Если сопротивление R3’ составляет единицы-десятки
кОм, тогда выходное напряжение смещения можно
представить в виде
U см out
R2
(1 ) U см
R1

Влияние напряжения смещения на выходное
напряжение ДУ с одним ОУ
Если сопротивление R3’ составляет единицы-десятки
мегаом, в этом случае выходное напряжение смещения
равно:
U см out
R2
R вхОУ
(1  )  /
U см
R1 R 3  R вхОУ
Для Uсм= 1 мВ, R1=103 Ом, R2=106 Ом
U см out 1

Влияние входных токов на выходное
напряжение ДУ с одним ОУ

Влияние входных токов на выходное
напряжение ДУ с одним ОУ
Индексы в обозначении токов
источников токов означают
negative и positive.
Внутреннее сопротивление
источников дифференциального и синфазного
сигналов близко к нулю.
Для данной схемы
справедливы следующие
уравнения Кирхгофа:
Выходное напряжение может
быть найдено из уравнения:
In=I1+I2
Ip=I3+I4
Uout (U2  U1) A
А- коэффициент усиления ОУ

Влияние входных токов на выходное
напряжение ДУ с одним ОУ
 U1
I 1
R1
 U 1 Uout
I 2
R2
 U2
I 3
R3
 U2
I4
R4

Влияние входных токов на выходное
напряжение ДУ с одним ОУ
Следовательно:
 U 1 U 1 Uout (1)
In 

R1
R2
 U2  U2
Ip 

R3
R4
(2)
Из (1) можно выразить
напряжение U1:
 ( In R2 Uout )
U 1
R1
( R2 R1)
Из (2) можно выразить
напряжение U2:
 Ip
U 2
R3R 4
( R4  R3)

Влияние входных токов на выходное
напряжение ДУ с одним ОУ
Подстановка полученных выражений для U1 и U2 в
выражение для выходного напряжения и разрешения
полученного уравнения относительно Uout дает:
Uout 
 Ip R3 R4 R2  Ip R3 R4 R1  In R2 R1 R4  In R2 R1 R3 A
  R4  R3 ( R2  R1  R1A)
Для коэффициента А, принимающего значения более
10000, выражение упрощается:
Uout 
 Ip R3 R4 R2  Ip R3 R4 R1  In R2 R1R4  In R2 R1R3
  R  R3 R1

Влияние входных токов на выходное
напряжение ДУ с одним ОУ
При условии:
R3R1 1
R 4 R 2 2
И с учетом того, что In=Ip-Ios (Ios- ток сдвига), запишем:

   R2 2 Δ1  R2 Δ1Δ2  R12 Δ2  R1Δ1Δ2
Uout 
 R2  Δ2  R1  Δ1 R1

  Ip  R2 Ios


Пренебрегая величинами второго порядка малости,
получим:


   R2 2 Δ1  R12 Δ2 
Uout 
 Ip  R2 Ios
  R2  Δ2  R1  Δ1 R1

Влияние входных токов на выходное
напряжение ДУ с одним ОУ
Т. к. абсолютные отклонения Δ1 и Δ2 принято
выражать через относительный разброс параметров:
1 1R1
то:
2  2R 2
R2 2 δ1 R1  R12 δ2 R2
Uout 
Ip  R2 Ios
 R2  δ2 R2  R1  δ1R1 R1
Примем
 1 2  , тогда

Uout R2
Ip  R2Ios
1 

Влияние входных токов на выходное
напряжение ДУ с одним ОУ
Учитывая, что   1, получим:
Uout R2 Ip  R2Ios
Для: R2=105 Ом, δ= 0.01, Ip=10-6 А, Ios=10-7А
Uout≈10 мВ
Приведенное ко входу напряжение Uinpr 
 R2
тогда с учетом Kd 
R1
Uinpr R1 Ip  R1Ios
Uout
,
Kd

Влияние входных токов на выходное
напряжение ДУ с одним ОУ
Учитывая, что  Ip  Ios, получим:
Uinpr R1Ios
Для: R1=105 Ом ,
δ= 0.01,
Ip=10-6 А,
Uinpr≈10 мВ
Ios=10-7А
dIos
Ток сдвига зависит от температуры: ΔIos 
ΔT
dT
Для
Ip 
Ios Ip  In
Io
β1 (1  e
Ucm
t
In 
)
Io
β2 (1  e

Ucm
t
 1 2 
)

Влияние входных токов на выходное
напряжение ДУ с одним ОУ
I 0T
  Ucm 
Ucm
Ios 2

q exp
q 
2
2



k T0


k



T
 1exp   Ucm q  


0




При: T 25
 k T0

Ios 2.4310 10
Uinpr R1Ios
Uinpr 24,3мкВ

Приведенный шум ДУ с одним ОУ
Эквивалентная
шумовая схема
усилителя
Unr1,
Unr2,
–источников
генераторы
шума, Ri1,
Ri2 Uns2
- процессы
сопротивления
сигналов
Допущения:
вUnr4
источниках
шума являются
Uns1,
-Unr3,
генераторы
шума,
Inm, Inpтоки шума,
приведенные
ко входу
(к
являются
источниками
шума,
который
рассчитывается
некоррелированными,
случайными.
обусловленного
сопротивлениями
R1,
R2,
R3,
причинойвозникновения
которогоко
являются
Unгенератор шума, приведенный
входу
2
4K T Re[Z ]
по отрицательному
формуле
Найквиста:и eк положительному
R4
соответственно.
сопротивления Ri1, Ri2.
соответственно).

Приведенный шум ДУ с одним ОУ
U1
I2 I1  Inm
(1)
I3  I4  Inp
(2)
I1 
Uns1  Unr1  U11
Ri1  R1
I2 
U11  Unr2  Unout
R2
U11 U2  U1
I3 
Uns2  Unr3  U2
Ri2  R3
I4 
U2  Unr4
R4
Unout  U2  U1 A
(3)

Приведенный шум ДУ с одним ОУ
Напряжение U2 может быть найдено из уравнения (2)
после подстановки в него соответствующих токов:
U2 
 R4 Uns2  R4 Unr3  Ri2 Unr4  R3 Unr4  Inp R4 Ri2  Inp R4 R3
 R4  Ri2  R3
Напряжение U1 может быть найдено аналогично из
уравнения (1)
Un  U1 - Unr2 - Unout Uns1  Unr1- Un - U1

 Inm
R2
Ri1  R1
U1 
R2(Uns1  Unr1  Un)  (Ri1  R1)(Un  Unr2  Unout)  InmR2(Ri1 R1)
R1  Ri1  R2

Приведенный шум ДУ с одним ОУ
Подстановка полученных выражений в (3) с
последующим решением уравнения относительно
Unout при условии, что R1=R3, R2=R4,
коэффициенте А, стремящимся к бесконечности, дает:
Unout F1Unr2  F2 Un  F3 Uns1  F4 Unr4 
 F5 Unr3  F6 Inp  F7 Inm  F8 Unr1  F9 Uns2
Для случая Ri1=0, Ri2=0 коэффициенты
приобретают вид:
F1 1
R1  R2
F2 
R1
F6  R2 F7 -R2
 R2
F3 
R1
 R2
F8 
R1
F4 1 F5 
R2
F9 
R1
R2
R1

Приведенный шум ДУ с одним ОУ
При условии Unr1=Unr3, Unr2=Unr4 получим:
Unout  F8  F5 Unr1   F4  F1 Unr2  F2 Un 
 F3 Uns1  F6 Inp  F7 Inm
Т.к. шум представляет собой некоррелированный
случайный процесс, то квадрат выходного
напряжения получается сложением квадратов
амплитуд источников шума:
2
2
R
2
R
2
Unout 2 2  2 Unr12  2 Unr22  2 Uns22 
R1
R1
2
2

R1  R2
R
2
2
2
2
2
2
2


Un


Uns1

R
2

Inp

R
2

Inm
R12
R12

Приведенный шум ДУ с одним ОУ
Для Uns1=Uns2=Uns получаем:
R22
R22
2
2
Unout 2  2 Unr1  2 Unr2  2 2 Uns 2 
R1
R1

R12  R2 2  2R1R2

Un 2  R22 Inp 2  R22 Inm 2
2
R1
2
Приведенный ко входу собственный шум усилителя
будет иметь вид:
R12
Unin 2  2 Unr2 2  2 Unr12  2Uns 2 
R2
R12  R2 2  2R1R2
2
2
2
2
2


Un

R
1

Inp

R
1

Inm
R22
2

Тогда с учетом

Kd 
 R2
R1
2
1
 Kd  1 
2
Unin 2 2  2 Unr2 2  2 Unr12  2Uns 2  
 Un 
Kd
 Kd 
 R12 Inp 2  R12 Inm 2

Дифференциальное входное сопротивление
Rд 
Ud/2
I1
Uд
Iд
Ucc 0
Iд I1  I2
U0
-Ud/2
I2
I2 
 Uд/2
R3  R4
Uд/2  U0
I1 
R1
U0 I2 R4
2 R1 (R3  R4)
Rд 
R3  R1
R1 R3
R2 R4
Rд R1  R2

Синфазное входное сопротивление
Ucc
Rcc 
Icc
Icc I1  I2
Rcc 
R1 (R3  R4)
R3  R1
R1  R3
R2 R4
R1  R 2
Rcc 
2

Методы улучшения
аппаратных
характеристик
диагностических
систем

Методы увеличения входного
сопротивления
• Применение во входных цепях
операционных усилителей с полевыми
транзисторами.
• Применение во входных каскадах
последовательных отрицательных
обратных связей.
• Применение во входных каскадах
последовательных положительных
обратных связей

Методы увеличения входного
сопротивления
Применение во входных цепях операционных
усилителей с полевыми транзисторами
Достоинства:
• Возможность работы с высокоомными
источниками сигналов
• Малые входные токи
• Низкий уровень шума
Недостатки:
• Большое значение напряжения смещения

Методы увеличения входного сопротивления
Применение во входных каскадах последовательных
отрицательных обратных связей (ООС)
Входное сопротивление усилителя с
последовательной ООС:
Rin _ nfb  Rin _ a F
Где
Rin _ a - входное сопротивление усилителя без ООС
F 1   A - глубина ООС
 - коэффициент передачи цепи ООС
A - коэффициент передачи разомкнутого усилителя

Методы увеличения входного сопротивления
Применение во входных каскадах последовательных
ООС
R2
t

Rin _ a 
R 2 R3
iin
t
R2
Rin _ nfb  (1
A)
iin
R2 R3
A 105
iin 0.3нA
Rin _ nfb 800ГОМ

Методы увеличения входного сопротивления
Применение во входных каскадах последовательных
ООС

Методы увеличения входного сопротивления
Применение во входных каскадах последовательных
ООС

Методы увеличения входного сопротивления
Применение во входных каскадах последовательных
ООС
t
Rin _ a 
iin
 1

Rin _ nfb  t (1  A)
iin
A 10 5
iin 0.3нA
Rin _ nfb 8000 ГОм

Методы увеличения входного сопротивления
Применение во входных каскадах последовательных
ООС

Методы увеличения входного сопротивления
Применение во входных каскадах последовательных ООС
Составной повторитель
t
Rin _ a 
iin
 1
t
Rin _ nfb  (1  A 2 )
iin
A0  0
A( p ) 
p  0
A0 2  02
K ( p)  2
p  2  0 p   02 (1  A0 2 )
t
A0 2 02
Zin _ nfb  (1  2
)
2
iin
p  2 0 p  0

Методы увеличения входного сопротивления
Применение во входных каскадах последовательных
ООС

Методы увеличения входного сопротивления
Применение во входных каскадах последовательных
ООС

Методы увеличения входного сопротивления
Применение во входных каскадах последовательных
положительных обратных связей (ПОС)
R1
Rin _ pfb 
F
F 1   A
R1
Rin _ pfb 
1  A2
p 2  20 p A0  02 A02
Zin _ pfb R1 2
p  20 p  02 2A0
 0
A0
Rin _ pfb  R1 
2

Методы увеличения входного сопротивления
Применение во входных каскадах последовательных
ПОС

Методы увеличения входного сопротивления
Применение во входных каскадах последовательных
ПОС

Методы увеличения Косс
Kd
Kocc 
Kcd  Kcc
• Оптимальное распределение коэффициента
передачи дифференциального сигнала Кд по
каскадам
• Уменьшение коэффициента передачи
синфазного сигнала Ксс
• Уменьшение коэффициента преобразования
синфазного сигнала в дифференциальный Ксд

Методы увеличения Косс
Оптимальное распределение Кд по каскадам
входного усилителя
U1
ВК
ДУ
МУ
Uвых
U2
Основные критерии оптимизации распределения Кд
по каскадам:
1. Максимальный динамический диапазон.
2. Минимальный уровень шума.
3. Минимальный уровень постоянной составляющей

Методы увеличения Косс
Инструментальный усилитель с двумя ОУ
При условии R2=R5, R3=R4
R2 2R 2
Кд 1

R3 R1
Ксд≈δ2 + δ3
Асс
Ксс Кд 2
А

Методы увеличения Косс
Инструментальный усилитель с тремя ОУ
R1 R3

Kd  1


R2 R2

R1=R3
R1
Kd 1 2
R2

Методы увеличения Косс
Инструментальный усилитель с тремя ОУ
Для входного каскада:
Kcc 1
Kcd 0
Kd
Kocc 
Kcd  Kcc
Kocc Kd

Методы увеличения Косс
Схема уменьшения Ксс с 1 ОУ
Ксс=δ+1/(А1А2)

Методы увеличения Косс
Схема уменьшения Ксс с 1 ОУ

Методы увеличения Косс
Схема уменьшения Ксс с 1 ОУ

Методы увеличения Косс
Схема уменьшения Ксс с 3 ОУ

Методы увеличения Косс
Схема уменьшения Ксс с 3 ОУ

Методы увеличения Косс
Схема уменьшения Ксс с 3 ОУ

Методы увеличения Косс
Схема уменьшения Ксс с ДК
R2
K U 1  2 
R3
ΔR2
Kcd1 
R2
ΔR1
Kcd2 
R1
Kcc 
1
Kocc A1
Δre  R3  2 R2 
Kcd3 
R2 R3

Методы увеличения Косс
Схема компенсации емкости кабеля отведений

Методы увеличения Косс
Схема компенсации входной емкости усилителя

Методы увеличения Косс
Схема компенсации эффекта Эрли

Методы увеличения Косс
Инструментальный усилитель со следящей связью
по питанию

Развязывающие
усилители

Проблемы электробезопасности
сетевая
помеха
пациент
4 кВ
Прибор должен выдерживать напряжение 4кВ в
течение 1 минуты (4кВ – пробой воздуха на расстоянии
2 проводов 5мм)

Виды гальванических развязок
• Гальваническая развязка подразумевает отсутствие
соединения, информация передается с помощью полей.
1). Трансформаторная
развязка.
Электромагнитное поле.
2). Емкостная развязка.
Информация передается
с помощью
электрического поля.

Виды гальванических развязок
3). Оптическая развязка.
В качестве передающей
среды используют
световой поток.
Используют оптрон.
4). Радиочастотная развязка.
ВЧ электромагнитное поле.
Для медицинских систем используется 1. и 3.
Выбор обусловлен электрической прочностью.
(т.е. развязка должна выдерживать 4кВ).

Коэффициент ослабления синфазного
сигнала для гальванически
развязанных схем.
Uвых = Ky1*Uд
n=1- Коэффициент трансформации

Коэффициент ослабления синфазного
сигнала для гальванически
развязанных схем.
Z ВХ
Kcc 
Z ТР  Z ВХ 1  Z БТ  Z ВХ
ZТР  Z ВХ 1  Z БТ  Z ВХ
Z ВХ
Kcc 
ZТР

Схема развязывающего усилителя с
дополнительным источником питания
Высокочастотный
трансформатор
малой емкости.
И- инвертор;
ЗГ – задающий
генератор

Схема развязывающего усилителя с
дополнительным источником питания

Методы уменьшения
дрейфа напряжения
смещения и
поляризации
электродов

Uсм.вых. е см1  К1 К2  К3  е см2  К2 К3  е см3 К3
е см2
е см3
Uп.вх. е см1 

К1 К1 К2
ТКИ см
U cм

T

Схема коррекции напряжения смещения с
прерыванием
Схема работает в два такта:
1-ый такт- измерение напряжения смещения и его
запоминание,
2-ой такт – усиление сигнала.

Схема коррекции напряжения смещения с
прерыванием
Работа схемы
1-ый такт
Ключи S1 и S2 замкнуты
Эквивалентная схема после замыкания ключей.
Напряжение на емкости:
A
Uc eсм 
e см
1 A

Схема коррекции напряжения смещения с
прерыванием
Работа схемы
2-ой такт
Ключи S1 и S2 разомкнуты
Uc  и
e см
имеют один знак
и поступают на
дифференциальный вход.

Схема коррекции напряжения смещения с
прерыванием и активной обратной связью
1-ый такт
Ключи S1 и S2
замкнуты.
Происходит измерение
напряжения смещения.
DA2- интегратор
eсм1 К 1
К1
U
 eсм 2 
1 К 1
1 К 1 К 2
2-ой такт
Ключи S1 и S2 разомкнуты.
Происходит вычитание из Uc
напряжения смещения.

Схема коррекции напряжения смещения без
прерывания
1-ый такт
Автокалибровка дополнительного
усилителя. Ключи S1 и S2
подключают к земле входы DA2, и
емкость Cхр2 хранит Uсм2.
2-ой такт
Схр – емкость
хранения
Входы DA2 подключены к входам
DA1, где происходит измерение
напряжения смещения и запись
его в Схр1.

Схема усилителя с модуляциейдемодуляцией (МДМ)
Недостаток: узкая полоса пропускания

Схема усилителя с модуляциейдемодуляцией (МДМ)
Для расширения полосы пропускания усилителя
применяются многоканальные схемы.

Фильтрация напряжения поляризации
электродов
Недостатки:
• Малое входное сопротивление
• Большой коэффициент преобразования синфазного сигнала в
дифференциальный.

Фильтрация напряжения поляризации
электродов
Недостатки:
• Ограничение динамического диапазона.
• Большой коэффициент преобразования синфазного сигнала в
дифференциальный.

Фильтрация напряжения поляризации
электродов
U1  U0 U0  U вых

R3
R4
U2  U0 U0  Uoc

R3
R4
U вых
Uoc 
ρ C R5
Z1
1
K 

Z2
ρ C R5
R4 (U2  U1) ρ
U вых (ρρ  
R3
ρ  c
1
c 
R5 C

Фильтрация напряжения поляризации
электродов

Методы
уменьшения
шумов

• 1
есм зависит от значения тока
диф. каскада.
iсм зависит от входных токов.
• 2
Для высокоомной сопротивления источника сигнала
необходимо выбирать усилитель с минимальным
входным током.
Уровень шума в основном будет определяться
входным током и сопротивлением источника
• 3 сигнала.
Если складывать n сигналов, то уровень шума
уменьшается в
n раз
U ш.приведеное 
U ш.вх.
n

Методы измерения
кровотока и объема
крови

Методы
измерения
кровотока
Инвазивные
Неинвазивные
Плетизмография
Расходометрия
Метод разведения
непрерывноинфузируемого
индикатора
Окклюзионная
Электромагнитная
Импедансная
Ультразвуковая
Метод Фика
Метод
разведения
болюса
индикатора

Метод импедансной плетизмографии
Допущения:
ρ b L2
1. Расширение артерий однородно.
ΔV L ΔA 
Zb
2. Уд. сопротивление крови постоянно.
3. Ток протекает по артериям.
ρ L
zb  b
z   zb || z   z 
ΔA
z zb
 z2
z 
 z
z  zb
z  zb
z  z b
1  z
 2
zb
z
- ρ b L2 z
ΔV 
z2

Тетраполярный метод
Недостатки биполярного
метода:
1. Плотность тока вблизи
электродов выше, чем в
других тканях.
2. Пульсации объема крови
вызывают изменения
импеданса электрод-кожа.
3. Низкая точность расчета
изменения объема

Тетраполярный метод
Структурная схема тетраполярного реографа