02Hastq_2_2010 (1006402), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Вода является прекрасным растворителем. Концентрация растворяемых веществ измеряется в процентах (отношение веса растворяемой соли к весу растворителя) или в молях на литр (Моль - единица количества вещества. Масса моля - грамм-эквивалент вещества - равна его суммарному атомному весу. Например грамм молекула NaCl составляет 23+35 = 58Г).

При молярной концентрации одна молекула любого растворяемого вещества приходится на 55 молекул растворителя. Для миллимоля одна молекула приходится на 55500 молекул (или соседние молекулы растворяемого вещества разделены 38 молекулами воды ( расстояние 100А* в среднем).

Типовая концентрация разных ионов в плазме тела представлена в таблице 1.3:

Таблица 1.3. Ионная концентрация в мышце лягушки

При этих концентрациях линейное расстояние между молекулами составляет от 100 А* до 15А* и они разделены от 5 до 30 молекулами растворителя.

Приведем еще практически важное выражение для удельного сопротивления плазмы. Оно определяется выражением:

1/ ρ =F_*C(u₊ + u_-),

где ρ - удельное сопротивление раствора, С- концентрация ионов в растворе, F - число Фарадея (96487 Кулон/гэкв), u₊ и u_- - подвижности положительных и отрицательных ионов раствора. Подвижность (средняя скорость дрейфа иона при напряженности поля 1В/см) типовых ионов плазмы примерно равна (5-7)*10^-4 {cм²/сек_*В} Таким образом проводимость 1/ρ прямо пропорциональна концентрации С. Величины удельного сопротивления некоторых растворов представлены в таблице 1.4.

Таблица 1.4.Удельное сопротивление {Ом*см} растворов .

Зная удельное сопротивление плазмы можно оценить омическое сопротивление тела в условных границах: сечение 20х30 см, длинна 40см. Подсчет дает значение порядка 2х Ом. Точно так же можно подсчитать сопротивление геля между электродом и кожей - оно составляет десятые доли Ома.

На границе металл - электролит (электрод - плазма тела) электронная проводимость металла переходит в ионную, при этом на контактной поверхности формируется двойной зарядовый слой (ДЗС), условно показанный на рис 1.7. ДЗС несет контактную разность потенциалов указанную в таблице 1.1 и обладает емкостными свойствами: его удельная емкость порядка 10 мкФ/см2.

Структура ДЗС несколько прояснится, если учтем, что для получения разности потенциалов порядка 1В плотность зарядов на "обкладках конденсатора" ДЗС должна быть 6.25*10³ на микрон² или каждая частица, несущая заряд в одном слое ДЗС отдалена на 8А* от другой такой же (т.е. разделена в среднем 3-мя молекулами Н₂О). Повышение контактного потенциала уплотняет этот слой, снижение - обедняет, причем уплотнение имеет ясные физические границы "плотной упаковки".

Контактный потенциал изменяется при прохождении токов. При этом в начале проявляются емкостные свойства, определяемые перегруппировкой ионов. Далее проходит фарадеевский процесс выхода ионов металла в электролит и обратное осаждение на электроде - аноде. Эквивалентом процесса является резистор. Этот процесс достаточно хорошо поясняется графиком рис 1.7 в координатах: заряд ДЗС (на единицу площади) - электродный потенциал. Подводимый заряд измеряется в «Кулон/мм² ». График имеет три зоны: центральную, где процессы имеют обратимый емкостной характер и боковые, где идет процесс выделения ионов. Ширина центральной зоны определяется материалом электрода и значением емкости ДЗС.

Величина резистивной составляющей обычно измеряется экспериментально. Теоретическая формула позволяет ориентироваться в изменении этого сопротивления от окружающих условий, в частности от изменения концентрации контактирующего электролита. Для длительно протекающего тока значение фарадеевского сопротивления R_f определяется выражением:

R_f =(ŔT/F) / (i S) {Ом/см²},

где Ŕ- газовая постоянная Больцмана =8,314 Дж/(К_*моль), F- число Фарадея= 96 487 Кл/г-экв, Т – температура по Кельвину, i - ток обмена потенциало образующей реакции (дается в справочниках). S - площадь. Для платинового электрода i =1 мА/см² в растворе HCl концентрацией 1 М (10^-3 ма/см² для 1мМ). Таким образом резистивная составляющая ДЗС зависит обратно пропорционально от концентрации электролита и площади электрода. Дополнительно вводится коэффициент шороховатости поверхности, для платины он равен 100. Тогда сопротивление R_f для платинового электрода площадью 1 см² в растворе НСl будет определяться соотношением:

R_{f 1}=25.8 Ом /см² для раствора 1М и

R_{f 001} =25.8 кОм/см² для раствора 1мМ,

Считая среднюю концентрацию ионов плазмы тела порядка 10 мМоль получим среднее значение удельного сопротивления ДЗС электрода 2600 Ом/см².

Для бестоковых электродов величина этого сопротивления определяет шумы и дрейф потенциала электрода (Дисперсия шумов е²=4КТRΔF).

2. Усилители электробиосигналов (УБС)

Основные понятия. Согласованность с электродами. Дифференциальный вход. Две типовые схемы каскада усиления. Две многоканальные схемы. Изолированная раб часть. Динамический диапазон. СКО, пик/пик шума. Источники помехи. Синфазная помеха 50 Гц. Емкость 2пФ на пациента. Электрод N. Влияние сопротивления электрод - кожа под электродом N. Влияние емкости питающего трансформатора. Подавление СП. Сигнальные входы/выходы. Рабочее заземление. Защита от статического электричества и импульсов дефибрилятора. Перегрузка, время восстановления.

2.1. Построение усилителей биосигналов (УБС)

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

а) согласованный для работы с электродами,

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

в) обеспечивающий электробезопасность пациента и персонала.

Общая структура УБС показана на рис 2.1.

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

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

Цепи контроля, управления и выходы на ЭВМ называются сигнальными цепями. Они должны быть изолированы от рабочей части "дополнительной" изоляцией, выдерживающей испытательное напряжение 4.0 кВ эфф относительно электродов, накладываемых на пациента. Если УБП выполняется по классу 1 с исползованием заземляющего провода, то специальная "изоляция" не требуется.

Далее мы коснемся только особенностей построения УБС, считая общую теорию усилителей известной.

2.2 Согласование усилителя с электродами

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

Высокое входное сопротивление требуется из за большой величины омического сопротивления рогового слоя кожи и нестабильности этого сопротивления. Его величина колеблется от сотен Ом до 200 кОм и более (сухая, старая кожа). Сопротивление электрод - кожа создает делитель напряжения с входным сопротивлением (R_входа) усилителя. Естественно, этот делитель имеет нестабильный коэффициент передачи. Изменение коэффициента передачи не должно превышать заранее выбранной величины (например 5%). Поэтому общепринято требовать значение входного сопротивления усилителя (Rвх) более 5.0 мОм. Тогда при изменении R _кожи от 100 Ом до 200кОм изменение коэффициента передачи сигнала не превысит 4%.

Электроды, как правило, накладываются на подготовленную кожу. В этом случае сопротивление R кожи не превышает 2-20кОм и требование к величине Rвх снижается почти в 10 раз, но повышаются требования к квалификации мед. персонала.

Принятая эквивалентная схема перехода электрод - кожа - плазма тела имеет вид параллельно включенных сопротивления 51 кОм и емкости 47 нФ.При всех испытаниях УБС эквивалент кожи подключается и отключается: все заявленные характеристики усилителя должны сохраняться. Так, например, заявленная величина усиления (типовая точность 5%) должна быть в допуске при включении и выключении этих эквивалентов.

Измерение R_кожи. Многие УБС содержат устройство измерения сопротивления электрод - кожа. Этот измеритель одновременно является индикатором плохого наложения электродов. Измеритель работает на обычном принципе: перед сеансом обследования поочередно через каждый электрод пропускается измерительный импульс тока порядка единиц мкА и по выходу усилителя измеряется результирующее напряжение. Если напряжение оказывается больше заданного, то электрод или плохо установлен (например сухой электрод без пасты), или оборвался подводящий провод, или электрод отвалился.

Устойчивость к электродным потенциалам

Полезные сигналы имеют уровень от долей микровольт до десятков милливольт, а электродный потенциал - сотни милливольт. Усилитель может перегружаться электродным потенциалом. Поэтому приняты общие требования ко всем усилителям биопотенциалов: усилитель должен работать при величине входного электродного потенциала от +0.3В до -0.3В.

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

Индикация наличия перегрузки. Если обеспечена устойчивость работы УБС при электродных потенциалах +/- 0.3В, то этого еще не достаточно. От статического электричества и особенно от импульса электродефибрилятора электроды могут поляризоваться до напряжений больших, чем +/-0.3В. Для контроля за такими ситуациями УБС должен иметь индикацию наличия перегрузок. Должен обеспечиваться выход из режима перегрузки за время меньшее, чем 5 секунд.

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

Характеристики

Список файлов лекций