Методичка (1050202)

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

Текст из файла

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

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).

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лабораторной работы