Усилитель биоэлектрических потенциалов (варианты)

 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к усилителям биоэлектрических сигналов, и может быть использовано в приборах, предназначенных для регистрации биоэлектрических потенциалов. Технический результат состоит в повышении помехозащищенности путем подавления стационарной и квазистационарной составляющей, повышении коэффициента ослабления синфазной составляющей (КОСС) и увеличении помехозащищенности от емкостных эффектов входного кабеля и утечек. Это достигается тем, что усилитель биоэлектрических сигналов выполнен в двух вариантах, первый из которых содержит два электрода, два дифференциальных усилителя, связанных с неинвертирующими входами, входной кабель, предварительный дифференциальный усилитель, четыре дополнительных дифференциальных усилителя, два фильтра низких частот, маломощный плавающий расщепленный источник питания и два резистора. Усилитель биоэлектрических потенциалов по второму варианту содержит два электрода, два дифференциальных усилителя, входной кабель, предварительный дифференциальный усилитель, два дополнительных дифференциальных усилителя, фильтр низких частот: фазоинвертор, маломощный плавающий расщепленный источник питания и два резис- тора. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к усилителям биоэлектрических сигналов, и может быть использовано в приборах, предназначенных для регистрации биоэлектрических потенциалов.

Известен усилитель биоэлектрических сигналов (авт. св. СССР N 1217339, кл. A 61 B 5/04), содержащий два электрода, соединенных с инвертирующими входами двух дифференциальных усилителей, выход первого из которых соединен с неинвертирующим входом, а выход второго - с инвертирующим входом предварительного дифференциального усилителя, выход которого является входом устройства и связан через интегратор и фазоинвертор с инвертирующими входами первого и второго дифференциальных усилителей.

Недостатком этого усилителя является то, что использование такой обратной связи не позволяет полностью использовать динамический диапазон входных дифференциальных усилителей для усиления полезного сигнала. Это происходит потому, что возникающая на электродах стационарная и квазистационарная помеха (напряжение поляризации) достигает 200 мВ и существенно превышает напряжение полезного сигнала (реально 1 - 2 мВ, максимально до 5 мВ). В связи с этим возможность полного использования динамического диапазона входных усилителей для полезного сигнала уменьшается примерно в 40 раз (200/5 = 40). Более полное использование динамического диапазона входных усилителей для полезного сигнала необходимо для улучшения соотношения сигнал/помеха на входе усилителя.

Также использование обратной связи с выхода предварительного усилителя через интегратор и фазоинвертор не приведет к существенному (на 10 - 20 дБ) повышению коэффициента ослабления синфазной составляющей (КОСС), например 100 - 120 дБ. Синфазная составляющая - любой электрический сигнал, который воспринимается электродами, расположенными на теле пациента, как одинаковый сигнал. На практике самым большим синфазным сигналом является потенциал, возникающий на теле пациента электромагнитным полем сетевого (220 В) тока частотой 50 Гц. Эти поля присутствуют в каждом неэкранированном помещении, которое оборудовано сетевой проводкой. Тело человека в данном случае является антенной и на электродах, расположенных на коже, возникает потенциал, который меняется синфазно на обеих электродах. Поэтому такие высокие уровни КОСС необходимы во многих высокоточных медицинских исследованиях, например в электрокардиографии высокого разрешения, в электроэнцефалографии.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является усилитель биоэлектрических сигналов, в котором, в отличие от аналога, инвертирующий вход первого дифференциального усилителя соединен с выходом интегратора.

Однако и этот усилитель обладает вышеперечисленными недостатками аналога, а также, как и в аналоге, использование такой обратной связи будет стремиться привести интегральное значение выходного сигнала в текущий отрезок времени, определяемый постоянной времени интегратора, к тому интегральному значению, которое он имел в предыдущий отрезок времени. Если в предыдущий отрезок времени синфазная составляющая была меньше, чем в текущий, то указанная обратная связь действительно приведет к уменьшению синфазной помехи. Однако, если в предыдущий отрезок времени синфазная составляющая была больше, чем в предыдущий, то такая обратная связь вызовет противоположный эффект - увеличение синфазной составляющей.

В данном устройстве нет также защиты от помех, вызванных емкостными эффектами кабеля и утечками.

Целями изобретения являются: повышение помехозащищенности путем подавления стационарной и квазистационарной составляющей на электродах; повышение КОСС путем использования обратной следящей связи по автономному расщепленному источнику питания; повышение помехозащищенности от емкостных эффектов входного кабеля и утечек.

Данные цели достигаются за счет того, что в первом варианте усилителя введены четыре дополнительных дифференциальных усилителя, два фильтра низких частот, маломощный плавающий расщепленный источник питания и два резистора, соединенных последовательно и включенных между выходами первого и второго дополнительных дифференциальных усилителей, причем средняя точка соединения резисторов подключена к входу третьего дополнительного дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом маломощного плавающего расщепленного источника питания, выходы которого подключены к входам по питанию первого и второго дополнительных дифференциальных усилителей, вход четвертого дополнительного дифференциального усилителя подключен к средней точке соединения резисторов, а выход - к экрану входного кабеля, причем выходы первого и второго дифференциальных усилителей соединены с входами первого и второго дополнительных дифференциальных усилителей и соответственно с входами первого и второго фильтров низких частот, выходы которых подключены к инвертирующим входам первого и второго дифференциальных усилителей, а выходы первого и второго дополнительных дифференциальных усилителей соединены соответственно с неинвертирующим и инвертирующим входами предварительного дифференциального усилителя.

Для всех дополнительных дифференциальных усилителей использованы только их неинвертирующие входы.

Во втором варианте усилителя биоэлектрических сигналов цели достигаются тем, что в него введены два дополнительных дифференциальных усилителя, фильтр низких частот, маломощный плавающий расщепленный источник питания и два резистора, соединенных последовательно и включенных между выходами первого и второго дифференциальных усилителей, причем средняя точка соединения резисторов подключена к входу первого дополнительного дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом маломощного плавающего расщепленного источника питания, выходы которого подключены к входам питания первого и второго дифференциальных усилителей, вход второго дополнительного дифференциального усилителя подключен к средней точке соединения резисторов, а выход - к экрану входного кабеля, причем вход фильтра низких частот подключен к выходу предварительного дифференциального усилителя, а выход - к инвертирующему входу первого дифференциального усилителя и входу фазоинвертора, выход которого подключен к инвертирующему входу второго дифференциального усилителя.

Для всех дополнительных дифференциальных усилителей использованы только их неинвертирующие входы.

На фиг. 1 изображен первый вариант структурной схемы усилителя биоэлектрических сигналов.

Усилитель содержит два электрода 1, соединенных через первый 2 и второй 3 дифференциальные усилители с первым 4 и вторым 5 дополнительными дифференциальными усилителями, выходами подключенными к входам предварительного дифференциального усилителя 6, между которыми включены два последовательно соединенных резистора 7 и 8, причем средняя точка соединения резисторов подключена к входу третьего дополнительного дифференциального усилителя 9, выход которого соединен с входом маломощного плавающего расщепленного источника питания 10, выходы которого подключены к входам питания первого 4 и второго 5 дополнительных дифференциальных усилителей, вход четвертого дополнительного дифференциального усилителя 13 подключен к средней точке соединения резисторов 7 и 8, а выход - к экрану входного кабеля 14, причем выходы первого 2 и второго 3 дифференциальных усилителей соединены с входами первого 4 и второго 5 дополнительных дифференциальных усилителей и соответственно с входами первого 11 и второго 12 фильтров низких частот, выходы которых подключены к инвертирующим входам первого 2 и второго 3 дифференциальных усилителей, а выходы первого 4 и второго 5 дополнительных дифференциальных усилителей соединены соответственно с неинвертирующим и инвертирующим входами предварительного дифференциального усилителя 6.

На фиг. 2 изображен второй вариант структурной схемы усилителя биоэлектрических сигналов.

Усилитель, содержащий входной кабель, два электрода 1, соединенных с неинвертирующими входами первого 4 и второго 5 дифференциальных усилителей, выход первого из которых соединен с неинвертирующим входом, а выход другого - с инвертирующим входом предварительного дифференциального усилителя 6, выход которого является выходом усилителя биоэлектрических потенциалов, и фазоинвертор 16, отличается тем, что в него введены два дополнительных дифференциальных усилителя 9 и 13, фильтр низких частот 15, маломощный плавающий расщепленный источник питания 10 и два резистора 7 и 8, соединенных последовательно и включенных между выходами первого 4 и второго 5 дифференциальных усилителей, причем средняя точка соединения резисторов подключена к входу первого дополнительного дифференциального усилителя 9, выход которого соединен с входом маломощного плавающего расщепленного источника питания 10, выходы которого подключены к входам питания первого 4 и второго 5 дифференциальных усилителей, вход второго дополнительного дифференциального усилителя 13 подключен к средней точке соединения резисторов 7 и 8, а выход - к экрану входного кабеля 14, причем вход фильтра низких частот 15 подключен к выходу предварительного дифференциального усилителя 6, а выход - к инвертирующему входу первого дифференциального усилителя 4 и входу фазоинвертора 16, выход которого подключен к инвертирующему входу второго дифференциального усилителя 5.

Устройство (первый вариант) работает следующим образом.

Биоэлектрические сигналы, снимаемые с электродов 1, поступают на неинвертирующие входы первого 2 и второго 3 дифференциальных усилителей и далее на входы первого 4 и второго 5 дополнительных дифференциальных усилителей. На инвертирующие входы первого 2 и второго 3 дифференциальных усилителей в случае, если биоэлектрический сигнал содержит стационарную и квазистационарную составляющую (помеху), поступает компенсирующее напряжение обратной связи, равное по величине напряжению этой помехи для каждого дифференциального усилителя 2 и 3. Напряжение обратной связи формируется с выхода дифференциальных усилителей 2 и 3 и проходит через фильтры низких частот 11 и 12, где отсекаются частоты выше заданной полосы пропускания, а пропускается напряжение низкой частоты, т.е. стационарная и квазистационарная помеха, и поступает на инвертирующие входы первого 2 и второго 3 дифференциальных усилителей. Возникающая при этом следящая обратная связь действует так, что при появлении на электродах 1 наряду с полезным сигналом напряжения стационарной и квазистационарной разницы биопотенциалов, на инвертирующих входах дифференциальных усилителей 2 и 3 устанавливается с соответствующим знаком напряжение обратной связи, равное по величине напряжению стационарной и квазистационарной помехи. В результате на выходе усилителей 2 и 3 происходит полная компенсация этой помехи. В таком случае на вход первого 4 и второго 5 дополнительных дифференциальных усилителей поступает полезный сигнал без указанной помехи. Полоса пропускания фильтров низких частот 11 и 12 выбирается по низшей частоте спектра полезного сигнала, чтобы не происходило подавление низкочастотных составляющих его спектра.

С выходов дополнительных дифференциальных усилителей 4 и 5 полезный сигнал поступает на входы предварительного дифференциального усилителя 6. В случае, если сигнал с выходов усилителей 4 и 5 содержит синфазную составляющую (помеху), то в средней точке между резисторами 7 и 8 возникает соответствующее напряжение. Это напряжение поступает на вход третьего дополнительного дифференциального усилителя 9 и далее на среднюю точку маломощного плавающего расщепленного источника питания 10, и, таким образом, меняет величину напряжения питания, подаваемого на усилители 4 и 5. Поскольку на их входах нет синфазных колебаний относительно их собственного питания, то данная обратная следящая связь по питанию эффективно гасит синфазный сигнал на выходах усилителей 4 и 5. Сигнал с выходов усилителей 4 и 5 может содержать синфазную составляющую, вызванную емкостными эффектами входного кабеля. В таком случае в средней точке между сопротивлениями 7 и 8 также возникает соответствующее напряжение. Это напряжение поступает в том числе и на неинвертирующий вход четвертого дополнительного дифференциального усилителя 13 и далее на экран кабеля 14. В результате напряжение на экране кабеля, которое возникало из-за его побочных емкостных эффектов и приводило к появлению помех и утечек, компенсируется напряжением этой обратной связи.

Во втором варианте усилителя биоэлектрических сигналов, в случае поступления с электродов 1 на первый 4 и второй 5 дифференциальные усилители сигнала, содержащего стационарную и квазистационарную составляющую (помеху), компенсирующее напряжение обратной связи поступает с выхода предварительного усилителя 6 на вход фильтра низких частот 15, где отсекаются частоты выше заданной полосы пропускания, а пропускается напряжение низкой частоты, т.е. стационарная и квазистационарная помеха. Далее это напряжение низкой частоты поступает на вход фазоинвертора 16 и одновременно на инвертирующий вход первого 4 дифференциального усилителя. На выходе фазоинвертора напряжение меняет знак на противоположный и поэтому на инвертирующие входы усилителей 4 и 5 одновременно подается напряжение помехи, одинаковое по величине, но противоположное по знаку. Таким образом, разница напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами дифференциальных усилителей 4 и 5, обусловленная стационарной и квазистационарной составляющей, стремится к нулю и на выходе этих усилителей формируется полезный сигнал без указанной помехи.

Формула изобретения

1. Усилитель биоэлектрических потенциалов, содержащий входной кабель, два электрода, связанных с неинвертирующими входами первого и второго дифференциальных усилителей, предварительный дифференциальный усилитель, выход которого является выходом усилителя биоэлектрических потенциалов, отличающийся тем, что в него введены четыре дополнительных дифференциальных усилителя, два фильтра низких частот, маломощный плавающий расщепленный источник питания и два резистора, соединенных последовательно и включенных между выходами первого и второго дополнительных дифференциальных усилителей, причем средняя точка соединения резисторов подключена к входу третьего дополнительного дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом маломощного плавающего расщепленного источника питания, выходы которого подключены к входам питания первого и второго дополнительных дифференциальных усилителей, вход четвертого дополнительного дифференциального усилителя подключен к средней точке соединении резисторов, а выход - к экрану входного кабеля, причем выходы первого и второго дифференциальных усилителей соединены с входами первого и второго дополнительных дифференциальных усилителей и соответственно с входами первого и второго фильтров низких частот, выходы которых подключены к инвертирующим входам первого и второго дифференциальных усилителей, а выходы первого и второго дополнительных дифференциальных усилителей соединены соответственно с неинвертирующим и инвертирующим входами предварительного дифференциального усилителя.

2. Усилитель биоэлектрических потенциалов, содержащий входной кабель, два электрода, соединенных с неинвертирующими входами первого и второго дифференциальных усилителей, выход первого из которых соединен с неинвертирующим входом, а выход другого - с инвертирующим входом предварительного дифференциального усилителя, выход которого является выходом усилителя биоэлектрических потенциалов, и фазоинвертор, отличающийся тем, что в него введены два дополнительных дифференциальных усилителей, фильтр низких частот, маломощный плавающий расщепленный источник питания и два резистора, соединенных последовательно и включенных между выходами первого и второго дифференциальных усилителей, причем средняя точка соединения резисторов подключена к входу первого дополнительного дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом маломощного плавающего расщепленного источника питания, выходы которого подключены к входам питания первого и второго дифференциальных усилителей, вход второго дополнительного дифферециального усилителя подключен к средней точке соединения резисторов, а выход - к экрану входного кабеля, причем вход фильтра низких частот подключен к выходу предварительного дифференциального усилителя, а выход - к инвертирующему входу первого дифференциального усилителя и входу фазоинвертора, выход которого подключен к инвертирующему входу второго дифференциального усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2