Электроды для биомедицинских измерений (стр. 5 )

Рисунок 3.2 – Эквивалентная схема источника биопотенциалов (ИБП)

Рисунок 3.3 – Эквивалентная схема отводящих проводников (УБП-усилитель биопотенциала)

Реакцию УБС на воздействие дифференциального и синфазного сигналов характеризуют следующие основные параметры.

1 Коэффициент усиления дифференциального (разностного) сигнала:

Кдиф=Uвых/Uдиф=Uвых/(Uвх2-Uвх1) (3.8)

В соответствии с функциональной схемой дифференциального усилителя Кдиф = , где А2 и А1 - коэффициенты усиления сигнала по неинвертирующему и инвертирующему входам соответственно.

2 Коэффициент усиления синфазного сигнала:

Ксф=Uвых/Uсф=2Uвых(Uвх2+Uвх1) (3.9)

Из функциональной схемы ДУ следует видно, что КСф -1Аг1-1А1.1. (Следует отличать, что здесь Uвых - та часть выходного напряжения, которая вызвана действием синфазной помехи).

3 Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС):

M= Кдиф/Ксф=1/2() (3.10)

Выходной сигнал при одновременном воздействии дифференциалього и синфазного сигналов определяется выражением:

Uвых=КдифUдиф+КсфUсф=КдифUдиф(1+1/Мсф)(Uсф/Uдиф)) (3.11)

4 Коэффициент преобразования синфазной помехи в дифференциальный сигнал:

α=Uвых/(КдифUсф)=Ксф/Кдиф=1/М (3.12)

Здесь Uвых - выходное напряжение, обусловленное действием Uсф на входах усилителя.

3.2.3. Преобразование синфазной помехи в нормальный сигнал

Если бы источник биопотенциалов, линия связи и УБС были строго симметричны, то проблема борьбы с синфазной помехой не существовала. Однако по ряду причин такую симметрию либо невозможно получить, либо в процессе эксперимента она нарушается. В результате синфазная помеха преобразуется в дифференциальный сигнал, который уже невозможно отличить от полезного сигнала.

Основными местами преобразования синфазной помехи в нормальный дифференциальный сигнал при регистрации биоэлектрической активности являются источник биосигналов, отводящие провода и непосредственно УБС.

Источник биопотенциалов с точки зрения возникновения синфазной помехи можно представить в форме, изображенной на рисунке 3.2, где С1,С2- емкости источника биопотенциалов относительно "земли" ; Zвн1, Zвн2 - комплексные сопротивления источника (включая сопротивления участка - "электрод-кожа". Источник полезного биосигнала на схеме не показан. Из данной эквивалентной схемы нетрудно получить для коэффициента α

α =j(Xс2Zвн1-Xс1Zвн2)/((Zвн1-jXс1)(Zвн2-jXс2)) (3.13)

Если внутреннее сопротивление источника биопотенциалов достаточно мало, то (3.13) примет вид:

α =j(Zвн/Xс1-Zвн2/Xс2) (3.14)

Из (3.13) и (3.14) следует, что разбаланс внутреннего сопротивления источника, сопротивления участка "электрод-поверхность отведения", емкости биообъекта относительно "земли" будут приводить к преобразованию синфазных помех в эквивалентный нормальный сигнал. Особенно существенный вклад в этот процесс будет вносить изменение емкости исследуемого объекта при его движении. Если положить, что внутреннее сопротивление источника носит чисто активный характер, причем R1=R2=R то коэффициент α будет полностью определяться разбалансом емкостной составляющей:

α= jwR(C2-C1) (3.15)

Отводящие от электродов к УБС проводники можно представить в виде RС-фильтра, изображенного на рисунке 3.3, где роль R играют сопротивления проводников, а С - емкости этих проводников относительно "земли" или экранирующей оплетки.

Представив сопротивления и емкости в сосредоточенной форме, получаем эквивалентную схему, рассмотренную ранее (см. рисунок 3.2). Очевидно, что преобразование синфазной помехи в нормальный сигнал может происходить в подводящих проводах из-за активного и емкостного разбаланса. Вследствие того, что обычно R1=R2, то наиболее существенное влияние здесь играет емкостный разбаланс, для которого справедлива формула (3.15) , где C1, C2.- результирующие емкости отводящих проводников относительно "земли".

В связи с тем, что УБС является одним из основных звеньев, от качества работы которого зависит помехоустойчивость электрофи-зиологической измерительной системы или прибора в целом, то к нему предъявляются высокие требования по режекции синфазных сигналов.

Наибольшее влияние на режекцию синфазных сигналов оказывают первые каскады. В частности, желательно иметь в 1-м каскаде Ксф близким к нулю и минимальный разбаланс плеч. Преобразование синфазного сигнала в нормальный может происходить не только за счет разбаланса усилений плеч, но и разбаланса паразитных связей, всегда существующих в реальной схеме. Разбаланс УБС может также происходить за счет нестабильности источников питания, нелинейности УВС при больших помехах и другим причинам.

Наводка и преобразование синфазной помехи в нормальный сигнал может происходить не только во входных цепях (электроды, отводящие проводники, вход УБС), но и в других узлах измерительного тракта, например, в цепях аналоговых коммутаторов, преобразователе и т. д.

3.2.4. Борьба с синфазными помехами

В ряде физиологических исследований эффективной мерой является создание различного рода экранов. Экранирование позволяет избавиться от большинства наведенных помех, однако остаются ещё источники возбуждающего напряжения и другие причины внутреннего происхождения. Кроме того, следует учитывать, что во многих исследованиях экранирование, измерительного устройства в принципе недопустимо. Поэтому возникает проблема борьбы с синфазными помехами схемно-конструктивными методами.

Наиболее распространенными способами уменьшения синфазных сигналов являются:

1 скручивание отводящих проводников и их экранирование. Скручивание, кроме уменьшения наводки, дает возможность лучше сбалансировать емкость на "землю" этих проводников. Для уменьшения уровня наводок оба подводящих к УБС проводника целесообразно размещать в одном экране;

2 балансировка и фильтрация. Эти меры являются достаточно эффективными, если синфазная помеха, взимает частотный диапазон, отличный от спектра передаваемой информации. Примером подобны мер может служить использование на входе УБС блокировочного конденсатора для уменьшения высокочастотной наводки;

3 использование специальных электродов, паст, методов крепления и точек отведения, уменьшающих напряжение гальваническополяризационной ЭДС и кожных потенциалов;

4 использование схем без источников возбуждения или с источниками, создающими синфазную помеху с частотным спектром, существенно отличающимся от спектра измеряемого сигнала;

5 использование дифференциальных усилителей с высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала.

3.2.5 Дифференциальные усилители на ОУ

Простейший дифференциальный усилитель на одном ОУ показан на рисунке 3.4а. Выходное напряжение представляет собой сумму двух составляющих, одна из которых обусловлена сигналом U1, а другая сигналом U2:

Uвых=U2R4/(R3+R4)(1+R2R1)-U1R2/R1 (3.16)

Если принять:

R3/R4=R1/R2 (3.17)

то выходное напряжение будет изменяться пропорционально разности входных сигналов:

Uвых=(U2-U1)R2/R1 (3.18)

При применении реального ОУ каждое из входных напряжений будет усиливать с погрешностями, свойственными соответственно для инвертирующего и неинвертирующего усилителей на ОУ. Поскольку в неинвертирующем усилителе входное напряжение подается на неинвертирующий вход, а на инвертирующем входе за счет действия отрицательной ОС напряжение стремится к тому же значению, что эквивалентно действию синфазного сигнала с уровнем, равным входному напряжению, то возникает погрешность, вызываемая конечным коэффициентом ослабления синфазного сигнала МСф. С учетом этой погрешности равенство (3.16) будет иметь вид:

Uвых=U2R4/(R3+R4)(1+R2/R1)(1+1/Mсф)-U1R2/R1 (3.19)