Pobierz bezpłatnie artykuł w formie PDF

P R A C A OR YG I N A L NA
ISSN 1641–6007
Sen 2002, Tom 2, Nr 1, 15–19
SEN
Wzmacniacz napięć bioelektr
ycznych
bioelektrycznych
Bioelectric amplifier
Tadeusz Pracki, Daria Pracka
Katedra i Zakład Fizjologii Akademii Medycznej im. L. Rydygiera w Bydgoszczy
n Abstract
Bioelectric amplifier
The mode of operation of bioelectric amplifiers, with emphasis on polisomnographic amplifiers, applied in sleep research is presented. The electric requirements for these amplifiers
as well as parameters they must meet are described.
Our own project for the amplifier of bioelectric signals and our own design for the 8-channel
polisomnographic amplifier are also presented.
Key words: EEG amplifier, electroencephalography amplifier, polisomnographic amplifier,
bioelectric amplifier
n Wstęp
Rozwój nowoczesnych metod badań nad snem rozpoczął się kilka lat po wynalezieniu klinicznej metody
rejestracji czynności bioelektrycznej mózgu — elektroencefalografii (EEG). Po raz pierwszy w latach 20. XX
wieku rejestracji tej czynności z powierzchni głowy człowieka dokonał Hans Berger przy użyciu galwanometru
Edelmana [1]. W 1932 roku Jan Toennis, współpracując
z Bergerem, skonstruował pierwszy, jednokanałowy
elektroencefalograf, a w 1936 roku Albert Grass zbudował 3-kanałowy aparat EEG [1]. Pierwsze elektroencefalografy budowano na lampach elektronowych, były
duże i ciężkie, pobierały dużo energii, bardzo się nagrzewały i często się psuły. Przełomem w produkcji
aparatów EEG było wynalezienie tranzystora w 1948
roku. Jego zastosowanie w aparatach EEG wyraźnie poprawiło jakość rejestracji oraz spowodowało spadek
zużycia energii. Rozmiary elektroencefalografów uległy
zmniejszeniu, wzrosła zaś ich niezawodność. Jednak
dopiero zastosowanie wysokiej jakości układów scalonych w ostatnich 20 latach spowodowało znaczną poprawę niezawodności i jakości rejestracji. Szybki postęp w dziedzinie elektroniki umożliwił połączenie aparatów EEG z komputerami.
W badaniach nad snem [1, 2] stosuje się polisomnografy do jednoczesnego pomiaru elektroencefalogramu (EEG),
Adres do korespondencji:
Tadeusz Pracki
Katedra i Zakład Fizjologii
Akademii Medycznej
im. L. Rydygiera w Bydgoszczy
ul. Karłowicza 24
85–092 Bydgoszcz
tel.: (0 52) 585 37 20
faks: (0 52) 585 37 23
e-mail:
[email protected]
elektromiogramu (EMG), elektrookulogramów (EOG) oraz
innych sygnałów bioelektrycznych.
n Wzmacniacz bioelektryczny
Podstawową częścią każdego aparatu do pomiaru
czynności elektrycznej jest wzmacniacz, od którego
przede wszystkim zależy jakość rejestracji. W ostatnich
latach produkuje się wysokiej jakości wzmacniacze bioelektryczne bez układu rejestratora (ryc. 1), co spowodowało znaczne obniżenie ich wymiarów, zużycia
energii, a także ceny. Wzmacniacz można połączyć za
pomocą specjalistycznego interfejsu z komputerem,
który pełni zarówno rolę rejestratora, jak i analizatora
sygnałów.
Napięcia bioelektryczne są odbierane bezpośrednio
z ciała badanego, dlatego istotnym problemem jest zapewnienie bezpieczeństwa. W tym celu stosuje się zasilanie bateryjne, zasilacze urządzeń o podwyższonej odporności na przebicie lub bariery izolacyjne [3].
n Właściwości wzmacniaczy
bioelektrycznych
Jakość rejestracji zależy w znacznym stopniu od parametrów wzmacniaczy bioelektrycznych. Wzmacniacz
tego typu składa się z kilku pojedynczych układów
wzmacniaczy: wejściowego, głównego i wyjściowego,
www.sen.viamedica.pl
15
SEN
2002, Tom 2, Nr 1
Elektrody
Kalibrator
Wzmacniacz
wejœciowy
Wybór
filtrów
Filtry
Wybór
wzmocnienia
Wzmacniacz
g³ówny
Wzmacniacz
wyjœciowy
Wyjœcie
Zasilacz
Omomierz
Rycina 1. Schemat blokowy wzmacniacza napięć bioelektrycznych (opis w tekście)
a także różnych filtrów, zasilacza, kalibratora, omomierza oraz układów regulacji (ryc. 1).
Najważniejszą częścią wzmacniacza napięć bioelektrycznych jest wysokiej jakości wzmacniacz wejściowy
— pomiarowy, który odbiera bardzo słabe sygnały z ciała badanego w obecności silnych zakłóceń, bez wpływu
na wartość i kształt mierzonego sygnału. Wzmacnia on
słabe napięcia różnicowe (Vr) w obecności silnych napięć wspólnych (Vs), czyli takich samych napięć zmiennych występujących jednocześnie na obu jego wejściach
(ryc. 2). Wzmacniacz wejściowy przekształca różnicę
napięć między dwoma elektrodami (wejściowe napięcie
różnicowe — Vr) w pojedyncze wzmocnione napięcie
wyjściowe (Vo) (ryc. 2).
Gdy obie elektrody są czynne (umieszczone w miejscach występowania sygnałów bioelektrycznych), wówczas ten rodzaj pomiaru jest nazywany dwubiegunowym.
Jeśli jedna z elektrod jest bierna, czyli umieszczona
w miejscu elektrycznie obojętnym, pomiar nosi nazwę jednobiegunowego. Napięcie różnicowe z elektrod o wartoś-
–
Vs
Elektrody
Va
Vb
Vs
Vo
Kr
Vr
+
Vr = (Va + Vs) – (Vb +Vs)
Vo = Kr • Vr
Rycina 2. Działanie idealnego wzmacniacza pomiarowego. Oznaczenia: Va, Vb — napięcia z elektrod, Vr — wejściowe napięcie
różnicowe, Vs — napięcie wspólne (zakłócające), Vo — napięcie
wyjściowe, Kr — wzmocnienie różnicowe (opis w tekście)
16
ciach rzędu mikrowoltów jednocześnie występuje z sygnałem wspólnym, czyli sygnałem zakłócającym, o wartości setek miliwoltów! Tym sygnałem zakłócającym jest
napięcie elektryczne o częstotliwości 50 Hz, czyli napięcie zakłócające sieci energetycznej, często występujące
w zakresie pomiarowym mierzonego sygnału. Badany
człowiek stanowi dla tych napięć antenę elektryczną, poprzez pojemności występujące pomiędzy nim a siecią
elektryczną i ziemią, która ma potencjał zerowy. Pojemności te wynoszą od kilku do kilkuset pikofaradów [4].
Napięcie zakłócające, indukowane w badanym, zależy
od tych pojemności, od położenia człowieka względem
zasilających kabli elektrycznych umieszczonych najczęściej w ścianie oraz od energii sygnałów zakłócających
(np. pracujące aparaty RTG o dużej mocy). Zatem, aby
wyeliminować napięcia zakłócające sieci energetycznej,
starsze aparaty EEG — nie najlepszej klasy — wymagały
dobrego uziemienia i stosowania ekranowanych pomieszczeń, ponieważ niezakłócony pomiar poza tymi pomieszczeniami był na ogół niemożliwy. Elektroencefalografy
nowszej klasy umożliwiają pomiar nawet w obecności
dużych zakłóceń sieciowych, ponieważ wykorzystują
wzmacniacze wejściowe o bardzo wysokim współczynniku tłumienia sygnałów wspólnych — Common Mode
Rejection Ratio (CMRR) [5, 6] — co oznacza stosunek
wzmocnienia sygnału różnicowego do wzmocnienia sygnału wspólnego. Dla dobrej jakości wzmacniaczy wynosi on co najmniej 100 000. O taką wartość wzmacniają
one mierzony sygnał różnicowy w stosunku do sygnału
zakłócającego, powodując znaczną redukcję zakłóceń.
W warunkach idealnych napięcie na wejściu wzmacniacza pomiarowego wynosi zgodnie z ryciną 2: Vr = (Va+Vs)–
(Vb+Vs) = Va–Vb. Na wyjściu wzmacniacza pojawia się
tylko wzmocnione napięcie różnicowe Vo=Kr·Vr. W praktyce na wyjściu pojawia się także część napięcia wspólnego — Vs, zależna od parametrów wzmacniacza, głów-
www.sen.viamedica.pl
Tadeusz Pracki, Daria Pracka, Wzmacniacz napięć bioelektrycznych
nie od wartości współczynnika CMRR. Dodatkowo napięcie zakłócające na obu wejściach wzmacniacza może
się różnić. W celu korekty ewentualnych asymetrii
wzmacniaczy pomiarowych będących w fazie produkcji
stosuje się niezwykle precyzyjne lasery, dlatego cena
wzmacniaczy pomiarowych jest bardzo wysoka.
Innym bardzo ważnym parametrem każdego wzmacniacza jest jego rezystancja wejściowa. Z doświadczenia
wiadomo, że rezystancja prawidłowo założonych elektrod, a praktycznie styku elektroda-ciało badanego, wynosi od kilkuset do kilkunastu tysięcy omów. Rezystancja elektrod tworzy dzielnik napięcia z rezystancją wejściową wzmacniacza, powodując osłabienie mierzonego
napięcia bioelektrycznego. Ponadto, przy często występującej asymetrii rezystancji styku elektrod z ciałem badanego dla obu wejść wzmacniacza, na jego wejściu pojawia się dodatkowy sygnał zakłócający różnicowy. Z tego
względu wartości rezystancji wejściowej każdego z 2 wejść
wzmacniacza powinny być równe i dużo wyższe od rezystancji elektrod. W praktyce powinny wynosić co najmniej kilkadziesiąt milionów omów. Duże znaczenie mają
kable przyłączeniowe elektrod, które mogą tworzyć pasożytnicze pojemności, wpływając na obniżenie jakości
pomiaru.
Bardzo istotnym parametrem wzmacniacza jest wartość szumów wejściowych, czyli rożnych zakłóceń na
wejściu wzmacniacza, wyrażana w mikrowoltach. Wartość tych szumów głównie zależy od rezystancji elektrod.
Dla dobrego wzmacniacza powinna wynosić około 1 mV.
Innym istotnym parametrem wzmacniacza jest pasmo przenoszonych częstotliwości. Dla sygnału EEG
szerokość pasma zawiera się w przedziale od około 0,5 Hz
do co najmniej kilkudziesięciu cykli na sekundę. Obecnie uzyskanie takiego pasma nie stanowi większego
problemu.
Ważnym parametrem wzmacniacza wejściowego jest
jego wzmocnienie napięciowe. Teoretycznie, im to
wzmocnienie jest większe, tym sygnał jest bardziej odporny na różne zakłócenia. Jednak w praktyce stosuje
się wzmocnienie poniżej 30, ponieważ stałe napięcie elektryczne o wartości do około 200 mV może występować
między elektrodą a skórą. Ponieważ wzmacniacz wejściowy wzmacnia napięcie stałe, pojawienie się tak dużego
stałego napięcia na jego wejściu może spowodować nasycenie lub przesterowanie i w konsekwencji jego zablokowanie.
Następnymi parametrami wzmacniacza są zniekształcenia, które informują o zmianie kształtu sygnału po
przejściu przez wzmacniacz i wynoszą nie więcej niż
ułamek procenta.
W niektórych zastosowaniach istotny może być także pobór prądu, szczególnie dla urządzeń przenośnych,
zasilanych za pomocą baterii. Ponadto wraz ze spadkiem
poboru prądu pogarszają się niektóre istotne parametry
SEN
wzmacniacza, między innymi współczynnik CMRR i szumy. Do innych, mniej ważnych parametrów wzmacniacza, należą: pojemności wewnętrzne, rezystancja wyjściowa, przesunięcie fazy sygnału itd.
Zaprojektowanie i wykonanie wzmacniacza napięć
bioelektrycznych, spełniającego wyżej wymienione kryteria, jest zadaniem bardzo trudnym i kosztownym. Trudność polega na tym, że wzmacniacz musi być także odporny na ładunki elektrostatyczne, które pojawiają się
na badanych i mogą wynosić nawet kilkanaście tysięcy
woltów. Wymaga to stosowania specjalnych układów
zabezpieczających [5].
n Opracowania własne
Zaplanowano wykonanie wzmacniacza polisomnograficznego, składającego się w wersji prototypowej
z 8 wzmacniaczy napięć bioelektrycznych, który będzie
współpracował z przenośnym komputerem wyposażonym w 12-bitowy, precyzyjny przetwornik analogowocyfrowy oraz z posiadanym oprogramowaniem do rejestracji i analizy komputerowej danych o śnie — Somnoscan Plus [7]. Uwzględniono możliwość zasilania wzmacniacza z akumulatorów, przy wymaganym małym poborze prądu, lub zasilania zewnętrznego z komputera przy
użyciu elektronicznej przetwornicy o wysokiej wytrzymałości izolacji, a także oddzielenie galwaniczne wzmacniacza i komputera przy użyciu układu optoizolacji [3].
Aby przetwornik analogowo-cyfrowy, przekształcający sygnał z postaci analogowej na cyfrową, pracował
poprawnie, wzmacniacz musi mieć ograniczone pasmo
przenoszonych częstotliwości do połowy częstotliwości
próbkowania [6, 8–10]. Wymaga to zastosowania złożonych, aktywnych filtrów dolnoprzepustowych, tak zwanych filtrów antyaliasingowych [11]. Wzmacniacz polisomnograficzny może dodatkowo zawierać filtry sieciowe, usuwające zakłócające częstotliwości sieci energetycznej.
Zaprojektowano i wykonano 8-kanałowy wzmacniacz
polisomnograficzny. Zastosowano superminiaturowe elementy elektroniczne, które zamontowano powierzchniowo. Uproszczony schemat jednego kanału wzmacniacza
przedstawiono na rycinie 3. Aby poprawić czytelność,
pominięto następujące układy dodatkowe: omomierz,
kalibrator, układ zabezpieczenia wejść, układ zasilania
i optoizolacji.
Jako wzmacniacz wejściowy zastosowano wzmacniacz pomiarowy „Superbeta” (Analog Devices). Dodatkowo użyto wzmacniacza całkującego o stałej RC, jako
układu stałoprądowego ujemnego sprzężenia zwrotnego.
Spowodowało to zwiększenie wzmocnienia wzmacniacza wejściowego (Kr) do 50, przy takiej samej odporności na przesterowanie dla sygnałów stałych z elektrod
(ryc. 3). W celu dodatkowej poprawy jego odporności na
zakłócenia zastosowano układ wzmacniacza ujemnego
www.sen.viamedica.pl
17
SEN
2002, Tom 2, Nr 1
Elektrody
1
–
Vr
C
3
2
K2 = 200
Kr = 50
+
V's
K3 = 1
Wyjœcie
5th Butterworth
4
–RC
5
–Vs
–Ks
Rycina 3. Uproszczony schemat wzmacniacza polisomnograficznego (jeden kanał). Oznaczenia: 1 — wzmacniacz wejściowy, 2 — wzmacniacz
główny, 3 — filtr dolnoprzepustowy antyaliasingowy, 4 — wzmacniacz stabilizacji stałoprądowej o stałej czasowej –RC, 5 — wzmacniacz
sygnału wspólnego, C — kondensator filtru górnoprzepustowego, Kr, K2, K3, –Ks — wzmocnienia poszczególnych układów, Vr — napięcie
różnicowe, –Vs — wzmocnione napięcie wspólne V’s, (opis w tekście)
sprzężenia zwrotnego dla sygnału wspólnego (V’s), podając go po wzmocnieniu (-Vs) na osobę badaną (ryc. 3).
W wyniku tego uzyskano znaczną poprawę współczynnika CMRR oraz wzrost rezystancji wejściowej. Za
wzmacniaczem wejściowym oraz filtrem górnoprzepustowym (C) znajduje się wysoko stabilny wzmacniacz
główny (National Semicinductor) o dużej wartości
wzmocnienia (K2 = 200). Za nim umieszczono filtr dolnoprzepustowy — antyaliasingowy, tak zwany Butterwortha 5 stopnia (K3 = 1) o paśmie dobranym odpowiednio
do częstotliwości próbkowania przetwornika analogowocyfrowego [9, 11]. Na dodatkowej płytce zmontowano
stabilny układ optoizolacyjny z transoptorami [12]
o wzmocnieniu 1, posiadający wysokiej jakości izolację
między jego wyjściem a wejściem, o wytrzymałości elektrycznej 5000 V. Za układem optoizolacji znajduje się
wyłączany filtr sieciowy, usuwający zakłócające częstotliwości sieci energetycznej. Wzmacniacz polisomnograficzny jest zasilany napięciem stabilizowanym ±12 V
pobieranym z komputera, przy użyciu elektronicznej
przetwornicy napięcia ze stabilizacją napięć wyjściowych
o wysokiej wytrzymałości izolacji. Mogą go również zasilać 2 akumulatorki 12 V.
n Parametry wzmacniacza
Uzyskano następujące parametry wzmacniacza bioelektrycznego:
Montaż — powierzchniowy, jednostronny
Wymiar — 42 x 35 x 3 mm
18
Współczynnik CMRR > 120 dB (1 000 000)
Rezystancja wejściowa > 100 MW
Pasmo przenoszenia 0,5–50 Hz (do ok. 3000 Hz; możliwość doboru obu częstotliwości)
Amplituda szumów wejściowych < 1mV
Dopuszczalne napięcie wejściowe DC > ± 200 mV
Wzmocnienie — 10 000 (możliwość doboru)
Pobór prądu — 2, 3 mA
Układ optoizolacji zapewnia prąd upływu między wyjściem a wejściem 8-kanałowego wzmacniacza polisomnograficznego — poniżej 5 mA, przy zastosowaniu napięcia
zmiennego 220 V, podanego na układ. Ze względów bezpieczeństwa jest to bardzo ważny parametr. Bezpieczeństwo
wzmacniacza polisomnograficznego sprawdzono także przy
napięciu zmiennym między wyjściem a wejściem wynoszącym 5000 V [3]. Uzyskano pomyślny wynik próby, potwierdzający wysoki poziom bezpieczeństwa układu.
Wzmacniacz polisomnograficzny przetestowano z powodzeniem w grupie zdrowych ochotników (2 odprowadzenia EEG, 2 odprowadzenia EOG, po jednym odprowadzeniu EMG i EKG) w Pracowni Badań nad Snem oraz
w warunkach domowych.
n Wnioski
Skonstruowano wzmacniacz polisomnograficzny
o parametrach porównywalnych z produkowanymi fabrycznie wzmacniaczami renomowanych firm, lecz przy
niższych kosztach, co stwarza możliwość jego produkcji
w Polsce.
www.sen.viamedica.pl
Tadeusz Pracki, Daria Pracka, Wzmacniacz napięć bioelektrycznych
SEN
n Streszczenie
Wzmacniacz napięć bioelektrycznych
W pracy przedstawiono sposób działania wzmacniaczy napięć bioelektrycznych z wyszczególnieniem wzmacniaczy polisomnograficznych stosowanych w badaniach nad snem. Opisano ich parametry elektryczne oraz wymagania, jakie muszą spełniać.
Ponadto zaprezentowano autorski projekt wzmacniacza sygnałów bioelektrycznych oraz konstrukcję 8-kanałowego wzmacniacza polisomnograficznego wykonanego przez autora.
Słowa kluczowe: wzmacniacz EEG, wzmacniacz elektroencefalograficzny, wzmacniacz polisomnograficzny, wzmacniacz
bioelektryczny
Piśmiennictwo
1. Niedermeyer E., Lopes da Silva F. Electroencephalography. Basic
principle, clinical applications, and related fields. Williams
& Wilkins, Baltimore. Wyd. III, 1993.
2. Rechtschaffen A., Kales A. red. A manual of standardized terminology, techniques and scoring system for sleep stages of human
subjects. U.S. Government Printing Office 1968. Washington, D.C.
20014, DHEW, Publication No. (NIH) 204.
3. Nałęcz M. red. Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna 2000,
tom 2. Biopomiary. Akademicka Oficyna Wydawnicza Exit, Warszawa 2001.
4. Metting van Rijn A.C., Peper A., Grimbergen C.A. High quality recording of bioelectric events. W: Interference reduction, theory and practice. Med. & Biol. Eng. Comput. 1990;
28: 389–397.
5. Burr-Brown. Integrated circuits data book, Burr-Brown Corporation, USA 1989; 33: 2-1–4-119.
6. Burr-Brown. The handbook of linear IC application, Burr-Brown
Corporation, USA 1987; 33.
7. Pracki T., Zając J., Kowalski W., Kucharz E., Jurek K., Pracka D.
i wsp. Somnoscan — system ekspertowy analizy snu. Probl. Techn.
Med. 1990; 21: 1, 38–50.
8. Baker B.C. Anti-aliasing, analog filters for data acquisitions systems, AN699, Microchip Technology Inc. 1989; 1–11.
9. Ozimek E. Podstawy teoretyczne analizy widmowej sygnałów.
PWN, Warszawa-Poznań 1985.
10. Miles L.E., Broughton R.J. red. Medical monitoring in the home
and work environment. Raven Press, USA 1989.
11. Burr-Brown. MFB low-pass filter design program. Application
bulletin. Burr-Brown Corporation, USA 1992; 33: 1–6.
12. Pawlaczyk A. Elementy i układy optoelektroniczne. Warszawa 1984.
www.sen.viamedica.pl
19