Zapisz jako PDF

Wprowadzenie
Co będziemy mierzyć na Pracowni sygnałów bioelektrycznych
Sygnałem bioelektrycznym nazywamy sygnał elektryczny, który powstaje w tkankach żywych
organizmów żywych. W szczególności będą interesować nas sygnały generowane w ciele człowieka
takie jak:
Elektrokardiogram (gr. elektron elektryczny, kardía serce, gramma litera/pismo, w skrócie
EKG), czyli zapis czynności elektrycznej serca.
Elektromiogram (gr. elektron elektryczny, mys/myos mięsień, gramma litera/pismo, w skrócie
EMG), czyli zapis czynności elektrycznej mięśni.
Elektrookulogram, w skrócie EOG, czyli zapis czynności elektrycznej związanej z ruchem oka.
Reakcja skórno-galwaniczna (reakcja elektryczna skóry, ang. galvanic skin response, GSR).
Elektroencefalogram (gr. elektron elektryczny, enkephalos mózg, gramma litera/pismo, w
skrócie EEG), czyli zapis czynności elektrycznej mózgu.
Istnieją inne sygnały bioelektryczne, które rejestrowane są w badaniach diagnostycznych, a którymi
nie będziemy się zajmowali na zajęciach. Niektóre z nich to:
Elektrokortykogram, w skrócie ang. ECoG — zapis czynności elektrycznej mózgu, przy pomocy
elektrod umieszczonych bezpośrednio na korze mózgowej.
Lokalne potencjały polowe, w skrócie ang. LFP — zapis czynności elektrycznej mózgu, przy
pomocy elektrod implantowanych bezpośrednio do kory mózgowej.
Magnetoencefalogram, w skrócie ang. MEG — zapis elektrycznej czynności mózgu, ale za
pomocą rejestracji pola magnetycznego wytworzonego przez ten narząd.
Elektroretinogram, w skrócie ERG — zapis odpowiedzi komórek siatkówki oka na światło.
Istnieją jeszcze inne sygnały fizjologiczne mające duże znaczenie diagnostyczne, np:
Częstość oddechu (ang. respiratory rate, RR).
Puls (ang. pulse rate, PR).
Ciśnienie tętnicze (ang. blood pressure, BP).
Nie są to jednak sygnały o naturze elektrycznej i nie będziemy się nimi zajmowali na tych zajęciach.
Czego będziemy uczyć na zajęciach
Wyżej wymienione sygnały bioelektryczne mierzone są bezinwazyjnie przy pomocy elektrod
umieszczonych na powierzchni skóry. Wyjątkiem jest sygnał EMG, który rejestruje się także za
pomocą elektrod implantowanych bezpośrednio do mięśnia, jednakże tego rodzaju badania nie będą
wykonywane na zajęciach. Sygnały bioelektryczne w pobliżu źródeł ich powstawania są stosunkowo
silne i mają amplitudę rzędu kilkudziesięciu mV. Niestety, tkanki bardzo mocno tłumią te sygnały,
skutkiem czego na powierzchni skóry amplituda sygnałów bioelektrycznych jest relatywnie niska, np.
amplituda sygnału EEG wynosi zaledwie od kilku μV do 100 μV, zaś amplituda sygnału EKG od 0,1
mV do około 5 mV. Rejestrowanie sygnałów o tak niskiej amplitudzie utrudniają występujące w
otoczeniu człowieka zakłócenia pochodzące od urządzeń elektrycznych i sieci zasilającej 230 V/50
Hz. Nawet jeśli pomiaru czynności elektrycznej dokonalibyśmy w środowisku wolnym od
jakichkolwiek zewnętrznych zakłóceń, przy pomocy idealnego sprzętu, sygnały bioelektryczne nadal
mogą być zniekształcone. Jest to spowodowane tym, iż sygnały bioelektryczne generowane są w
sposób ciągły. Oznacza to, iż w trakcie interesującego nas w danym momencie pomiaru czynności
elektrycznej mózgu możemy rejestrować przynajmniej o rząd wielkości silniejszy sygnał EKG lub
EMG. Te ostanie sygnały, w oddzielnym badaniu zawierają oczywiście bardzo cenną informację
diagnostyczną, jednakże gdy są widoczne na tle sygnału EEG, traktujemy je jako artefakty.
Podsumowując, okazuje się, iż w trakcie pomiaru sygnału bioelektrycznego istnieje duża szansa
rejestracji wszystkiego, a nie tylko interesującego nas sygnału.
Na zajęciach nauczymy się podstawowych zasad dokonywania pomiaru wymienionych rodzajów
czynności elektrycznych tak, aby uzyskać pożądany przez nas sygnał.
Bezpieczeństwo pomiarów sygnałów bioelektrycznych
W trakcie rejestracji sygnałów bioelektrycznych rejestrowane są zmiany pola elektrycznego lub
magnetycznego powstałe w wyniku czynności odpowiednich tkanek czy narządów. Badana osoba nie
jest prześwietlana promieniowaniem jonizującym, ani też nie podawane są jej żadne
radiofarmaceutyki. W związku z tym uważa się, że pomiar sygnałów elektrycznych nie niesie ze sobą
żadnych skutków ubocznych dla pacjenta. Jednakże, sygnały o tak niskiej amplitudzie jak sygnały
bioelektryczne, wymagają wzmocnienia, zanim zostaną dalej przetworzone i przeanalizowane.
Wzmacniacze wchodzące w skład aparatury pomiarowej najczęściej zasilane są z sieci elektrycznej
220 V/50 Hz. Blok zasilający aparaturę pomiarową oczywiście posiada zabezpieczenia
uniemożliwiające porażenie pacjenta prądem z sieci elektrycznej (w dalszej części skryptu dowiemy
się co to za zabezpieczenia), aczkolwiek w przypadku niewłaściwego obchodzenie się ze sprzętem
może dojść do przepływu przez badaną osobę prądu z sieci elektrycznej. W Tabeli I zaprezentowano
skutki biologiczne przepływu przez człowieka prądu o różnych natężeniach.
Tabela I
Natężenie prądu
Skutki biologiczne
0-0,5 mA
Prąd niewyczuwalny
~1 mA
Odczuwane przez dorosłego człowieka w postaci ciepła, łaskotania, swędzenia
(prąd stały) lub „kłucia/mrowienia” (prąd zmienny).
1-3,5 mA
Znaczna reakcja mięśni, uczucie bólu
3,5-15 mA
Porażenie mięśniowe, niemożność wypuszczenia przewodnika powodującego
porażenie.
15-25 mA
Skurcz mięśni klatki piersiowej, wzrost ciśnienia krwi. Nie powoduje groźnych
następstw przy czasie przepływu nie dłuższym niż kilkanaście sekund. Przy
dłuższych czasach porażenia zanik oddychania.
25-50 mA
Zaburzenie rytmu pracy serca. Bardzo silne mięśni klatki piersiowej i rąk.
50-70 mA
Kilkusekundowe oddziaływanie powoduje migotanie komór i gwałtowne,
nieskoordynowane skurcze mięśnia sercowego. Przy dłuższym czasie
oddziaływania prądu śmierć w wyniku uduszenia.
> 70 mA
przy dłuższym działaniu prądu zwykle śmierć
Oszacujmy korzystając z prawa Ohma przybliżoną wartość natężenia prądu skutecznego płynącego
przez skórę o oporze R pod wpływem przyłożenia napięcia zmiennego o wartości skutecznej 230 V.
W Tabeli II zestawiono natężenia prądu elektrycznego płynącego przez skórę o różnym stopniu
wilgotności pod wpływem przyłożonego napięcia o wartości skutecznej 230 V.
Tabela II
Właściwości skóry
Opór [Ω]; Natężenie prądu [mA]
skóra sucha
105-106
<2
skóra w badaniu EEG
<5000
>45
lekko spocone dłonie
~1500
160
skóra człowieka znajdującego się w wannie ~500
440
Z pewnych względów, które zostaną omówione w dalszej części skryptu, w trakcie rejestracji
czynności bioelektrycznej będziemy starali się tak przygotować skórę, by w miejscach gdzie będą
przyłożone elektrody, jej opór był jak najmniejszy. W przypadku pomiaru czynności elektrycznej
mózgu opór ten powinien wynosić poniżej 5 kΩ. Proszę zauważyć, iż w taki przypadku niebezpieczną
wartość prądu — 1 mA, uzyskuje się już dla napięcia stałego o wartości 5 V!, a zatem dla napięcia
zasilającego różnego rodzaju małe urządzenia elektryczne, które będziemy w trakcie zajęć podłączać
do badanej osoby.
Podstawowe zasady, które należy przestrzegać w trakcie rejestracji czynności bioelektrycznej:
Badana osoba absolutnie nie powinna mieć styczności z elementami, które mogą być
uziemione, np. opierać się o ścianę, dotykać rur, grzewczych czy wodociągowych.
Dodatkowe wyposażenie, podłączone do pacjenta (np. komputer) czy do wzmacniacza
sygnałów biologicznych powinno być odizolowane od badanej osoby galwanicznie.
W trakcie wykonywania badania nie jemy, nie pijemy. Pojemniki z płynami wykorzystywanymi
w trakcie badania powinny się znajdować daleko od pacjenta.
Aparatura do pomiaru czynności bioelektrycznej
Schemat blokowy aparatury do
rejestracji sygnałów
bioelektrycznych.
Na zajęciach przede wszystkim będziemy mierzyli napięcia występujące na powierzchni skóry
związane z czynnością elektryczną generowaną przez źródła znajdujące się w organizmie człowieka.
Do pomiaru napięć służy generalnie woltomierz. W odróżnieniu od standardowych woltomierzy,
urządzenia pomiarowe stosowane w pomiarach czynności bioelektrycznej wyposażone są w wiele
wejść, najczęściej chcemy bowiem mierzyć amplitudę sygnału w wielu miejscach na powierzchni
ciała, dzięki czemu dostajemy dodatkową informację. Oprócz wielu kanałów wejściowych aparatura
do rejestracji czynności bioelektrycznej wyposażona jest we wzmacniacze, co związane jest z bardzo
niską amplitudą sygnałów bioelektrycznych. Obecnie analogowy transfer oraz zapis informacji na
nośnikach, zastąpiono technologią cyfrową. Oprócz wygodniejszego i dokładniejszego zapisu danych,
technologia ta umożliwia również zastosowanie do analizy sygnałów zaawansowanych metod
matematycznych i numerycznych. Jeśli chcemy skorzystać z dobrodziejstw technologii cyfrowej
musimy do naszego woltomierza dołączyć przetwornik analogowo-cyfrowy. W sumie, urządzenie do
rejestracji czynności bioelektrycznej to wielokanałowy, cyfrowy, mikrowoltomierz. Blokowy schemat
urządzenia do rejestracji sygnału EEG zaprezentowano na rysunku rys. 1. Istotną rolę w całej
aparaturze stanowi blok wzmacniaczy. To w jaki sposób zaprojektowano i wykonano ten blok w
znacznej mierze rzutuje na jakość zarejestrowanego sygnału. Blok wzmacniaczy jest na tyle ważny,
że o aparaturze do rejestracji sygnałów bioelektrycznych mówimy raczej jako o wzmacniaczu niż o
mikrowoltomierzu, np. wzmacniacz EEG, wzmacniacz EKG. Obecnie, zamiast wzmacniacza
zaprojektowanego tylko i wyłącznie do rejestracji jednego rodzaju sygnału bioelektrycznego, buduje
się urządzenia, które umożliwiają pomiar czynności elektrycznych generowanych przez różne źródła
(np. jednoczesny pomiar sygnału EEG, EKG i EMG). Omówimy teraz szczegółowo kolejne elementy
aparatury do pomiaru sygnałów bioelektrycznych.
Elektrody pomiarowe
Pierwszym i niezwykle istotnym elementem aparatury do rejestracji sygnałów bioelektrycznych są
elektrody. Zanim omówimy dokładnie zasadę działania elektrod wykorzystywanych do tych
pomiarów, spróbujemy odpowiedzieć na pytanie, czy jest możliwa rejestracja czynności
bioelektrycznej za pomocą czujników, które nie są umieszczone ani wewnątrz ciała ani na jego
powierzchni. Innymi słowy, czy jest możliwy pomiar czynności elektrycznej za pomocą anteny
znajdującej się w pewnej odległości od ciała ludzkiego. W szczególności pytanie to postawimy w
kontekście pomiaru aktywności elektrycznej mózgu, która jest dla nas najbardziej interesująca. Jak
wiemy, procesy biochemiczne zachodzące w trakcie pracy serca, mięśni, czy przetwarzania
informacji przez mózg prowadzą do powstania pola elektrycznego, które może być
scharakteryzowane za pomocą potencjału . Skoncentrujmy się na przypadku elektrycznej
aktywności mózgu. Głowa nie jest ośrodkiem jednorodnym. Pomiędzy korą mózgową, a powierzchnią
głowy występują tkanki takie jak płyn mózgowo rdzeniowy, opony, czaszka i skóra. Na granicy
każdego z tych ośrodków potencjał elektryczny musi spełniać pewne warunki, nazywane warunkami
brzegowymi. Jeśli założymy, iż ośrodki te nie zawierają źródeł pola elektrycznego, wtedy mamy do
czynienia z następującymi warunkami na składową normalną gęstości prądu j i styczną pola E na
granicy dwóch ośrodków przewodzących:
gdzie:
m, n — indeksy dwóch graniczących ze sobą ośrodków
,
— potencjał w obszarze
i
,
— przewodnictwo elektryczne odpowiednio ośrodka
i
u, w — odpowiednio: współrzędna prostopadła i równoległa do powierzchni rozgraniczającej ośrodki
Rozważmy teraz granicę pomiędzy ośrodkami jakimi są powierzchnia skóry (o przewodnictwie
)i
powietrze (o przewodnictwie ). Przewodnictwo elektryczne powietrza jest bliskie zeru, w związku
z czym pierwsze z powyższych równanie przybiera następującą postać:
Równanie to oznacza, iż nie ma zmiany potencjału elektrycznego w kierunku prostopadłym do
powierzchni skóry. Brak zmiany potencjału elektrycznego uniemożliwia przepływ prądu
elektrycznego. Podsumowując, pole elektryczne wytworzone w wyniku aktywności mózgu wywołuje
przepływ prądu, który na powierzchni głowy może płynąć tylko w kierunku równoległym do skóry.
Nie występuje natomiast przepływ prądu z głowy do powietrza. Brak przepływu prądu elektrycznego
pomiędzy skórą a powietrzem nie oznacza jednak, iż na zewnątrz głowy nie może istnieć pole
elektryczne, będące wynikiem aktywności mózgu, która ponadto zmienia się w czasie. Jak już
wspomnieliśmy, procesy zachodzące w mózgu prowadzą do powstania pola elektrycznego i ruchu
ładunków elektrycznych znajdujących się w środowisku wewnątrz i zewnątrz komórkowym.
Poruszające się ruchem przyspieszonym ładunki emitują promieniowanie elektromagnetyczne.
Rozważmy sytuację, w której elektron pod wpływem pewnej siły wykonuje oscylacje o częstości i
amplitudzie . Zgodnie z elektrodynamiką, ładunek poruszający się z przyspieszeniem emituje
promieniowanie elektromagnetyczne. W tym przypadku średia moc promieniowania elektronu o
ładunku scałkowana po całym kącie bryłowym wynosi:
gdzie
i
to odpowiednio przenikalność elektryczna próżni i prędkość światła.
Wydajność energetyczna takiego źródła promieniowania zależy więc od częstości i amplitudy
oscylacji. Wartość stałej
jest rzędu 10−54. Stosowane w radiofonii czy telewizji sygnały mają
częstość w granicach od setek kHz do GHz, zaś promieniowanie emitowane jest przez anteny o
wielkości od ułamka metra do setek metrów. W przypadku sygnału EEG jego pasmo częstościowe
znajduje się poniżej 100 Hz. Przykładowo załóżmy, iż antena od radia nadającego w częstości 100
MHz (UKF) i hipotetyczna antena znajdująca się w mózgu emitująca falę elektromagnetyczna o
częstości 10 Hz, mają te same rozmiary. Średnia moc wypromieniowywana przez pojedynczy
elektron w antenie UKF będzie w takim przypadku
razy większa niż energia wypromieniowana
przez elektron drgający z częstością 10 Hz.
Widzimy zatem, iż detekcja elektrycznej aktywności mózgu za pomocą urządzenia podobnego do
anteny radiowej jest bardzo trudna ze względu na bardzo małą energię tego promieniowania. Istnieją
jednak urządzenia umożliwiające rejestrację pola magnetycznego powstałego w wyniku elektrycznej
aktywności mózgu, przy pomocy aparatury nazywanej SQUID. Zastosowana w tym aparacie
technologia jest jednak niezwykle droga (na terenie całej Europy znajdują się tylko dwa urządzenia
SQUID). Podsumowując, relatywnie tanie i dostępne pomiary czynności elektrycznej mózgu w chwili
obecnej można wykonywać tylko przy pomocy elektrod umieszczonych na powierzchni głowy.
Podobnie w przypadku pomiaru elektrycznej czynności serca, czy elektrycznej aktywności mięśni,
sygnał o najlepszej jakości uzyskuje się przy pomocy elektrod umieszczonych na powierzchni ciała
lub w jego wnętrzu.
A — sonda igłowa stosowana w
standardowych miernikach napięcia oraz
prądu elektrycznego. B — elektroda
miseczkowa chlorosrebrowa (Ag-AgCl)
stosowana do rejestracji sygnału EEG,
zaprezentowana od strony, która styka się
głową. C — elektroda miseczkowa
chlorosrebrowa od strony wierzchu. Otwory
w elektrodach Ag-AgCl służą do
umieszczania w nich specjalnych żeli
poprawiających przewodnictwo prądu.
Klasyfikacja elektrod do pomiaru czynności bioelektrycznej
Wyróżnia się następujące rodzaje elektrod do pomiaru czynności bioelektrycznej:
Elektrody mokre.
Elektrody suche.
Obecnie w powszechnym zastosowaniu znajdują się tylko elektrody mokre, którym zostanie
poświęcony oddzielny rozdział. Elektrodami suchymi nazywamy elektrody które nie wymagają do
działania specjalnych żeli przewodzących, które są wprowadzane pomiędzy powierzchnię elektrody a
skórę. Konstruktorzy tych elektrod wyróżniają przy tym dwie podklasy tych elektrod:
elektrody suche, które co prawda nie wymagają dodatkowych żeli, przy działaniu wykorzystują
jednak powstający w naturalny sposób na skórze człowieka pot.
właściwe elektrody suche, do których funkcjonowania nie jest potrzebny zarówno sztuczny żel
jak i pot wydzielany przez człowieka.
Według najlepszej wiedzy nie została jeszcze skonstruowana elektroda sucha, za pomocą której
uzyskiwano by sygnał o zadowalającej jakości. Prace nad tego rodzaju elektrodami ciągle trwają, ze
względu na spodziewane zalety takie jak:
Brak konieczności czasochłonnego i mało komfortowego dla pacjenta przygotowywania skóry
w miejscu umieszczenia elektrody.
Brak konieczności stosowania żeli przewodzących, które z czasem tracą właściwości i
ograniczają pomiar EEG.
Elektrody mokre
W niniejszym rozdziale zostanie omówiona budowa i zasada działania najczęściej stosowanej
elektrody do pomiaru czynności bioelektrycznej. Główny nacisk zostanie położony na elektrodach do
pomiaru aktywności elektrycznej mózgu, jednakże omawiane kwestie są ogólne także dla elektrod
mierzących inne czynności bioelektryczne, takie jak EKG, czy EMG. Na rysunku rys. 2
zaprezentowano sondy używane w standardowych multimetrach oraz elektrody do pomiary sygnału
EEG. Elektrody stosowane do rejestracji sygnału bioelektrycznego różnią się od sond podłączanych
do woltomierza nie tylko kształtem lecz także zasadą działania. Zadaniem standardowych sond jest
odebranie i przesłanie sygnału elektrycznego do urządzenia pomiarowego. Elektrody
wykorzystywane w pomiarach czynności elektrycznej są przetwornikami, które zamieniają prąd
jonowy płynący w organizmie człowieka, na prąd elektronowy, czyli taki, który może płynąć w
urządzeniach elektrycznych. Omawiając zasadę działania elektrody do rejestracji sygnału EEG
założymy, że ciało ludzkie pod względem właściwości elektrycznych może być traktowane jako
elektrolit. W większości przypadków elektroda pomiarowa wykonana jest z jakiegoś metalu. Na
granicy faz metal-elektrolit, nawet pod nieobecność zewnętrznego pola elektrycznego, zachodzą
zjawiska mające bardzo istotny wpływ na pomiar sygnałów bioelektrycznych. Zjawiska te odgrywają
bardzo ważną role we wszelkich procesach elektrochemicznych, dlatego czytelnika głębiej
zainteresowanego tym tematem odsyłamy do dowolnego podręcznika z dziedziny elektrochemii. W
bieżącym skrypcie zapoznamy się jedynie ogólnie ze wspomnianymi zjawiskami, wykorzystując do
tego model zaproponowany przez Helmholtza w 1879 roku. Model ten był pierwszą propozycją
matematycznego opisu zjawisk zachodzących na granicy dwóch faz. Jest on bardzo uproszczony i nie
uwzględnia pewnych istotnych procesów zachodzących pomiędzy metalem a elektrolitem, dlatego
zachęcamy Studentów do zapoznania się z jego modyfikacjami oraz innymi modelami, których
przegląd czytelnik może znaleźć np. w pracy Nowak-Stępniowska (2008).
Zjawiska zachodzące na granicy metal-elektrolit pod nieobecność zewnętrznego pola
elektrycznego.
Przykładowy rozkład ładunków, tuż po
zanurzeniu metalowej elektrody w
elektrolicie. Elektroda pomiarowa zawiera
dodatnio naładowane jony metalu (K+) oraz
swobodnie poruszające się elektrony.
Elektrolit z kolei składa się z
rozpuszczalnika (np. wody) oraz soli metalu,
z którego wykonano elektrodę
W układzie metal-elektrolit, który
zaprezentowano na rysunku, jony metalu
(K+) wykazują tendencję do przechodzenia z
elektrody do elektrolitu. W metalu, w
cienkim obszarze przy powierzchni
pozostają elektrony (e−), których ładunek
przestaje być równoważony przez dodatnio
naładowane centra sieci krystalicznej.
Warstwa metalu, znajdujące się przy granicy
z elektrolitem, staje się naładowana
ujemnie. Z kolei w elektrolicie powstaje
nadmiar ładunku dodatniego. W wyniku
nierównomiernego rozkładu ładunków
zostaje wytworzone pole elektryczne,
przeciwdziałające dalszemu przenikaniu
jonów z elektrody do elektrolitu. Czerwoną
strzałką zaznaczono kierunek powstałego
pola elektrycznego.
Po umieszczeniu metalowej elektrody w
elektrolicie, elektroda uzyskuje pewien
potencjał względem elektrolitu. W tym
przypadku warstwa metalu granicząca z
elektrolitem jest naładowana ujemnie,
podczas gdy warstwa elektrolitu zawiera
nadmiar ładunku dodatniego. Poniżej
przedstawiono elektryczny schemat
zastępczy dla warstwy dipolowej.
Po zanurzeniu metalu w elektrolicie powstaje układ metal-elektrolit (rys. 3). Elektrolit składa się z
rozpuszczalnika oraz substancji, która rozpuszczona w nim ulega dysocjacji. Z kolei w metalu
możemy wyróżnić dodatnio naładowane centra sieci krystalicznej oraz swobodnie poruszające się
elektrony, które tworzą tzw. gaz elektronowy. Przykładem najbardziej znanego elektrolitu,
stosowanego powszechnie przy badaniu czynności bioelektrycznej jest sól fizjologiczna, czyli
rozpuszczony w odpowiednim stężeniu w wodzie chlorek sodu. W dalszej części rozdziału, dla
uproszczenia założymy, iż elektrolitem jest wodny roztwór soli metalu, z którego wykonana jest
elektroda pomiarowa. W zależności od reaktywności metalu, jego jony mogą wykazywać tendencję
do przechodzenia z elektrody do elektrolitu (np. elektroda cynkowa umieszczona w wodnym
roztworze siarczanu cynku), bądź też jony metalu znajdujące się w elektrolicie będą dążyć do
wbudowywania się w sieć krystaliczną elektrody (np. elektroda miedziana zanurzona w roztworze
siarczanu miedzi). Jeśli jony metalu przechodzą z elektrody do elektrolitu, to w cienkiej warstwie
elektrody tuż przy jej powierzchni powstaje pewien nadmiarowy ładunek ujemny. Z kolei obszar
elektrolitu znajdujący się blisko metalowej elektrody zyskuje ładunek dodatni. Całkowity ładunek
układu metal - elektrolit pozostaje oczywiście obojętny, jedynie w wąskim obszarze na granicy faz,
ładunek ten rozłożony jest nierównomiernie, co prowadzi do powstania w poprzek wspomnianej
granicy pola elektrycznego rys. 4). Pod wpływem tego pola, część jonów która upuściła metal, będzie
z powrotem do niego przenikać. W pewnym momencie na granicy faz ustali się pewien stan
równowagi dynamicznej, tj. liczba jonów wymienianych pomiędzy elektrolitem i metalem w jednostce
czasu będzie sobie równa. Polaryzację elektrody po jej zanurzeniu w elektrolicie zależy od tego, czy
w okresie poprzedzającym moment ustalenia się stanu równowagi, jony metalu wykazywały
tendencję do opuszczania elektrody (w takiej sytuacji elektroda ładuje się ujemnie) czy też dążyły do
opuszczania elektrolitu i przyłączania się do sieci krystalicznej metalu (elektroda ładuje się
dodatnio). Z polem elektrycznym powstałym na granicy faz metal-elektrolit związany jest skok
potencjału elektrycznego, którego wielkość może być ustalona na odstawie szeregu
elektrochemicznego pierwiastków. Strukturę, która utworzyła się na granicy dwóch faz, w poprzek
której występuje skok potencjału nazywamy podwójną warstwą elektryczną. Z kolei sam potencjał
określany jest jako potencjał DC (ang. Direct Current Offset). W Tabeli III zaprezentowano wartości
potencjałów dla kilku wybranych metali.
Tabela III
reakcja chemiczna
3+
−
potencjał elektrochemiczny [V]
−1,662
Al +3e → Al
2+
−
−0,762
3+
−
−0,744
2+
−
−0,447
2+
−
Cd +2e → Cd
−0,403
Ni2++2e−→ Ni
−0,257
Zn +2e → Zn
Cr +3e → Cr
Fe +2e → Fe
2+
−
+
−
−0,126
Pb +2e → Pb
2H +2e → H2
−
0
−
AgCl+e → Ag+Cl
+0,222
Hg2Cl2+2e−→ 2Hg+2Cl− +0,268
Cu2++2e−→ Cu
+0,342
+
−
+0,521
+
−
Ag +e → Ag
+0,780
Au3++3e−→ Au
+1,498
Cu +e → Cu
+
−
Au +e → Au
+1,692
Jak widzimy potencjał elektryczny na granicy faz osiąga wartości od około 100 mV do prawie 1,7 V, a
zatem jest przynajmniej o rząd wielkości większy od amplitudy najsilniejszych sygnałów
bioelektrycznych. Taka wielkość potencjału z oczywistych względów stanowi silnie zakłócenie
pomiaru. Przyjmuje się, że potencjał DC na granicy elektroda skóra, nie powinien przekraczać
wartości 300 mV. Spośród metali wymienionych w tabeli 3 dobrym kandydatem na materiał do
budowy elektrody mógłby być ołów. Niestety jest to pierwiastek bardzo toksyczny. Korzystną
wielkość potencjału DC posiada srebro pokryte chlorkiem srebra — 0,222 mV, dlatego też elektrody
do pomiaru czynności bioelektrycznej często wykonane są z tego związku (dotyczy to szczególnie
elektrod do rejestracji sygnału EEG) i nazywane są elektrodami chlorosrebrowymi (Ag-AgCl).
Niestety warstwa chlorku srebra, którą pokrywa się elektrody Ag-AgCl dość łatwo ulega zniszczeniu,
w związku z czym elektrody wykonuje się również ze stali, czy złota. Co prawda złoto posiada bardzo
wysoką wartość potencjału DC, jest jednak związkiem bardzo trwałym.
Jak już to zostało wspomniane powyżej, pierwszą próbą opisania właściwości podwójnej warstwy
elektrycznej był model zaproponowany przez Helmholtza w 1879 roku. W modelu tym Helmholtz
zastąpił podwójną warstwę elektryczną płaskim kondensatorem, którego jedną okładkę stanowi
ujemnie naładowana powierzchnia metalu, zaś druga dodatnie jony zgromadzone w roztworze w w
obszarze równoległym do powierzchni metalu. Model Helmholtza, mimo że stanowi maksymalne
uproszczenie problemu, wskazuje na bardzo istotny fakt istnienia na granicy metal elektrolit
pojemności elektrycznej. Schemat zastępczy dla elektrody do rejestracji sygnałów bioelektrycznych
zaprezentowano na rysunku (rys. 5). Jak widzimy całkowita impedancja elektrody wynosi:
gdzie:
— rezystancja podwójnej warstwy dipolowej
— pojemność warstwy dipolowej
Wyznaczając moduł impedancji otrzymujemy zawadę:
Zawada podwójnej warstwy elektrycznej rośnie wraz ze zmniejszaniem się częstości przenoszonego
sygnału. Jest to efekt niekorzystny, ponieważ znaczna klasa sygnałów bioelektrycznych
charakteryzuje się nisko częstościowymi składowymi.
Podwójna warstwa elektryczna w zewnętrznym polu elektrycznym
Rozkład ładunków w obszarze podwójnej warstwy elektrycznej zależy od wielu czynników, jednak
przede wszystkim od ruchliwości oraz stężenia nośników ładunku. Kiedy do układu elektroda elektrolit przyłożymy napięcie, w elektrolicie popłynie prąd który zaburzy istniejący na granicy faz
stan równowagi dynamicznej. Zaburzenie to w postaci przesunięcia się ładunków w elektrodzie
metalowej, będzie się propagować poprzez kable dołączone do elektrody w kierunku wzmacniacza
już w postaci prądu elektronowego.
Opór elektryczny skóry
Skóra posiada pewne właściwości elektryczne istotne z punktu widzenia rejestracji sygnałów
bioelektrycznych. Jest jedną z tkanek, która oddziela źródła czynności elektrycznej leżące wewnątrz
organizmów żywych od powierzchni elektrody. Najbardziej zewnętrzna warstwa skóry - naskórek
charakteryzuje się wysokim oporem elektrycznym. Ponadto pomiędzy naskórkiem a skórą właściwą
istnieje różnica potencjałów o amplitudzie dochodzącej do 30 mV. W trakcie rozciągania skóry,
wartość to spada do 25 mV, co obserwowane jest w trakcie rejestracji sygnałów bioelektrycznych i
często klasyfikowane jako artefakt ruchomy. Naskórek posiada oporność elektryczną i pojemność
elektryczną co najmniej trzy razy większą niż skóra właściwa. W celu zapewnienia dobrego
przewodzenia sygnału bioelektrycznego usuwa się część naskórka, poprzez potarcie jałowym
gazikiem nasączonym alkoholem miejsca przyłożenia elektrody. Samo usunięcie naskórka zmniejsza
opór elektryczny skóry do wielkości około 50 kΩ. Z kolei zwilżenie miejsca zdrapania specjalnym
żelem przewodzącym lub elektrolitem zmniejsza ten opór do wielkości około kilku kiloomów.
Impedancja elektrod i impedancja wejściowa wzmacniacza sygnałów bioelektrycznych
Przykładowy schemat zastępczy
podłączenia woltomierza do punktów
na powierzchni skóry. Pomiędzy
punktami ( i
istnieje różnica
potencjałów U). Opór wewnętrzny
woltomierza wynosi
.
rejestrowane napięcie na
woltomierzu wynosi
W poprzednim rozdziale wiele miejsca poświęciliśmy impedancji elektrody oraz impedancji układu
skóra-elektroda. Na całkowitą impedancję elektroda pomiarowa-skóra będzie się składać impedancja
samej metalowej elektrody oraz kabli łączących ją z woltomierzem, impedancja podwójnej warstwy
elektrycznej na granicy faz elektroda-elektrolit oraz impedancja samej skóry. Bardzo ważne z punktu
widzenia pomiaru bioelektrycznego jest to, aby całkowita impedancja układu skóra-elektroda była
jak najmniejsza. Powód tego wymogu zostanie objaśniony w bieżącym rozdziale. Na rysunku rys. 6
zaprezentowano schemat zastępczy dla woltomierza podłączonego do dwóch punktów pomiarowych
( i ) na powierzchni skóry. Całkowity zawadę układu elektroda pierwsza-skóra symbolizuje opór
, zaś całkowitą zawadę układu elektroda druga-skóra opór
. Jak wpływają wartości oporów
i
na wynik pomiarów? Wykorzystajmy II prawo Kirchhoffa dla układu zastępczego
zaprezentowanego na rysunku rys. 6. Możemy napisać następujące równanie:
za pomocą którego wyznaczymy prąd płynący w układzie elektrody-wzmacniacz pod wpływem
różnicy potencjałów :
oznaczając przez
sumaryczny opór elektrod
równanie (%i 2) przybiera postać:
W związku z powyższym obserwowane napięcie na woltomierzu jest równe:
Wzór (%i 4) można przekształcić do postaci:
Jak widzimy, napięcie rejestrowane przez woltomierz
jest mniejsze od napięcia występującego
pomiędzy elektrodami ( ). Dokładniej, stosunek napięcia
do napięcia wynosi:
Napięcie występujące pomiędzy elektrodami oraz napięcie rejestrowane przez woltomierz będą sobie
równe, kiedy opór wzmacniacza będzie dążył do nieskończoności lub sumaryczny opór elektrod
będzie dążył do zera. Spełnienie któregokolwiek z powyższych warunków jest oczywiście niemożliwe,
możemy jedynie zadbać aby stosunek
był jak najmniejszy. W przypadku aparatury do rejestracji
czynności elektrycznej mózgu, przyjmuje się, że opór wejściowy aparatury pomiarowej powinien być
wyższy od 10 MΩ, zaś opór elektrod mniejszy niż 5 kΩ. W takim przypadku stosunek napięcia
rejestrowanego do napięcia rzeczywistego jest równy:
a zatem nie przekracza 0,5‰ (pół promila). Powyższy standard dla pomiaru sygnału EEG został
ustalony kilkadziesiąt lat temu, kiedy trudno było uzyskać rezystancje wejściowe aparatury
pomiarowej większe niż 10 MΩ. Obecnie rezystancje wejściowe nowoczesnych aparatów do pomiaru
EEG osiągają wielkości ponad 1 GΩ. Nie oznacza to jednak, iż możemy pominąć opór skóry. Duża
rezystancja pomiędzy elektrodą a skórą prowadzi nie tylko do tłumienia i tak słabego sygnału
bioelektrycznego, lecz także do przedostawania się do układu pomiarowego zakłóceń z otoczenia, a
zwłaszcza z sieci elektrycznej 230 V/50 Hz, co zostanie omówione w dalszych rozdziałach.
Czas na krótkie podsumowanie
Jak przekonamy się już niedługo w trakcie praktycznej części zajęć, parametry współczesnej
aparatury umożliwiają wykrywanie bardzo słabych sygnałów bioelektrycznych. Nawet najlepsza
aparatura nie zapewni nam wystarczającej jakości sygnałów jeśli nie będziemy przestrzegać
pewnych reguł. Elektrody pomiarowe są pierwszym i bardzo ważnym elementem układu
pomiarowego. Całkowita impedancja pomiędzy skórą a elektrodą, mająca kluczowy istotny wpływ na
jakość rejestrowanego sygnału, od impedancji skóry oraz impedancji samej elektrod. ta ostania z
kolei wynika z jej kształtu, wielkości i materiałów z jakich została wykonana elektroda, zatem od
czynników na które nie mamy wpływy. Od nas jednak będzie zależało, jak długo parametry elektrod
pozostaną na wysokim poziomie. „Brutalne” obchodzenie się z elektrodami doprowadzi do ich
szybkiego zużycia. Ważne jest również to, aby wszystkie elektrody stosowane do pomiaru danej
czynności bioelektrycznej były w tym samym stopniu zużyte. Na przykład, rejestrując sygnał EEG
najprawdopodobniej zastosujemy elektrody Ag-AgCl. Jak już wspomniano, warstwa chlorku srebra
stosunkowo szybko ulega zniszczeniu. Jeśli do badania czynności elektrycznej mózgu zastosujemy
elektrodę z wytartą warstwą chlorku srebra, powstanie na tej elektrodzie potencjał DC o wielkości
700 mV. Z koli na elektrodzie, która tę warstwę będzie miała nienaruszoną potencjał DC wyniesie
~200 mV. Pomiędzy tymi elektrodami wytworzy się zatem różnica potencjałów o wielkości około 0.5
V!
Blok wzmacniaczy
Sprzężenie człowieka z siecią
elektryczną jest głównym,
zewnętrznym źródłem zakłóceń
zakłóceń pomiaru sygnału
bioelektrycznego.
Schemat połączenia badanej osoby z
pierwszymi konstruowanymi
wzmacniaczami do rejestracji
sygnałów bioelektrycznych.
W celu eliminacji zakłóceń, napięcie
wejściowe na wzmacniaczu nie
wyznacza się względem ziemi, lecz
względem wspólnej dla człowieka i
wzmacniacza masy (nazywanej masą
pływającą), izolowanej od
standardowej ziemi. w wyniku
sprzężenia pojemnościowego ciągle
jednak przez pacjenta a nastepnie
przez elektrodę masy płynie pewien
prąd.
Zastosowanie do pomiaru
wzmacniacza różnicowego
skutecznie redukuje zakłócenia
pomiaru
Schemat jednego ze sposobów
przyłączenia elektrody odniesienia
do wejść wielu wzmacniaczy.
Kolejnym po elektrodach niezwykle ważnym elementem aparatury do rejestracji sygnałów
bioelektrycznych jest wzmacniacz. Badania czynności bioelektrycznej wykonujemy na osobie
znajdującej się w zewnętrznych polach elektrycznym i magnetycznym, wywołanych przez urządzenia
elektryczne i sieci je zasilające. Aby zmniejszyć zakłócenia, pacjenta często umieszcza w
ekranowanym pomieszczeniu (klatce Faraday'a). Wzmacniacz sygnałów bioelektrycznych wymaga
jednak dostarczenia energii, co odbywa się zwykle za pomocą przewodów połączonych z siecią 230
V/50 Hz, skutkiem czego przewody te wewnątrz ekranowanego pomieszczenia stają się źródłem
zakłóceń. Oczywiście można zastąpić zasilanie sieciowe zasilaniem bateryjnym, zazwyczaj jednak
istnieje potrzeba analizy rejestrowanego sygnału na bieżąca, w związku z czym sygnał ten przesyłany
jest kablami do urządzeń rejestrującym i komputerów znajdujących się na zewnątrz klatki. Tor
transmisyjny będzie również źródłem zakłóceń. Rejestracja sygnałów bioelektrycznych coraz częściej
stosowana jest w celach innych niż diagnostyczne, poza ośrodkami klinicznymi. Przykładem może
być Interfejs mózg-komputer, oparty na pomiarze czynności elektrycznej mózgu, który wykorzystuje
się do umożliwienia osobom całkowicie sparaliżowanym komunikacji z otoczeniem. W takim
przypadku, budowa klatek Faraday'a w miejscu przebywania chorych osób, nie ma sensu. Musimy
zatem przyjąć, iż razem z pożądanym sygnałem bioelektrycznym, będziemy rejestrować również
zakłócenia. Na rysunku rys. 7 zaprezentowano osobę znajdującą się w polu elektrycznym
pochodzącym od sieci zasilającej. Osoba ta jest sprzężona pojemnościowo kondensatorem
z linia
230 V/50 Hz oraz kondensatorem
z uziemieniem. Pojemność kondensatorów
i
wynosi kilka
pF, co wystarcza by przez pacjenta popłynął prąd o wartości około 0,1-1 μA, który nazywamy prądem
upływu. W wyniku sprzężenia pojemnościowego, potencjał na ciele człowieka względem ziemi wynosi
kilkadziesiąt woltów. Na rysunku rys. 8 zaprezentowano schemat układu pomiarowego, jaki
konstruowano około 100 lat temu. Do pacjenta podłączono elektrodę o impedancji
(zaznaczona
kolorem żółtym), którą dalej będziemy nazywali elektrodą pomiarową. Napięcie
na wejściu
wzmacniacza
jest różnicą potencjałów pomiędzy elektrodą pomiarową a uziemieniem, z
którym pacjent połączony jest elektrodą o impedancji
. Elektrodę tę będziemy nazywali elektrodą
masy. Jak zostało to wspomniane powyżej, na skutek sprzężeń pojemnościowych, potencjał ciała
ludzkiego jest o około kilkadziesiąt woltów wyższy od potencjału ziemi (dla której z definicji
przyjmuje się potencjał 0 V). W związku z tym, na wejściu wzmacniacza będziemy obserwowali
zakłócenia sieciowe o bardzo wysokiej amplitudzie o częstości 50 Hz. Jedynym sposobem eliminacji
tych zakłóceń, przy takim sposobie pomiaru, jest wąskopasmowe, zaporowe filtrowanie sygnału. Jeśli
nawet operacja filtracji usunie z sygnału składową sieciową, nadal rejestrowany sygnał może
zawierać zakłócenia pochodzące już od generatorów elektrycznych w ludzkim ciele, czego
przykładem może być tutaj badanie sygnału EEG. Pomiarowi czynności elektrycznej mózgu, w
układzie takim jak zaprezentowano na rysunku rys. 8, będzie towarzyszyć przynajmniej o rząd
wielkości większy sygnał EKG.
Pierwszym krokiem do poprawienia jakości zbieranego sygnału, jest dokonywanie pomiaru czynności
bioelektrycznej nie względem ziemi lecz elektrody umieszczonej na ciele pacjenta. Elektroda o
impedancji
połączona jest z masą wzmacniacz (na rysunku rys. 9 przewód masy symbolizuje linia
o kolorze zielonym), która z kolei jest izolowana od ziemi. W takim przypadku potencjał elektrody
masy będzie się zmieniał w czasie, dlatego tego rodzaju punkt odniesienia nazywamy pływającą
masą (ang. floating ground). Niestety, to rozwiązanie nadal nie wyeliminuje z układu zakłóceń
pochodzących od sieci elektrycznej. Masa układu pacjent-wzmacniacz jest sprzężona pojemnościowo
przez kondensator
, w związku z czym, przez człowieka a następnie przez elektrodę masy płynie
prąd I o natężeniu około 1 μA. Jeśli elektroda masy została poprawnie umieszczona na ciele pacjenta,
jej opór powinien być mniejszy niż 5 kΩ, co oznacza, że spadek napięcia na tej elektrodzie związany z
prądem upływu wynosi:
U = 5000 Ω ⋅ 1⋅10−6 A = 500 μV
Zwykle powyższy spadek napięcia wynosi od około 100 do 1000 μV, w niekorzystnych warunkach
może jednak osiągnąć wartość nawet 100 mV! W zaproponowanej konstrukcji aparatury pomiarowej
napięcie wejściowe do wzmacniacza mierzone jest względem pływającej masy, w związku z czym
sygnał bioelektryczny zostanie zniekształcony artefaktem sieciowym, powstałym w wyniku spadku
napięcia na elektrodzie na impedancji
, przez którą płynie prąd I. Proszę zauważyć, iż prąd
powstały w wyniku sprzężeń z siecią nie płynie przez elektrodę pomiarową, co wynika z bardzo dużej
impedancji wejściowej wzmacniacza.
Następny pomysł na poprawienie jakości aparatury pomiarowej, to nie wzmacnianie napięcia, tylko
różnicy napięć, poprzez zastosowanie wzmacniacza różnicowego (wstawić link do Wikipedii).
Wzmacniacz taki posiada dwa wejścia, nie zmieniające fazę sygnału (oznaczone symbolem „+”) oraz
wejście odwracające fazę. Osoby bardziej zainteresowane wzmacniaczami różnicowymi zachęcamy
do przestudiowania pozycji Nadachowski M. (1985), Horowitz P. (2009). Teoretyczne zastosowanie
wzmacniacza różnicowego w układzie zaprezentowanym na rysunku rys. 9 można opisać w
następujący sposób. Elektroda pomiarowa o impedancji
rejestruje sygnał bioelektryczny ,
którego amplituda wyznaczana jest względem elektrody masy, mającej potencjał
(związany z
zakłóceniami sieciowymi). Na wejściu wzmacniacza, do którego podłączona jest elektroda
dostajemy napięcie:
,
Podobnie dla drugiej elektrody pomiarowej, o impedancji
, rejestrującej potencjał
otrzymamy:
Jeśli wzmocnieniu nie ulegną napięcia, tylko różnica napięć:
gdzie: k — współczynnik wzmocnienia,
to jak widać, wyeliminujemy zakłócenia sieciowe, które przedostają się do wzmacniacza przez
elektrodę masy. Wzmacniany sygnał będzie już tylko różnicą potencjałów związanych z czynnością
elektryczną człowieka obserwowaną w dwóch różnych miejscach na powierzchni skóry. Elektrodę,
której napięcie mierzone względem masy (w tym przypadku jest to elektroda
, odejmujemy od
sygnału rejestrowanego przez inne elektrody (elektrody pomiarowe) będziemy nazywali elektrodą
odniesienia (referencyjną). Niestety, w praktyce wzmacniacze różnicowe posiadają pewne
ograniczenia, skutkiem których wzmocniona (aczkolwiek w niewielkim stopniu) zostaje również
składowa wspólna sygnałów, a w tym przypadku jest to sygnał pochodzący od sieci elektrycznej.
Kolejny problem to połączenie elektrody odniesienia z wieloma wzmacniaczami. Bardzo często
chcemy zmierzyć czynność elektryczną organizmu w kilku miejscach na powierzchni skóry, czego
przykładem może być rejestracja czynności elektrycznej mózgu. Wykonuje ją się przy pomocy co
najmniej 21 elektrod. Na rysunku rys. 11 zaprezentowano schemat równoległego połączenia
elektrody referencyjnej do wielu wzmacniaczy różnicowych. W prezentowanym przykładzie,
równoległe połączenie elektrody referencyjnej np. do 32 wzmacniaczy powoduje, że impedancja na
wejściowa elektrody odniesienia jest 32 razy mniejsza od impedancji wejść pomiarowych
(przypominamy, że dążymy do tego, by impedancja wejściowa wzmacniaczy była jak największa). W
efekcie pewna część prądu związana ze sprzężeniem pacjenta z siecią elektryczną zaczyna również
płynąć przez elektrodę odniesienia i zakłócenia ponownie przedostają się do wzmacniacza. Kolejne
zagadnienie to wybór elektrody referencyjnej. Może to być np. jedna elektroda, którą zawsze
będziemy umieszczali w umówionym miejscu na ciele pacjenta, odniesieniem może być również
średni sygnał z wielu elektrod pomiarowych. Tą kwestia zajmiemy się jednak przy omawianiu metod
rejestracji kolejnych sygnałów bioelektrycznych.
Skoncentrowaliśmy się dotychczas na omówieniu zjawisk fizycznych, które prowadzą do
przedostawania się na wejście wzmacniaczy zakłóceń sieciowych. Nie będziemy poruszali
zagadnienia konkretnych rozwiązań technicznych, te bowiem zależą od konkretnego producenta,
który utrzymuje je w tajemnicy. Jednym z ciekawych pomysłów, spotykanym w przypadku rejestracji
czynności elektrycznej mózgu, są tzw. elektrody aktywne. Elektrody te wyposażono we wzmacniacz,
tak że zarejestrowany sygnał, podlega wzmocnieniu już przy powierzchni skóry. W związku z tym
zakłócenia zebranego sygnału w trakcie transmisji przez kable, zniekształcają go w znacznie
mniejszym stopniu niż to się dzieje w przypadku standardowych elektrod.
Osoba obsługująca aparaturę do rejestracji sygnału bioelektrycznych może się spotkać niekiedy z
tzw. trybem kalibracji wzmacniaczy. Wykorzystywane do konstrukcji aparatury pomiarowej
wzmacniacze różnicowe są wzmacniaczami operacyjnymi, które wykonuje się jako monolityczne
układy scalone. Dzięki temu są to układy o bardzo dobrych parametrach użytkowych. Niestety
egzemplarze tego samego wzmacniacza operacyjnego mogą się nieznacznie tymi parametrami
różnić. W trakcie eksploatacji różnice w parametrach mogą ulec dalszemu pogłębieniu. Efektem tego
będzie liniowe zniekształcenie sygnału. Sygnał na wejściu wzmacniacza ulegnie wzmocnieniu nieco
innemu niż nominalne oraz zostanie przesunięty o pewną stałą wartość. Niektóre aparaty są
wyposażone w tryb kalibracji, który umożliwia skorygowanie tego typu błędu, poprzez wyznaczenie
bieżącego współczynnika wzmocnienia oraz przesunięcia (ang. offset) sygnału. W tym celu operator
musi przełączyć wzmacniacz w tryb kalibracji, zwykle za pomocą przycisku wyboru. Kalibracja
dokonywana jest w sposób automatyczny. Podsumowując:
Badana osoba podlega sprzężeniu pojemnościowemu z urządzeniami elektrycznymi,
znajdującymi się w jej otoczeniu, przez który do układu pomiarowego przedostaje się niewielki
prąd.
Prąd ten płynie przez elektrodę masy, powodując na niej spadek napięcia.
W celu eliminacji zakłóceń, dokonuje się różnicowego pomiaru sygnału bioelektrycznego.
Filtry analogowe
Przetwornik analogowo cyfrowy
O bezpieczeństwie pomiarów sygnałów bioelektrycznych raz jeszcze
przykład nieprawidłowego
połączenia dodatkowego urządzenia
elektrycznego U, np. komputera, ze
wzmacniaczem bioelektrycznym.
Masa komputera i wzmacniacza
zostały ze sobą połączone w punkcie
P. Komputer przesyła sygnały
elektryczne do wzmacniacza
przewodem niebieskim. Układ
pacjent-wzmacniacz przestał być
izolowany od sieci elektrycznej.
Przykład prawidłowego połączenia
dodatkowego urządzenia
elektrycznego U, np. komputera, ze
wzmacniaczem bioelektrycznym.
Obwód pacjent-wzmacniacz został
galwanicznie odizolowany od obwodu
komputera. Przesyłanie informacji z
komputera do wzmacniacza odbywa
się przy pomocy transoptora.
Badana osoba nie powinna dotykać
się do innych urządzeń
elektrycznych, czy elementów
przewodzących jakimi mogą być
ściany, grzejniki, itd. W taki
przypadku bowiem układ pacjentwzmacniacz bioelektryczny przestaje
być izolowany od sieci elektrycznej.
Jak była już o tym mowa na wstępie, rejestracja sygnałów bioelektrycznych jest z reguły badaniem
bezinwazyjnym i nie niesie ze sobą żadnych skutków ubocznych dla pacjenta. Jednakże w trakcie
tego badania, pacjent jest podłączony do urządzenia elektrycznego, które najczęściej zasilany jest z
sieci 230 V/50 Hz, a zebrane dane przesyła na komputer, również zasilany z sieci. Z doświadczenia
wiemy, że urządzenia elektryczne zawsze mogą ulec awariom. Ponadto pomiar czynności
elektrycznej wymaga, aby pomiędzy elektrodami a skórą był niski opór, co w sytuacji awarii stwarza
możliwości przepływu prądu o niebezpiecznej wielkości. Aby nie dopuścić do porażenia pacjenta
przez prąd, wzmacniacze sygnałów bioelektrycznych mają specjalną konstrukcję. Przede wszystkim
stosuje się w nich niskie napięcia zasilające (3-6 V), uzyskiwane za pomocą przetwornic wstawić link,
a także wykonuje tzw. izolację (separację/barierę) galwaniczną. Separacja galwaniczna to taki
sposób łączenia obwodów elektrycznych, aby transfer informacji lub energii odbywał się bez
przepływu prądu elektrycznego. Przykładem układu zapewniającego taką separację takiego układu
jest transformator, w którym energia pomiędzy obwodami przenoszona jest na drodze indukcji.
Niestety każdy element elektryczny posiada wielkości pasożytnicze. Na rysunku rys. 8 masa
wzmacniacza do rejestracji sygnałów bioelektrycznych, jest odseparowana od ziemi. Wzmacniacz
zasilany jest za pomocą transformatora, który nie został pokazany na schemacie. Niedoskonałości
transformatora sprawiają, że układ pomiarowy sprzężony jest z siecią elektryczną kondensatorem
, przez który do układu dostaje się niewielki prąd upływu, będący kolejnym źródłem zakłóceń
pomiaru. Od urządzeń do pomiaru czynności bioelektrycznej wymaga się, aby podczas badania nie
przepływał przez pacjenta prąd większy niż 0,1 mA, zaś w trakcie awarii aparatury prąd ten nie
powinien osiągnąć wartości większej niż 1 mA. Bardzo często, wzmacniacze sygnałów
bioelektrycznych zaopatrzone są w dodatkowe wejścia, które umożliwiają podłączenie do nich jakiejś
aparatury, skonstruowanej np. przez studenta wykonującego niestandardowe eksperymenty w
ramach pracy licencjackiej. Należy koniecznie sprawdzić, czy producent wzmacniacza zadbał, by
dodatkowe wejścia także posiadały izolację galwaniczną. Jeśli takowej nie ma, należy wykonać ją
samemu. Na rysunku rys. 12 zaprezentowano schemat niewłaściwego podłączenia komputera do
wzmacniacza sygnałów bioelektrycznych. W tym doświadczeniu student przy pomocy komputera U
chciał wyświetlać na ekranie badanej osoby jakieś bodźce. W momencie wyświetlenia obrazka na
monitorze, przesyłał sygnał elektryczny (tzw. trigger), dzięki czemu zapewniał synchronizację
zbieranego sygnału bioelektrycznego z chwilą pojawienia się bodźca. Jak widzimy, przy takim
połączeniu komputera ze wzmacniaczem, układ pacjent-aparatura do pomiaru czynności
bioelektrycznej traci izolację galwaniczną względem sieci zasilającej. W przypadku awarii
komputera, prąd o niebezpiecznej wartości może popłynąć przez badaną osobę. Na rysunku rys. 13
zaprezentowano poprawny sposób przesyłania informacji z komputera do wzmacniacza sygnałów
bioelektrycznych. Separację tych dwóch układów wykonano za pomocą transoptora, czyli układu, w
którym wymiana informacji odbywa się z wykorzystaniem światła. Na rysunku, rys. 14
zaprezentowano sytuację, w której co prawda wzmacniacz nie połączony jest z żadną dodatkową
aparaturą, niemniej pacjent postanowił zwiększyć sobie komfort, opierając się o element
przewodzący, połączony z ziemią. W tym przypadku układ pomiarowy również traci separację
galwaniczną, co stanowi dla badanej osoby zagrożenie, zwłaszcza w przypadku awarii aparatury
(niekoniecznie musi to być aparatura pomiarowa, może być to jakieś inne urządzenie, które również
podłączono do uziemienia). Wykonując pomiar czynności bioelektrycznej należy pamiętać, by:
badana osoba nie dotykała się do elementów przewodzących (niewskazane jest nawet
opieranie się o ścianę),
jeśli podłączamy dodatkowe urządzenie do wzmacniacza sygnałów bioelektrycznych to obydwa
układy powinny być odizolowane galwaniczne.
Izolację taką można wykonać, np. za pomocą transoptorów (przesyłanie informacji), czy wykonać
zasilanie dodatkowego urządzenia z użyciem przetwornic. Warto też stosować rezystory podłączone
szeregowo do układu, co ograniczy maksymalny prąd przepływający z urządzenia do pacjenta.
obydwa układy powinny być odizolowane
Literatura
1. Nowak-Stępniowska Agata, Podwójna warstwa elektryczna — rozwój teorii i metody pomiaru.
Fizyka w Szkole, nr 3, s. 30-40, 2008.
2. Skrypt do Pracowni Elektronicznej FUW
3. Horowitz P., Hill W. Sztuka elektroniki cz. 1 i 2. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności WKŁ,
2009.
4. Nadachowski M., Kulka Z. Analogowe układy scalone. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne,
Warszawa, 1985.
Oprogramowanie używane na zajęciach
Uruchamianie wzmacniacza
Aktualnie wzmacniacz i przeglądarka sygnału Svarog są uruchamiane osobno.
Wzmacniacze łączą się poprzez bluetooth z komputerami, aby nawiązać połączenie
wzmacniacza z komputerem należy:
Podłączyć wzmacniacz do prądu — na wyświetlaczu pojawi się napis „Connect”.
Kliknąć w ikonkę „start wzmacniacz” na pulpicie — w ciągu kilkunastu sekund powinien
się pojawić napis „serial” na wyświetlaczu wzmacniacza.
Aby wyłączyć wzmacniacz, klikamy ikonkę „stop wzmacniacz”.
Svarog
Svarog jest przeglądarką i nagrywarką sygnału, udostępniającą dodatkowo różne funkcje
przetwarzające sygnał — np. filtry i robienie montaży. Aby szybciej nauczyć się obsługi, pamiętajmy
że po przytrzymaniu kursora myszki dłużej nad daną ikonką w menu Svaroga pojawia się objaśnienie
za co ta ikonka odpowiada.
Uruchamianie
Klikamy ikonkę Svarog znajdującą się na Pulpicie.
Upewniamy się, że komputer, na którym jest Svarog oraz komputer, do którego jest
podłączony wzmacniacz, z którego chcemy sczytywać dane są w tej samej sieci (najczęściej
będzie to po prostu ten sam komputer).
Wybieramy z menu górnego zakładkę Monitor → Open Monitor.
Wpisujemy IP komputera z którym chcemy się łączyć (najczęściej będzie to ten sam komputer,
zatem należy podać adres localhost: 127.0.0.1, powinien taki być wpisany domyślnie).
Klikamy Connect.
Wybieramy kanały, które chcemy wyświetlić (domyślnie zgrywają się wszystkie 32 kanały ze
wzmacniacza, z nazwami będącymi numerami kanałów — wybieramy te, do których mamy coś
podłączone, albo więcej, jeśli przewidujemy że będziemy coś dołączać w trakcie zabawy).
Nadajemy kanałom nazwy, jakie chcemy, żeby się wyświetlały: wybieramy w menu „Change
signal montage” → zakładka „Channels”, po prawej tabelka „Target montage”, w kolumnie
„Label” wprowadzamy własne nazwy kanałów.
Możemy kliknąć „enable recording” i podać nazwę pliku do którego będą zapisywane dane.
Klikamy dalej.
Tworzenie montażu
Nagrywanie danych
Aby nagrać dane możemy wybrać taką opcję przy łączeniu się ze wzmacniaczem, bądź w
trakcie działania kliknąć ikonkę z dużą czerwoną kropką w menu Svaroga
Dane zapisują się domyślnie w katalogu Svarog
Powstaje plik .raw, dane są w nim zapisane jako multiplexowane double.