CZ2010509A3 - Systém pro merení biologických signálu s potlacením rušení - Google Patents

Abstract

Systém pro merení bioelektrických signálu s efektivním potlacením rušení typu common mode obsahuje tri elektrody (e.sub.1.n., e.sub.2.n., e.sub.3.n.) a dva nediferencní zesilovace (ZS6, ZS7). Pacient, z jehož tela jsou snímány biopotenciály, je zapojen do zpetné vazby invertujícího zesilovace ZS7. Systém s potlacením interference je založen na merení napetí mezi dvema elektrodami (e.sub.1.n.) a (e.sub.2.n.), umístenými na tele cloveka. Snímané napetí je zesilováno pomocí zesilovace (ZS6), pricemž je využito tretí elektrody (e.sub.3.n.) buzené invertujícím zesilovacem (ZS7) k minimalizaci vlivu rušení na merený signál. Elektroda (e.sub.2.n.) je pripojena na vstup invertujícího zesilovace (ZS7) a výstup invertujícího zesilovace (ZS7) je pripojen na elektrodu (e.sub.3.n.). Elektroda (e.sub.1.n.) je pripojena na vstup zesilovace (ZS6), z jehož výstupu je možné odebírat merené napetí (V.sub.O.n.). Toto dosahuje efektivní potlacení externího rušení pri použití dvou merících zesilovacu biopotenciálu.

Description

Systém pro měřeni biologických signálů s potlačením rušeni

Oblast techniky

Předkládané řešeni se týká systémů pro měření biologických signálů, jako je například elektroencefalograf EEG, elektrokardiograf EKG a podobně. Konkrétné se jedna o úlohu změřit z povrchu nebo uvnitř živého organismu, zejména pak těla člověka, rozdíl potenciálů, který odpovídá aktivitě živých tkání.

Dosavadní stav techniky

Situace běžné se vyskytující při měřeni biologických signálů je znázorněna na oř. _la. Elektrody e, a _& jsou připojeny na tělo člověka a jejích signál je měřen diferenčním zesííovačem ZS1, který rozdíl potenciálů elektrod zesílí a převede na výstupní napět, V_a. Současně je však přítomen i zdroj rušení^, který nejčastěji odpovídá rozvodné sítí elektrické energie. Rušeni proniká do tě.a měřeného člověka prostřednictvím impedanci _Ž1 a _δ. které jsou typicky tvořeny parazitními kapacitami mez, clovekem a rušivým zdrojem. Rušivý zdroj a měřící zesilovač mají obvykle oddelene sve nulové potenciály GND1 a GND2. jejichž propojení lze ilustrovat impedanci Při galvanickém odděleni obou potenciálů reprezentuje tato impedance Z_a parazitní kapacitu mezi nulovými potenciály GND1 a GND2 Přítomnost zdroje rušení Vp způsobuje změny potenciálu měřeného subjektu vzhledem k nulovému potenciálu měřícího zesilovače. Tyto změny se pak mohou prenest na výstup diferenčního zesilovače ZS1 jako rušící napětí.

Pro popsání způsobu jakým se rušeni dostává na výstup reálného měřicího diferenčního zesdovače ZSt a s tím spojených technik, které se toto rušení snaží potlačit, je Situace z obr.ta znázorněna zjednodušeným náhradním obvodem na obr.lb. Zdroj rušeni a impedance Z,, Zz, _& jsou zde reprezentovány náhradním Theven,novým obvodem V₅ a _& Pro jednoduchost je zde předpokiádáno, že napětí generovaná mřeným č.ovékem jsou nulová a ceié této, zde reprezentované uzlem e reso ~~ ^lmpedance & ^a & reprezentují impedance elektrod e, a respektive jej.ch nedokonalý kontakt a impedanci povrchové tkáně Reálný

ZZ; ~ ^{JS Ζ06 rePreZent0Vá} zesilovačem _Z1 vstupními impedancemi a Zys. Do těchto vstupních impedanci Z a Z mus, byt navíc implementována galvanická cesta k nulovému potenciálu difeťnčn^ _=Zaby vstupní obvody diferenčního zesítova. _mohly vůbec pracoZ ideálních podmmek jsou impedance _& a shodné a vstupní impedance a JSOU taky shodné. V tomto případě jsou na obou vstupech ideálního na Z? -^β8°^ν30θ ~ ^{naPě 3} ^'^{UPni napě,i je} u^ bez ohledu ve I, ost rusweho napětí Vs. Za reálných podmínek jsou vsak impedance ZE1 a ZE2 Z vTZT^a ^^{se také ,išit v} -— P YS se pak na obou vstupech ideálního diferenčního zesilovače DZ1 objeví ruzna napětí a napětí Vc tak začne ruáivým způsobem ovívat napětí V_a

Pro potlačení tohoto jevu bylo navrženo několik metod Byla navržena různá zapojení měřících zesilovačů která 7^7 · .

impedanci Z _a 7 zabezpečovala velké hodnoty vstupních pedanci a _& cm se potlač! vliv rozdílnosti impedanci Z,, a z_{E2 jak je} uvedeno v A. Miller. Coupling circuit with driven guard, ufepatent 4 191 1_{95 1978} nebo v N.V. Thakor and J.G. Webster Ground electrodes ifff _Tra , Ground-free ecg recording with two

980 T f 7 θ'^{1 BiOmedCa}' ^-27(12)^04 . Toto resem obvykle neumožůuje zmíněné galvanické spojení vstupů měřicího “ “ s nulovým potencíáíem a navíc je tento přístup často nedostačující ^Z

Z t _a ' ^ΡΠ8,υΡυ’θ ^{na Ρ}°^ϋΖί“ ^e,ek,r°^dy' ^Μθ^ΓΖ “ « nap ík ad ΓΖ ' ^T°^to uvádí například B. Winter and J.G. Webster. Reduction of interference due to common mode voltage in biopotentia! amplifiers. IEEE Transactions on BioZca Engineering, _BME-30(1)_:58^, i₉₈₃. _{Konkrétni situace je} nahradm obvod je na obr. 2b. Třetí elektroda je zde označena jako e₃ a její 'mpedanceje označena jako fe. Funkce tohoto obvodu je podobná jako u ob’vodu z

Obr 1b, s tím rozdílem, že pokud je impedance Z_H třetí etektrody e₃ dostatečně maía, způsobí sníženi rušivého nanětí V a tím - * “^{3 f} . * . ^{P a tim snizení} celkového vlivu rušení _na vystupn, napětí V_a. Vstupní _impedance Z* a představují v tomto případě oo vstupní impedanci použitého zesilovače. V případě MOSFETové realizace je to pouze vnitřní kapacita, případně zbytkový proud hradta. Existuj. _však statecne male hodnoty impedance Z_a třetí elektrody e₃ dosáhnout i například v případě. _ie je použito tzv. suchých elektrod které X“ aplikací, ale _{značnou přechodovou} včiZ° ^na °^br· ^3a' ^To'° ^zapo'^ani * ~ euman. Biopotential amplifiers. In J.G. Webster editor i station, John Wiley _& Sons. 1^, _{nebo v} q _{Prutchi and M} “ °^f Γ“' * Sons. 2005 čí _e článku B, Winter and J.G. Webster. Driven-right-leg circuit design IEEE Transactions on Biomedical Engineering. BME-30(1 ) 62¾ Ι9_β3 Toto “ “θ — - Driven _Right ” Cir^í ~ jako obvod nzeni napětí pravé nohy. Pravá noha se uvádí z důvodu že na toto místo se V praxi výstup tohoto obvodu často připojuje. Tento obvod je uspořádá “ signa! z první e.ektrody e, a z druhé etektrody e, je zpraLn om zesilovačů 7^2 => ^J zpracován pomoci dvou ^{252 a nape na} téchto zesilovačů ZS2 a ZS3 se sečte etektrody⁶~ ^{Se Zpět a měfen}« ^akt pomoci tře« ^naP^ ^{PaR ZiSkánO} výstupů zesilovačů ZS2 a ZS3 pomoc, diferenčního zesilovače ZS5. Zesilovače ZS2 a ZS3 a zaoo^H Ί ^2eSll°^VaC ^-^{na obr 3a} j^sou reálné zesilovače. Princip funkce tohoto zapojen, _{lze t na jeho nahradn|m} o

S3 jsou zde modelovány jako kombinace ideálních zesilovačů ZZ2 a 5a P slušných vstupních Impedanci & a _& a _reá!ný Invertujte! zesilovač j_e vytvoří“ ⁿXo^VertUjiC.^{ím ZeSil}°^{VaČern Je Zřejmé}' ^Že “ obvodu^ se yivonia smyčka záporné zpětně vazby která ía h/nř_Qn^ x. - .

772 o '.j ί - ^{Y< KTera tv}°rena ideálními zesilovači 77?

ZZ3 a ideálním invertujícím zesilovačem 774 τ ♦ - ---’ _n ^{J z}«snovacem ZZ4. Tato smyčka minimalizuje součtové napět, výstupů ídeá.ních zesilovačů ZZ2 a ZZ3 _tlm. že působí proti ruěiZnX pnpade. ze zesílení ideálního invertujícího zesilovače ZZ4 roste nade všechny

e. musí součtové napět! výstupů Ídeá.ních zesilovačů ZZ2 a ZZ3 kíesat k nu.e

COZ se v případě nesymetrických signálových cest dosáhne pouze tím. že mvertujíci zesilovač ZZ4 svým výstupem vynuluje napětí V_s a tím vliv odstraní.

ideální rušení

Toto zapojeni se ukázalo jako vysoce efektivní způsob potlačeni sítového rušeni pr, snímaní biologických signálů. Jeho nevýhodou je však komplexnější obvodové resent, které vyžaduje použití čtyř zesilovačů, z čehož jeden je diferenční

Podstata vynálezu

Navrhovaný systém pro měření biologických signálů s potlačením rušení spočívá ve využiti principů stoprocentní záporné zpětné vazby pomoci tři elektrod a pouze vou zesilovačů se společným nulovým potenciálem. Podstatou nového řešení je že první elektroda je připojena na vstup zesilovače, jehož výstup je výstupem systému Druha elektroda je připojena na vstup invertujiciho zesilovače, na jehož výstup je připojena třetí elektroda. Zesilovač a invertující zesilovač máji společný nulový potenciál. ^J

V konkrétním provedeni je možné Invertující zesilovač realizovat například operačním zesilovačem bez zpětné vazby, jehož invertující vstup je připojen na druhou elektrodu, jeho neinvertujlcí vstup je připojen na nulový potenciál a jeho výstup je připojen na třetí elektrodu.

Výhodou navrhovaného řešeni je jednodušší obvodové řešení, které vyžaduje využit, jenom dvou zesilovačů, z kterých ani jeden nemusí být diferenční.

,'Popisř obrázků na výkresech

Na obr. 1a až 3b je uveden dosavadní stav techniky. Přiložený obr 1a znázorňuje system pro měření biologických signálů při dvoubodovém měření biologických signálů a obr. tb znázorňuje zjednodušený náhradní obvod situace z Obr. ta. Obr. 2a znázorňuje situaci při tříbodovém méření biologických sígnáíů a němu pnelusejic, obr. 2b znázorňuje zjednodušený náhradní obvod situace z obr 2a. Obr. 3a znázorňuje situaci při tříbodovém měření biologických signálů s využitím obvodu Driven Right Leg Circuit, jehož zjednodušený náhradní obvod je uveden na

Přiklad systému pro měřeni biologických signálů s potlačením .ušení podle předkládaného řešeni je pak uveden na obr. 4a. 0br.4b znázorňuje zjednodušený náhradní obvod zapojení z obr. 4a.

Příklat/ provedení vynálezu

Přiklad provedení navrhovaného uspořádání systému pro méření biologických signálu je na obr. 4a. Zesilovač ZS6 je svým vstupem připojen na první elektrodu e, a na jeho výstupu je odebírán zesílený výstupní signál. Invertujicí zesilovač ZS7 je svým vstupem připojen na druhou elektrodu a jeho výstup je připojen na třetí elektrodu &. Zesílení zesilovače ZS6 je dané požadavkem na zesílení rozdílového napět, mez, první elektrodou e, a druhou eíetkrodou _fc. Zesílení invertujiciho zesilovače ZS7 je záporné a v absolutní hodnotě co možná největší, ideálně nekonečné. K dosažení tohoto cíle je s výhodou například možné použít operační zesilovač bez zpětné vazby. Neinvertujici zesilovač a invertujicí zesilovač mají společný nulový potenciál.

Pro vysvětlení funkce tohoto uspořádání je na obr. 4b znázorněný jeho zjednodušený náhradní obvod, impedance první elektrody e,. druhé elektrody e, a treti elektrody _& jsou zde reprezentovány náhradními impedancemi, a to p™i náhradní impedancí druhou náhradní impedanci Z_E2 a třetí náhradní impedanci

Reálný zesilovač ZS6 je zde reprezentován ideálním zesilovačem ZZ6 a první vstupní impedancí Z» a reálný invertujicí zesilovač ZSZ je zde reprezentován ideálním mvertujícim zesilovačem ZZ7 a druhou vstupní impedancí Z„ Všechny zdroje rušivých napětí jsou reprezentovány zdrojem rušení v_s a jeho výstupní impedancí _& V obvodu je také zahrnut zdroj signálu V,, který reprezentuje napětí vytvořené biologickými tkáněmi v měřeném subjektu. Je zřejmé, že smyčka záporné zpětně vazby je tvořena ideálním inverujicim zesilovačem ZZ7, druhou náhradní impedancí třetí náhradní impedancí Z_EJ_a druhou vstupní impedancí Z_v7 Přítomnost teto smyčky způsobí, že v případě, že zesílení ideálního ínvertujíciho zesilovače ZZ7 roste nade všechny meze, napětí na jeho vstupu bude nulové Vzhledem k nulovému vstupnímu proudu ideálního ínvertujíciho zesilovače ZZ7 bude pak , napětí Ve nulové. Tím se eliminuje přítomnost rušení v uzlu C. Výstupní napétl Yp je pak dáno jenom zdrojem signálu impedančním děličem tvořeným první náhradní impedancí _& a první vstupní impedancí Z^ a zesílením ideálního zesilovače ZZ6. Zdroj rušení Vs výstupní napětí V_Q neovlivňuje.

Podobně jako zapojení Driven Right Leg Circuit je i zapojení na obr. 4a schopno eliminovat rušení, nicméně je realizováno s podstatně jednodušším obvodem, kdy je namísto ctyr zesilovačů, ze kterých jeden musí být diferenční, použito pouze dvou nediferenčních zesilovačů.

Pro úplnost je ještě uveden popis funkce systému s reálnými seučástkami podle o r.4a. Zesilovač ZS6 zesiluje napětí první elektrody vůči společnému nulovému potenciálu. Invertující zesilovač ZS7 zesiluje napětí druhé elektrody _& opět vůči společnému nulovému potenciálu a jeho výstupní napětí je přivedeno zpět na meteny subjekt prostřednictvím třetí elektrody _& Invertující zesilovač ZS7 takto vytvoř, smyčku stoprocentní záporné zpětné vazby, která se uzavírá přes měřený subjekt a způsebí. že potenciál v místě aplikace druhé elektrody & bude téměř shodný s nulovým potenciálem zesilovače ZS6 a ínvertujíciho zesilovače ZS7 Výstupní napětí zesilovače ZS6 pak odpovídá rozdílovému napětí mezí p^i elektrodou e, a druhou elektrodou Toto řešení vykazuje vysokou odolnost proti rušení, kdy měřené napětí není ovlivněné jinými zdroji rušeni a přitom vyžaduje použití jenom dvou obyčejných nediferenčních zesilovačů.

Průmyslová využitelnost

Vynález lze využít při měřeni biologických signálů, jako je například elektroencefalogram, elektrocardiogram. a podobně, přičemž je odolný vůči elektromagnetické interferenci. Jeho výhodou je jednoduché obvodové řešeni

Claims (2)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Systém pro měřeni biopotenciálů sestávající ze tři elektrod pro připojeni na živý organizmus a ze dvou zesilovačů.vyznačující se tím, že první elektroda (e,) je připojena na vstup zesilovače (ZS6). jehož výstup je výstupem systému, druhá elektroda (¾) je pnpojena na vstup invertujícího zesilovače (ZS7), na jehož výstup je připojena třetí elektroda (e₃), přičemž zesilovač (ZS6) a invertujíci zesilovač (ZS7) mají společný nulový potenciál.
2. 2, Systém pro měřeni biopotenciálů podle nároku 1, vyznačující se tím že mvertující zesilovač (ZS7) je tvořen operačním zesilovačem bez zpětné vazby, jehož invertujíci vstup je připojen na druhou elektrodu (e₂), jeho neinvertující vstup je připojen na nulový potenciál a jeho výstup je připojen na třetí elektrodu (e₃).