Каталог статей и схем


Электронные приборы медицинской диагностики. Энцефалографы.
     Измерение и регистрация биотоков в тканях человеческого организма с последующим их анализом имеет большое значение для диагностики ряда заболеваний. Энцефалограф используется для разнообразных электрофизиологических исследований и, прежде всего, для регистрации биотоков мозга и мышц.

     По своей структурной схеме электронный энцефалограф практически не отличается от электрокардиографа. Такое сходство объясняется основным назначением этих приборов - регистрация биотоков, возникающих в различных органах человека. Основное отличие этих приборов в их чувствительности. Энцефалографы обладают большей чувствительностью и лучшими шумовыми показателями, чем электрокардиографы, поскольку первые применяются для регистрации более слабых биотоков мозга и мышц. Эту особенность необходимо учитывать, прежде всего, при разработке усилительного блока энцефалографа.

Указанные особенности были учтены при реализации первого отечественного энцефалографа, разработанного на кафедре электроники МИФИ в 1952 г. Описание этого прибора было опубликовано в журнале «Радио», № 12 за 1955 г.
     В комплект энцефалографа входили два электронных усилителя, обладавшие высокой чувствительностью (с крутизной до 0,7 мА/мкВ) и повышенной помехоустойчивостью, что позволяло помещать блок усилителя вместе с источником питания вне клетки Фарадея, использованной в качестве экрана от электромагнитных помех при записи биотоков мозга. Высокая помехоустойчивость обеспечивалась использова-нием дифференциальных каскадов во всем тракте усилителя, а также рациональным монтажом и хорошей экранировкой схемы.

     В современных разработках тоже следует строить усилительные блоки полностью на дифференциальных каскадах: начиная от входного и кончая выходным. Во входном каскаде не следует использовать полевые транзисторы для обеспечения высокоомного входа, чтобы повысить чувствительность усилителя. Полевые транзисторы обладают более высоким уровнем низкочастотных шумов типа 1/f, амплитуда которых может превосходить амплитуду биотоков мозга и мышц.
     Использование дифференциальных каскадов позволяет разрешить две проблемы. Первая из них связана с необходимостью подавления помех различных происхождений. При соответствующем монтаже входных цепей дифференциальных каскадов можно обеспечить синфазное воздействие сигналов помехи, которые при этом ослабляются дифференциальным каскадом в 103-106 раз (в зависимости от глубины общей отрицательной обратной связи, которая обеспечивается включением в эмиттеры транзисторов высокоомного сопротивления обычно динамического характера).

      Вторая проблема - стабильность режимных токов транзисторов, образующих дифференциальный каскад. Как известно, стабилизация режимных токов производится посредством отрицательной обратной связи достаточной глубины. Однако обычные способы реализации стабилизирующей обратной связи приводят к уменьшению коэффициента усиления пропорционально глубине обратной связи. В дифференциальном каскаде эти противоречия исключаются включением элемента обратной связи в общую цепь эмиттеров или истоков транзисторов. При этом обратная связь оказывает стабилизирующее действие на режимные токи транзисторов. Этой глубокой обратной связью оказываются охваченными синфазные составляющие входных сигналов, в том числе и помехи. Именно благодаря действию этой общей обратной связи и происходит существенное подавление помех, действующих как синфазные сигналы. Что касается парафазных сигналов, включающихся в полезные сигналы, то они не оказываются охваченными общей обратной связью, поэтому они усиливаются существенно.

     Как правило, в качестве элемента обратной связи в дифференциальных каскадах используют источник стабилизированного тока, при помощи которого задаются токи эмиттеров или истоков. Такой способ реализации обратной связи имеет свои достоинства. Он позволяет реализовать глубокую обратную связь без заметного перепада напряжения на элементе обратной связи и, тем самым, высокую стабильность режимных токов и существенное подавление синфазных помех. Глубина этой обратной связи определяется выходным сопротивлением источника стабилизированного тока rк, достигающим десятков и сотен килоом. Использование источника тока, задающего стабилизированные токи в эмиттеры или истоки, способствует еще большей стабильности и уменьшению температурного дрейфа режимных токов дифференциальных каскадов.

     Усилители энцефалографов должны обеспечивать существенное усиление сигналов в полосе пропускания, начиная от единиц герц и кончая килогерцами. Требование к нижней граничной частоте усилителя f/н прибл. (1+2) Гц оказывается затруднительным из-за проблемы подавления низкочастотных шумов 1/f . Именно эта проблема исключает использование усилителей постоянных сигналов прямого усиления с f = 0 (например, интегральных операционных усилителей). Можно применять МДМ-усилитель постоянных сигналов, в котором дрейф и низкочастотные шумы транзисторов не модулируются, поэтому они не поступают на выход. Выпускаемые промышленностью интегральные МДМ-усилители (например, 140УД13) практически не пригодны для этой цели, так как в них не приняты меры для подавления синфазных помех и, кроме того, коэффициент усиления небольшой (всего 10-20).

     В настоящее время применяются усилители переменных сигналов с эквивалентной постоянной времени разделительных RС-дифференцирующих цепей, удовлетворяющей условию тн эк = 1/(2πfн) ~ (0,1-0,2) Гц. При этом во входном дифференциальном каскаде необходимо использовать биполярные транзисторы с возможно низким уровнем шумов 1/f. Влияние шумовых сигналов проявляется в виде нерегулярных медленных колебаний выходного напряжения - около нулевого значения. При снятии энцефалограммы эти колебания проявляются в «перекосе» оси времени. Подбором входных транзисторов с наименьшим уровнем низкочастотных шумов 1/f можно свести эти колебания к минимальной величине. Полностью избавиться от них невозможно. В новых разработках следует применять усилители переменных сигналов с противошумовой коррекцией, позволяющей уменьшить «перекосы» нулевого уровня.

     Так же как и в электрокардиографах, усилители в энцефалографах снабжаются корректором для изменения режимных токов входных транзисторов в допустимых пределах - потенциометром, при помощи которого контролируется чувствительность усилителя с помощью контрольного сигнала, а также уровень нелинейных искажений подачей контрольных сигналов разной амплитуды.

     Поскольку энцефалографы обладают высокой чувствительностью, то в них обычно предусмотрена не только плавная регулировка коэффициента усиления, но и ступенчатая, реализуемая отключением промежуточного каскада усилителя при помощи соответствующей ручки. По этой же причине особые требования предъявляются к источникам питания, в качестве которых используют стабилизированные источники напряжения с глубокой отрицательной обратной связью.
     Обычно применяют двухканальные приборы. Наличие двух каналов позволяет одновременно исследовать биотоки на двух различных участках исследуемого органа.

     Для визуального наблюдения за характером изменения биотоков или для фоторегистрации в первых разработках приборов использовались шлейфовые осциллографы. В настоящее время для этой цели применяют электронно-лучевые осциллографы.
Источник: Т.М.Агаханян, В.Г.Никитаев. Электронные устройства в медицинских приборах. БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005.

Категория: Теоретические статьи. | Добавил: ra0ccn (13.04.2008) | Автор: . E
Просмотров: 7823 | Рейтинг: 5.0/2
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]