МНОГОКАНАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ БИОПОТЕНЦИАЛОВ Российский патент 2000 года по МПК A61B5/05 

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в устройствах для регистрации и автоматической обработки биоэлектрических сигналов.

Многоканальный усилитель биопотенциалов входит в состав многих устройств для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы (см., например, [1]), обеспечивая съем потенциалов, необходимых для формирования общепринятых отведений электрокардиограмм (ЭКГ). Надежность и качество съема биопотенциалов в значительной степени определят технические и эксплуатационные характеристики диагностической аппаратуры.

Известен многоканальный усилитель биопотенциалов, описанный в работе [2] . Этот усилитель содержит электроды для съема биопотенциалов с грудной клетки пациента, электроды для съема биопотенциалов с конечностей пациента и двенадцать инструментальных усилителей.

Многоканальный усилитель [2] обеспечивает съем потенциалов электрокардиограмм (ЭКГ), которые используются для формирования двенадцати общепринятых отведений ЭКГ.

Его недостатком является отсутствие анализа качества установки электродов и работоспособности каналов усиления сигналов, снимаемых с тела пациента.

Известен многоканальный усилитель биопотенциалов, являющийся по технической сущности наиболее близким к предлагаемому [3].

Многоканальный усилитель-прототип содержит электроды для снятия биопотенциалов, мультиплексор, блок управления мультиплексором, дифференциальный усилитель, модулятор, блок гальванической развязки, усилитель модулированного сигнала, генератор тактовых импульсов, демультиплексор, блок управления демультиплексором, блок анализа, блок индикации, блоки демодуляции, блок весовых цепей, блоки полосовых фильтров и блок логической обработки. Изобретение [3] позволяет использовать устройство для съема как биполярных, так и униполярных электрокардиографических отведений, обеспечивает повышение чувствительности и контроля к нарушениям контакта между кожей пациента и электродами для снятия биопотенциалов, а также локализацию и индикацию места нарушения контакта.

Недостатком многоканального усилителя-прототипа является его сложность, что ограничивает применение усилителя особенно в компактных приборах с малым потреблением тока.

Задачей изобретения является упрощение многоканального усилителя биопотенциалов.

Указанная задача решается тем, что в многоканальный усилитель биопотенциалов, содержащий электроды для съема биопотенциалов, блок анализа и блок индикации, введены девять операционных усилителей, десять резистивных делителей напряжения и формирователь тестовых импульсов частотой (8-12) Гц, при этом резистивные делители с первого по восьмой включены между выходами соответственно с первого по восьмой операционных усилителей и выходом девятого операционного усилителя, выходы резистивных делителей напряжения с первого по восьмой соединены с инвертирующими входами соответственно с первого по восьмой операционных усилителей, девятый резистивный делитель напряжения включен между выходом девятого операционного усилителя и выходом десятого резистивного делителя напряжения, подключенного к выходу формирователя тестовых импульсов частотой (8-12) Гц, выход девятого делителя напряжения соединен с инвертирующим входом девятого операционного усилителя, неинвертирующие входы операционных усилителей с первого по восьмой соединены соответственно с первого по восьмой электродами для снятия биопотенциалов, неинвертирующий вход девятого операционного усилителя соединен с девятым электродом для снятия биопотенциалов с левой ноги пациента, выходы операционных усилителей с первого по восьмой соединены соответственно с первого по восьмой входами блока анализа, выход которого соединен с входом блока индикации, сопротивления резисторов резистивных делителей напряжения удовлетворяют условию

где R1₁, . .., R1₁₀ - сопротивления первого резистора резистивных делителей напряжения с первого по десятый, соответственно, R2₁,..., R2₁₀ - сопротивления второго резистора резистивных делителей напряжения с первого по десятый, соответственно.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема многоканального усилителя биопотенциалов.

На фиг 1,2 обозначены:
1,..., 9 - электроды для съема биопотенциалов,
10,..., 18 - операционные усилители,
19,..., 28 - резистивные делители напряжения,
29, . . ., 38 - первые резисторы резистивных делителей 19,..., 28, соответственно,
39, . . ., 48 - вторые резисторы резистивных делителей 19,..., 28, соответственно,
49 - формирователь тестовых импульсов,
50 - блок анализа,
51 - блок индикации,
52 - электрод нулевого потенциала,
53 - грудная клетка пациента,
54 - правая верхняя конечность,
55 - левая верхняя конечность,
56 - правая нижняя конечность,
57 - правая нижняя конечность.

Многоканальный усилитель биопотенциалов содержит электроды 1-9 для съема биопотенциалов с грудной клетки и конечностей пациента, подключенные к неинвертирующим входам операционных усилителей 10-18. Электроды 1-9 имеют обычную конструкцию электродов, применяемых в электрокардиографам. Операционные усилители 10-18 должны иметь достаточно высокое входное сопротивление и небольшие входные токи. В качестве операционных усилителей могут использованы, например, операционные усилители серии К544УД1. Неинвертирующие входы операционных усилителей 10-18 могут соединяться с электродами 1-8 непосредственно или через входные цепи, выполняющие роль элементов защиты операционных усилителей, через фильтрующие цепочки и тому подобные элементы.

Операционные усилители 10-18 охвачены отрицательной обратной связью по напряжению с помощью резистивных делителей 19-28. Делители 19-26 включены между выходами операционных усилителей 10-17 и выходом операционного усилителя 18. Операционный усилитель 18 охвачен отрицательной обратной связью по напряжению с помощью резистивного делителя 27 и резистивного делителя 28. Резистивный делитель 27 включен между выходом операционного усилителя 18 и выходом резистивного делителя 28. Резистивные делители 19-28 выполнены на резисторах 29-48. Сопротивление резисторов 29,..., 38 составляет R1₁,..., R1₁₀, соответственно. Сопротивление резисторов 39-48 составляет R2₁,..., R2₁₀ соответственно. При этом для значений сопротивлений резисторов 29-48 должно выполняться условие (1). Абсолютные значения сопротивлений резисторов 29-48 могут находиться в широком диапазоне. Обычно значения сопротивлений резисторов 29-48 выбирают в пределах от единиц до сотен килоом.

К входу делителя 28 подключен формирователь 49 тестовых импульсов частотой (8-12) Гц, который может быть выполнен по любой известной схеме импульсного генератора или делителя частоты генератора тактовых импульсов цифровых устройств, совместно с которыми работает многоканальный усилитель биопотенциалов.

Выходы операционных усилителей 10-17 подключены к соответствующим входам блока 50 анализа. Блок 50 может быть выполнен по различным схемам. Например, в каждом канале блок 50 анализа может содержать последовательно соединенные полосовой фильтр, усилитель напряжения переменного тока, детектор и двухпороговый компаратор, сигнал на выходе которого появляется при выходе за пределы допуска сигнала на его входе.

При цифровом построении устройств обработки сигналов блок 50 анализа может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенного коммутатора, входы которого являются входами блока 50 анализа, аналого-цифрового преобразователя и вычислителя, анализирующего параметры сигналов на выходах операционных усилителей 10-17 и сравнивающего их с заданными значениями.

Одноканальный или многоканальный выход блока 50 анализа подключен к входу блока 51 индикации, который может быть выполнен в виде табло, монитора персонального компьютера и т.п.

Предлагаемый многоканальный усилитель биопотенциалов работает следующим образом.

Электроды 1 и 2 (электроды R и L) устанавливают соответственно на правой и левой верхних конечностях 54 и 55 пациента. Электроды 3-8 (электроды C1-C6) устанавливают на грудной клетке 53 пациента. Электрод 9 (электрод F) устанавливают на левой нижней конечности 57 пациента, а электрод 52 (электрод N), соединенный с шиной нулевого потенциала, - на правой нижней конечности 56 пациента.

Сигналы, снимаемые с электродов 1-8, поступают на входы операционных усилителей 10-17. Сигнал, снимаемый с электрода 9, поступает на вход операционного усилителя 10 и после усиления используется для компенсации синфазной аддитивной помехи, действующей на всех электродах. Одинаковое усиление всех биопотенциалов и компенсация помехи достигается благодаря выполнению условия (1). Усиленные операционными усилителями 10-17 сигналы используют для формирования общепринятых отведений, необходимых для снятия электрокардиограмм.

При проведении контроля одновременно с усилением полезных сигналов на выходе операционных усилителей 10-17 формируются тестовые сигналы, поступающие через операционный усилитель 18 от формирователя 49. Если все электроды 1-9 наложены правильно, электрические соединения исправны, а операционные усилители 10-18 работают нормально, на выходах усилителей 10-17 тестовые сигналы имеют заданное значения. Блок 50 анализа формируют сигнал исправности, который поступает на блок 51 индикации.

В случае, если хотя бы один из электродов 1-9 наложен неправильно, неисправно хотя бы одно электрическое соединение или один из операционных усилителей 10-18, сигнал на выходе одного или нескольких операционных усилителей 10-17 не будет соответствовать норме, блок 50 зафиксирует неисправность и передаст соответствующий сигнал на индикатор 51, который отобразится на нем и заблокирует недостоверное измерение электрокардиограммы. После устранения неисправности блок 50 анализа выявит соответствие норме параметров многоканального усилителя биопотенциалов.

Таким образом, в предлагаемом усилителе биопотенциалов обеспечивается возможность простыми средствами обеспечить автоматический контроль работоспособности.

Промышленная применимость изобретения определяется тем, что многоканальный усилитель может быть изготовлен на основании приведенного описания и чертежей и использован в устройствах для регистрации и автоматической обработки биоэлектрических сигналов.

Источники информации
1. Свидетельство РФ N 8583 на ПМ, МПК A 61 В 5/02, опубл. 16.12.98 г.

2. Mike Curtin. Sigma-delta techniques reduce hardware count and power consumption in biomedical analog front ends. Analog dialoge 28-2, 1994, pp. 6-7.

3. Свидетельство СССР N 1821136 на изобретение, A 61 B 5/05, опубл. 15.06.93 г. (прототип).

Изобретение используется в медицинской технике, в устройствах для регистрации и автоматической обработки биоэлектрических сигналов. В многоканальный усилитель биопотенциалов, содержащий электроды для съема биопотенциалов, блок анализа и блок индикации, введены девять операционных усилителей, десять резистивных делителей напряжения с заданными соотношениями сопротивлений резисторов и формирователь тестовых импульсов частотой 8-12 Гц. Резистивные делители с первого по восьмой включены между выходами соответственно с первого по восьмой операционных усилителей и выходом девятого операционного усилителя, выходы резистивных делителей напряжения с первого по восьмой соединены с инвертирующими входами соответственно с первого по восьмой операционных усилителей, девятый резистивный делитель напряжения включен между выходом девятого операционного усилителя и выходом десятого резистивного делителя напряжения, подключенного к выходу формирователя текстовых импульсов частотой 8-12 Гц. Выход девятого делителя напряжения соединен со входом девятого операционного усилителя, неинвертирующие входы операционных усилителей с первого по девятый соединены соответственно с первого по девятый электродами для снятия биопотенциалов, выходы операционных усилителей с первого по восьмой соединены со входами с первого по восьмой блока анализа, выход которого соединены с входом блока индикации. Изобретение упрощает многоканальный усилитель потенциалов за счет схемных решений. 2 ил.

Многоканальный усилитель биопотенциалов, содержащий электроды для съема биопотенциалов, блок анализа и блок индикации, отличающийся тем, что в него введены девять операционных усилителей, десять резистивных делителей напряжения и формирователь, тестовых импульсов частотой 8 - 12 Гц, при этом резистивные делители с первого по восьмой включены между выходами соответственно с первого по восьмой операционных усилителей и выходом девятого операционного усилителя, выходы резистивных делителей напряжения с первого по восьмой соединены с инвертирующими входами соответственно с первого по восьмой операционных усилителей, девятый резистивный делитель напряжения включен между выходом девятого операционного усилителя и выходом десятого резистивного делителя напряжения, подключенного к выходу формирователя тестовых импульсов частотой 8 - 12 Гц, выход девятого делителя напряжения соединен с инвертирующим входом девятого операционного усилителя, неинвертирующие входы операционных усилителей с первого по восьмой соединены соответственно с первого по восьмой электродами для снятия биопотенциалов, неинвертирующий вход девятого операционного усилителя соединен с девятым электродом для снятия биопотенциалов с левой ноги пациента, выходы операционных усилителей с первого по восьмой соединены соответственно с первого по восьмой входами блока анализа, выход которого соединен с входом блока индикации, сопротивления резисторов резистивных делителей напряжения удовлетворяют условию

где R1₁, ..., R1₁₀ - сопротивления первого резистора резистивных делителей напряжения с первого по десятый соотвественно;
R2₁, . .., R2₁₀ - сопротивления второго резистора резистивных делителей напряжения с первого по десятый соответственно.