Усилитель биопотенциалов Советский патент 1985 года по МПК A61B5/04 

3

Выход

УСИЛИТЕЛЬ БИОПОТЕНЦИАЛОВ, содержащий последовательно соединенные блок усиления, модулятор, первый разделительный трансформатор, демодулятор и фильтр низкой частоты, и последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, выход которого соединеи с вторым входом демодулятора, и второй разделительный трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к второму входу модулятора, отличающийся тем, что, с целью снижения уровня помех, в него введен блок задержки, включенный между выходом генератора тактовых импульсов и вторым входом демодулятора.

iij

т тятЛ

NU со СП

фиг./ Изобретение относится к медицинской технике, а именно к усилителям биопотенциалов, используемых в устройствах регистрации биоэлектрической активности сердца при условии электрической изоляции пациента от заземления и от цепей питания. Известен усилитель биопотенциалов с гальванической развязкой, входящий в состав многоканального электрокардиографа и содержащий блок усиления, разделительные трансформаторы для передачи питания в блок усиления и передачи сигнала от блока усиления на входную щину, модулятор на управляемом ключе, генератор тактовых импульсов и демодулятор 1. Однако в связи с тем, что в этом устройстве применена асинхронная демодуляция, используется только половина динамического выходного диапазона блока усиления изолированной входной части усилителя биопотенциалов, а это существенно снижает допустимый уровень напряжения поляризации, возникающего на электродах электрокардиографа. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является усилитель биопотенциалов, содержащий последователь но соединенные блок усиления, модулятор, первый разделительный трансформатор, демодулятор и ,фильтр низкой частоты, и последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с вторым входом демодулятора, и второй разделительный трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к второму входу модулятора. Это устройство благодаря синхронному процессу модуляции - демодуляции позволяет полностью использовать выходной динамический диапазон блока усиления изолированиой части, обеспечивает рабо ту при значительно большем уровне поляризации электродов 2. Недостатком известного усилителя биопотенциалов является искажение полезного сигнала помехами, пропорциональными напряжению поляризации на электродах электрокардиографа, что обусловлено несинфазностью работы модулятора и демодулятора. Цель изобретения - снижение уровня помех. Поставленная цель достигается тем, что в усилитель биопотенциалов, содержащий пО следовательно соединенные блок усиления, модулятор, первый разделительный трансформатор, демодулятор и фильтр низкой частоты, и последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с вторым входом демодулятора, и второй разделительный трансформатор, вто ричная обмотка которого подключена к второму входу модулятора, введен блок задержки, включенный между выходом генератора тактовых импульсов и вторым входом демодулятора. На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы его работы; на фиг. 3 принципиальная электрическая схема одного из вариантов блОка задержки; на фиг. 4 - временные эпюры напряжений в оцифрованных точках схемы, приведенной на фиг. 3. Усилитель биопотенциалов содержит последовательно соединенные блок 1 усиления, модулятор 2, первый разделительный трансформатор 3, демодулятор 4 и фильтр 5 низкой частоты, последовательно соединенные генератор 6 тактовых импульсов и второй разделительный трансформатор 7, вторичная обмотка которого подключена к второму (управляющему) входу модулятора 2, и блок 8 задержки, включенный между выходом генератора 6 тактовых импульсов и вторым (управляющим) входом демодулятора 4. Модулятор 2 и демодулятор 4 содержат чаще всего ключевую схему, выполненную на биполярном или полевом транзисторе, и цепь управления ключевой схемы. Усилитель биопотенциалов работает следующим образом. Биосигнал, например электрокардиограмма, снимаемая с пациента при помощи электродов, совместно с напряжением поляризации электродов усиливается блоком 1 усиления и подается на вход модулятора 2 (напряжение Us на фиг. 2а - биосигнал, Un - напряжение поляризации электродов). Ключевая схема модулятора 2 периодически коммутируется на первичную обмотку первого разделительного трансформатора 3. Период этой коммутации определяется последовательностью импульсов Us (фиг. 26), поступающих от генератора 6 тактовых импульсов. Однако импульсы тактового генератора 6, проходя через второй разделительный трансформатор 7, задерживается на время tsi (напряжение Uz на фиг. 2 в). Приняв для определенности, что ключевые схемы модулятора 2 и демодулятора 4 замкнуты во время действия положительных импульсов напряжений, управляющих ключевыми схемами (Uj на фиг. 2в, U на фиг. 28 соответственно), можно представить напряжение Uj-, иа первичной обмотке первого разделительного трансформатора 3 так как это показано на фиг. 2г. Во время, когда ключевая схема модулятора 2 замкнута, это напряжение повторяет напряжение на выходе блока 1 усиления. Во время разомкнутого состояния в первом разделительном трансформаторе 3 идут переходные, процессы и величина выбросов напряжения U- во время этих процессов пропорциональна напряжению поляризации, а оно может на порядки превышать напряжение биосигнала.

Для того, чтобы эти переходные процессы не передавать на выходную шину усилителя биопотенциалов через синхронно коммутирующийся демодулятор 4, передний фронт импульсов и, (фиг. 2о), замыкающих ключевую схему демодулятора 4, быть задержан на время tjg, больщее, чем t,, что достигается пропусканием импульсной последовательности U (фиг. 26) через блок 8 задержки, производящий задержку переднего фронта тактовых импульсов. В результате на вход фнльтра 5 низкой частоты, осуществляющего сглаживание выходного сигнала, поступает последовательность импульсов Uj (фиг. 2е), огибающая которых пропорциональна только входному биосигналу.

Пример. Блок усиления реализован на интегральной микросхеме К284УД1А, а в качестве ключевых схем модулятора 2 и демодулятора 4 применены МДП-полевые транзисторы типа КП304А. Первый и второй разделительные трансформаторы 3 и 7 выполнены на ферритовых кольцах 2000НМ1, причем первичная и вторичная обмотки трансформаторов намотаны каждая на своем кольце, оба кольца соединены витком связи, образуя трансформатор с повыщенной электрической прочностью между обмотками. Генератор 6 тактовых импульсов работает на частоте 50 кГц. Схема блока 8 задержки изображена на фиг. 3. Работа этого блока иллюстрируется диаграммами на фиг. 4.

Тактовый импульсы U( (фиг. 4а) подводится к точке 1 схемы (фиг. 3). Эпюра напряжения Uj (фиг. 46) в точке 2 (фиг. 3) отражает тот факт, что заряд и разряд конденсатора С .производятся с разными постоянными времени. Постоянная времени заряда определяется, в основном, резистором R, в то время, как разряд производится через диод Д почти мгновенно. Транзистор

Т благодаря этому открывается не с момента появления тактового импульса, а в тот момент, когда изменяющееся по экспоненте напряжение на базе транзистора U, (фиг. 4в не достигает порогового напряжения отпирания кремниевого транзистора Т, (Unop

0,76). Поэтому передний фронт выходного напряжения U (фиг. 4г) оказывается задержанным на время tjj, определяемое емкостью С и резисторами базовой цепи транзистора Т.

В данном варианте усилителя биопотенциалов задержка тактовых импульсов во втором разделительном трансформаторе 7 составляет ,7 МКС.

Блок 8 задержки переднего фронта тактовых импульсов спроектирован на время

задержки ,5 мкс. (С, 680 пФ, R 0,15 кОм, кОм, Ri 3,3 кОм).

Предлагаемый усилитель биопотенциалов использован в электрокардиографе ЭК1К, что расширяет допустимый диапазон напряжения поляризации электродов до 300 мВ по сравнению с напряжением 150 мВ у прототипа при погрешности измерения напряжения . Электрокардиограф может быть использован непосредственно после акта дефибрилляции, вызывающего большую поляризацик) электродов, что дает возможность более оперативного врачебного вмешательства в экстренных случаях. Кроме того, вместо серебросодержащих электродов могут быть использованы электроды из нержавеющей стали.

Уэ (

Vn

П. р п п п п п п

l.tjT

Vz

П|итяпш

у.

iElL.

n Л

l/лор

п п

г

(риг.