Усилитель биоэлектрических сигналов Советский патент 1991 года по МПК A61B5/04 

00 00 00

4 00

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для усиления и исследования электрических потенциалов органов и тканей, прежде всего мозга и сердца.

Цель изобретения - повышение точности усиления постоянных потенциалов сигнала.

На чертеже представлена схема усилителя.

Усилитель биоэлектрических сигналов содержит предварительный усилитель 1, канал 2 усиления постоянных потенциалов, каналы 3,4 усиления переменных составляющих (число каналов усиления переменных составляющих может быть различным). Предварительный усилитель 1 содержит операционные усилители 5, б дифференци- альные оптроны 7, 8, резисторы 9, конденсатор 10. Каждый дифференциальный оптрон содержит светодиод 11 (12) и по два фотодиода 13, 14 (15, 16). Один из входов усилителя соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 5 и неинвертирующим входом операционного усилителя 6. Второй вход усилителя соединено анодом фотодиода 16 и с общей точкой последовательно соединенных двух резисторов 9. Анод фотодиода 16 соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 5, с инвертирующим входом операционного усилителя бис резистором 9. Выход операционного усилителя 5 соединен с анодом светодиода 11,операционного усилителя 6 - с анодом светодиода 12. Катоды светодиодов соединены с нулевой точкой усилителей 5 и 6. Анод фотодиода 13 соединен с третьим резистором 9 и входами усилителей каналов 2 постоянного потенциала и каналов 3, 4 переменных составляющих. Катод фотодиода 13 соединен с катодом фотодиода 15 и с общей точкой третьего и четвертого резисторов 9. Анод фотодиода 15 соединен с четвертым резистором 9 и с общей шиной корпуса каналов 2, 3, 4. Конденсатор 10 подключен между анодами фотодиодов 14 и 16. В каналы 3, 4 последовательно включены фильтры 17 и 18. Выходы каналов 2, 3, 4 являются выходами усилителя биоэлектрических сигналов.

Сопротивление резисторов 9 выбирается достаточно большим, чтобы ток через светодиоды не превышал допустимой величины при обеспечении необходимого компенсирующего напряжения на этих резисторах, и достаточно малым для уменьшения влияния нелинейного сопротивления фотодиодов на эквивалентную постоянную времени цепи конденсатора 10

в динамическом диапазоне входных сигналов, Емкость конденсатора 10 выбирается так, чтобы произведение этой емкости и удвоенного сопротивления резистора 9 было

равно обратной величине круговой верхней граничной частоты диапазона постоянных потенциалов биоэлектрических сигналов (ниже 0,05 Гц).

Усилитель работает следующим обра0 зом.

Для постоянных потенциалов конденсатор 10 не оказывает влияния на прохождение сигнала. В этом случае при появлении на входе усилителя положительного напря5 жения сигнала на выходе операционного усилителя 5 появляется положительное напряжение, создающее ток через светодиод 11, а на выходе операционного усилителя 6 - отрицательное напряжение, запирающее

0 светодиод 12. Излучение светодиода 11 вызывает появление фотогальванической ЭДС на фотодиоде 14 и, соответственно, падения напряжения на параллельном ему резисторе 9. Это напряжение направлено встречно

5 источнику сигнала и действует как компенсационное напряжение отрицательной обратной связи. При появлении на входе усилителя отрицательного напряжения сигнала ток протекает через светодиод 12, све0 тодиод 11 заперт, компенсирующее напряжение появляется на резисторе, параллельном фотодиоду 16. Компенсирующее напряжение согласно известным соотношениям для схем с последователь5 ной отрицательной обратной связью отличается от напряжения источника сигнала на малую величину 1/(1+К), где К- коэффициент передачи операционного усилителя без обратной связи, умноженный на коэффици0 ент передачи с вето диод-фото диод оптрона по напряжению, что обеспечивает результирующий ток во входном контуре в 1+К раз меньший, чем без обратной связи. Напряжение на резисторах 9, параллельных фото5 диодам 13 и15, равны соответственно

напряжениям на резисторах второй цепи и

. практически равны напряжениям источника

сигнала той или иной полярности и могут

быть переданы далее через канал 2.

0 Для переменных составляющих сигнала компенсирующее напряжение на конденсаторе 10 будет тем меньше напряжения на резисторе, параллельном фотодиоду открытого оптрона, чем выше частота составляю5 щей. Соответствующее напряжение на резисторах 9, параллельных фотодиодам 13 и 15, будет выше компенсируемого напряжения источника биосигнала. В этой области частот усиление предварительного усилителя (передача на вход каналов) для

биосигналов будет пропорциональна частоте. Для передачи шумов оптронов эта зависимость отсутствует, т. е. отношение сигнал/шум оптронов в этой области частот будет улучшаться с ростом частоты,

Анализ математических соотношений в этой схеме дает следующие выражения комплексного коэффициента передачи предварительного усилителя по напряжению: для сигналов

v КД, v 1 .

к т$%гх-

для шумов оптронов (считая шумы фотодио

дов одинаковыми) K 1 J--K&L

1

1 +

)сат

1 +К#

где К - коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи; /30 - коэффициент передачи в цепи обратной связи (напряжения сигнала с выхода операционного усилителя на резистор 9, параллельный фотодиоду открытого оптрона); ft)-круговая частота; , гдеЯ-сопро- тивление резистора 9; С - емкость конденсатора 10.

Эти выражения подтверждают, что в области частот а) 1

frL

отношение

мощности спектральных составляющих сигнала к мощности спектральных составляющих шумов оптронов увеличивается на выходе предварительного усилителя пропорционально квадрату частоты.

Возникающие при таком построении предварительного усилителя частотные искажения спектра сигнала корректируются введенными в каналы переменных составляющих фильтрами с коэффициентами передачи по напряжению, обратно пропорциональными частоте в полосе пропускания соответствующего канала.

Таким образом введение в состав усилителя биоэлектрических сигналов предва- рительного усилителя, содержащего операционные усилители, дифференциальные оптроны, резисторы и конденсатор, со- единенные указанным образом между собой, наряду с введением в каналы усиле- ния переменных составляющих фильтров с обратной пропорциональностью коэффициента передачи частоте позволяет существенно повысить входное сопротивление, уменьшить ток, протекающий в процессе регистрации через биообъект, избежав при этом зашумления слабых высокочастотных составляющих биоэлектрической активно

10

15

2 25

30

35

40

45 0

5

сти мозга шумами оптронов, и тем самым повысить точность измерения постоянных потенциалов мозга.

Дополнительным преимуществом усилителя биоэлектрических сигналов является гальваническая развязка предварительного усилителя и каналов усилителя благодаря передаче сигнала на вход последних через оптроны, что существенно повышает злект- робезопасность клинических исследований мозга и тканей человека.

Формула изобретения

Усилитель биоэлектрических сигналов, содержащий предварительный усилитель, канал усиления постоянных потенциалов и каналы усиления переменных составляющих- сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности усиления постоянных потенциалов сигнала, предварительный усилитель содержит два операционных усилителя, два дифференциальных оптрона , четыре резистора и конденсатор , причем инвентирующий вход i первого операционного усилителя соеди- лнен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя и с анодом первого фотодиода первого оптрона неинвертирующий вход первого опера- , ционного усилителя соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя и с первым входом предварительного усилителя, выход первого операционного усилителя подключен к аноду светодиода первого оптрона, выход второго операционного усилителя подключен к аноду светодиода второго оптрона, катоды све- тодиодов соединены с общей шиной- предварительного усилителя, катоды фотодиодов каждого из оптронов соединены между собой попарно, анод первого фотодиода второго оптрона соединен с вторым входом предварительного усилителя, анод второго фотодиода первого оптрона соединен с шиной корпуса каналов, анод второго фотодиода второго оптрона соединен с входами каналов, резисторы подключены параллельно фотодиодам, конденсатор - между анодами первых фотодиодов оптронов, а к каналам усиления переменных составляющих сигналов дополнительно последовательно подключены частотные фильтры с коэффициентами передачи, обратно пропорциональными частоте в пределах полосы пропускания соответствующих, каналов.

Усилитель биоэлектрических сигналов содержит предварительный усилитель 1, канал 2 усиления постоянных потенциалов и каналы 3, 4 усиления переменных составляющих сигнала, причем предварительный усилитель 1 состоит из операционных усилителей 5, 6 дифференциальных оптронов (ДО) 7, 8 резисторов 9, конденсатора 10. Каждый ДО содержит светодиод 11, 12 и по два фотодиода 13, 14 и 15, 16, а в каналы 3 и 4 последовательно включены фильтры 17 и 18. Цель изобретения - повышение точности усиления постоянных потенциалов. 1 ил.