Усилители биопотенциалов

Усилители являются важной частью оборудования, используемого для регистрации биопотенциалов. Они применяются в электрокардиографах, электроэнцефалографах, электромиографах и т.д. Биопотенциалы имеют малую амплитуду, а электрическое сопротивление их источника может быть очень велико. Усилители, специально изготовленные для работы с электрическими сигналами биологического происхождения, называются усилителями биопотенциалов.

Главной задачей усилителя биопотенциалов является увеличение амплитуды сигнала до уровня, необходимого для дальнейшей регистрации и обработки. Обязательным условием усиления биопотенциалов является точное сохранение их формы. Обычно требуется усиление по напряжению, поэтому усилитель биопотенциалов должен иметь высокое входное сопротивление. Современные усилители имеют входное сопротивление не менее 10 МегаОм.

Частотная характеристика усилителя биопотенциалов должна соответствовать частоте исследуемых сигналов. Обычно амплитуда биопотенциалов составляет единицы милливольт и ниже, вплоть до десятков микровольт. Они должны быть усилены до уровня, совместимого с регистратором. Это значит, что усилитель должен иметь большой коэффициент усиления, порядка 1000 или даже значительно выше.

При регистрации биопотенциалов важна не только их форма, но и амплитуда. Поэтому коэффициент усиления должен быть известен. Для этого необходима калибровка с помощью образцового (стандартного) сигнала, который можно временно подключать к входу.

Необходим барьер между входными цепями, подключаемыми к пациенту, и остальной частью электронной схемы. В случае случайной подачи сетевого напряжения этот барьер должен предотвратить протекание опасного тока через входную цепь.

При регистрации биопотенциалов необходима борьба с помехами (наводками). Один из главных источников наводок – городская электросеть 50 Гц напряжением 220 В. Электрическая наводка передается через электрическое поле, которое окружает провода и подключенные к ним аппараты и приборы. Другим источником наводок является магнитное поле, создаваемое током, текущим в проводах, трансформаторах и т.д. Электрические сигналы, возникающие в объекте в результате наводок, могут значительно превосходить по своей величине биопотенциалы.

Для подавления наводок применяются специальные схемы усилителей (дифференциальные усилители), которые обеспечивают высокий коэффициент усиления для биопотенциалов и очень слабое усиление «наведённых» электрических сигналов.

Ещё одним способом борьбы с наводками является экранирование их источников c помощью листового железа или металлической сетки, которые служат «экранами» от внешних полей (электрического и магнитного). Металлические экраны соединены с шиной заземления. Применяют также экранирование пациента или даже всего помещения, в котором проводится исследование. В определённых случаях, например при регистрации электрокардиограммы, подавление наводок достигается путем заземления тела пациента.

Примером прибора, использующего усилитель биопотенциалов, может служить электрокардиограф. Ниже приводится перечень основных его блоков и схема их соединения (рис. 9).

Рис. 9. Блок-схема электрокардиографа

1. Схема защиты обеспечивает защиту входных цепей прибора от случайного воздействия высоких напряжений.

2. Коммутатор отведений позволяет выбирать электроды, которые подключаются в разных отведениях к входу усилителя.

3. Калибратор позволяет записывать калибровочный сигнал амплитудой 1мВ.

4. Предусилитель предназначен для начального усиления ЭКГ. Должен иметь высокое входное сопротивление и полосу пропускания, соответствующую ЭКГ.

5. Блок изоляции (изолирующий усилитель) служит для создания барьера по постоянному току между цепями, присоединенными к пациенту, и остальной частью схемы.

6. Выходной усилитель мощности предназначен для усиления ЭКГ до уровня, необходимого для регистрации на самописце и ввода в блок памяти.

7. Блок памяти служит для сохранения записанных электрокардиограмм, которые предварительно преобразуются в цифровую форму.

8. Самописец или принтер служат длязаписи или распечатки ЭКГ на бумаге.

9. Компьютер осуществляет управление работой электрокардиографа в целом с помощью соответствующих программ.