Контрольная работа по "Схемотехника"

Для установки полосы пропускания усилителя на каждом из каналов имеются регуляторы фильтров высокой и низкой частоты. Фильтр низкой частоты определяет верхний предел частот, будут без искажения пропускаться усилителем.

Рис. 13. Структурная схема электроэнцефалографа.

Современные электроэнцефалографы позволяют регулировать пределы частот от 1500 до 15 Гц. Фильтры низкой частоты используют обычно в тех случаях, когда в записи присутствуют высокочастотные помехи, которые не могут быть исключены другим способом. В частности, при обследовании некоторых больных невозможно добиться достаточного расслабления; в таких случаях для исключения из ЭЭГ информации мышечной активности приходится пользоваться фильтрами высоких частот. Регулировка нижней полосы пропускания электроэнцефалографа используют фильтрами высоких частот путем изменения постоянной времени усилителя. Ограничение нижней полосы пропускания прибора необходимо для исключения из записи информации о медленных изменений потенциала кожи , изменений потенциала , связанных с незначительными смещениями электродов и изменениями в области контакта между кожей и электродом . По международному стандарту в электроэнцефалографии принята постоянная времени усилителя , равная 0,3 секунды , которая обеспечивает неискаженную регистрацию всех основных низкочастотных составляющих ЭЭГ. Чем больше постоянная времени , тем более низкочастотных составляющих пропускается усилителем.

    Для стандартизации  режима работы электроэнцефалографа  применяют калибровочное  устройство. Устройство подает одновременно  на входы всех усилителей сигнал  попеременно положительной и  отрицательной полярности, амплитуда  которого может быть различной  в зависимости от выбранного  масштаба усиления. Для записи  ЭЭГ используют стандартный калибровочный  сигнал, соответствующий 50 мкВ.    Для проверки качества установки электродов также омметр, позволяющий измерить сопротивление в области контакта электрода с исследуемым объектом. Для получения правильной записи это сопротивление не должно превышать 20 кОм. После усиления сигнал подается в блок регистрации электроэнцефалографа.     Кроме того, из блоков предварительного усиления соответствующая информация может быть выведена с помощью дополнительных выходов на внешние системы регистрации или обработки : магнитописець, катодный осциллограф , анализатор - интегратор или специализированную ЭВМ . 
           В зависимости от особенностей конструкции блок регистрации электроэнцефалографа может содержать еще один каскад усиления или регуляторы нулевого уровня электроэнцефалографического записи . После этой степени усиленные электрические потенциалы подаются на катушки магнитоэлектрических чернила пишущих гальванометров . Переменное магнитное поле, возникающее в катушке в результате прохождения тока ЭЭГ , заставляет ее вращаться в поле постоянного магнита в направлении , зависящем от направления тока в катушке , и со скоростью и амплитудой , соответствующими изменениям тока . Запись этих механических движений производится металлическим капиллярным пером , связанным с катушкой гальванометра , на движущейся бумажной ленте чернилами , которые подаются в капилляр по гибкой трубочке из чернильницы. 
       Для осуществления движения бумажной ленты с постоянной скоростью в регистрирующем блоке лентопротяжный . Стандартная скорость записи , одобренная в клинической электроэнцефалографии , составляет 30 мм / с. При записи ЭЭГ ночного сна принят международный стандарт 15 мм / с. В блоке регистрации есть отдельные тумблеры для включения и выключения перья гальванометра и двигателя лентопротяжного .

      Использование  металлического пера для регистрации  ЭЭГ вносит дополнительные изменения  в запись . Металлическое перо  обладает существенной инерционностью  и собственной резонансной частотой , что приводит разную точность  воспроизведения колебаний в  различных диапазонах частот. Колебания  потенциала частотой выше 80-100 Гц  металлическими пером воспроизведены  быть не могут, что и определяет  истинную верхнюю полосу регистрируемой  активности . Кроме того , частота  выше 30-40 Гц также оказываются  несколько заниженной по амплитуде , что ограничивает возможности  изучения с помощью чернильной  записи ритмов ЭЭГ в диапазоне  р и у- частот. Из сказанного  следует, что ограничение с помощью  регуляторов частоты верхней  полосы пропускания до 70-100 Гц  не внесет существенных изменений  в регистрируемую активность.     Компьютеризированные устройства  в принципе обеспечивают воспроизведение  любых частот, и конкретная полоса  пропускания определяется только  специализацией и степени универсальности  электроэнцефалографическое установки. В цифрового  электроэнцефалографу ЭЭГ записывается на диск компьютера с одновременным выводом изображения на экран. По окончании регистрации нужные страницы записи могут быть выведены в виде бумажной копии на принтере или самописца.      На рис. 20 представлена ​​типичная структурная схема цифрового электроэнцефалографа. Чаще всего такие системы встречаются на основе персонального компьютера, реже - на основе встроенного процессорного блока.  Цифровые электроэнцефалографы, как и аналоговые, имеют входные коммутаторы, предусилители и фильтры. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) обеспечивает возможность использования компьютера для дальнейшей обработки и хранения сигналов.

     При достаточном  быстродействии компьютера и  канала ввода данных фильтрация  сигналов может производиться  программно, что упрощает построение  аналоговых фильтров, обеспечивает  стабильность характеристик пути  обработки сигналов, дает возможность  оперативного регулирования частотной  характеристики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОДОВ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО  ПАРАМЕТРА

 

При проведении электрофизиологических исследований для съема биоэлектрических сигналов, характеризующих происходящие в организме или биообъекте процессы, широко используют биомедицинские электроды, от правильного выбора и применения которых в значительной степени зависят точность и объем получаемой физиологической информации.

 

1.3. Анализ структуры  и особенностей  контакта "электрод-кожа".

 

Электрохимическая поляризация электродов это изменение потенциалов электродов  при электролизе или в процессе работы гальванического элемента, возникающее в результате физико-химического изменения поверхности электродов, выделении газов (химическая поляризация) или изменении концентрации электролита вблизи электродов (концентрационная поляризация). Э.д.с. поляризации направлена против э.д.с. внешнего тока.

Ткани тела являются проводником второго рода, импеданс которого содержит активную и реактивную составляющие. Ёмкость тканей создается мембранами образующих ткани клеток и многочисленными поверхностями, разделяющими отдельные органы и структуры тела. Реактивная составляющая тока, протекающего по подкожным тканям, на порядок меньше активной составляющей, и ею можно пренебречь. Ёмкость тканей кожи достигает 0,1 мкФ/см2, и её необходимо учитывать.

Электрические свойства контакта «электрод-кожа» определяются в основном поляризационными свойствами поверхностей раздела с разными типами проводимостей – переходы «ткань-тело-электролит» и переход «электролит-электрод». Типичная кривая поляризации E=f(j), где Е – разность потенциалов на переходе; j – плотность тока, приведена рис. 2.

Она носит нелинейный характер, но при малых плотностях тока (до 10–15 мкА/см2) на ней можно выделить линейный начальный участок. На практике при максимальных амплитудах регистрируемых биоэлектрических сигналов, минимальных площадях электродов и входных сопротивлениях усилителей плотность тока меньше предельной, поэтому кожно-электродный импеданс можно считать линейным.

 

Рис. 14. Кривая поляризации контакта «электрод-кожа».

 

Поверхности разделов характеризует также равновесная разность потенциалов Ео, возникающая на переходе при отсутствии тока, которая определяется природой контактирующих сред. В зависимости от материала электрода, свойств электролита, температуры, способа обработки кожи значение Ео изменяется в пределах 0,1–50 мВ. Поляризация электродов может сильно искажать форму регистрируемого сигнала, поэтому она крайне нежелательна. При регистрации биопотенциалов величина Ео должна оставаться постоянной, поэтому для некоторых типов электродов необходимо применение специальных мер для стабилизации значения Ео. Разрабатываются и неполяризующиеся электроды. Регистрация биоэлектрических сигналов, где это возможно, осуществляется с помощью усилителей переменного тока, нижняя граничная частота которых составляет доли герц, поэтому в расчётах величиной Ео, если она постоянна, можно пренебречь.

Каждую поверхность раздела кожно-электродного контакта можно представить на электрической эквивалентной схеме сложной электрической цепью, содержащей сопротивления и ёмкости. Такую цепь можно пересчитать в простую параллельную RС-цепь и получить эквивалентные параметры Rк-э, и Ск-э. Эти параметры зависят от частоты тока, однако учёт частотной зависимости существенно усложняет анализ, не давая значительного выигрыша в точности расчёта. Сопротивление Rк-э и ёмкость Ск-э можно выразить через усреднённые локальные параметры – удельное сопротивление  и диэлектрическую проницаемость.

,

где S – эквивалентная площадь электрода; h – толщина высокоомного слоя кожи, которая значительно изменяется по поверхности тела и ансамблю испытуемых. Кроме того, импеданс контакта может определяться электрохимическими процессами, протекающими на переходах его структуры. Необходимость учёта полезной площади электрода объясняется тем, что при наложении последнего происходит растекание пасты или физиологического раствора по коже и появляются потовые выделения; при этом размеры электрода как бы увеличиваются. Полная эквивалентная электрическая схема кожно-электродного контакта приведена на рисунке 3. В неё включены уже указанные величины Rк-э и Ск-э, а также эквивалентные параметры самого электрода Zэ, эквивалентное сопротивление подкожных тканей Rпк, и входной импеданс Zвх усилителя биопотенциала. Параметр Zэ (Rэ и Сэ) определяется конструкцией и материалом электродов.

 

Рис.15. Полная эквивалентная схема кожно-электродного контакта.

 

Наиболее распространённым типом электродов для съёма биопотенциалов являются металлические электроды.

Переходное сопротивление между чистой сухой кожей и электродом может достигать сотен кОм. С целью уменьшения этого сопротивления при использовании металлических электродов применяют марлевые прокладки, смоченные физиологическим раствором, которые помещают между электродом и кожей, или специальные токопроводящие пасты. Это позволяет уменьшить переходное сопротивление до десятков кОм.

Переходное сопротивление уменьшается также при увеличении площади контакта электрод – кожа. Однако при значительном увеличении размеров электрода возрастает погрешность усреднения, а, следовательно, уменьшается диагностическая ценность измеряемого биопотенциала как сигнала о локальных изменениях электрической активности.

Так как для металлического электрода Rэ=0, то эквивалентная схема входной цепи усилителя биопотенциалов принимает вид, изображенный на рисунке 4. Импеданс входной цепи усилителя будем считать чисто активным.

 

Рис. 16. Эквивалентная схема контакта кожа – металлический электрод.

 

Из эквивалентной схемы легко вывести соотношение для комплексного сопротивления системы «кожа-металлический электрод»:

 

Основным преимуществом емкостных электродов является отсутствие контактных и поляризационных потенциалов, возникающих при использовании металлических электродов.

Емкостный электрод представляет совой металлическую пластинку, покрытую тонким слоем диэлектрика. Хорошие результаты дают емкостные электроды с диэлектриком из SiO2. Монокристаллическая структура слоя из двуокиси кремния обеспечивает высокую химическую устойчивость диэлектрической плёнки. При активной площади электрода 0,5 см2 и толщине диэлектрической пленки 1 мкм ёмкость его составляет около 0,015 мкФ.

Эквивалентная электрическая схема кожно-электродного импеданса для емкостных электродов представлена на рисунке 5:

 

Рис.17. Эквивалентная схема контакта кожа – емкостной электрод.

 

Комплексное сопротивление системы «кожа-емкостный электрод» выражается формулой

 

 

Полное кожно-электродное сопротивление для емкостных электродов быстро возрастает с уменьшением частоты (рисунок 4.3.6), а это при измерении потенциалов на инфранизких частотах приводит к недопустимо большим погрешностям.

 

1: Скэ>>Cэ; 2: Скэ<<Cэ; 3: Скэ~Cэ.

Рис.18. Частотные зависимости модуля кожно – электродного импеданса для емкостных (1,2) и резистивно – емкостных электродов.

 

Резистивно-емкостные электроды, отличаются от емкостных электродов небольшой проводимостью диэлектрика (10–8 см и менее), образующего ёмкость. Эквивалентная электрическая схема кожно-электродного импеданса для резистивно-емкостных электродов представлена на Рис 19:

Рис.19. Эквивалентная схема контакта кожа – резистивно-емкостной электрод

 

Для резистивно-емкостных электродов комплексное сопротивление системы кожа-электрод имеет вид

 

Расчёт параметров электродов.

Произведём поиск максимального значения модуля  сопротивления электродов  Z. Для системы “кожа – резистивных –емкостный электрод” по формуле

 

 

Данные для расчёта получены из задания расчёт произведён в программе

Mathcad.

 

Рис.20. График зависимости модуля сопротивления от частоты..

При анализе графика видно что максимальное значение сопротивления электродов │Zmax │составляет 1,37Мом. Это значение получено при максимальной частоте 100Гц.