СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗМАХА СОБСТВЕННЫХ ШУМОВ МЕДИЦИНСКИХ ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ СЪЕМА ПОВЕРХНОСТНЫХ БИОПОТЕНЦИАЛОВ
METHOD FOR MEASUREMENT OF MEDICAL ELECTRODE INTERNAL NOISE EXCURSION FOR PICKUP OF SURFACE BIOPOTENTIALS

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения собственных шумов S медицинских электродов для съема поверхностных биопотенциалов в присутствии шума измерительной системы N, значительно превышающего измеряемый, т.е. при отношении S/N<1,0.
Широко известным способом измерения размаха случайного шума является регистрация максимального положительного мгновенного значения шума относительно среднего значения и максимального отрицательного мгновенного значения относительно среднего значения. Размах равен сумме максимальных отклонений шума относительно среднего значения шума [1]. Таким образом оцениваются мгновенные параметры шума измерительной системы при закороченном входе.
Наиболее близким является способ измерения размаха шумов, описанный в [2]. Сущность данного способа заключается в том, что измеряется размах суммарного шума, состоящего из шума измерительной системы и собственного шума электродной ячейки, представляющей систему «электрод - электролит - электрод».
В настоящее время, благодаря совершенствованию технологий изготовления микросхем, уровень собственных шумов элементной базы в зависимости от частотного диапазона снижен до десятков и сотен нановольт.
По этой причине требования к шумам электродов повышаются и задача измерения собственных шумов медицинских электродов является актуальной.
Основными недостатками данного способа являются:
1. Способ не позволяет измерить размах собственного шума электродной ячейки.
2. Способ неприменим для случая, когда шумы электродной ячейки незначимы на фоне шума измерительной системы в заданном частотном диапазоне.
Целью предлагаемого изобретения является измерение размаха собственных шумов S медицинских электродов для съема поверхностных биопотенциалов в присутствии шума N измерительной системы, значительно превышающего измеряемый, т.е. при отношении S/N<1,0.
Поставленная цель достигается тем, что в способе для измерения размаха собственных шумов медицинских электродов для съема поверхностных биопотенциалов измеряют суммарные шумы измерительной системы и электродной ячейки, представляющей систему «электрод -электролит - электрод», проводят измерение шумов измерительной системы при закороченном входе, проверяют равенство законов распределения, полученные реализации подвергают прямому преобразованию Фурье, формируют частотные интервалы для каждого измерения с равномерным распределением по частоте, вычисляют энергии и мощности шумов в заданных частотных интервалах, определяют коэффициенты для шума измерительной системы, выравнивающие с заданной точностью значения энергий и мощностей суммарного шума и шума измерительной системы в заданных частотных интервалах в частотной области, с помощью найденных коэффициентов формируют дополнительный шумовой сигнал в частотной области из шума измерительной системы, дополнительный шум суммируют с шумом измерительной системы в частотной области, осуществляют сравнение энергий и мощностей в заданных частотных интервалах измеренного суммарного шума и суммы шума измерительной системы и дополнительного шума, при достижении заданной точности осуществляют обратное преобразование Фурье для дополнительного шума, измеряют размах полученной временной функции, которую принимают за собственный шум электродной ячейки.
При неудовлетворительной точности измерение повторяют с другими коэффициентами.
Существенными отличительными признаками предлагаемого способа являются: измерение шумов измерительной системы при закороченном входе; проверка равенства законов распределения суммарного шума и шума измерительной системы; для полученных реализации проведение прямого преобразования Фурье; формирование частотных интервалов для каждого измерения с равномерным распределением по частоте; вычисление энергий и мощностей шумов в заданных частотных интервалах; определение коэффициентов шума измерительной системы, выравнивающих с заданной точностью энергии и мощности суммарного шума и шума измерительной системы в заданных частотных интервалах в частотной области;
формирование дополнительного шумового сигнала в частотной области из спектра шума измерительной системы; суммирование дополнительного шума с шумом измерительной системы в частотной области; сравнение энергий и мощностей в заданных частотных интервалах измеренного суммарного сигнала и суммы шума измерительной системы и дополнительного шума;
при достижении необходимой точности проведение обратного преобразования Фурье для дополнительного шума; измерение размаха полученной временной функции, которую принимают за собственный шум электродной ячейки.
Сущность предлагаемого способа в отличие от прототипа, заключается в том, что при одинаковых законах распределения суммарного шума и шума измерительной системы и равномерности распределения по частоте по разности энергий и мощностей в заданных частотных интервалах определяют коэффициенты, с помощью которых формируют дополнительный шум в частотной области из шума измерительной системы.
Суммируют дополнительный шум с шумом измерительной системы в частотной области и осуществляют сравнение с суммарным шумом, включающим шум электродной ячейки. При совпадении энергий и мощностей с заданной точностью дополнительный шум из частотной области с помощью обратного преобразования Фурье преобразуют во временную область.
Измеряют размах полученного случайного шума, который принимают за собственный шум электродной ячейки.
Таким образом, собственные шумы электродной ячейки определяются через разность допускающих оценку функций (энергий и мощностей) в различных частотных диапазонах, что позволяет получить устойчивую их оценку.
В проанализированной патентной и научно-технической литературе данная совокупность существенных признаков не найдена, которая приводит к достижению нового положительного эффекта, а именно измерению размаха собственных шумов электродной ячейки на фоне шумов измерительной системы, значительно превышающих шумы измеряемые, то есть при S/N<1,0.
Размах шумов электродов имеет важное значение, так как регистрация электрофизиологических параметров осуществляется в реальном времени на фоне суммарных шумов электродов и измерительной системы. Снижение уровня данного шума возможно за счет повышения качества электронных компонентов и совершенствования технологий изготовления медицинских электродов, что приведет к повышению разрешающей способности медицинской электрографической аппаратуры, снижению уровней регистрируемой биоэлектрической активности различных органов и тканей человека и соответственно совершенствованию медицинской диагностики.
Таким образом, данное предложение соответствует критериям «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».
На чертеже показано устройство, реализующее данный способ.
Устройство для измерения размаха собственных шумов медицинских электродов для съема поверхностных биопотенциалов, реализующее данный способ, состоит из электродной ячейки (1), аналого-цифрового преобразователя MSC1210 с микроконтроллером 8051 (2), интерфейсом RS232 (3) и персонального компьютера ПК (4).
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Напряжение шума с электродной ячейки (1) поступает на вход микросхемы MSC1210 (2), затем в оцифрованном виде под управлением микроконтроллера через интерфейс (3) в ПК (4), где измеряют суммарные шумы измерительной системы и электродной ячейки, представляющий систему «электрод -электролит - электрод», проводят измерение шумов измерительной системы при закороченном входе, проверяют равенство законов распределения, полученные реализации подвергают прямому преобразованию Фурье, формируют частотные интервалы для каждого измерения с равномерным распределением по частоте, вычисляют энергии и мощности шумов в заданных частотных интервалах, определяют коэффициенты для шума измерительной системы, выравнивающие с заданной точностью значения энергий и мощностей суммарного шума и шума измерительной системы в заданных частотных интервалах в частотной области, с помощью найденных коэффициентов формируют дополнительный шумовой сигнал в частотной области из шума измерительной системы, дополнительный шум суммируют с шумом измерительной системы в частотной области, осуществляют сравнение энергий и мощностей в заданных частотных интервалах измеренного суммарного шума и суммы шума измерительной системы и дополнительного шума, при достижении заданной точности осуществляют обратное преобразование Фурье для дополнительного шума, измеряют размах полученной временной функции, которую принимают за собственный шум электродной ячейки.
При неудовлетворительной точности измерение повторяют с другими коэффициентами.
Для измерения размаха собственных шумов электродной ячейки разработано специальное программное обеспечение для ПК.
В результате проведения экспериментальных исследований на данном устройстве с помощью предлагаемого способа был измерен размах собственных шумов слабополяризующихся хлорсеребряных электродов на базе пористой керамики, который составил десятки нановольт в зависимости от частотного диапазона.
Использование предлагаемого изобретения позволило впервые измерить размах собственных шумов медицинских слабополяризующихся хлорсеребряных электродов на базе пористой керамики, уровень которых значительно ниже шума измерительной системы и не выявлялся ни одним статистическим методом, провести сравнение различных электродов и технологий.
Источники информации
1. Орнатский П.П. Теоретические основы информационно-измерительной техники. - Киев: Высшая школа, 1983, 455 с.
2. ГОСТ 25995-83. Электроды для съема биоэлектрических потенциалов. - Государственный Комитет СССР по стандартам, 1983, 25 с.