УСИЛИТЕЛЬ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ С БЫСТРЫМ ВОССТАНОВЛЕНИЕМ ПОСЛЕ ПЕРЕГРУЗКИ

Заявляемое устройство относится к области приборостроения, а именно к частотно-избирательным усилительным средствам, и предназначено для использования в биомедицинской технике.
Заявляемая полезная модель представляет собой устройство, обеспечивающее усиление и частотную фильтрацию биосигналов при обеспечении условия быстрого восстановления работоспособности после перегрузки.
Устройство является составным линейным активным полосовым RC фильтром с частотной селекцией сигнала в заданном частотном диапазоне, например для полосы частот электрокардиосигнала (ЭКС), и с нелинейными элементами (например, диодами) для быстрого устранения действия перегрузки путем разряда конденсатора большой емкости. То есть в случае выхода усилительного устройства в режим перегрузки время восстановления работоспособности значительно меньше времени, определяемого нижней границей частотного диапазона. Схема содержит полосовой фильтр на основе последовательно включенных фильтров верхних и нижних частот и нелинейной диодной цепи обратной связи подключенной к схеме интегратора.
Усилители биологических сигналов широко применяются в электрофизиологии и работают в широком частотном диапазоне сигналов от сотых долей герц до единиц килогерц.
В процессе эксплуатации возможна потеря контакта датчиков биосигнала с телом обследуемого, при этом усилитель оказывается в состоянии значительной перегрузки по входному сигналу, т.е. оказывается в нелинейном режиме работы. Значительные величины емкости переходных (разделительных) конденсаторов в момент перегрузки накапливают на себе большой заряд, требующий длительного времени для разряда, в течение этого времени нормальная работа усилителя нарушается.
Известны способы борьбы с перегрузкой усилителя путем ручного замыкания выводов конденсатора перемычкой. Они требуют непрерывного контроля оператора за работой усилителя, что осложняет его эксплуатацию.
Устройство автоматического разряда конденсатора и восстановления работы усилителя в линейном режиме после перегрузки было предложено в патенте США [US Pat. 5,002,063 Electronic physiological data monitoring / L. Haner (USA): А61В 5/04]. Принципиальная схема устройства быстрого восстановления усилителя после перегрузки (прототип Fig. 1b) приведена на фиг. 1, номера позиций соответствуют номерам, использованным в прототипе.
Входом схемы является вывод резистора R1. Сигнал от него подается на вход инвертирующего сумматора, построенного на основе операционного усилителя (ОУ) 1, выход которого подключен к инвертирующему усилителю на основе ОУ 4. ОУ 1 и 4 составляют основу усилительного каскада схемы. Инвертирующий усилитель на ОУ 4 обеспечивает необходимый коэффициент усиления и выполняет функцию фильтра нижних частот (ФНЧ).
Интегрирующая схема 3, включает единичный инвертор на основе ОУ 6, и интегратор на ОУ 2. Интегрирующая схема 3 в цепи отрицательной обратной связи сумматора на ОУ 1 обеспечивает формирование фильтра верхних частот (ФВЧ) с частотой среза 0,05 Гц, задаваемой постоянной времени цепочки R12 (поз. 142), С1 (поз. 140).
Диоды D1 и D2 включают нелинейную цепь устранения перегрузки (5). Когда выходное напряжение усилителя ОУ 4 превосходит напряжение, формируемое на делителе (R6, R11) напряжением +U, или становится меньше напряжения, формируемого на делителе (R7, R9) напряжением -U, то один из диодов D1 или D2 начинает проводить ток для разряда конденсатора С1, и быстро восстанавливает схему интегратора (3) к исходному рабочему состоянию.
Это возможно при условии, когда сопротивление R13 значительно меньше сопротивления R12 (поз. 142).
Передаточные функции блоков прототипа определены в соответствии с электрической принципиальной схемой и номиналами элементов. Для интегрирующего звена передаточная функция имеет вид:
где р - оператор Лапласа, a T=R12·C1.
Работа прототипа устройства быстрого восстановления усилителя после перегрузки в соответствии с принципиальной схемой состоит в следующем.
Сумматор на основе ОУ 1 суммирует входной сигнал с сигналом от звена инвертирующего интегратора 2, находящегося в цепи отрицательной обратной связи, обеспечиваемой звеном инвертора на ОУ 6. Таким образом, формируется фильтр верхних частот (ФВЧ) с частотой среза 0,05 Гц на основе интегратора в цепи обратной связи, следовательно, в соответствии с (1) и полагая, что R2=R5 и R8=R10 передаточная функция данного фильтра имеет вид:
В линейном режиме при отсутствии перегрузки схема прототипа обеспечивает частоту среза 0,05 Гц.
При возникновении перегрузки на выходе схемы оказывается сигнал превышающий порог срабатывания узла из резисторов R6, R7, R9, R11 и диодов D1 и D2, обеспечивающих зависимость проводимости блока от приложенного к его входу напряжения. При этом на интегратор 3 начинает поступать напряжение обратной связи с упомянутого узла, находящееся в противофазе с выходным сигналом ОУ 6. В результате суммирования и учитывая, что сопротивление резистора R13 значительно меньше R12, происходит быстрый разряд конденсатора С1 и устраняется перегрузка.
Результаты моделирования схемы прототипа представлены на фиг. 2 и 3. На фиг. 2а показан входной сигнал ЭКС, а перегрузка - выбросом амплитуды на уровень -5 В в течение 1 с. В результате работы схемы входной сигнал усиливается приблизительно в 150 раз, а при появлении на входе сигнала перегрузки ОУ 4 оказывается в режиме насыщения. На фиг. 2б показано выходное напряжение ОУ 4 прототипа в ответ на входное воздействие при отключенной диодной цепи формирования напряжения восстановления (5) в процессе действия перегрузки. Время восстановления работоспособности усилителя после перегрузки составляет 6-7 с. При включении указанной цепи время восстановления работоспособности усилителя после перегрузки не превышает 200 мс (фиг. 3б).
Таким образом, главным достоинством схемы прототипа является возможность быстрого восстановления работоспособности усилителя после перегрузки.
Недостатком данной схемы является наличие большого количества ОУ и, следовательно, относительно большого потребления мощности, что является значимым в случае использования автономного источника питания.
Целью предлагаемого технического решения является снижение потребляемой схемой мощности за счет уменьшения числа ОУ при сохранении скорости восстановления работоспособности усилителя биосигналов после перегрузки.
Принципиальная схема предлагаемого устройства быстрого восстановления усилителя после перегрузки показана на фиг. 4.
Входом схемы является вывод резистора R1. Сигнал с этого резистора подается на вход инвертирующего сумматора на основе ОУ 1, выход которого через резистор R3 подключен к инвертирующему усилителю на ОУ 4. Основной усилительный каскад схемы выполнен на ОУ 1 и ОУ 4. Инвертирующий усилитель на ОУ 4 совместно с конденсатором С2 и резисторами R4 и R4 является фильтром нижних частот, задающим верхнюю частоту среза усилителя. Диоды D1 и D2 совместно с резистивными делителями (R6, R11) и (R7, R9) образуют нелинейную цепь подавления перегрузки.
Описание работы схемы
Когда выходное напряжение усилителя ОУ 4 превосходит напряжение, формируемое на делителе (R6, R11) от напряжения +U, или становится меньше напряжения, формируемого на делителе (R7, R9) от напряжения -U, то один из диодов D1 или D2 начинает через резистор R11 проводить ток для разряда конденсатора С1, и быстро восстанавливает схему интегратора 3 к исходному рабочему состоянию.
В отличие от прототипа интегрирующая схема 3, включает только интегратор на ОУ 2. Интегрирующая схема 3 в цепи отрицательной обратной связи сумматора на ОУ 1 обеспечивает формирование ФВЧ, с частотой среза 0,05 Гц, задаваемой постоянной времени цепочки (R12, С1). В итоге, амплитудно-частотная характеристика предлагаемого устройства совпадает с таковой у прототипа.
Существенным отличием предлагаемого технического решения от схемы прототипа является замена одного активного инвертора на пассивный резистивный делитель.
Результаты моделирования схемы предлагаемого устройства представлены на фиг. 5. На фиг. 5а представлен входной сигнал, заданный с помощью оцифрованного электрокардиосигнала, а перегрузка - выбросом амплитуды на уровень -5 В в течение 1 с. На фиг. 5б показана реакция схемы прототипа на входное воздействие при отключенном диодном узле формирования напряжения восстановления в процессе действия перегрузки. При включении указанного узла время восстановления работоспособности усилителя после перегрузки не превышает 200 мс.
Таким образом, результат работы схемы совпадает с результатом работы схемы прототипа, при меньшем количестве используемых ОУ.