Многоканальный регистратор среднеквадратических значений биопотенциалов
MULTICHANNEL RECORDER OF BIOPOTENTIALS STANDARD VALUES

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для регистрации биоэлектрических сигналов человека, а именно в стоматологии для оценки функционального состояния зубочелюстного аппарата, а также в спортивной медицине и реабилитации для контроля электрической активности мышц человека.
Известен многоканальный регистратор биопотенциалов (RU Свидетельство на полезную модель №7594, МПК А61В 5/04, опубл. 16.09.1998), в котором для регистрации сигналов каналов используются последовательно включенные дифференциальные усилители, которые последовательно подключаются к входам с помощью входного коммутатора. При этом выход усилителя может подключаться к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который преобразует сигнал в цифровую форму и передает его в ЭВМ для последующей обработки и отображения. Управляющие входы коммутаторов подключены к цифровым выходам ЭВМ.
Это устройство обладает низкой информативностью, т.к. оно не регистрирует среднеквадратических значений входных сигналов.
В устройстве возможно искажение входных сигналов из-за эффекта наложения спектров, поскольку входной коммутатор выполняет дискретизацию сигнала, периодически подключая дифференциальный усилитель к N входам, а спектры входных сигналов не ограничиваются с учетом частоты дискретизации.
Известно устройство съема, регистрации и анализа электрофизических сигналов и блок защиты от аварийных токов пациентов (RU Патент №2102004, МПК А61В 5/04, опубл. 20.01.1998), содержащее N каналов съема и регистрации сигнала в виде многоканального селективного усилителя. Каждый канал многоканального селективного усилителя содержит входной электрод, предварительный усилитель, управляемый фильтр верхних частот, регулятор чувствительности и через мультиплексор подключен к АЦП. Цифровой сигнал, отображающий сигналы каналов, с выхода АЦП передается на входной порт однокристальной ЭВМ (контроллера) для предварительной обработка и дальнейшей передачи в ПЭВМ с целью анализа, отображения и хранения.
В этом устройстве также понижена информативность, т.к. оно не регистрирует среднеквадратических значений входных сигналов.
В этом устройстве также возможно искажение входных сигналов из-за эффекта наложения спектров из-за отсутствия предварительной низкочастотной фильтрация в канале перед проведением операции временной дискретизации и аналого-цифрового преобразования. Кроме этого, устройство имеет сложную конструкцию многоканального селективного усилителя, в котором для обеспечения высокой идентичности каналов необходимо применение большого количества дорогостоящих элементов (резисторов и конденсаторов) повышенной точности или необходимо выполнять трудоемкие операции настройки параметров каналов.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является многоканальное устройство для измерения среднеквадратического значения напряжения, защищенное патентом Российской Федерации №2198410, МПК G01R 19/02, опубл. 10.02.2003.
Устройство содержит в канале измерения среднеквадратического значения соединенные последовательно входной электрод, повторитель напряжения, аналоговый мультиплексор, фильтр нижних частот, усилитель, детектор среднеквадратического значения сигнала с фильтром нижних частот и запоминающий регистратор информации. С помощью мультиплексора восемь входных электродов через повторитель напряжения последовательно подключаются к входу фильтра нижних частот, а регистратор соответственно фиксирует выходные сигналы детектора среднеквадратического значения в каждом канале. Таким способом реализуется многоканальный режим работы. Это устройство принято в качестве прототипа заявляемых технических решений.
Однако, устройство прототипа не может использоваться для одновременной параллельной регистрации нескольких каналов, т.к. в нем частота переключения входного мультиплексора ограничена большой постоянной времени фильтра детектора среднеквадратического значения. Для получения результата измерения в канале необходимо дождаться окончания переходных процессов в фильтре детектора среднеквадратического значения. Поэтому прототип может использоваться только для последовательной регистрации нескольких каналов, что снижает информативность регистрации.
Целью изобретения является создание квазипараллельного многоканального регистратора среднеквадратических значений сигналов на основе единственного детектора среднеквадратического значения, обладающего повышенной информативностью, точностью и улучшенными массогабаритными показателями.
Под квазипараллельной следует понимать регистрацию, при которой среднеквадратические значения формируются детектором в режиме разделения времени, при этом частота коммутации каналов существенно превышает верхние граничные частоты сигналов в каналах.
Поставленная цель достигается тем, что в многоканальное устройство для измерения среднеквадратического значения напряжения, имеющее N входных каналов, каждый из которых содержит соединенные последовательно входной электрод, усилитель, фильтр нижних частот, аналоговый ключ входного мультиплексора, один для всех N каналов детектор среднеквадратического значения и устройство для регистрации информации, введены коммутируемый фильтр, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и три цепи каждая из N конденсаторов с аналоговыми ключами, выход каждого канального фильтра нижних частот через аналоговый ключ входного мультиплексора соединен с входом коммутируемого фильтра, выход которого подключен к входу детектора среднеквадратического значения, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, а цифровой выход аналого-цифрового преобразователя подключен к цифровому входу микроконтроллера, цифровой выход которого соединен с устройством для регистрации информации, при этом к коммутируемому фильтру и детектору среднеквадратического значения подключены цепи, состоящие из N параллельно соединенных канальных ветвей, каждая из которых содержит соединенные последовательно конденсатор и аналоговый ключ; управляющие входы аналоговых ключей первого канала соединены и подключены к первому управляющему выходу микроконтроллера, управляющие входы аналоговых ключей второго канала соединены и подключены ко второму управляющему выходу микроконтроллера, управляющие входы аналоговых ключей N-го канала соединены и подключены к N-му управляющему выходу микроконтроллера.
Указанная совокупность признаков позволяет обеспечить квазипараллельную регистрацию среднеквадратических значений сигналов в нескольких каналах с помощью единственного детектора среднеквадратического значения.
Повышение точности и идентичности регистрации среднеквадратических значений сигналов в многоканальном режиме достигается за счет использования во всех каналах регистрации единственного детектора СКЗ, к которому синхронно с выборками входных сигналов подключаются соответствующие канальные конденсаторы, выполняющие функцию усреднения и запоминания.
При построении коммутируемого фильтра также использован принцип последовательной обработки выборок входных сигналов каналов с помощью одной безреактивной части звена фильтра, состоящей из резисторов и операционных усилителей, к которой также синхронно подключаются пары канальных конденсаторов. При реализации коммутируемого фильтра использовано звено универсального активного фильтра второго порядка (Титце У. Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. - Мир, 1983.-512 с, ил.). Коммутируемый фильтр формирует канальные амплитудно-частотные характеристики регистратора.
Такой принцип построения детектора СКЗ и коммутируемого фильтра также улучшает массогабаритные показатели и повышает технологичность многоканального регистратора, так как сокращается число элементов (резисторов и операционных усилителей), влияющих на параметры детектора и коммутируемого фильтра.
Сущность изобретения поясняется следующими графическими материалами:
- на фиг. 1 представлена структурная схема многоканального регистратора среднеквадратических значений биопотенциалов;
- на фиг. 2 представлена структурная схема коммутируемого фильтра;
- на фиг. 3 представлена структурная схема детектора среднеквадратических значений биопотенциалов;
- на фиг. 4 представлена временная диаграмма работы многоканального регистратора среднеквадратических значений биопотенциалов.
Многоканальный регистратор среднеквадратических значений биопотенциалов (фиг. 1) содержит входной электрод 1 первого канала, входной электрод 2 второго канала и входной электрод 3 N-го канала, которые подсоединены соответственно к входам усилителя 4 первого канала, усилителя 5 второго канала и усилителя 6 N-го канала.
Выход усилителя 4 первого канала подключен к входу ФНЧ 7 первого канала, выход усилителя 5 второго канала подключен к входу ФНЧ 8 второго канала, выход усилителя 6 N-го канала подключен к входу ФНЧ 9 N-го канала. Выход ФНЧ 7 первого канала соединен с входом первого аналогового ключа 10 первого канала, выход ФНЧ 8 второго канала соединен с входом первого аналогового ключа 11 второго канала, выход ФНЧ 9 N-го канала соединен с входом первого аналогового ключа 12 N-го канала, при этом выходы аналоговых ключей 10, 11 и 12 подключены к входу 13 коммутируемого фильтра 14.
Коммутируемый фильтр 14 содержит первый 15, второй 16, третий 17 и четвертый 18 операционные усилители, неинвертирующие входы которых подключены к нулевой шине.
Инвертирующий вход первого операционного усилителя 15 соединен
- через резистор 19 с входом 13 коммутируемого фильтра 14;
- через резистор 20 с выходом третьего операционного усилителя 17;
- через резистор 21 с выходом первого операционного усилителя 15.
Выход первого операционного усилителя 15 является также сигнальным выходом 22 коммутируемого фильтра 14.
Инвертирующий вход второго операционного усилителя 16 соединен
- через резистор 23 с выходом первого операционного усилителя 15;
- через резистор 24 с выходом четвертого операционного усилителя 18;
- через резистор 25 с выходом второго операционного усилителя 16.
Инвертирующий вход третьего операционного усилителя 17 соединен через резистор 26 с выходом второго операционного усилителя 16. Инвертирующий вход четвертого операционного усилителя 18 соединен через резистор 27 с выходом третьего операционного усилителя 17.
Входы второго аналогового ключа 28 первого канала, второго аналогового ключа 29 второго канала и второго аналогового ключа 30 N-го канала подключены к выводу 31 коммутируемого фильтра 14. Вывод 31 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 17. Выход аналогового ключа 28 через первый конденсатор 32 первого канала соединен с выводом 33 коммутируемого фильтра 14. Выход аналогового ключа 29 через первый конденсатор 34 второго канала соединен с выводом 33 коммутируемого фильтра 14. Выход аналогового ключа 30 через первый конденсатор 35 N-го канала соединен с выводом 33 коммутируемого фильтра 14. Вывод 33 соединен с выходом операционного усилителя 17.
Входы третьего аналогового ключа 36 первого канала, третьего аналогового ключа 37 второго канала и третьего аналогового ключа 38 N-го канала подключены к выводу 39 коммутируемого фильтра 14. Вывод 39 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 18. Выход аналогового ключа 36 через второй конденсатор 40 первого канала соединен с выводом 41 коммутируемого фильтра 14. Выход аналогового ключа 37 через второй конденсатор 42 второго канала соединен с выводом 41 коммутируемого фильтра 14. Выход аналогового ключа 38 через второй конденсатор 43 N-го канала соединен с выводом 41 коммутируемого фильтра 14. Вывод 41 соединен с выходом операционного усилителя 18.
Детектор СКЗ 44 (фиг. 3) содержит пятый 45, шестой 46, седьмой 47, восьмой 48 и девятый 49 операционные усилители, а также первый 50 и второй 51 диоды, первый 52, второй 53, третий 54 и четвертый 55 транзисторы (Analog Devices 1992. Special linear reference manual // Analog Devices, Inc., 1992).
Неинвертирующие входы пятого 45, шестого 46 и седьмого 48 операционных усилителей подключены к нулевой шине.
Инвертирующий вход операционного усилителя 45 соединен
- через резистор 56 с входом 22 детектора СКЗ 44;
- с анодом первого диода 50, катод которого соединен с выходом операционного усилителя 45;
- через резистор 57 с катодом второго диода 51, анод которого соединен с выходом операционного усилителя 45.
Инвертирующий вход операционного усилителя 46 соединен
- через резистор 58 с сигнальным входом 22 детектора СКЗ 44;
- через резистор 59 с катодом второго диода 51;
- с коллектором первого транзистора 52.
Выход операционного усилителя 46 соединен с эмиттерами второго 53 и третьего 54 транзисторов, эмиттер транзистора 52 соединен с коллектором и базой транзистора 53. Инвертирующий вход операционного усилителя 47 соединен
- с коллектором транзистора 54;
- через резистор 60 с выходом операционного усилителя 47. Инвертирующий вход операционного усилителя 48 соединен
- через резистор 61 с выходом 62 детектора СКЗ 44;
- с коллектором транзистора 55, эмиттер которого соединен с выходом операционного усилителя 48 и базой транзистора 54.
Базы первого 52 и четвертого 55 транзисторов соединены с нулевой шиной. Инвертирующий вход и выход операционного усилителя 49 соединены и подключены к выходу 62 детектора СКЗ 44. Неинвертирующий вход операционного усилителя 49 через резистор 63 соединен выходом операционного усилителя 47.
Входы четвертого аналогового ключа 64 первого канала, четвертого аналогового ключа 65 второго канала и четвертого аналогового ключа 66 N-го канала подключены к выводу 67 детектора СКЗ 44. Вывод 67 детектора СКЗ 44 соединен с нулевой шиной. Выход четвертого аналогового ключа 64 первого канала через третий конденсатор 68 первого канала соединен с выводом 69 детектора СКЗ 44. Выход четвертого аналогового ключа 65 второго канала через третий конденсатор 70 второго канала соединен с выводом 69 детектора СКЗ 44. Выход четвертого аналогового ключа 66 N-го канала через третий конденсатор 71 N-го канала соединен с выводом 69 детектора СКЗ 44. Вывод 69 соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 49.
К выходу 62 детектора СКЗ 44 (фиг. 1) подключен вход аналого-цифрового преобразователя 72, выходная цифровая шина которого соединена с микроконтроллером 73.
Управляющие входы аналоговых ключей 10, 28, 36 и 64 первого канала соединены с первым управляющим выходом 74 микроконтроллера 73, управляющие входы аналоговых ключей 11, 29, 37 и 65 второго канала соединены с вторым управляющим выходом 75 микроконтроллера 73, а управляющие входы аналоговых ключей 12, 30, 38 и 66 N-го канала соединены с N-м управляющим выходом 76 микроконтроллера 73.
Выходная цифровая шина микроконтроллера 73 подключена к устройству регистрации информации 77.
Многоканальный регистратор среднеквадратических значений биопотенциалов работает следующим образом. Электроды 1-3 (фиг. 1) устанавливают на теле человека для съема биопотенциалов. Эти биопотенциалы усиливаются канальными усилителями 4-6. Канальные ФНЧ 7-9 ограничивают частотные полосы сигналов входных биопотенциалов, что необходимо для устранения возможных эффектов наложения спектров из-за коммутации сигналов, а также исключения ВЧ помех.
0
0.1
0.2
В момент времени Т по сигналу S1 «Выбор канала 1» на выводе 74 микроконтроллера 73 (фиг. 4) замыкаются аналоговые ключи 10, 28, 36 и 64 первого канала. Через первый аналоговый ключ 10 первого канала сигнал подается на вход 13 коммутируемого фильтра 14, через второй аналоговый ключ 28 первого канала к выводам 31 и 33 коммутируемого фильтра 14 подключается первый конденсатор 32 первого канала, а через третий аналоговый ключ 36 первого канала к выводом 39 и 41 коммутируемого фильтра 14 подключается второй конденсатор 40 первого канала. Через четвертый аналоговый ключ 64 первого канала к выводам 67 и 69 детектора СКЗ 44 подключается третий конденсатор 68 первого канала. Таким образом формируется первый канал для вычисления и регистрации биопотенциала от входного электрода 1 первого канала. На выводе 62 (выходе детектора СКЗ 44) образуется среднеквадратическое значение биопотенциала в первом канале и по сигналу «Запуск преобразования АЦП» в момент времени t оно преобразуется с помощью АЦП 72 в цифровой код. Данные АЦП из канала 1 передаются в микроконтроллер 73 в момент времени t для запоминания и последующей выдачи на устройство регистрации 77.
1
В момент времени Т аналоговые ключи 10, 28, 36 и 64 первого канала размыкаются, и по сигналу S2 «Выбор канала 2» на выводе 75 микроконтроллера 73 замыкаются аналоговые ключи 11, 29, 37 и 65 второго канала. Формируется второй канал для вычисления и регистрации биопотенциала от входного электрода 2 второго канала. Описанный выше процесс обработки сигнала в первом канале повторяется во втором канале и т.д. до N-го канала.
После окончания полного цикла вычисления среднеквадратических значений и их аналого-цифрового преобразования на выходе АЦП 72 образуется последовательность цифровых данных «Данные АЦП», отображающая среднеквадратические значения отсчетов сигналов во всех N каналах. Эта последовательность запоминается в памяти микроконтроллера 73 и передается в устройство регистрации информации 77.
В ЗАО «ОКБ «РИТМ» в соответствии с формулой и описанием заявки на изобретение изготовлен и испытан опытный образец многоканального регистратора среднеквадратических значений биопотенциалов. Устройство имеет восемь каналов регистрации биопотенциалов человека в частотном диапазоне входных сигналов до 500 Гц с уровнем до 2 мВ СКЗ. При реализации функциональных узлов регистратора использована современная элементная база, а именно
- входные усилители каналов 4-6 реализованы на микросхемах инструментальных усилителей типа AD8221;
- канальные ФНЧ 7-9 выполнены на операционных усилителях типа AD8642;
- в качестве аналоговых ключей использованы микросхемы типа ADG608.
В качестве коммутируемого фильтра 14 использовано звено фильтра второго порядка с независимыми регулировками параметров (частоты, добротности и коэффициента передачи) на четырех операционных усилителях 15, 16, 17 и 18 типа AD8032. Детектор СКЗ 44 построен на основе микросхемы специализированного вычислителя СКЗ типа AD637. Все перечисленные интегральные микросхемы производства фирмы ANALOG DEVICES.
Микроконтроллер 73 реализован на микросхеме типа dsPIC33FJ128MC804 фирмы Microchip.В качестве устройства регистрации информации 77 использована ПЭВМ.
Предлагаемый многоканальный регистратор среднеквадратических значений биопотенциалов ориентирован на использование преимущественно в области медицинской диагностики и реабилитации.