Исследование вариантов подавления помех усилителями биопотенциалов

УДК 47.05.1; 47.14.17

ИССЛЕДОВАНИЕ ВАРИАНТОВ ПОДАВЛЕНИЯ ПОМЕХ УСИЛИТЕЛЯМИ

БИОПОТЕНЦИАЛОВ

Д.В. Журавлёв, Ю.С. Балашов

В любой системе дистанционного контроля функциональных параметров человека основным звеном, обеспечивающим необходимую достоверность регистрируемой информации, являются входные аналоговые узлы приборов регистрации. Повышение достоверности регистрируемой информации необходимо для точной постановки диагноза и объективной своевременной оценки реального функционального состояния объекта исследования. В связи с этим существует острая необходимость повышения помехоустойчивости входных аналоговых узлов приборов регистрации (микродатчиков-регистраторов) без значительного усложнения схемотехнической реализации устройств.

В данной статье проведён теоретический анализ характера действующих помех и вариантов борьбы с ними при регистрации биопотенциалов. Выделена основная группа помех, требующая подавления схемотехническими методами. Рассмотрены пути устранения синфазной помехи при действующей на входе усилителя биопотенциалов ее аддитивной смеси с полезным сигналом. Проведён анализ схемотехнических методов подавления синфазных помех. Рассмотрены варианты построения усилителя биопотенциалов на основе операционных усилителей OP 191, а также инструментальных усилителей INA 115, INA 118. Из возможных схемотехнических решений выделены пять основных вариантов построения схем усиления. По результатам имитационного моделирования проведено сравнение пяти различных схемотехнических реализаций усилителя биопотенциалов. Выявлена эффективная структура схемотехнической реализации усилителя биопотенциалов. На основе проведенных исследований построена схема усилителя биопотенциалов, обладающая наибольшим коэффициентом подавления синфазных сигналов

Ключевые слова: синфазная помеха, аддитивная смесь, усилитель биопотенциалов, микродатчики-регистраторы

Постановка задачи

Проведенное исследование путей создания тест-системы для диагностики подвижных биологических объектов обусловлено выделенными Президентом РФ приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники (Указ Президента от 7 июля 2011 г. N 899). Среди огромного разнообразия уже реализованных систем телемониторинга новая система отличается тем, что построена на базе носимых индивидуальных средств коммуникации, таких как смартфоны, коммуникаторы, планшетные компьютеры.

Функциональность и эффективность работы системы в первую очередь зависит от характеристик нательных микродатчиков-регистраторов. К важнейшим характеристикам относят: миниатюрность, энергопотребление, достоверность регистрируемой информации. Достоверность напрямую зависит от способности входных узлов выделить низковольтный полезный сигнал из широкого ансамбля помехооб-разующих сигналов.

Поэтому в данной работе исследованиям вопросов по помехозащищенности входных узлов микродатчиков-регистраторов уделено большое значение.

Журавлёв Дмитрий Владимирович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: ddom1@vandex.ru, http://B-B.su Балашов Юрий Степанович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, e-mail: faddev52@mail.ru

Помехи, действующие на входе усилителя биопотенциалов

Основной задачей микродатчиков-регистаторов, работающих в составе дистанционной информационно-вычислительной системы контроля биологических параметров человека является регистрация биопотенциалов с минимальными искажениями сигнала. При амплитуде полезного сигнала 5-10 мВ на входе усилителя биопотенциалов могут присутствовать различные помехи амплитудой до десятков вольт, что усложняет схемотехническую реализацию входных узлов.

Помехи, действующие на входе микродатчиков-регистраторов, в зависимости от характера возникновения, разбивают на четыре группы: помехи обусловленные биообъектом (физиологические), методические помехи (артефактные) внутренние (аппаратурные) шумы, внешние помехи [1].

Все органы и ткани исследуемого объекта непрерывно генерируют биопотенциалы различной амплитуды и направленности, что приводит к возникновению физиологических помех. При подавлении физиологических помех целесообразно применение оптимальной пространственно-временной обработки сигнала и цифровой фильтрации. Это значительно эффективнее и выгоднее чем использование схемно-конструктивных методов.

Артефактные помехи возникают при движении исследуемого объекта и нарушении устойчивого контакта кожа-электрод. Поэтому

интенсивно возникают электродные потенциалы. Данные помехи можно описать уравнением:

N ^ ) = £ А^к [(/ - Ч )/ тк ],

к=0

где Fk [•] - форма импульса; Ак - амплитуда; tk - время появления; тк - длительность к-ой помехи.

Напряжение артефактной помехи на входе усилителя биопотенциалов можно определить как:

и = (Ео + Е )К + К + Кг)-

(Я6Х1 + К Ж + К + ^ 2 ) +

-(Е0 + Е2 К

Я

вх1'

++ О ч

и = (Ео + Ег )(Ко + К + Кх1)-

2 Кх2 + Кг ХК + К + Кх1) +

-

К

"вх2'

где К1, К2 - внутренние сопротивления источников ЭДС сигнальных электродов; Ко -внутреннее сопротивление источника ЭДС нулевого электрода; Е1., Е2, Ео - источники поля-ризационно-гальванической ЭДС.

Для борьбы с артефактными помехами используют цифровые компенсационные методы. Эти методы основаны на разложении отдельных артефактов в ряд Фурье. Однако основной метод борьбы основан на значительном увеличении входного сопротивления усилителя биопотенциалов по сравнению с сопротивлением исследуемого объекта.

Внутренние шумы входных цепей усилителя возникают из-за флуктуаций напряжений и токов, не идеальностью амплитудно- и фазоча-стотных характеристик каскадов и отдельных входных электрорадиоэлементов.

Аппаратурные шумы, также обычно имеют флуктуационный характер:

р[У ^ )] = к • ехр

1 т т

2/ /[у м- )]

о о

[у (t 2)-т(^ )] 0 у (t1t 2 )dt1dt2

где 0 у (t1t2) - представляет собой обратно корреляционную функцию

Обратно корреляционную функцию можно найти из уравнения:

т

/0у

о

Ву (t1 -12) - функция корреляции N(V) ; к - установленный коэффициент.

Для устранения внутренних шумов применяют современную малошумящую элементную базу и схемно-компенсационные методы.

Внешние помехи возникают на входе усилителя биопотенциалов при действии электромагнитного излучения на сам микродатчик-регистратор, соединительные провода и объект исследования. Внешнее электромагнитное излучение может быть вызвано работой соседней радиоаппаратуры, различными атмосферными явлениями и т.д. Основной причиной возникновения внешних помех являются наводки, возникающие от сети промышленной частоты 5оГц. Эти помехи являются синфазными по отношению к входам дифференциального усилителя, а полезный сигнал противофазным.

Вследствие наличия вокруг усилителя биопотенциалов множества электрических цепей находящихся в разомкнутом состоянии на его входе возникают наводки от сетей промышленной частоты. При этом плоскость таких цепей должна быть перпендикулярна проводникам соединяющим электроды с входом усилителя.

ЭДС возникающих наводок можно определить по формуле:

е2 = о.2 •Ю6 у —,

2 I

где S - площадь наводимого ЭДС [ м ]; 1 -расстояние от измеряющей рамки до разомкнутой электрической цепи.

Электрическая схема подключения усилителя во время действующей на его входе синфазной помехи, представлена на рис. 1. Можно выделить составляющую входного напряжения от входного полезного сигнала по следующей формуле:

и = - К

ВЫ К + Кр1 )• и В

X

X

X

Для выделения составляющей входного напряжения от синфазной помехи можно использовать формулу:

иЕ

Х иСФ -

Яр + ^ + Япр!

Я +

Яр

Я: + Я

• и = и

СФ СФ

ПР1

Из приведенных формул можно определить следующее: 1. полезный сигнал усиливается в Яр/ (Я, + ЯПР1) раз; 2. синфазные помехи поступают на вход усилителя биопотенциалов без усиления. Поэтому для подавления синфазных помех необходимо выполнить фазовое разделение полезного сигнала и помехи, которые одновременно поступают на симметричный вход дифференциального усилителя биопотенциалов. При этом помехи обычно компенсируют дискриминаторах различного типа.

Рис. 1. Схема подключения усилителя при наличии на его входе синфазной помехи

Выходное напряжение каналов схемы подключения показанной на рис. 1 определяется как:

ивых = ки 0! = и „к

7„

7 + 7

01

ивы2 = К2и02 = и вх2 К 2

7

вх2

7 + 7

вх 2 ^ 02

где 7вх1, 7х2 - входные сопротивления в комплексном виде; К1, К 2 - коэффициенты передачи каналов в комплексном виде; 701, 702 -

комплексные внутренние сопротивления на первом и втором плечах схемы.

ивых = ивх1К1

вх1

7 + 7

01

+

+ ивх 2 К 2

7

7 + 7

02

В случае, когда помеха является синфазной относительно нулевой линии сигнала, а сигнал полезный сигнал является парафазным, используя принцип суперпозиции можно получить следующее равенство:

ивых ивых. с + ивых. п

= и

+и

к

7.

7 + 7

^вх1 ^ 01

7

+к вх2

Л

к

7

1 7 + 7

вх1 01

- к

7 + 7

^вх2^ 02 У 7вх 2

7 + 7

вх 2 ^ 02 У

+,

откуда выигрыш:

^ _ с и

ии

.

к17вх1

Полученный коэффициент F является коэффициентом дискриминации. Этот коэффициент зависит от разбаланса внутреннего сопротивления объекта. Также коэффициент F зависит от величин комплексных коэффициентов передачи каналов (величины комплексных входных сопротивлений; идентичности амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и фазо-частотных характеристик (ФЧХ) каналов). При высокой степени симметрии каналов можно считать:

к1 = к 2 = к;

7вх1 7 вх2 7 в.

Тогда (12) примет такой вид:

F 27 + 7т + 7 а

А7„

Обычно на входе усилителя биопотенциалов действует сумма полезного сигнала ис и помехи и\ (аддитивная смесь).

Общее (суммарное) выходное напряжение схемы можно определить как:

где А70 = 702 - 701 = IА70 \е

]Афс

т.е. вели-

чина подавления синфазной помехи на входе усилителя зависит от комплексных входных со-

х

противлений каналов и величины разбаланса каналов AZa.

При Za

^ Z 02 + Z01

F

2 Z

_ех

AZ„

Подавление синфазной помехи сильнее, если входное сопротивление усилителя выше, а разбаланс ниже [2].

Из всех приведенных видов действующих внешних помех при регистрации биопотенциалов, одними из наиболее сильно действующих на усилители биопотенциалов являются синфазные помехи. Именно эти помехи обычно подавляют не программными, а схемно-конструктивными методами построения входных цепей усилителей.

Схемно-конструктивные методы борьбы с помехами

Значительно увеличить степень защиты от внешних синфазных помех при регистрации биопотенциалов позволяет применение биполярного метода снятия полезного сигнала. При этом разность потенциалов отводят от двух электродов расположенных в активной области на биообъекте [2].

При этом для обеспечения требуемого усиления довольно низких значений входного полезного сигнала, в условиях, действующих на входе синфазных помех целесообразно применение усилителя биопотенциалов построенного на отдельных операционных усилителях (ОУ) по измерительной схеме включения.

Такую схему называют сумматор-вычитатель или дифференциальная схема усиления [1]. Она активно подавляет дифференциальное напряжение исс и при этом усиливает только полезный разностный входной сигнал е1 - е2 .

На рис. 2 показана схема измерительного дифференциального усилителя. В этой схеме каждый вход дифференциального усилителя У3 запитан от повторителей напряжения У1 и У2 для увеличения его входного сопротивления. Для установки коэффициента усиления схемы служит резистор Я2. Полное выходное напряжение схемы можно определить как:

ивых = 2[1 + RJ R2 ]:

*

Для увеличения коэффициента подавления синфазных сигналов kC резисторы R1 , R1 и

Roc , Roc в разных плечах схемы должны иметь минимально возможные отклонения номиналов.

Рис. 2. Измерительный усилитель биопотенциалов Коэффициент усиления схемы:

к = 2[1+

где Я; = к;, Ко.с.= Кос..

Выходное напряжение усилителя (рис. 2), полагая, что резисторы в обоих плечах идентичные, будет равно:

R2 = R4 ' R1 = R1> Ro.c.

R „

и о =[; + 2(Я2/ Яз )](е; - в2),

ивых =

Параллельно включенные (в обоих плечах схемы) неинвертирующие ОУ У1 и У2 пропускают входное синфазное напряжение без усиления. Далее синфазное напряжение попадает на сумматор-вычитатель У3, в котором значительно ослабляется.

Выходные напряжения и; усилителя У1 и и2 усилителя У2 определяются формулами:

Ui = [1 + (R2/ R )]ei

-(RJ R3 )e2 + Ucc

U 2 =[1 + (RJ R3 )]e2 -(Rj R3 )e + Ucc

Для того чтобы устранить влияние отклонений номиналов резисторов в разных плечах схемы на величину подавления кс , можно использовать модифицированную схему измери-

тельного усилителя с плавной установкой коэффициента усиления представленную на рис. 3

Рис. 3. Доработанная схема усилителя с возможностью плавной установки коэффициента усиления

С учетом обоих каскадов коэффициент усиления доработанного измерительного усилителя определяется по формуле:

к = [1 +

На рис. 4 показана схема измерительного усилителя с защитой входа. В представленной

схеме сигналы, подаваемые на вход, затухают во времени неодинаково, если Яист1 С1 и Яист2 С2 не равны. Величина kC будет снижаться вследствие ТОЩ ЧТО ЯиСтГ С1 и Яист2 С2 приводят к

неодинаковому затуханию сигналов переменного тока на входах. Это особенно заметно при подавлении напряжения исс. Емкости С1 и С2

представляют собой суммы емкостей входов усилителя, паразитных емкостей и емкостей экрана [2].

Синфазное напряжение не будет затухать под влиянием входных RС-цепей если на экран подать напряжение, равное синфазному. Также не будет заметно различий в затухании по каждому из двух входов. Однако присоединение экрана, как показано на рис. 4, часто вызывает избыточную нагрузку источника входного сигнала.

Для устранения избыточной нагрузки источника входного сигнала подсоединение экрана целесообразно сделать, как это показано на рис. 5.

Резисторы R должны быть одинаковых но- зисторов, оказывается равным синфазному миналов и они подобраны так, что не нагружают напряжению и . выходы усилителей У1 и У2. Вследствие этого суммарное напряжение, в точке соединения ре-

В качестве буфера между схемой и экраном использован повторитель У4. Но можно обойтись и без буфера если емкость экрана будет невелика, а усилители У1 и У2 смогут обеспечить достаточный ток. При этом экран можно присоединить непосредственно к точке соединения резисторов Я (средняя точка делителя напряжения).

На рис. 6 показана эквивалентная схема воздействия синфазной помехи обычно генерируемой силовой сетью (22о В) на объект с наложенными электродами

В точке 1 напряжение помех выражается формулой:

ип1 = Zo + Z 2 и Z1 + Z2 + Z 0

При и =22оВ, 2; = 2 • 1о8 Ом, 22 = 1о7 Ом напряжение помех и п; = и п 2 = ;о,5В.

Для дальнейшего ослабления напряжения синфазных помех используют нейтральный электрод. Он соединяет заземляющий провод усилителя с биообъектом.

Рис. 6. Эквивалентная схема влияния синфазной помехи от силовой сети на биообъект

В идеализированном случае учитывая хорошую электропроводность тканей биообъекта можно предположить, что в точках 1 и 2 напряжения помех будут одинаковы. Так же можно пренебречь сопротивлением ткани живого объекта 2о, так как оно во много раз меньше сопротивления окружающей среды 2; и 22. После указанных допущений получим:

U„1 = Un 2 =

Z

Z1 + Z2

U.

После чего 22 = 5 • 1о Ом и и п\ = ип2 = 54мВ. Следующий этап в ослабления синфазных помех основан на использовании активного нейтрального электрода. При этом значительно усиленное напряжение синфазных помех подают с помощью нейтрального электрода на биообъект. Схема подавления синфазных помех с помощью активного нейтрального электрода показана на рис. 7. У5 осуществляет усиление синфазного сигнала наводимого на экранах электродов.

ийых

Рис. 7. Схема подавления синфазных помех с помощью активного нейтрального электрода

Из рассмотренных схемотехнических вариантов подавления синфазных помех наибольший эффект дают схемы с активным нейтральным электродом.

Разработка схемы усилителя биопотенциалов (результаты имитационного моделирования).

В ходе исследования были разработаны схемные решения, построенные на различной элементной базе (на операционных усилителях OP191, на инструментальных усилителях INA 115 и INA 118).

В ГОСТ 19687-89 определена методика вычисления коэффициента подавления синфазных сигналов. Данная методика и использовалась для расчетов приведенных ниже. К усилителю биопотенциалов были подключены источники шумов и полезного сигнала согласно схеме показанной на рис. 8.

Схема включает в себя следующие элементы: С3, С4, С5 - эквивалентные ёмкости экранов электродов; VI, V2 - источники, имитирующие наводки синфазных помех от силовой осветительной сети переменного тока (синусоидаль-

ный гармонический сигнал частотой 50Гц); V3 -источник полезного сигнала (гармонический сигнал частотой 10Гц и амплитудой 5мВ); V5, V6 - дополнительные источники помех (постоянное напряжение ±300мВ).

Для различных схем усиления было проведено определение уровня Kс. При этом коэффициенты усиления усилителей были выбраны кд = 600, а напряжение питания иПИТ = ±5В .

Расчет кс исследуемых усилителей биопотенциалов и измерения их параметров были проведены с использованием вышеприведенных вариантов подключения к биообъекту.

и

-CD-

m

ю ж

ВИВ

» SI

-CD-

Ю SI

CD-

-О а/М

Ei ISCR)

CI ш

[2 m

-CD

J IQOpF

\№

jm

-CD—

" WOpf

-CD-

m

о еЗ I. W

> a?(№

Рис. 8. Источники сигнала для определения

Были применены следующие варианты построения системы "биообъект - усилитель биопотенциалов": схема 1 - проводники от электродов до входа усилителя не экранированы, но имеется нейтральный электрод, соединенный с общим проводом усилителя; схема 2 - проводники от электродов до входа усилителя экранированы и соединены с общим проводом усилителя вместе с нейтральным электродом; схема 3 - на нейтральный электрод и экраны в схеме 2 подан сигнал соответствующий сигналу синфазной помехи (равный по фазе и амплитуде); схема 4 - на нейтральный электрод (схема 2) подано напряжение синфазных помех в противофазе, усиленное в 40 раз; экраны проводников от электродов до входа усилителя соединены с общим проводом усилителя; схема 5 - на нейтральный электрод (схема 2) подано напряжение синфазных помех в противофазе, усиленное в 40 раз; на экраны проводников от электродов до входа усилителя подан сигнал соответствующий сигналу синфазной помехи (равный по фазе и амплитуде).

Были проведены измерения напряжений входной помехи иВХ П , входного сигнала

иВХС , выходного сигнала ивь1ХС . Далее был

проведен расчет кс, дБ по формуле:

КС = 20 lg

УВЫХ ^ Увх

где ¥вых = UВЫХ.С lUВЫХ.П , В;

УВХ = UBX.С UВХ.П , В.

Далее представлены результаты расчёта кс для описанных выше схем построения усилительной части системы "биообъект - усилитель биопотенциалов". Для всех схем амплитуда входного полезного сигнала была установлена 5мВ.

Результаты расчета кс

Вариант ^^-^включения KN , AB OP191 INA115 INA118

Схема 1 118.742 113.598 115.749

Схема 2 119.423 114.178 116.787

Схема 3 121.938 118.688 120.142

Схема 4 123.583 121.873 122.778

Схема 5 125.261 121.777 122.979

Анализируя данные приведенные в таблице можно сделать вывод о том, что наибольшим коэффициентом подавления сигнала KC обладает схема, построенная на отдельных ОУ (OP191).

Данная схема имеет KC больший, чем у

сходных схем усилителя расположенных в одном корпусе (INA115, INA118). Это связано с особенностями схемотехнической реализации инструментальных усилителей.

Схема, построенная по пятому варианту включения, показала наилучшие результаты в подавлении синфазного сигнала, поэтому она легла в основу разработанного усилителя медико-биологических показателей. Схема разработанного усилителя построенного на операционных усилителях OP191 фирмы Analog Devices представлена на рис. 9 [3].

Измерительный дифференциальный усилитель собран на ОУ U1, U2, U3 марки OP191.

Сумматор-вычитатель, реализованный на микросхеме U3 позволяет выделять полезный сигнал, не усиливая синфазные составляющие, так как он включен по дифференциальной схеме. Сама схема активного подавления синфазных помех собрана на микросхемах U4, U5.

eim

(SCR/

93 ¡RL!

В2 №.1

ОЗ k i И

Рис. 9. Схема усилителя на микросхемах ОР191

Усилители ОР191 имеют высокий коэффициент подавления синфазных сигналов (Кс) -9о-1оо дБ и достаточно низкий дрейф напряжения смещения Дисм/ ДТ - 1,1 мВ/°С. Благодаря этому построенная схема позволяет подавлять синфазные помехи при регистрации биопотенциалов эффективнее чем схемы инструментальных усилителей (ША115, INA118).

Литература

1. Бакалов, В .П. Основы биотелеметрии / В.П. Ба-калов. - М.: Радио и связь, 2001. - 352 с.

2. Биотехнические системы: Теория и проектирование: учеб. пособие / В.М. Ахутин, А.П. Немирко, Н.Н. Першин, А.В. Пожаров, Е.П. Попечителев, С.В.Романов. -Л.: Из-во Ленингр. ун-та, 1981. - 220 с.

3. Системы дистанционного контроля функциональных параметров человека : монография / Д.В. Журавлев, Ю.С. Балашов, А.А. Костин, К.М. Резников. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009. -220 с.

Воронежский государственный технический университет

VARIETY STUDY OF EMERGENCY INTERFERENCE BIOPOTENTIALS D.V. Zhuravlev1, Y.S. Balashov2

'Ph.D., Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation

e-mail: ddoml@yandex.ru

2Ph.D., Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation

e-mail: faddey52@mail.ru

In any system of remote control of human functional parameters the main link providing the necessary authenticity of the recorded information are the input analog nodes of the recording devices. The increase in the reliability of the recorded information is necessary for an accurate diagnosis and an objective timely evaluation of the actual functional state of the research object. Therefore, there is an urgent need to improve the noise immunity of the input analog nodes of the recording devices (micro-sensors, or recorders) without significantly complicating the circuit design of the devices.

In this article, the theoretical analysis of the nature of the interference and options for controlling them during the registration of bio-potentials is carried out. The main group of interference is identified, which requires suppression by circuitry methods. The ways of eliminating in-phase noise at the bio-potentials amplifier operating at the input of its additive mixture with a useful signal are considered. The analysis of circuit-based methods for suppressing in-phase jamming is carried out. The options for constructing the bio-potential amplifier based on operational amplifiers OP 191, as well as instrumental amplifiers INA 115, INA 118 are considered. Five main options for constructing amplification circuits are out of possible circuit solutions.

Based on the simulation results, five different circuit implementations of the bio-potential amplifier were compared. The effective structure of the circuit-based realization of the bio-potential amplifier was revealed. Based on the studies carried out, a bio-potential amplifier circuit was constructed. It has the largest common-mode rejection ratio

Key words: in-phase noise, additive mixture, bio-potential amplifier, micro-sensors-recorders

References

1. Bakalov V .P., "Fundamentals of biotelemetry" ("Osnovy biotelemetrii"), Radio i svjaz' (2001): 352 .

2. Ahutin V.M., Nemirko A.P., Pershin N.N., Pozharov A.V., Popechitelev E.P., Romanov S.V., "Biotechnical systems: Theory and design" ("Biotehnicheskie sistemy: Teorija i proektirovanie"), Uchebnoe posobie, Iz-vo Leningr. un-ta (1981): 220.

3. Zhuravlev D.V., Balashov Ju.S., Kostin A.A., Reznikov K.M., "Remote monitoring system of the functional parameters of the person: Monograph" ("Sistemy distancionnogo kontrolja funkcional'nyh parametrov cheloveka : Monografija"), Voronezhskij gosudarstvennyj tehnicheskij universitet, (2009) 220.