МНОГОКАНАЛЬНЫЙ АНАЛОГОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАФИИ

Полезная модель относится к области медицинской электроники и может использоваться в качестве аналогового усилителя в составе диагностических систем энцефалографии, а также кардиографии, функционирующих на основе измерения биопотенциалов.
В основе устройства широко применяемого рассматриваемого многоканального аналогового усилителя лежит принцип детектирования потенциалов низкой амплитуды при помощи высокоимпедансных инструментальных усилителей и электродов с токопроводящим гелем.
Уровень техники в области таких многоканальных аналоговых усилителей для электроэнцефалографии характеризуется группой отечественных и зарубежных аналогов, в качестве примера которых можно привести усилительную часть электроэнцефалографа Томского политехнического университета (ТПУ) и усилительную систему электроэнцефалографа по китайскому патенту CN 105193410 (А).
Усилительная часть электроэнцефалографа Томского политехнического университета (см. разработку электроэнцефалографа ТПУ на сайте в Интернет: http://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/29028/1/TPU184503.pdf) содержит обеспечивающие снижение входного сопротивления кожа-электрод канальные предусилители, на каждый из которых приходит биосигнал, полученный с входных электродов; предназначенный для выбора сочетаний точек (электродов), между которыми определяется разность потенциалов, коммутатор, к многоканальному входу которого присоединены канальные предусилители; канальные фильтры низких и высоких частот (или полосовые канальные фильтры) для задания полосы пропускания и канальные усилители, которые калибруются генератором стабильного тока, и, несмотря на портативное конструктивное исполнение изложенной аналоговой усилительной части, в последней ухудшены настроечные свойства из-за отсутствия возможности автоматической перестройки канальных фильтров.
Китайская усилительная система электроэнцефалографа (см. патент CN 105193410 (А), A61B 5/0476, 2015) построена на аналоговом усиливающем модуле, имеющем в своем составе 36 канальных монополярных усилителей и 4 канальных биполярных усилителей на основе схемного исполнения, направленного на наблюдение расширенной группы различных функций области мозга и сужающего область его применения.
В качестве прототипа предлагаемого многоканального аналогового усилителя выбрана аналоговая усилительная часть электроэнцефалографа (см. книгу авторов Зенкова Л.Р. и Ронкина М.А. «Функциональная диагностика нервных болезней. Руководство для врачей». М., МЕДпресс-информ, 2013. с. 17, рис. 1.5), содержащая блок коммутации, имеющий многоканальный вход от отводящих электродов и многоканальный выход, соединенный своими выходами с входами многоканального блока усиления и фильтрации, выполненного с возможностью подключения к многоканальному регистрирующему устройству, и предусматривающая блок питания.
Указанный прототип имеет блок-схемное выполнение, не предусматривающее узлы борьбы с помехами и предназначенное для стационарного исполнения.
Технический результат от использования предлагаемой полезной модели - повышение помехозащищенности за счет использования в первых каскадах канальных первичных усилений инструментального прецизионного усилителя в сочетании с использованием режекторного фильтра в канальных блоках вторичного усиления и фильтрации и обеспечение возможности малогабаритного исполнения на микросхемной основе.
Кроме того, предлагаемый многоканальный аналоговый усилитель расширяет арсенал аналоговых усилительных средств в широкой области современной электроэнцефалографии, базирующейся на мозг-машинных интерфейсах.
Для достижения указанного технического результата в многоканальном аналоговом усилителе для электроэнцефалографии, содержащем блок коммутации, имеющий многоканальный вход от отводящих электродов и многоканальный выход, соединенный своими выходами с входами многоканального блока усиления и фильтрации, выполненного с возможностью подключения к многоканальному регистрирующему устройству, и блок питания, предлагаемый многоканальный блок усиления и фильтрации состоит из канальных блоков детектирования первичного усиления, подсоединенных своими выходами к сигнальным входам соответствующих канальных блоков вторичного усиления и фильтрации, имеющих входы тактирования, соединенные с общим выходом блока тактирования, и выходы, выполненные с возможностью подключения к соответствующим входам многоканального регистрирующего устройства, причем каждый канальный блок детектирования первичного усиления выполнен на основе двухкаскадной схемы усиления с первым каскадом усиления, представляющим собой инструментальный прецизионный усилитель, каждый канальный блок вторичного усиления и фильтрации состоит из последовательно соединенных между собой через операционный усилитель режекторного фильтра и фильтра нижних частот на переключаемых конденсаторах, блок тактирования выполнен в виде генератора прямоугольных импульсов, и блок питания подключен к внешней шине питания, при этом упомянутые блоки детектирования и первичного усиления, блоки вторичного усиления и фильтрации, блок тактирования и блок питания выполнены на микросхемной основе.
В частных случаях осуществления предлагаемого многоканального аналогового усилителя:
блок коммутации может содержать схему согласования отводящих электродов с входами многоканального блока усиления и фильтрации;
первый каскад каждого канального блока детектирования и первичного усиления может быть выполнен на основе инструментального прецизионного усилителя типа AD8220;
каждый канальный блок вторичного усиления и фильтрации может быть выполнен на основе прецизионного двухканального операционного усилителя типа ОР2177 и фильтра низких частот на переключаемых конденсаторах со встроенным операционным усилителем типа МАХ291;
блок тактирования может быть выполнен на основе прецизионного двухканального операционного усилителя типа ОР2177;
блок питания может быть выполнен на основе импульсного преобразователя напряжения типа TMA0505D.
На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого многоканального аналогового усилителя для электроэнцефалографии; на фиг. 2 - блок-схема одного из канальных блоков вторичного усиления и фильтрации (фиг. 2а) и электрическая схема блока тактирования (фиг. 2б) на фиг. 1; на фиг. 3 - электрическая схема блока питания на фиг. 1 и на фиг. 4 - спектральная характеристика усиленного сигнала, снятого с области зрительной коры при закрытых глазах, подтверждающая работоспособность опытного образца усилителя на фиг. 1.
Предлагаемый многоканальный аналоговый усилитель (см. фиг. 1) содержит блок коммутации 1, имеющий многоканальный вход от отводящих электродов (на фигурах не показаны) и многоканальный выход, соединенный своими выходами с входами многоканального блока усиления и фильтрации, состоящего из канальных блоков детектирования и первичного усиления 2-9, подсоединенных своими выходами к сигнальным входам соответствующих канальных блоков вторичного усиления и фильтрации 10-17, имеющих входы тактирования, соединенные с общим выходом блока тактирования 18, и выходы 19, выполненные с возможностью подключения к соответствующим входам многоканального регистрирующего устройства (на фигурах не показано), и блок питания (20), подключенный к внешней шине питания.
Блок коммутации (1) содержит не показанные на фигурах гнезда соединения с отводящими электродами, входные высокоимпедансные фильтры, а также диодные сборки.
Первый каскад каждого блоков детектирования и первичного усиления 2-9 выполнен на основе инструментального прецизионного усилителя типа AD8220 (на фигурах не показан).
Каждый из блоков вторичного усиления и фильтрации 10-17 (см. фиг. 2а) состоит из последовательно соединенных между собой через операционный усилитель 21 типа ОР2177, режекторного фильтра 22 и фильтра нижних частот 23 на переключаемых конденсаторах со встроенным операционным усилителем типа МАХ291.
При этом блок тактирования 18 и блок питания 20 (см. фиг. 3) имеют электрические схемы, соответственно выполненные на основе прецизионного двухканального операционного усилителя 24 (см. фиг. 2б) типа ОР2177 и импульсного преобразователя напряжения 25 (см. фиг. 3) типа TMA0505D.
Предлагаемый многоканальный аналоговый усилитель для электроэнцефалографии работает следующим образом
Основные задачи блока коммутации 1 заключаются в соединении отводящих электродов, регистрирующих сигналы, с соответствующими входами канальных блоков детектирования и первичного усиления 2-9, фильтрации сигналов от высокочастотных наводок, а также в защите канальных блоков детектирования и первичного усиления 2-9 от превышения напряжения по входу и статики.
Основная функциональная задача канальных блоков детектирования и первичного усиления 2-9, регистрация сигналов, поступающих с отводящих электродов, расположенных на коже, удаление из сигналов синфазных наводок, а также предусиление сигналов для изменения соотношения сигнал/шум.
Входной каскад инструментального прецизионного усилителя типа AD8220 на полевых транзисторах в каждом канальном блоке детектирования и первичного усиления 2-9 позволяет снизить требования к качеству контакта отводящих электродов с кожей и уменьшает уровень шумов и увеличивает уровень помехозащищенности.
Такой инструментальный прецизионный усилитель в блоках 2-9 имеет коэффициент усиления по напряжению, равный 16, при таком коэффициенте усиления влияние колебания проводов, соединяющих отводящие электроды с входами блока коммутации 1, минимально.
Для выделения сигнала на фоне шума каждый блок 2-9 производит вычитание напряжения, полученного с отводящего электрода, расположенного в области, где потенциально есть сигналы, из напряжения с отводящего электрода, расположенного в области, где потенциально нет сигнала. Исходя из такого метода регистрации можно использовать всего один электрод для области без сигналов и необходимое число электродов для областей с сигналами.
Основная задача канальных блоков вторичного усиления и фильтрации 10-17, дополнительное усиление сигналов с выходов канальных блоков 2-9, а также фильтрация этих сигналов.
Коэффициент усиления каждого блока, 10-17 5000 раз по напряжению. Вход операционного усилителя 21 каждого блока 10-17 подключен к выходу соответствующего блока 2-9 через фильтр верхних частот первого порядка (на фигурах не показан), что предотвращает попадание постоянного смещения на вход операционного усилителя 21, тем самым повышая общую стабильность предлагаемого многоканального аналогового усилителя. Далее выход операционного усилителя 21 подключен ко входу фильтра нижних частот 23. Фильтр 23 имеет внешнее тактирование с помощью блока тактирования 18 и настроен на частоту среза, равную 20 Гц.
При этом режекторный фильтр 22 в каждом из блоков вторичного усиления и фильтрации 10-17 увеличивает помехозащищенность, за счет вырезания 50 Гц из сигналов в указанных блоках.
Основная задача блока тактирования 18, создавать сигнал тактирования нужной частоты для управления фильтрами нижних частот 23 на переключаемых конденсаторах.
Основная задача блока питания 20, обеспечение постоянным напряжением всех каскадов усиления блоков 2-9 и 10-17, а также его гальваническая развязка от источника питания (малогабаритный аккумулятор), что позволяет его защитить от статического напряжения и помех в цепи питания.
В схеме блока питания 20 (см. фиг. 3) введены два фильтра: на выходе, образованный дросселями и конденсаторами, и на входе, образованный конденсаторами. Задача данных фильтров, снижение негативного влияния широтно-импульсного модулятора преобразователя напряжения 25 на блоки 2-9 и 10-17.
В настоящее время освоение предлагаемого многоканального аналогового усилителя находится на этапе испытания опытного образца, изготовленного с массогабаритными показателями: с массой ~100 г и габаритами (длина, ширина и высота) 90×56×23 мм.
Работоспособность указанного опытного образца подтверждается спектральной характеристикой усиленного сигнала, снятого с области зрительной коры при закрытых глазах, представленной на фиг. 4.
Таким образом схемное устройство предлагаемого многоканального аналогового усилителя для электроэнцефалографии обеспечивает повышение помехозащищенности и возможность малогабаритного исполнения на микросхемной основе.