МДП (Тимохов ФИБС БТС 8 семестр) / МДП v3

Документы, устанавливающие требуемые значения параметров таких УБП: ГОСТ 19687 [2], ГОСТ Р МЭК 60601-2-51 [3] и Р 50.2.009 [4].

Рисунок 1.1.2 – Схема возможного варианта реализации усилителя биопотенциалов

Расчёт каждого усилителя при его проверке на соответствие характеристикам проводится при одинаковых условиях:

1)отсутствие третьего электрода, подающего на кожный покров человека усиленный синфазный сигнал;

2)отсутствие экранирования электродов;

3)коэффициент усиления Ку = 500;

4)напряжение питания Uпит = ± 3 В.

1.2 Патентная проработка предлагаемых технических решений

1) Устройство регистрации биопотенциалов [5].

Год: 2011

Содержание патента: Устройство регистрации биопотенциалов относится к медицинской технике и может быть использовано для диагностических исследований, таких как регистрация электрической активности сердца – электрокардиограммы (ЭКГ), электрической активности мышц – электромиограммы (ЭМГ). Оно состоит из датчиков биопотенциалов

1, которые накладываются на кожу человека, и подключены ко входу фильтра

2, выход которого соединен со входом усилителя 3 биопотенциалов, а его выход соединен со входом АЦП 4 микроконтроллера 5. К микроконтроллеру

11

5 по двунаправленной шине подсоединены блок синхронизации 6,

выполненный в виде микросхемы часов реального времени, флеш-память 7 и

может быть подключен акселерометр 8. Выход микроконтроллера соединен со входом интерфейса 9 (рис. 1.1.3). Техническим результатом является дополнительная возможность регистрации физиологических и пространственных характеристик, привязанных к единой шкале времени как человека в целом, так и отдельных частей его тела.

Рисунок 1.1.3 – Структурная схема устройства регистрации биопотенциалов

Анализ: Устройство, описанное в данном патенте, обладает

преимуществами в виде регистрации характеристик, помимо

электрокардиосигнала, однако это усложняет и удорожает производство, и в большинстве случаев является избыточным при исследовании электрических характеристик сердца.

2) Усилитель биопотенциалов с диагностированием обрыва

электродов [6].

Год: 2017

Содержание патента: Полезная модель относится к технике измерений биоэлектрических сигналов организма человека и быть может быть

12

использована в многоканальных цифровых электрокардиографах.

Технический результат заключается в повышении надежности работы усилителя биопотенциалов для многоканального электрокардиографирования в реальных условиях эксплуатации. Данный технический эффект достигается благодаря тому, что в известный усилитель биопотенциалов, содержащий М входов для подключения М сигнальных электродов электрографических отведений и два входа для подключения соответственно опорного R-электрода и N-электрода, а также М+2 фильтра нижних частот (ФНЧ), входы которых являются входами указанного усилителя биопотенциалов, при этом вход каждого ФНЧ подключен к соответствующему сигнальному электроду либо к

R- или N-электроду, а также управляющий микропроцессор, универсальную интегральную схему АЦП, включающую в себя программируемый генератор,

Мопорных источников тока, каждый из которых подключен к соответствующему плюсовому входу мультиплексора, а также два масштабирующих резистора, параллельно одному из которых включен конденсатор, введены М+1 высокоомный резистор, каждый из которых включен между земляной шиной и плюсовым входом мультиплексора, а также цепь накачки из последовательно соединенных конденсатора цепи накачки и резистора цепи накачки, второй вывод которого соединен со входом операционного усилителя биопотенциала N-электрода, операционный усилитель биопотенциала R-электрода, при этом в управляющий микроконтроллер встроен дополнительно АЦП микроконтроллера, который подключен к выходу ФНЧ канала N-электрода, а выход операционного усилителя биопотенциала R-электрода соединен со вторым выводом второго из указанных масштабирующих резисторов и с общей шиной, соединяющей

Мминусовых входов мультиплексора друг с другом (рис. 1.1.4).

13

Рисунок 1.1.4 – Схема устройства регистрации БП с детектированием обрыва электродов

Анализ: устройство, описанное в патенте, имеет преимущество перед классическими схемами УБП, заключающееся в детектировании обрыва электродов, что может быть полезно при проведении длительных исследований, предполагающих активное движение и низкую надёжность контакта электродов с поверхностью кожи. Однако такая конструкция не является универсальной, и вероятнее всего предназначалась для реализации в конкретном классе устройств. В условиях непродолжительных по времени исследований под наблюдением врача необходимости в такого рода усилителе практически нет, что в свою очередь ведет лишь к ненужному усложнению

конструкции.

3) Иностранный патент «Surface electromyography system, recorder and

method» (Система, регистратор и метод поверхностной

электромиографии) [7].

Год: 2016

Содержание патента: Патент содержит способы регистрации

электромиографического сигнала и определения нервно-респираторного

14

драйва (НРД) у пациентов с хронической обструктивной болезнью легких

(ХОБЛ) на основе измерений поверхностной электромиографии, снятой с межреберных мышц на груди пациента. Представлена система электромиографии, которая содержит два элетрода для контакта с кожей пациента и записывающее устройство для записи электромиограммы между первым электродом и вторым электродом.

Согласно дополнительным аспектам представлены соответствующий регистратор электромиограммы для системы электромиографии, способ измерения электромиограммы и соответствующая компьютерная программа.

Анализ: хотя патент не посвящен напрямую разработке блока для регистрации электрокардиосигнала, однако, так как структура устройств снятия ЭМГ и ЭКГ очень схожа, данный патент представляет интерес. Часть реферата патента, посвященная описанию блока усиления БП, описывает устройство, построенное на основе дифференциального усилителя,

совмещенного с блоком коммутации и АЦП. Можно сказать, что данная структура предпочтительна в тех случаях, когда мы знаем назначение устройства, в котором будет использоваться блок усиления, однако же встроенный АЦП может иметь характеристики, не подходящие в том или ином случае (например, при использовании модуля в носимом кардиомониторе фитнес-браслета большая разрядность может быть избыточна и снижать время автономной работы из-за высокого энергопотребления).

1.3 Функциональная и структурная схема объекта проектирования

Произведем разработку функциональной схемы устройства. Результат

представлен на рис. 1.2.1.

15

Рисунок 1.2.1 – Функциональная схема устройства Средства съема биопотенциалов накладываются на поверхность кожи и

производят передачу сигнала в функциональный блок усиления, где путем настройки коэффициента усиления устанавливается необходимая амплитуда.

Далее сигнал поступает на блок подавления синфазной помехи, где устраняется синфазная составляющая. Итоговый усиленный сигнал поступает на внешнее устройство (например, в блок аналого-цифрового преобразования).

Структурная схема объекта проектирования представлена на рис. 1.2.2.

Рисунок 1.2.2 – Структурная схема разрабатываемого устройства Электродная система состоит из двух электродов, расположенных на

коже пациента в соответствии с необходимой схемой отведения. Входной каскад УБП представляет собой дифференциальный усилитель, выполненный на двух, связанных через подстроечный резистор, буферных неинвертирующих усилителях. Входные усилители увеличивают входное сопротивление (импеданс) низкоимпедансного выходного

дифференциального инвертирующего усилителя как для дифференциального,

16

так и для синфазного сигналов, так как сигнал подается непосредственно на вход входных операционных усилителей, имеющих очень малые входные токи. Подстроечный резистор — общий для обоих входных неинвертирующих усилителей, изменением величины его сопротивления изменяют коэффициент усиления. Выходной усилитель выполняет усиление разностного сигнала.

17

2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЕКТИРУЕМОГО УСТРОЙСТВА

2.1Расчет и конструирование проектируемого объекта.

Моделирование и экспериментальная апробация принципиальной схемы

устройства в САПР Micro-Cap

Усилитель электрокардиосигнала построен по схеме измерительного усилителя, выполненного на трех операционных усилителях. В соответствии с задачей к нему предъявляются следующие требования.

Измерительный тракт электрической активности должен обеспечивать входное сопротивление более 107 Ом, максимальное входное напряжение шума 5 мкВ в полосе частот от 0,05 до 20 Гц, коэффициент, ослабления синфазной помехи не менее 70дБ, нелинейность АЧХ в полосе до 20 Гц не более 2 %.

В соответствии с требованиями подберем операционные усилители.

Выбираем микросхему OP193. Данный операционный усилитель обладает следующими характеристиками и параметрами:

Произведем расчёт и моделирование схемы в САПР Micro-Cap 12 (рис.

2.1.1).

18

Рисунок 2.1.1 – Принципиальная схема разработанного усилителя Зависимость выходного напряжения данного усилителя от напряжения

на его входах имеет следующий вид (2.1):

где коэффициент усиления входного каскада на X1, X2 имеет вид (2.2):

Рассчитаем элементы усилителя для пяти фиксированных коэффициентов усиления: 30, 50, 70, 90,100. В данном усилителе коэффициент усиления регулируется потенциометром X5.

Пусть выходной каскад имеет постоянный коэффициент усиления равный 6, тогда согласно формуле коэффициента усиления выходного каскада выбираем резисторы R5. R6 по 10 и 60 кОм соответственно. Для обеспечения симметричности усилителя должно удовлетворяться условие (2.4):

Исходя из этого условия, выбираем резисторы R5, R6 по 10 и 60 кОм соответственно. Выбранные резисторы должны быть высокостабильны,

поэтому выбираем прецизионные резисторы марки С2-14 с допуском 0,5 % из ряда Е192.

19

Для первого каскада резисторы Rl, R2 выбираем равными 10 кОм. Так как выходной каскад имеет коэффициент усиления 6, то входной каскад будет иметь коэффициенты усиления 5; 8,3; 11,6; 15, 16,6. Рассчитаем значение сопротивления X5 для каждого случая, получим:

X51 = 5 кОм;

X52 = 2,74 кОм;

X53 = 1,89 кОм;

X54 = 1,43 кОм;

X55 = 1,28 кОм;

Произведем экспериментальную апробацию разработанной схемы. Для этого произведем моделирование работы схемы на примере реального ЭКГ сигнала. Для этого выберем в библиотеке компонентов элемент «User Source»

и загрузим в него файл записи сигнала в формате .USR. График исходного сигнала показан на рис. 2.1.2.

Рисунок 2.1.2 – График исходного ЭКГ сигнала Также добавим в схему дополнительный источник синфазной помехи.

На рис. 2.1.1 – это элемент U1.

Характеристики сигнала помехи: A = 0,05 В (что в 50 раз превышает максимальное значение амплитуды ЭКГ сигнала); f = 50 Гц.

Произведем анализ во временной области для различных положений движка потенциометра в 1 кОм: 100, 50, 30, 15, 5 (рис. 2.1.2 – рис. 2.1.6). На

20