Многоканальный усилитель биопотенциалов

 

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для усиления биоэлектрических сигналов различного характера в полосе частот от 0 до 100 Гц, например сигналов сверхмедленной электрической активности головного мозга, кожно-гольванического рефлекса, фиксации точки взора по корне - ретинальным потенциалам и др., в основном при биотелеметрических исследованиях. Изобретение обеспечивает получение сведений о постоянной и переменной составляющих нескольких одновременно исследуемых биосигналов в многоканальном режиме при сохранении быстродействия одноканального режима. Многоканальный усилитель биопотенциалов включает коммутатор входных цепей 2 и блок 4 компенсации постоянной составляющей сигнала, выход 5 которого является выходом усилителя по переменной составляющей сигнала. Выход 5 соединен с входом компаратора 7, выход которого соединен через схему совпадения 10 с управляющим входом управляемого генератора 12. Выход генератора соединен с входом записи зипоминающего устройства 21 и с входом цифроаналогового преобразователя 28, выход которого соединен с управляющим входом блока 4 компенсации постоянной составляющей сигнала и является выходом усилителя по постоянной составляющей сигнала. Выход блока 16 управления коммутацией каналов соединен с адресными входами коммутатора каналов 2 и запоминающего устройства 21. В усилителе имеется синхронизирующий генератор 13 последовательностей импульсов. 2 ил.

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для съема и усиления биоэлектрических сигналов различного характера в полосе частот 0-100 Гц, например сигналов сверхмедленной электрической активности головного мозга, кожно-гальванического рефлекса, фиксации точки взора по корнео-ретинальным потенциалам и др. в основном при биоэлектрических исследованиях.

Известен многоканальный усилитель биопотенциалов ЭКГ с последовательным опросом каналов, включающий последовательно соединенные коммутатор каналов, усилительный каскад и емкостной блок компенсации постоянной составляющей сигнала, выход которого является выходом переменной составляющей сигнала. Недостатками такого усилителя являются отсутствие возможности пропускания нулевой частоты биосигнала и пониженное быстродействие схемы компенсации постоянной составляющей вследствие использования емкостно-резистивных цепей.

Прототипом изобретения является многоканальный усилитель биопотенциалов, имеющий несколько (две) входных цепей, одна из которых через предварительный усилитель соединена с входом блока компенсации постоянной составляющей, выход которого является выходом усилителя по переменной составляющей сигнала и соединен с входом компаратора, выход которого соединен с первым входом схемы совпадения, выход схемы совпадения соединен с входом управляемого генератора кодов, выход которого соединен с входом цифроаналогового преобразователя, выход последнего является выходом усилителя по постоянной составляющей сигнала и соединен с управляющим входом блока компенсации постоянной составляющей сигнала, а также генератор последовательностей импульсов (таймер), один из выходов которого соединен с синхронизирующим входом управляемого генератора кодов.

В указанном усилителе обеспечивается вывод постоянной и переменной составляющих биосигнала, но только для одного из исследуемых сигналов, отсутствует возможность получения этих данных для нескольких одновременно исследуемых сигналов.

Задача изобретения состоит в получении сведений о постоянной и переменной составляющих нескольких одновременно исследуемых биосигналов в многоканальном режиме при сохранении быстродействия одноканального режима.

Для решения указанной задачи в многоканальный усилитель биопотенциалов, имеющий несколько входных цепей, включающий блок компенсации постоянной составляющей, выход которого является выходом усилителя по переменной составляющей сигнала и соединен с входом компаратора, выход которого соединен с первым входом схемы совпадения, выход схемы совпадения соединен с управляющим входом управляемого генератора кодов, выход которого соединен с входом цифроаналогового преобразователя, выход последнего является выходом усилителя по постоянной составляющей сигнала и соединен с управляющим входом блока компенсации постоянной составляющей сигнала, а также генератор последовательностей импульсов, первый выход которого соединен с входом синхронизации управляемого генератора кодов, введены запоминающее устройство, коммутатор каналов и блок управления коммутацией каналов, управляемый генератор кодов выполнен с возможностью установки начального состояния, выход запоминающего устройства соединен с входом установки начального состояния управляемого генератора кодов, выход которого дополнительно соединен с входом записи запоминающего устройства, адресный вход запоминающего устройства соединен с выходом блока управления коммутацией каналов, который соединен также с адресным входом коммутатора каналов, выход которого соединен со входом блока компенсации постоянной составляющей, первый выход генератора последовательностей импульсов дополнительно соединен с входом блока управления коммутацией каналов, второй выход соединен с вторым входом схема совпадения, а третий выход с входом синхронизации запоминающего устройства.

Эффективным путем регистрации полезного биосигнала в полосе частот менее 0,1 Гц является использование усилителей постоянного тока с компенсацией постоянной составляющей, как указано в прототипе изобретения.

На практике требуется обеспечить одновременную регистрацию биосигналов в полосе частот от 0 Гц и выше, различных по природе, отличающихся величиной постоянной составляющей, в том числе на порядок. Если ввести в прототип только коммутатор каналов, то при переключении с одной входной цепи на другую, т. е. при переходе от одного сигнала к другому, отличающемуся величиной постоянной составляющей, требуется увеличенное время на ее компенсацию. Это требует уменьшения частоты опроса каналов, что ведет к потере части информации об исследуемых сигналах. Если ввести блок компенсации постоянной составляющей в каждый канал, это вызовет многократное увеличение объема, веса и потребления энергии, удорожание аппаратуры и неприемлемо для портативных и телеметрических многоканальных систем.

Введение в прототип известных по отдельности блоков при ранее неизвестном их соединении друг с другом и с имеющимися в прототипе блоками обеспечивает как запоминание уровня действующей в каждой из входных цепей (т.е. в каждом канале) постоянной составляющей сигнала, так и введение этого уровня в цепь компенсации постоянной составляющей при последующем включении коммутатором каналов этой входной цепи. Это является первичным техническим результатом, появившимся в предложенной новой совокупности существенных признаков, который позволяет решить поставленную задачу.

На фиг. 1 изображена блок-схема многоканального усилителя биопотенциалов; на фиг. 2 диаграммы сигналов на элементах блок-схемы, где t время, U_х сигнал на входе (выходе) элемента блок-схемы, имеющем номер "х", а N номер одного из каналов усилителя.

Многоканальный усилитель потенциалов содержит (фиг. 1) n сигнальных входных цепей (каналов) 1, соединенных с сигнальными входами коммутатора 2 каналов, сигнальный выход которого соединен с сигнальным входом 3 блока 4 компенсации постоянной составляющей сигнала. Выход 5 блока компенсации постоянной составляющей сигнала является выходом многоканального усилителя по переменной составляющей сигнала (U_~). Выход 5 усилителя соединен с входом 6 компаратора 7, выход 8 которого соединен с входом 9 схемы совпадения 10, выход последней соединен с управляющим входом 11 управляемого генератора кодов 12.

Многоканальный усилитель содержит также генератор 13 последовательностей импульсов, первый выход 14 которого соединен с входом 15 синхронизации управляемого генератора кодов 12 и со входом блока 16 управления коммутацией каналов (входных цепей) 1. Второй выход 17 генератора 13 последовательностей импульсов соединен с входом 18 схемы совпадения 10. Третий выход 19 генератора 13 соединен с входом синхронизации 20 запоминающего устройства 21. Выход блока 16 управления коммутацией каналов соединен с адресным входом 22 коммутатора 2 каналов и с адресным входом 23 запоминающего устройства 21. Сигнальный выход 24, например четырехзарядная шина, запоминающего устройства 21 соединен с входом 25 установки начального состояния управляемого генератора кодов 12, выход 26 которого (также четырехзарядная шина) соединен как с входом 27 цифроаналогового преобразователя 28, так и с входом записи 29 запоминающего устройства 21. Выход 30 цифроаналогового преобразователя 28 соединен с входом 31 блока 4 компенсации постоянной составляющей сигнала и является выходом многоканального усилителя по постоянной составляющей (смещению) сигнала (U₌).

Блок 4 компенсации постоянной составляющей сигнала содержит, например, предварительный дифференциальный усилитель 32, вход которого является входом 3 блока 4, а выход соединен через резистор 33 с входом компенсирующего усилителя 34. Вход усилителя 34 через резистор 35 соединен с входом 31 блока 4 компенсации постоянной составляющей, в цепи обратной связи усилителя 34 имеется резистор 36, а выход усилителя 34 является выходом 5 блока 4, т.е. выходом многоканального усилителя по переменной составляющей сигнала U_~ Усилитель 32 может отсутствовать при достаточном уровне сигнала с выхода коммутатора 2.

На кафедре Информатики СвердИНХа апробировано предлагаемое устройство на 4 канала с полосой 0-100 Гц с частотой опроса каждого канала 500 1/с. Усилитель 32 выполнен на микросхеме типа 284УД1А. Усилитель 34 на микросхеме 154УД1. В качестве коммутатора 2 каналов используется микросхема 561КП1, блока 16 управления коммутацией каналов 561ИЕ10; запоминающего устройства 21 564ИР11, цифроаналогового преобразователя 28 572ПА1 и 154УД1А.

Компаратор 7 в данном примере выполнения имеет, кроме входа 6, еще вход 37 (установка верхнего предела сравнения, U_max) и вход 38 (установка нижнего предела сравнения, U_min). Вход 6 компаратора 7 соединен с первыми входами 39 и 40 дифференциальных усилителей 41 и 42, с вторыми входами 43, 44 которых соединены, соответственно, входы 37 и 38 компаратора 7. Каждый из выходов 45, 46 дифференциальных усилителей 41, 42 соединен, соответственно, с одним из входов схемы совпадения 47, выход которой является выходом 8 компаратора 7, соединенным с входом 9 схемы совпадения 10. Усилители 41 и 42 выполнены на микросхемах типа 154УД1А, а схемы совпадения 10 и 47 на микросхемах 561ЛА7.

В рассматриваемом примере выполнения выход 45 усилителя 41 соединен также с знаковым входом 48 управляемого генератора кодов 12. При этом генератор кодов 12 выполнен в виде реверсивного счетчика на микросхеме типа 564ИЕ11 и работает быстрее, чем если бы он был выполнен в виде нереверсивного счетчика без знакового входа.

Генератор 13 последовательностей импульсов выполнен в виде кварцованного источника импульсов 49 (на микросхемах 561ЛА7), выход 50 которого соединен с входом распределителя импульсов 51 (микросхема 561ИЕ8). Три из выходов распределителя импульсов 51 являются выходами 14, 17 и 19 генератора 13. На указанных выходах распределителя импульсов 50 и генератора 13 действуют последовательности импульсов, сдвинутые друг относительно друга на требуемые интервалы времени (фиг. 2).

Выходы 5 и 30 многоканального усилителя могут быть соединены с устройствами для регистрации выходных сигналов или для передачи их по телеметрическому каналу.

Рассмотрим работу устройства в установившемся режиме. На выходе 50 источника импульсов 49 действует последовательность импульсов U₅₀ (фиг. 2), из которой в распределителе импульсов 51 формируются требуемые на выходах 14, 17 и 19 генератора 13 последовательности импульсов, синхронизирующие работу блоков многоканального усилителя. В частности, каждый из импульсов последовательности U₁₄ задает момент начала опроса одного из каналов (входных цепей) усилителя. На фиг. 2 приведены диаграммы сигналов, действующих на элементах схемы при опросе трех каналов с порядковыми номерами: N 1, N, N + 1. Появление импульса U₁₄на входе блока 16 управления коммутатором 2 вызывает появление на входе 22 коммутатора 2 и входе 23 запоминающего устройства 21 адреса соответствующего канала (см. U₂₂(23) на фиг. 2). При этом ко входу 3 блока 4 компенсации постоянной составляющей сигнала подключается соответствующая входная цепь, а на выходе запоминающего устройства 21 появляется код числа, соответствующего уровню постоянной составляющей сигнала в этой входной цепи, определенному при предыдущем опросе данного канала. При первом после включения схемы опросе любого канала на выходе запоминающего устройства 21 может появиться нулевой код.

Появление импульса U₁₄ на входе 15 управляемого генератора 12 кодов обеспечивает занесение кода числа с выхода 24 запоминающего устройства 21 в генератор кодов 12 и установку таким образом его начального состояния при данном опросе входной цепи. Это начальное состояние генератора 12 кодов соответствует уровню постоянной составляющей входной цепи, действовавшей в ней при предыдущем ее опросе (или нулю при первом после включения схемы опросе). Указанное значение кода передается с выхода 26 генератора 12 на вход 27 цифроаналогового преобразователя 28 и появляется в виде постоянного напряжения U₃₀ на управляющем входе 31 блока 4 компенсации постоянной составляющей и на выходе 30 усилителя.

Усиленное в предварительном усилителе 32 значение полезного сигнала входной цепи, прошедшее через компенсирующий усилитель 34, появляется на выходе 5 усилителя и на входе 6 компаратора 7. Далее могут иметь место три варианта работы схемы, в зависимости от того, находится ли напряжение U₅ в заданных пределах между U_min U_max, выше или ниже этих пределов.

Если в N 1 канале (время опроса t₁ t₄) значение U₅ находится в заданных пределах, компаратор 7 не срабатывает, на его выходе 8 сигнал U₈ равен нулю, т. е. равно нулю и напряжение на входе 9 схемы совпадения 10. В этом случае при любом сигнале на другом входе 18 схемы совпадения 10 будет отсутствовать импульс на ее выходе и на входе 11 управляемого генератора кодов 12. Значение кода на выходе 26 этого генератора не будет изменено, останется постоянным значение напряжения U₃₀ на управляющем входе 31 блока компенсации постоянной составляющей и значение полезного сигнала на выходе 5 усилителя. При этом не играет роли величина напряжения U₄₅ на знаковом входе 48 управляемого генератора кодов 12. Появление импульсов сигналов U₁₇, U₁₉ в момент времени t₂, t₃ в данном случае не ведет к изменениям сигналов схемы.

Если в N канале (время опроса t₄ t₇) значение сигнала U₅превышает значение U_max, действие этого напряжения на входах 39 и 40 компаратора 7 вызывает появление на выходе 8 компаратора положительного напряжения U₈, действующего на входе 9 схемы совпадения 10. На другом ее входе 18 в момент времени t₅ появляется импульс U₁₇ с выхода 17 генератора 13 последовательностей импульсов. Тогда на выходе схемы совпадения 10 и на управляющем входе 11 управляемого генератора кодов 12 появляется импульс U₁₁, вызывающий изменение (увеличение) значения кода на выходе 26 генератора 12 на заранее заданную величину. Направление изменения кода генератора определяется величиной напряжения U₄₅ с выхода 45 дифференциального усилителя 41, поступающего на знаковый вход 48 управляемого генератора кодов 12, которое здесь принимает максимальное значение и соответствует увеличению кода генератора 12. Увеличение значения кода на входе 27 цифроаналогового преобразователя вызывает соответствующее увеличение напряжение смещения U₃₀ на его выходе и, соответственно, на управляющем входе 31 блока компенсации постоянной составляющей. В результате этого напряжение U₅ (U ) на выходе блока компенсации и усилителя уменьшается и входит в заданные пределы. В общем случае, при большом выходе полезного сигнала на заданные пределы, особенно при включении схемы, ввод его в заданные пределы может происходить за несколько опросов данного входного сигнала.

Далее, в момент времени t₆, на выходе 19 генератора 13 последовательностей импульсов и на входе 20 синхронизации запоминающего устройства 21 появляется импульс U₁₉, разрешающий запись в запоминающее устройство нового значения кода с выхода 26 генератора 12. Это новое значение кода сохраняется до следующего опроса данного N канала.

В N + 1 канале (время опроса t₇ и далее) значение сигнала U₅ ниже значения U_min, действие этого напряжения на входах 39 и 40 компаратора 7 вызывает появление на выходе 8 компаратора также положительного напряжения U₈, действующего на входе 9 схемы совпадения 10. На другом ее входе 18 в момент времени t₈ появляется импульс U₁₇ с выхода 17 генератора 13 последовательностей импульсов. На выходе схемы совпадения 10 и на управляющем входе 11 управляемого генератора кодов 12 появляется импульс U₁₁, вызывающий изменение (уменьшение) значение кода на выходе 26 генератора 12 на заранее заданную величину. Направление изменения кода генератора определяется величиной напряжения U₄₅ с выхода 45 дифференциального усилителя 41, поступающего на знаковый вход 48 управляемого генератора кодов 12, которое в данном случае принимает минимальное значение и соответствует уменьшению кода генератора 12. Уменьшение значения кода на входе 27 цифроаналогового преобразователя вызывает соответствующее уменьшение напряжения смещения U₃₀ (U₀) на его выходе и значит на управляющем входе 31 блока компенсации постоянной составляющей. В результате этого напряжение U₅ на выходе 5 блока компенсации и усилителя увеличивается и входит в заданные пределы. При достаточно большом выходе полезного сигнала на заданные пределы ввод его в них также может происходить за несколько опросов сигнала.

В момент времени t₉ на выходе 19 генератора 13 последовательностей импульсов и на входе 20 синхронизации запоминающего устройства 21 появляется импульс U₁₉, разрешающий запись в запоминающее устройство нового значения кода с выхода 26 генератора 12, которое сохраняется до следующего опроса данного N + 1 канала.

Таким образом, на выходе 5 усилителя в каждом канале действует переменная составляющая входного сигнала U_~ c поддержанием амплитуды сигнала в заданных пределах. Измерение переменной составляющей производится по окончании процесса компенсации постоянной составляющей. На выходе 30 усилителя фиксируются значения постоянной составляющей входного сигнала U₀ также для всех каналов многоканального усилителя.

Использование изобретения обеспечивает возможность при многоканальном режиме регистрации действие как переменной составляющей сигнала, так и его постоянной составляющей.

Формула изобретения

МНОГОКАНАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ БИОПОТЕНЦИАЛОВ, имеющий несколько входных цепей, включающий блок компенсации постоянной составляющей сигнала, выход которого является выходом усилителя по переменной составляющей сигнала и соединен с входом компаратора, выход которого соединен с первым входом схемы совпадения, выход которой соединен с управляющим входом управляемого генератора кодов, выход которого соединен с входом цифроаналогового преобразавателя, выход последнего является выходом усилителя по постоянной составляющей сигнала и соединен с управляющим входом блока компенсации постоянной составляющей сигнала, а также генератор последовательностей импульсов, первый выход которого соединен с входом синхронизации управляемого генератора кодов, отличающийся тем, что в него введены запоминающее устройство, коммутатор входных цепей и блок управления коммутацией входных цепей, управляемый генератор кодов выполнен с возможностью установки начального состояния, выход запоминающего устройства соединен с входом установки начального состояния управляемого генератора кодов, выход которого дополнительно соединен с входом записи запоминающего устройства, адресный вход запоминающего устройства соединен с выходом блока управления коммутацией входных цепей, который соединен также с адресным входом коммутатора входных цепей, выход которого соединен с сигнальным входом блока компенсации постоянной составляющей, первый выход генератора последовательностей импульсов дополнительно соединен с входом блока управления коммутацией входных цепей, второй выход этого генератора соединен с вторым входом схемы совпадения, а третий - с входом синхронизации запоминающего устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2