PRACA ORYGINALNA ISSN 1641 6007 Sen 2002, Tom 2, Nr 1, 15 19 napięć bioelektrycznych Bioelectric amplifier Tadeusz Pracki, Daria Pracka Katedra i Zakład Fizjologii Akademii Medycznej im. L. Rydygiera w Bydgoszczy n Abstract Bioelectric amplifier The mode of operation of bioelectric amplifiers, with emphasis on polisomnographic amplifiers, applied in sleep research is presented. The electric requirements for these amplifiers as well as parameters they must meet are described. Our own project for the amplifier of bioelectric signals and our own design for the 8-channel polisomnographic amplifier are also presented. Key words: EEG amplifier, electroencephalography amplifier, polisomnographic amplifier, bioelectric amplifier Adres do korespondencji: Tadeusz Pracki Katedra i Zakład Fizjologii Akademii Medycznej im. L. Rydygiera w Bydgoszczy ul. Karłowicza 24 85 092 Bydgoszcz tel.: (0 52) 585 37 20 faks: (0 52) 585 37 23 e-mail: sen.poradnia@amb.bydgoszcz.pl n Wstęp Rozwój nowoczesnych metod badań nad snem rozpoczął się kilka lat po wynalezieniu klinicznej metody rejestracji czynności bioelektrycznej mózgu elektroencefalografii (EEG). Po raz pierwszy w latach 20. XX wieku rejestracji tej czynności z powierzchni głowy człowieka dokonał Hans Berger przy użyciu galwanometru Edelmana [1]. W 1932 roku Jan Toennis, współpracując z Bergerem, skonstruował pierwszy, jednokanałowy elektroencefalograf, a w 1936 roku Albert Grass zbudował 3-kanałowy aparat EEG [1]. Pierwsze elektroencefalografy budowano na lampach elektronowych, były duże i ciężkie, pobierały dużo energii, bardzo się nagrzewały i często się psuły. Przełomem w produkcji aparatów EEG było wynalezienie tranzystora w 1948 roku. Jego zastosowanie w aparatach EEG wyraźnie poprawiło jakość rejestracji oraz spowodowało spadek zużycia energii. Rozmiary elektroencefalografów uległy zmniejszeniu, wzrosła zaś ich niezawodność. Jednak dopiero zastosowanie wysokiej jakości układów scalonych w ostatnich 20 latach spowodowało znaczną poprawę niezawodności i jakości rejestracji. Szybki postęp w dziedzinie elektroniki umożliwił połączenie aparatów EEG z komputerami. W badaniach nad snem [1, 2] stosuje się polisomnografy do jednoczesnego pomiaru elektroencefalogramu (EEG), elektromiogramu (EMG), elektrookulogramów (EOG) oraz innych sygnałów bioelektrycznych. n bioelektryczny Podstawową częścią każdego aparatu do pomiaru czynności elektrycznej jest wzmacniacz, od którego przede wszystkim zależy jakość rejestracji. W ostatnich latach produkuje się wysokiej jakości wzmacniacze bioelektryczne bez układu rejestratora (ryc. 1), co spowodowało znaczne obniżenie ich wymiarów, zużycia energii, a także ceny. można połączyć za pomocą specjalistycznego interfejsu z komputerem, który pełni zarówno rolę rejestratora, jak i analizatora sygnałów. Napięcia bioelektryczne są odbierane bezpośrednio z ciała badanego, dlatego istotnym problemem jest zapewnienie bezpieczeństwa. W tym celu stosuje się zasilanie bateryjne, zasilacze urządzeń o podwyższonej odporności na przebicie lub bariery izolacyjne [3]. n Właściwości wzmacniaczy bioelektrycznych Jakość rejestracji zależy w znacznym stopniu od parametrów wzmacniaczy bioelektrycznych. tego typu składa się z kilku pojedynczych układów wzmacniaczy: wejściowego, głównego i wyjściowego, www.sen.viamedica.pl 15
2002, Tom 2, Nr 1 Kalibrator Wybór filtrów Wybór wzmocnienia wejœciowy Filtry g³ówny wyjœciowy Wyjœcie Omomierz Zasilacz Rycina 1. Schemat blokowy wzmacniacza napięć bioelektrycznych (opis w tekście) Va Vs Vb Vs + Kr = (Va + Vs) (Vb +Vs) Vo=Kr Rycina 2. Działanie idealnego wzmacniacza pomiarowego. Oznaczenia: Va, Vb napięcia z elektrod, wejściowe napięcie różnicowe, Vs napięcie wspólne (zakłócające), Vo napięcie wyjściowe, Kr wzmocnienie różnicowe (opis w tekście) Vo a także różnych filtrów, zasilacza, kalibratora, omomierza oraz układów regulacji (ryc. 1). Najważniejszą częścią wzmacniacza napięć bioelektrycznych jest wysokiej jakości wzmacniacz wejściowy pomiarowy, który odbiera bardzo słabe sygnały z ciała badanego w obecności silnych zakłóceń, bez wpływu na wartość i kształt mierzonego sygnału. Wzmacnia on słabe napięcia różnicowe () w obecności silnych napięć wspólnych (Vs), czyli takich samych napięć zmiennych występujących jednocześnie na obu jego wejściach (ryc. 2). wejściowy przekształca różnicę napięć między dwoma elektrodami (wejściowe napięcie różnicowe ) w pojedyncze wzmocnione napięcie wyjściowe (Vo) (ryc. 2). Gdy obie elektrody są czynne (umieszczone w miejscach występowania sygnałów bioelektrycznych), wówczas ten rodzaj pomiaru jest nazywany dwubiegunowym. Jeśli jedna z elektrod jest bierna, czyli umieszczona w miejscu elektrycznie obojętnym, pomiar nosi nazwę jednobiegunowego. Napięcie różnicowe z elektrod o wartościach rzędu mikrowoltów jednocześnie występuje z sygnałem wspólnym, czyli sygnałem zakłócającym, o wartości setek miliwoltów! Tym sygnałem zakłócającym jest napięcie elektryczne o częstotliwości 50 Hz, czyli napięcie zakłócające sieci energetycznej, często występujące w zakresie pomiarowym mierzonego sygnału. Badany człowiek stanowi dla tych napięć antenę elektryczną, poprzez pojemności występujące pomiędzy nim a siecią elektryczną i ziemią, która ma potencjał zerowy. Pojemności te wynoszą od kilku do kilkuset pikofaradów [4]. Napięcie zakłócające, indukowane w badanym, zależy od tych pojemności, od położenia człowieka względem zasilających kabli elektrycznych umieszczonych najczęściej w ścianie oraz od energii sygnałów zakłócających (np. pracujące aparaty RTG o dużej mocy). Zatem, aby wyeliminować napięcia zakłócające sieci energetycznej, starsze aparaty EEG nie najlepszej klasy wymagały dobrego uziemienia i stosowania ekranowanych pomieszczeń, ponieważ niezakłócony pomiar poza tymi pomieszczeniami był na ogół niemożliwy. Elektroencefalografy nowszej klasy umożliwiają pomiar nawet w obecności dużych zakłóceń sieciowych, ponieważ wykorzystują wzmacniacze wejściowe o bardzo wysokim współczynniku tłumienia sygnałów wspólnych Common Mode Rejection Ratio (CMRR) [5, 6] co oznacza stosunek wzmocnienia sygnału różnicowego do wzmocnienia sygnału wspólnego. Dla dobrej jakości wzmacniaczy wynosi on co najmniej 100 000. O taką wartość wzmacniają one mierzony sygnał różnicowy w stosunku do sygnału zakłócającego, powodując znaczną redukcję zakłóceń. W warunkach idealnych napięcie na wejściu wzmacniacza pomiarowego wynosi zgodnie z ryciną 2: = (Va+Vs) (Vb+Vs) = Va Vb. Na wyjściu wzmacniacza pojawia się tylko wzmocnione napięcie różnicowe Vo=Kr. W praktyce na wyjściu pojawia się także część napięcia wspólnego Vs, zależna od parametrów wzmacniacza, głów- 16 www.sen.viamedica.pl
Tadeusz Pracki, Daria Pracka, napięć bioelektrycznych nie od wartości współczynnika CMRR. Dodatkowo napięcie zakłócające na obu wejściach wzmacniacza może się różnić. W celu korekty ewentualnych asymetrii wzmacniaczy pomiarowych będących w fazie produkcji stosuje się niezwykle precyzyjne lasery, dlatego cena wzmacniaczy pomiarowych jest bardzo wysoka. Innym bardzo ważnym parametrem każdego wzmacniacza jest jego rezystancja wejściowa. Z doświadczenia wiadomo, że rezystancja prawidłowo założonych elektrod, a praktycznie styku elektroda-ciało badanego, wynosi od kilkuset do kilkunastu tysięcy omów. Rezystancja elektrod tworzy dzielnik napięcia z rezystancją wejściową wzmacniacza, powodując osłabienie mierzonego napięcia bioelektrycznego. Ponadto, przy często występującej asymetrii rezystancji styku elektrod z ciałem badanego dla obu wejść wzmacniacza, na jego wejściu pojawia się dodatkowy sygnał zakłócający różnicowy. Z tego względu wartości rezystancji wejściowej każdego z 2 wejść wzmacniacza powinny być równe i dużo wyższe od rezystancji elektrod. W praktyce powinny wynosić co najmniej kilkadziesiąt milionów omów. Duże znaczenie mają kable przyłączeniowe elektrod, które mogą tworzyć pasożytnicze pojemności, wpływając na obniżenie jakości pomiaru. Bardzo istotnym parametrem wzmacniacza jest wartość szumów wejściowych, czyli rożnych zakłóceń na wejściu wzmacniacza, wyrażana w mikrowoltach. Wartość tych szumów głównie zależy od rezystancji elektrod. Dla dobrego wzmacniacza powinna wynosić około 1 mv. Innym istotnym parametrem wzmacniacza jest pasmo przenoszonych częstotliwości. Dla sygnału EEG szerokość pasma zawiera się w przedziale od około 0,5 Hz do co najmniej kilkudziesięciu cykli na sekundę. Obecnie uzyskanie takiego pasma nie stanowi większego problemu. Ważnym parametrem wzmacniacza wejściowego jest jego wzmocnienie napięciowe. Teoretycznie, im to wzmocnienie jest większe, tym sygnał jest bardziej odporny na różne zakłócenia. Jednak w praktyce stosuje się wzmocnienie poniżej 30, ponieważ stałe napięcie elektryczne o wartości do około 200 mv może występować między elektrodą a skórą. Ponieważ wzmacniacz wejściowy wzmacnia napięcie stałe, pojawienie się tak dużego stałego napięcia na jego wejściu może spowodować nasycenie lub przesterowanie i w konsekwencji jego zablokowanie. Następnymi parametrami wzmacniacza są zniekształcenia, które informują o zmianie kształtu sygnału po przejściu przez wzmacniacz i wynoszą nie więcej niż ułamek procenta. W niektórych zastosowaniach istotny może być także pobór prądu, szczególnie dla urządzeń przenośnych, zasilanych za pomocą baterii. Ponadto wraz ze spadkiem poboru prądu pogarszają się niektóre istotne parametry wzmacniacza, między innymi współczynnik CMRR i szumy. Do innych, mniej ważnych parametrów wzmacniacza, należą: pojemności wewnętrzne, rezystancja wyjściowa, przesunięcie fazy sygnału itd. Zaprojektowanie i wykonanie wzmacniacza napięć bioelektrycznych, spełniającego wyżej wymienione kryteria, jest zadaniem bardzo trudnym i kosztownym. Trudność polega na tym, że wzmacniacz musi być także odporny na ładunki elektrostatyczne, które pojawiają się na badanych i mogą wynosić nawet kilkanaście tysięcy woltów. Wymaga to stosowania specjalnych układów zabezpieczających [5]. n Opracowania własne Zaplanowano wykonanie wzmacniacza polisomnograficznego, składającego się w wersji prototypowej z 8 wzmacniaczy napięć bioelektrycznych, który będzie współpracował z przenośnym komputerem wyposażonym w 12-bitowy, precyzyjny przetwornik analogowocyfrowy oraz z posiadanym oprogramowaniem do rejestracji i analizy komputerowej danych o śnie Somnoscan Plus [7]. Uwzględniono możliwość zasilania wzmacniacza z akumulatorów, przy wymaganym małym poborze prądu, lub zasilania zewnętrznego z komputera przy użyciu elektronicznej przetwornicy o wysokiej wytrzymałości izolacji, a także oddzielenie galwaniczne wzmacniacza i komputera przy użyciu układu optoizolacji [3]. Aby przetwornik analogowo-cyfrowy, przekształcający sygnał z postaci analogowej na cyfrową, pracował poprawnie, wzmacniacz musi mieć ograniczone pasmo przenoszonych częstotliwości do połowy częstotliwości próbkowania [6, 8 10]. Wymaga to zastosowania złożonych, aktywnych filtrów dolnoprzepustowych, tak zwanych filtrów antyaliasingowych [11]. polisomnograficzny może dodatkowo zawierać filtry sieciowe, usuwające zakłócające częstotliwości sieci energetycznej. Zaprojektowano i wykonano 8-kanałowy wzmacniacz polisomnograficzny. Zastosowano superminiaturowe elementy elektroniczne, które zamontowano powierzchniowo. Uproszczony schemat jednego kanału wzmacniacza przedstawiono na rycinie 3. Aby poprawić czytelność, pominięto następujące układy dodatkowe: omomierz, kalibrator, układ zabezpieczenia wejść, układ zasilania i optoizolacji. Jako wzmacniacz wejściowy zastosowano wzmacniacz pomiarowy Superbeta (Analog Devices). Dodatkowo użyto wzmacniacza całkującego o stałej RC, jako układu stałoprądowego ujemnego sprzężenia zwrotnego. Spowodowało to zwiększenie wzmocnienia wzmacniacza wejściowego (Kr) do 50, przy takiej samej odporności na przesterowanie dla sygnałów stałych z elektrod (ryc. 3). W celu dodatkowej poprawy jego odporności na zakłócenia zastosowano układ wzmacniacza ujemnego www.sen.viamedica.pl 17
2002, Tom 2, Nr 1 1 2 3 C Kr=50 K2 = 200 K3=1 + 5th Butterworth Wyjœcie Vs 5 Ks V's 4 RC Rycina 3. Uproszczony schemat wzmacniacza polisomnograficznego (jeden kanał). Oznaczenia: 1 wzmacniacz wejściowy, 2 wzmacniacz główny, 3 filtr dolnoprzepustowy antyaliasingowy, 4 wzmacniacz stabilizacji stałoprądowej o stałej czasowej RC, 5 wzmacniacz sygnału wspólnego, C kondensator filtru górnoprzepustowego, Kr, K2, K3, Ks wzmocnienia poszczególnych układów, napięcie różnicowe, Vs wzmocnione napięcie wspólne V s, (opis w tekście) sprzężenia zwrotnego dla sygnału wspólnego (V s), podając go po wzmocnieniu (-Vs) na osobę badaną (ryc. 3). W wyniku tego uzyskano znaczną poprawę współczynnika CMRR oraz wzrost rezystancji wejściowej. Za wzmacniaczem wejściowym oraz filtrem górnoprzepustowym (C) znajduje się wysoko stabilny wzmacniacz główny (National Semicinductor) o dużej wartości wzmocnienia (K2 = 200). Za nim umieszczono filtr dolnoprzepustowy antyaliasingowy, tak zwany Butterwortha 5 stopnia (K3 = 1) o paśmie dobranym odpowiednio do częstotliwości próbkowania przetwornika analogowocyfrowego [9, 11]. Na dodatkowej płytce zmontowano stabilny układ optoizolacyjny z transoptorami [12] o wzmocnieniu 1, posiadający wysokiej jakości izolację między jego wyjściem a wejściem, o wytrzymałości elektrycznej 5000 V. Za układem optoizolacji znajduje się wyłączany filtr sieciowy, usuwający zakłócające częstotliwości sieci energetycznej. polisomnograficzny jest zasilany napięciem stabilizowanym ±12 V pobieranym z komputera, przy użyciu elektronicznej przetwornicy napięcia ze stabilizacją napięć wyjściowych o wysokiej wytrzymałości izolacji. Mogą go również zasilać 2 akumulatorki 12 V. n Parametry wzmacniacza Uzyskano następujące parametry wzmacniacza bioelektrycznego: Montaż powierzchniowy, jednostronny Wymiar 42 x 35 x 3 mm Współczynnik CMRR > 120 db (1 000 000) Rezystancja wejściowa > 100 MW Pasmo przenoszenia 0,5 50 Hz (do ok. 3000 Hz; możliwość doboru obu częstotliwości) Amplituda szumów wejściowych < 1mV Dopuszczalne napięcie wejściowe DC > ± 200 mv Wzmocnienie 10 000 (możliwość doboru) Pobór prądu 2, 3 ma Układ optoizolacji zapewnia prąd upływu między wyjściem a wejściem 8-kanałowego wzmacniacza polisomnograficznego poniżej 5 ma, przy zastosowaniu napięcia zmiennego 220 V, podanego na układ. Ze względów bezpieczeństwa jest to bardzo ważny parametr. Bezpieczeństwo wzmacniacza polisomnograficznego sprawdzono także przy napięciu zmiennym między wyjściem a wejściem wynoszącym 5000 V [3]. Uzyskano pomyślny wynik próby, potwierdzający wysoki poziom bezpieczeństwa układu. polisomnograficzny przetestowano z powodzeniem w grupie zdrowych ochotników (2 odprowadzenia EEG, 2 odprowadzenia EOG, po jednym odprowadzeniu EMG i EKG) w Pracowni Badań nad Snem oraz w warunkach domowych. n Wnioski Skonstruowano wzmacniacz polisomnograficzny o parametrach porównywalnych z produkowanymi fabrycznie wzmacniaczami renomowanych firm, lecz przy niższych kosztach, co stwarza możliwość jego produkcji w Polsce. 18 www.sen.viamedica.pl
Tadeusz Pracki, Daria Pracka, napięć bioelektrycznych n Streszczenie napięć bioelektrycznych W pracy przedstawiono sposób działania wzmacniaczy napięć bioelektrycznych z wyszczególnieniem wzmacniaczy polisomnograficznych stosowanych w badaniach nad snem. Opisano ich parametry elektryczne oraz wymagania, jakie muszą spełniać. Ponadto zaprezentowano autorski projekt wzmacniacza sygnałów bioelektrycznych oraz konstrukcję 8-kanałowego wzmacniacza polisomnograficznego wykonanego przez autora. Słowa kluczowe: wzmacniacz EEG, wzmacniacz elektroencefalograficzny, wzmacniacz polisomnograficzny, wzmacniacz bioelektryczny Piśmiennictwo 1. Niedermeyer E., Lopes da Silva F. Electroencephalography. Basic principle, clinical applications, and related fields. Williams & Wilkins, Baltimore. Wyd. III, 1993. 2. Rechtschaffen A., Kales A. red. A manual of standardized terminology, techniques and scoring system for sleep stages of human subjects. U.S. Government Printing Office 1968. Washington, D.C. 20014, DHEW, Publication No. (NIH) 204. 3. Nałęcz M. red. Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna 2000, tom 2. Biopomiary. Akademicka Oficyna Wydawnicza Exit, Warszawa 2001. 4. Metting van Rijn A.C., Peper A., Grimbergen C.A. High quality recording of bioelectric events. W: Interference reduction, theory and practice. Med. & Biol. Eng. Comput. 1990; 28: 389 397. 5. Burr-Brown. Integrated circuits data book, Burr-Brown Corporation, USA 1989; 33: 2-1 4-119. 6. Burr-Brown. The handbook of linear IC application, Burr-Brown Corporation, USA 1987; 33. 7. Pracki T., Zając J., Kowalski W., Kucharz E., Jurek K., Pracka D. i wsp. Somnoscan system ekspertowy analizy snu. Probl. Techn. Med. 1990; 21: 1, 38 50. 8. Baker B.C. Anti-aliasing, analog filters for data acquisitions systems, AN699, Microchip Technology Inc. 1989; 1 11. 9. Ozimek E. Podstawy teoretyczne analizy widmowej sygnałów. PWN, Warszawa-Poznań 1985. 10. Miles L.E., Broughton R.J. red. Medical monitoring in the home and work environment. Raven Press, USA 1989. 11. Burr-Brown. MFB low-pass filter design program. Application bulletin. Burr-Brown Corporation, USA 1992; 33: 1 6. 12. Pawlaczyk A. Elementy i układy optoelektroniczne. Warszawa 1984. www.sen.viamedica.pl 19