تقویت کننده های سیگنال حیاتی

تقویت کننده های سیگنال حیاتی

اسلاید 1: تقویت‌کننده‌های سيگنال‌حياتيBiopotential Amplifiersحسین منتظری کردیدانشکده مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابلپاييز 91

اسلاید 2: رئوس مطالب1- ضروریات تقویت‌کننده‌های سیگنال‌حیاتی2- الکتروکاردیوگراف3- برخی از مشکلات4- حفاظت گذرا5- مدارات حذف تداخل6- سایر تقویت‌کننده‌های پتانسیل‌حیاتی7- پیش‌تقویت‌کننده پتانسیل‌حیاتی8- پردازشگرهای سیگنال‌حیاتی9- مانیتورکردن قلب و دورسنجی

اسلاید 3: تقویت‌کننده‌ها بخشی مهم از ابزاردقیقدامنه پایین ولتاژ منابع با امپدانس بالا، افزایش شدت سیگنال با حفظ خصوصیات توسط تقویت‌کننده‌ها1- ضروریات تقویت‌کننده‌های سیگنال‌حیاتیاساس عملکرد تقویت‌کننده‌حیاتی تبدیل سیگنال ضعیف به سیگنال قابل پردازشخصوصیات تقویت‌کننده‌های‌حیاتی: 1- امپدانس ورودی بالا با حداقل اثر بارگذاری روی سیگنال ( MΩ 10 ≤ Rin) 2- حفاظت از اندام تحت اندازه‌گیری در برابر جریان ورودی تقویت‌کننده (اعمال شوک) 3- امپدانس خروجی کم نسبت به بار و توانایی تامین توان بار 4- پهنای باند فرکانسی متناسب با کمیت مورد اندازه‌گیری با بهره بالا (1000 > G) 5- تقویت‌کننده‌تفاضلی با CMRR بالا جهت حذف آرتیفکت سیگنال‌مشترک 6- کالیبره خوب بهره تقویت‌کننده‌های سیگنال‌حیاتی

اسلاید 4: 2- الکتروکاردیوگرافECGسیگنال الکتریکی قلب ناشی از تپش قلب بطور تقریبی یک کمیت‌برداریضروری بودن دانستن محل آشکارسازی سیگنالها و وابستگی زمانی دامنه سیگنالهاقلب یک دایپل الکتریکی در محیط هادی سینه‌ای با گشتاور M ساده‌ترین مدلگشتاور M بردار قلبی در الکتروکاردیوگرافی با دامنه و جهت متغیر در یک سیکل قلبی ناشی از تغییر میدان دایپلاندازه‌گیری ولتاژ غیرصفر با قرارگیری الکترودها روی خطوط هم پتانسیل مختلفاهمیت داشتن یک استاندارد معین الکترودگذاری جهت تفسیر کلینیکی ECG، بازوها یک مرجع خوبLead یک جفت الکترود یا ترکیبی‌از چند الکترود از طریق شبکه مقاومتی، استفاده عملی بیش از یک lead برای تفسیر و اندازه‌گیری ECG

اسلاید 5:

اسلاید 6: صفحه frontal (بموازات زمین هنگامیکه به پشت خوابیده‌ایم)؛ صفحه transverse ( به موازات زمین وقتیکه قایم ایستاده‌ایم)سه سر اصلی بازوی راست (RA)، بازوی چپ (LA)، و پای چپ (LL) در صفحه جلویی با پای راست (RL) بعنوان زمینسر بردار I (LA به RA)، II (LL به RA)، و III (LL به LA) مثلث متساوی الاضلاع بنام مثلث Eindhoven؛ ولتاژ اسکالر هر سر بعنوان یک منبع ولتاژ و مطابق با قانون kvl I-II+III = 0

اسلاید 7: ثبت ECG در lead های مختلف؛ سنجش پتانسیل یک الکترود نسبت به الکترود مرجعالکترود مرجع میانگین سیگنالهای بیش‌از یک الکترود و lead تک قطبپایانه مرکزی ویلسون نمونه‌ای از الکترود مرجع؛ برای حداقل بارگذاری lead ها بایستی اندازه مقاومتها در عمل MΩ 5 ≤ R؛ استفاده از بافر یک راه حلVL سیگنال بین LA و نقطه مرکزی، VR سیگنال بین RA و نقطه مرکزی، VF سیگنال بین LL و نقطه مرکزیاستفاده از سر تقویت‌شده (augmented lead) جهت بهبود دامنه سیگنالها و امکان تخمین محل سیکل قلبی برای کاردیولوژیستاستفاده از سرهای سینه‌ای یا Precordial در صفحه معکوس، قرارگیری یک الکترود در وضعیت‌های آناتومیک مختلف تعریف شده روی دیواره قفسه سینهپتانسیل بین این الکترود و پایانه مرکزی ویلسون، ECG مربوط به آن سرقرارگیری سر سرخ‌نای جهت ثبت پتانسیل الکترود سرخ‌نایی و پایانه ویلسون

اسلاید 8:

اسلاید 9:

اسلاید 10:

اسلاید 11: ملزومات ویژه الکتروکاردیوگراف

اسلاید 12: وظایف عملکردی بلوک‌های الکتروکاردیوگراف

اسلاید 13: قسمتهای مختلف یک الکتروکاردیوگراف:1- مدار محافظ: جهت حفاظت دستگاه در برابر ولتاژهای بالای احتمالی در ورودی2- انتخاب‌گر سر: انتخاب یک الکترود برای یک سر ویژه و مابقی الکترودها جهت ساختن پایانه مرکزی؛ در حالت اتوماتیک ثبت یک بازه کوتاه (10 ثانیه) از هر 12 سر استاندارد3- سیگنال‌کالیبره: تولید سیگنال‌کالیبره 1 میلی‌ولتی توسط الکتروکاردیوگراف برای هر کانال4- پیش‌تقویت‌کننده: تقویت اولیه ECG با امپدانس ورودی بالا و CMRR بالا (تقویت‌کننده ابزاردقیق با سه آپ‌امپ)5- مدار ایزوله: محافظت بیمار در برابر عبور جریان AC خط تغذیه6- راه‌انداز مدار پای راست: تهیه نقطه مرجع روی بیمار بطور نرمال در سطح زمین7- تقویت‌کننده راه‌انداز: قراردادن ECG در سطح مناسب جهت ثبت سیگنال توسط ثبات با کوپلاژ AC در ورودی جهت جلوگیری‌از ورودی DC با فیلتر BPF برای استخراج ECG و کنترل آفست صفر برای تنظیم سطح DC در سیگنال خروجی8- سامانه حافظه: جهت ذخیره‌سازی ECG بیمار و افزودن اطلاعات بیمار

اسلاید 14: 9- ریزرایانه: کنترل عملکرد کلی الکتروکاردیوگراف، تفسیر سیگنال ثبت‌شده، و تعیین عملکرد دستگاه توسط کاربر10- ثبات-چاپگر: چاپ ECG ثبت‌شده، اطلاعات بیمار، نتایج تفسیر، و اطلاعات کلینیکی3- برخی از مشکلات الکتروکاردیوگرافاغتشاش فرکانسی: ناشی‌از عدم برآورده‌نمودن استانداردهای پاسخ فرکانسیگردشدن نقاط تیز ECG و کاهش دامنه QRS ناشی‌از اغتشاش فرکانس بالاافقی نبودن خط زمینه ECG و تمایل دوفاز امواج تکفاز ناشی‌از اغتشاش فرکانس پاییناشباع یا اغتشاش قطع: بموجب ولتاژهای آفست بالای الکترودها و یا تنظیم ناصحیح تقویت کننده‌ها در الکتروکاردیوگرافبریده‌شدن قله QRS و قسمت‌های پایین ECG تخریب امواج S، P، و T و دیده‌شدن تنها موج R

اسلاید 15: حلقه‌های زمین: ناشی‌از اختلاف پتانسیل جزیی بین زمینهای مختلف دستگاه‌های متصل به بیمار و ایجاد جریان گردشی بین الکترودهای زمین از طریق بیمارتولید ولتاژ مشترک در الکتروکاردیوگراف و افزایش میزان تداخلسرسیم‌های باز: القای ولتاژبالا ناشی‌از میدانهای‌مغناطیسی‌محیطی در سرسیم‌های باز و موجب انحراف ثابت دامنه در ثباتآرتیفکت ناشی‌از گذراهای الکتریکی بزرگ: نیاز به دیفیبریلاسیون قلبی هنگام ثبت سیگنال ECG با اعمال پالس ولتاژ و جریان بالا به سینه بیمار موجب پیدایش پتانسیل گذراانحراف دامنه ECG در اثر پتانسیل‌های گذرا ناشی‌از منابع دیگر و اشباع تقویت‌کننده‌ها در الکتروکاردیوگرافمحدودکردن دامنه ولتاژ ورودی به ثبات ECG بعنوان یک راه‌حلتداخل ناشی‌از دستگاه‌های‌الکتریکی: خطوط تغذیه برق‌شهر منبع اصلی تداخل در ثبت ECG بدلیل کوپلاژ میدان الکتریکی بین خطوط تغذیه با الکتروکاردیوگراف یا بدن بیماراستفاده از سیم شیلددار برای الکترود موجب کاهش تداخل

اسلاید 16:

اسلاید 17: تولید ولتاژ vcm اختلال ناشی‌از جریان جابجایی بین خطوط برق شهر و بدن، کاهش این اختلال با افزایش امپدانس ورودی و کاهش امپدانس الکترود-پوستاختلال ناشی‌از القای مغناطیسی در سیم‌های رابط الکترودها و خنثی‌سازی با بهم پیچیدن سیم‌هاتداخل ناشی‌از تشعشع الکترومغناطیسی ابزار فرکانس بالا در محیط بیمارستان، کاهش با موازی نمودن ورودیهای تقویت‌کننده الکتروکاردیوگراف با خازن (حدود pF 200)تداخل EMG ناشی‌از ماهیچه‌های زیر الکترودهای ثبت ECG4- حفاظت گذراوظیفه مدارات‌ایزوله حفاظت بیمار در مقابل خطر شوک‌الکتریکی ناشی‌از الکتروکاردیوگراف و وسایل الکتریکی پیرامون بیماراعمال ولتاژ بالا ناشی‌از تیغ جراحی الکتریکی روی الکترودهای متصل به بیمار برای مانیتور ECGلزوم ایزوله کردن الکتروکاردیوگراف در برابر پتانسیلهای گذرای بالا

اسلاید 18:

اسلاید 19:

اسلاید 20:

اسلاید 21: استفاده از قطعات محدودکننده ولتاژ بین الکترود و زمین بعنوان مدار محافظ ورودیلزوم تیز بودن منحنی مشخصه ولتاژ-جریان محدودکننده جهت کاهش تداخلنگهداشتن ولتاژ ورودی در سطح 600 میلی‌ولت با محدودکننده دیودیاغتشاش ولتاژ در محدودکننده دیودی بدلیل تیز نبودن منحنی مشخصه ولتاژ-جریانافزایش ولتاژ شکست در محدودکننده دیودی با سری نمودن دیودها

اسلاید 22: محدودکننده زینری با منحنی مشخصه تیزتر، اغتشاش کمتر، و ولتاژ شکست بالاتراستفاده بیشتر از محدودکننده لامپ نئونی مینیاتوریمحدودکننده لامپی ارزانتر، مشخصه متقارن‌تر، تعداد مورد نیاز کمتر بازای هر جفت الکترود، مقاومت حالت معکوس حدود بی‌نهایت، عدم بارگذاری روی الکترودها

اسلاید 23: 5- مدارات حذف حالت مشترک و کاهش تداخلشناسایی منبع ولتاژ مشترک و حذف آن رهیافتی بهتر نسبت به تقویت‌کننده با CMRR بالااستفاده از سیم شیلددار و بهم پیچیدن سیم الکترودها راههای کاهش تداخلمدار راه‌انداز پای راستاستفاده‌از مدار راه‌انداز پای‌راست بجای اتصال بیمار به زمین در الکتروکاردیوگرافهای جدیداعمال ولتاژ vcm توسط مقاومتهای Ra و تقویت‌کننده معکوس‌کننده به پای راست بدون زمین‌کردن بیمار، کاهش اثر vcm برایند در ورودی تقویت‌کننده ابزاردقیق6- تقویت‌کننده سیگنالهای حیاتی دیگراساس تقویت‌کننده سیگنالهای حیاتی دیگر همانند ECG، با تفاوت در مشخصه فرکانسیتطبیق امپدانس تقویت‌کننده با الکترود

اسلاید 24:

اسلاید 25:

اسلاید 26: تقویت‌کننده EMGباند فرکانسی EMG در محدوده Hz 25 تا چند kHz و دامنه بین μv 100 تا mv 90 وابسته به نوع الکترود و سیگنالتقویت‌کننده EMG با پهنای باند فرکانسی بیشتر نسبت به ECG و عدم اجبار برای پوشش فرکانسهای پایینپاسخ فرکانسی مطلوب جهت حذف آرتیفکت فرکانس پاییندامنه بین mv 0/1 تا mv 1 با الکترودهای سطح پوست و امپدانس پایین الکترود بین 200 اهم تا 5 کیلواهم، بهره تقویت‌کننده نسبت به ECG بیشتر با مشخصه ورودی مشابهسطح ولتاژ بزرگتر با الکترود سوزنی و نیاز به تقویت‌کننده با بهره کمتر، امپدانس ورودی بالا بدلیل کوچک شدن سطح تماس و نیاز به تقویت‌کننده با مقاومت ورودی بالا