На парах медицинской электроники мы применяем все знания, полученные из опытов по физиологии, прикладной электроники, электротехники и измерительной техники. Для начала нам описали положение вещей. Статья расскажет об общих принципах, для затравки, так сказать.

Как измерить токи, что струятся по нашим телам? Медицинская электроника знает.

Медицинская электроника занимается как раз тем, что собирает физиологические сигналы, усиляет их и обрабатывает с тем, чтобы измерить или активировать какие-то системы тела человека, отвечающие за физическое или психическое здоровье.

Чтобы понять, как измерить токи в мышцах и мозге, нужно для начала определиться с примерной областью возможных значений. Всегда надо сначала это прикидывать, иначе невозможно правильно подобрать инструмент измерения и необходимую схему.

Так вот, в нашем теле токи очень слабые (имею в виду амплитуду, т.е. вольтаж), поэтому прежде чем с ними работать, надо их усилить.

Усиление сигналов, в свою очередь, означает большое количество шумов (слабых токов в пространстве очень много, источники у них самые различные).

Значит, сигнал нужно усилить, и отфильтровать.

Требования к усилителям биосигналов

Типичный усилитель биосигналов должен обладать следующими характеристиками:

• Биосигналы имеют напряжение в районе mV-mkV. Значит, фактор усиления (A - amplyfy - “усиливать”) должен быть как минимум тысячекратный. Тогда мы придём к рабочим значениям в районе нескольких вольт. Часто используется запись в децибеллах, напоминаю, как осуществляется пересчёт линейного значения в децибеллы:

• Биосигналы имеют различную частоту. Усилитель должен максимально хорошо работать с сигналами любой частоты, без пропусков полос. Такого в реальности не бывает, поэтому рабочий частотный канал будет примерно так вот выглядеть:

• Наше тело хорошо проводит ток. Мы как антенны притягиваем электромагнитное излучение изо всех источников. Поэтому биосигналы сильно загрязнены шумами. Чтобы этого избежать, применяют дифференциальный усилитель. Его действенность характеризуются соотношениемCMRR - common mode rejection rate - “коэффициент ослабления синфазного сигнала”.

Чем пытаться словами объяснить, проще показать что такое метод CMRR схемой:

Имеем источник переменного тока (круг с волной) на входе (Ue), усилитель (треугольник с плюсом и минусом) и выход (Ua).

Исходящий сигнал разделяется на два (Up и Un) и посылается на усилитель.

В идеале, дифференциальный усилитель должен выдавать усиленную разницу этих двух сигналов. Таким образом, мы хотим вычленить сигнал Up от сигнала Un:

В реальности, как обычно, всё не так хорошо как должно быть. Поэтому мы имеем в формуле ещё одно слагаемое Асинф*1/2(Up+Un), которое означает усиление той же частоты, которая была послана (исходной частоты - то есть половины суммы двух сигналов, на которые мы её разложили). Чтобы так длинно каждый раз не объяснять и придумали слово “синфазная частота”:

Соотношение модулей усиления нужной нам частоты к усилению синфазной и есть CMRR:

Запись в децибеллах выглядит так:

Мы были бы счастливы, если бы это значение было бесконечно большим. Это бы означало, что нужная частота полностью выделена, а синфазная подавлена (деление числа на бесконечно малое число даёт в результате бесконечно большое число). Но, жизнь не сахар, поэтому такое счастье невозможно реализовать (или мы просто пока не знаем как).

• Сопротивление на входе усилителя биосигналов (внутреннее сопротивление усилителя) должно быть очень большое, чтобы не искажать сигнал. В противном случае, если сопротивление будет маленькое, сигналы просто замкнутся (измеряем напряжение, значит входят они параллельно).

Вот так примерно выглядит упрощённая схема интерфейса считывания биосигналов с кожи человека:

Ну всё, остаётся подобрать тип усилителя.

Вместо заключения

У кого есть идеи, какой это должен быть усилитель: инвертирующий или неинвертирующий? Предлагайте в коментах.

В следующей статье будут формулы расчётов сопротивлений для разных типов усилителей.

Зачем всё это нужно, может спросить наивный читатель? Затем, что все компоненты для измерений легко купить на ebay или aliexpress. А так как теория измерений не такая уж сложная, любой желающий может ставить опыты и, возможно, собрать прототип интересных устройств навроде этого.

Экспериментатор, помни, safety first!