PL199878B1 - Układ do ujmowania sygnałów pochodzenia biologicznego - Google Patents

Abstract

Wynalazek dotyczy uk ladu do ujmowania sygna- lów pochodzenia biologicznego zawieraj acy elektro- dy do zbierania sygna lów biologicznych pod laczone do wzmacniacza ró znicowego, na którego wyj sciu znajduje si e filtr antyalisingowy po laczony z wej sciem przetwornika analogowo-cyfrowego, charakteryzuj a- cego si e tym, ze do drugiego wej scia wzmacniacza ró znicowego (1) podlaczone jest wyj scie przetworni- ka cyfrowo-analogowego (4), z którego podawany jest sygna l potencja lu odniesienia B n , przy czym wej scie przetwornika cyfrowo-analogowego (4) po la- czone jest z magistral a (5) danych i sterowania, do której pod laczone jest równie z wyj scie przetwornika analogowo-cyfrowego (3). Uk lad znajduje zastoso- wanie we wszystkich zakresach medycyny, w których wykorzystywane s a sygna ly biologiczne. Dostarczaj a one informacji o dzia laniu organów wewn atrz organi- zmu. Opracowanie sygna lów biologicznych stanowi w medycynie pomoc diagnostyczn a. PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy układu do ujmowania sygnałów pochodzenia biologicznego. Znajduje on zastosowanie przede wszystkim w tych dziedzinach medycyny, w których wykorzystywane są sygnały biologiczne.

Sygnały biologiczne dostarczają informacji o działaniu organów wewnątrz organizmu. Opracowanie sygnałów biologicznych stanowi w medycynie pomoc diagnostyczną (EKG - elektrokardiogram, EEG - elektroencefalogram, EMG - elektromiogram, EOG - elektrookulogram, ERG - elektroretinogram, PPT - fotopletyzmografia, oddychanie, MKG - magnetokardiogram, MEG - magnetoencefalogram). Warunkiem dobrej diagnozy jest oprócz odpowiedniej obróbki sygnałów i ekstrakcji właściwości ujmowanie sygnałów bez artefaktów i zakłóceń.

Trzeba przy tym uwzględniać następujące aspekty:

poziomy sygnałów po przetworzeniu są w zakresie od nanowoltów do miliwoltów w paśmie częstotliwości od zera do kilku kiloherców;

w wykorzystywanym paśmie częstotliwości występują silne sygnały zakłócające;

badane źródła sygnałów, np. pochodzenia elektrofizjologicznego, są wysokoomowe;

właściwości fizyczne np. elektrod zmieniają się z czasem (np. na skutek zmiany impedancji przejścia elektrod, napięcia elektrodowego, potencjałów polaryzujących, warunku docisku, artefaktów ruchu).

W stanie techniki znane są systemy ujmowania sygnałów, które częściowo usuwają te problemy przy starannym wyborze metodyki wyprowadzania i przy odpowiedniej technice wzmacniania. Wysokowartościowe przemysłowe systemy poligraficzne do zapisywania sygnałów biologicznych różnego pochodzenia fizjologicznego są bardzo drogie i przeważnie przeznaczone tylko do zastosowania stacjonarnego.

W znanych układach sygnał biologiczny jest za pomocą elektrod zbierany z badanej tkanki i za pomocą kabli elektrodowych podawany jest na wzmacniacz różnicowy, którego sztuczny potencjał odniesienia może być wytwarzany analogowo z sumy wszystkich elektrod (wspólna średnia). Taki układ pomiarowy jest prosty, ale bardzo wrażliwy na zakłócenia. Z tego powodu pomiary (np. elektroencefalogramu (EEG)) można przeprowadzać tylko w otoczeniu pozbawionym zakłóceń albo po zastosowaniu drogich środków usuwających zakłócenia (klatka Faradaya, ekranowanie pomieszczenia). Konstrukcja takich systemów ujmowania jest skomplikowana, ponieważ każdy kanał ma własny analogowy stopień wstępny przetwarzania. Zwiększa to podatność na zakłócenia, wymiary konstrukcyjne i zużycie energii oraz utrudnia wyrównywanie parametrów kanałów. Składowa stała sygnałów biologicznych jest tłumiona przez analogowe filtrowanie górnoprzepustowe.

Z opisu patentowego PL 169272 znane jest urzą dzenie do ujmowania sygnał ów pochodzenia biologicznego zawierające elektrodę podłączoną do wzmacniacza, którego wyjście połączone jest z wejściem filtra. Wyjście filtra podłączone jest do przetwornika analogowo-cyfrowego. Do wyjścia tego przetwornika, poprzez interfejs podłączony jest procesor obliczeniowy. Ponadto urządzenie zawiera generator potencjału odniesienia, który poprzez wzmacniacz i elektrodę podłączony jest do skóry pacjenta.

W innym opisie patentowym US5233999 przedstawiono wielokanałowe urządzenie do ujmowania sygnałów pochodzenia biologicznego. Każdy niezależny kanał zawiera elektrodę podłączoną do wzmacniacza różnicowego, którego wyjście połączone jest z wejściem filtra antyalisingowego. Wyjście każdego filtra podłączone jest do przetwornika analogowo-cyfrowego. Do wyjścia tego przetwornika podłączony jest przetwornik cyfrowo-analogowy, którego wyjście podłączone jest do ciała pacjenta.

Wymagające sposoby ujmowania i opracowania sygnałów biologicznych potrzebują sprawnych wzmacniaczy sygnałów biologicznych, które mogą również bez zakłóceń ujmować składowe niskoczęstotliwościowe aż do składowej stałej. Jest to możliwe do zrealizowania, jeżeli zrezygnuje się całkowicie z analogowego filtrowania górnoprzepustowego, a całe filtrowanie aż do filtru antyaliasingowego przeniesione zostanie w sferę cyfrową.

Według wynalazku układ do ujmowania sygnałów pochodzenia biologicznego zawierający elektrody do zbierania sygnałów biologicznych podłączone do wzmacniacza różnicowego, na którego wyjściu znajduje się filtr antyaliasingowy połączony z wejściem przetwornika analogowo-cyfrowego, charakteryzuje się tym, że do drugiego wejścia wzmacniacza różnicowego podłączone jest wyjście przetwornika cyfrowo-analogowego, z którego podawany jest sygnał potencjału odniesienia Bn, przy czym wejście przetwornika cyfrowo-analogowego połączone jest z magistralą danych i sterowania, do której podłączone jest również wyjście przetwornika analogowo-cyfrowego.

Wynalazek zostanie wyjaśniony na przykładzie wykonania przedstawionym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ do ujmowania sygnałów biologicznych.

PL 199 878 B1

Wszystkie wytwarzane i mierzone w przedstawionym systemie (fig. 1) sygnały różnicowe odnoszą się do wspólnego potencjału C masy, który może pochodzić z mierzonego obiektu. Każdy kanał zawiera wzmacniacz różnicowy 1, filtr antyaliasingowy 2, przetwornik analogowo-cyfrowy l, przetwornik cyfrowo-analogowy 4 oraz jest odsprzężony od innych kanałów. We wszystkich kanałach n różnica pomiędzy wejściowym sygnałem An a potencjałem odniesienia Bn (oba odniesione do potencjału C masy) jest wzmacniana, filtrowana i przetwarzana do postaci cyfrowej. Włączony w tor kanału filtr antyaliasingowy 2 służy do ograniczania zakresu częstotliwości i przez to do utrzymywania teorematu odczytu przy następującej potem kwantyzacji w przetworniku analogowo-cyfrowym 3. Dane podawane są na magistralę 5 danych i sterowania, albo są przetwarzane dalej w samym systemie ujmowania, albo po przeniesieniu danych w innym systemie. Potencjał Bn odniesienia każdego wzmacniacza różnicowego 1 określany jest na podstawie danych każdego przetwornika analogowo-cyfrowego 3 i poprzez przetwornik cyfrowo-analogowy 4 jest z powrotem podawany na drugie wejście. W ten sposób przeciwdziała się możliwemu przesterowaniu wzmacniacza różnicowego 1 nie tracąc informacji o składowej stałej.

Do ujmowania sygnału pochodzenia biologicznego wytwarza się sygnał różnicowy pomiędzy dwoma kanałami, np. A1 i A2, przez odejmowanie cyfrowe albo w samym systemie ujmowania, albo po transmisji danych do innego systemu. W ten sposób każdy dowolny kanał można traktować jako kanał odniesienia, aby realizować odprowadzenia jednobiegunowe. Do pomyślenia jest również zastosowanie większej liczby niezależnych kanałów odniesienia, na przykład dla sygnałów biologicznych różnego pochodzenia.

Ustawione wzmocnienia dla każdego kanału n powinny być jednakowe w celu uzyskania wystarczającego tłumienia wpływu równoległego sygnału wejściowego na wynik. Wzmocnienie można ustawić tak, że prawie wszystkie sygnały biologiczne mogą być ujmowane amplitudowo bez powodowania utraty informacji przez przesterowanie, kwantyzację lub szum systemowy.

W stosunku do dotychczasowych rozwiązań układ posiada szereg zalet:

Niepotrzebne jest analogowe filtrowanie górnoprzepustowe, przez co unika się stosowania precyzyjnych elementów i kosztownego dostrajania parametrów.

Możliwie jest ujmowanie sygnału w zakresie niskiej częstotliwości aż do napięcia stałego.

Przetwarzanie danych przebiega całkowicie cyfrowo.

Ponieważ uzyskuje się pomiary względem potencjału masy, zatem po cyfrowym utworzeniu różnicy występują jednobiegunowe dane zmierzone.

Wychodząc od wyżej wymienionych jednobiegunowych danych pomiarowych można tworzyć dowolne kanały odniesienia niezależnie od sprzętu.

Możliwe jest równoczesne ujmowanie sygnałów biologicznych różnego pochodzenia z różnymi współczynnikami wzmocnienia i przy różnych częstotliwościach odczytywania.

Modułowa koncepcja sprzętowa kanałów i wspólne interfejsy cyfrowe umożliwiają dowolne kaskadowanie.

Dane nie są ujmowane, jak w konwencjonalnych systemach, przez zwielokrotnienie czasowe, ale dzięki strukturze modułowej można je odczytywać zarówno jednocześnie jak i całkowicie niezależnie od siebie.

Cyfrowy interfejs umożliwia bardzo skuteczne galwaniczne oddzielenie układu pomiarowego od techniki opracowywania, tak że odpadają kosztowne analogowe wzmacniacze izolujące do zapewniania bezpieczeństwa technicznego przy zastosowaniu medycznym bez ograniczania przez to bezpieczeństwa obiektu pomiaru (pacjenta).

W porównaniu z dotychczasową techniką zaproponowane rozwią zanie charakteryzuje się niewielkimi wymiarami konstrukcyjnymi i małym poborem energii.

Dzięki niewielkim wymiarom, przetwarzanie analogowo-cyfrowe jest możliwe bardzo blisko źródła sygnału. Zmniejszanie zakłóceń osiąga się dzięki temu, że analogowe drogi sygnałów są bardzo krótkie i można uniknąć indukcyjnych sprzężeń zakłócających przez pętle przewodów w części analogowej sprzętu. Konwencjonalne wzmacniacze nie mogą oddzielać od sygnału użytkowego zakłóceń powodowanych przez sprzężenia indukcyjne, ponieważ występują one jako napięcie lub prąd na wejściu różnicowym i są wzmacniane wraz z sygnałem użytkowym.

Claims (1)

1. Układ do ujmowania sygnałów pochodzenia biologicznego zawierający elektrody do zbierania sygnałów biologicznych podłączone do wzmacniacza różnicowego, na którego wyjściu znajduje się filtr antyaliasingowy połączony z wejściem przetwornika analogowo-cyfrowego, znamienny tym, że do drugiego wejścia wzmacniacza różnicowego (1) podłączone jest wyjście przetwornika cyfrowo-analogowego (4), z którego podawany jest sygnał potencjału odniesienia Bn, przy czym wejście przetwornika cyfrowo-analogowego (4) połączone jest z magistralą (5) danych i sterowania, do której podłączone jest również wyjście przetwornika analogowo-cyfrowego (3).