RO130205B1

RO130205B1 - Circuit pentru măsurarea impedanţei de contact piele-electrod

Info

Publication number: RO130205B1
Application number: ROA201300611A
Authority: RO
Inventors: Lajos Losonczi
Original assignee: Lajos Losonczi
Priority date: 2013-08-19
Filing date: 2013-08-19
Publication date: 2020-02-28
Also published as: RO130205A2

Description

Invenția se referă la un circuit pentru măsurarea impedanței de contact între piele și un electrod activ de măsurare neinvazivă a biosemnalelor. Acesta permite măsurarea impedanței de contact cu același echipament cu care se măsoară biosemnalele prelevate, fără utilizarea electrodului comun, a electrodului de referință, a electrodului DRL, sau a unui semnal furnizat de un alt echipament, pentru determinarea impedanței de contact.

Datorită impedanței de contact variabile, a existentei artefactelor de mișcare, de polarizare, de zgomot, la nivel de contact între electrodul de măsurare și piele, interfața pieleelectrod poate cauza numeroase probleme. Limitările metodelor de măsurare a acestor biosemnale, deci posibilitatea de extragere a cât mai multor informații din semnale, depind de calitatea contactului electrod-piele, care poate fi evaluată și, în ultimă instanță, corectată cu ajutorul metodelor și soluțiilor utilizate în echipamentul de măsurare a biosemnalelor.

Se cunosc mai multe procedee pentru măsurarea impedanței de contact între piele și electrodul de măsurare neinvazivă a biosemnalelor [M. Teplan, Fundamentale of EEG measurement, Measurement Science Review, Voi. 2, Sec. 2, 2002, Slovak Academy of Sciences, Institute of Measurement Science, US6292690B1, “Apparatus and method for measuring bioelectric impedance”, 18.09.2001, US7894887B2, “Biosignal measuring equipment”, 22.02.2011, US5206602A, “Biomedical amplifier circuit”, 27.04.1993, US2011066054A1, “Method and electronic medical device for simultaneously measuring an impedance and a biopotential signal”, 17.03.2011], Acestea diferă între ele prin modul de integrare a circuitului de măsurare în lanțul de condiționare a biosemnalului, în algoritmii de monitorizarea parametrilor tehnici, și procesarea numerică a informației. Aceste soluții prezintă dezavantajul unei sensibilități importante a circuitului de măsurare a biosemnalelor la procesul de măsurare a impedanței de contact, creșterea însemnată a circuitelor electronice de complexitate ridicată folosite, și în unele cazuri contribuie la degradarea parametrilor tehnici ai echipamentului. Pe de altă parte, aceste soluții prezintă o structură rigidă, fără posibilitatea de modificare în vederea obținerii altor funcțiuni, aparatul fiind specializat strict pentru un tip de algoritm de măsurare, sau chiar numai pentru măsurarea impedanței de contact. Un alt dezavantaj al acestor soluții este că nu se măsoară impedanța unui singur contact electrod-piele, ci suma impedanțelor a cel puțin două contacte electrod-piele, astfel, în cazul unor variații de impedanță, este greu de determinat la care punct de contact a apărut un artefact.

Problema pe care o rezolvă invenția constă în măsurarea precisă a impedanței unui singur punct de contact electrod-piele. Alte probleme rezolvate de invenție constau în: determinarea artefactelor apărute în punctele de măsurare neinvazivă a biosemnalelor; reducerea zgomotului suplimentar introdus de circuitul de măsurare a impedanței; programarea nivelului câștigului de tensiune al canalului comun de amplificare a semnalelor, în vederea încadrării tuturor tipurilor de semnale măsurate în domenul maxim de tensiune măsurabilă.

Circuitul pentru măsurarea impedanței de contact între piele și un electrod activ de măsurare neinvazivă a biosemnalelor, conform invenției, utilizează un electrod activ de construcție specială, format dintr-un electrod propriu-zis, compus din trei pini conectați între ei galvanic, și un electrod auxiliar, format din alți trei pini conectați între ei galvanic. Pinii sunt amplasați circular, pinii electrodului propriu-zis și ai celui auxiliar fiind decalați între ei, astfel, după un pin propriu-zis urmează pe cercul imaginar de amplasare un pin auxiliar, după care se repetă configurația de amplasare a pinilor. Măsurarea impedanței de contact se realizează cu ajutorul a cinci comutatoare electronice comandate de către o unitate centrală de procesare, realizată cu un microprocesor de complexitate mică, ce conține și algoritmul de măsurare implementat în firmware. Biosemnalul prelevat - diferența de potențial între electrodul activ propriu-zis și electrodul de referință - este amplificat și condiționat cu ajutorul unui amplificator

RO 130205 Β1 instrumental. Semnalul de mod comun furnizat de amplificatorul instrumental este trecut 1 printr-un amplificator operațional repetor, și este aplicat unui electrod DRL. în modul de măsurare biosemnale, comutatoarele sunt astfel poziționate încât la intrarea diferențială a unui 3 amplificator cu câștig programabil se aplică semnalul de la ieșirea unui amplificator instrumental, respectiv, tensiunea de referință internă, care este de regulă media celor două 5 tensiuni de alimentare. Semnalul de la ieșirea amplificatorului cu câștig programabil este convertit în valoare numerică de către un convertor analog-digital, și este transferat unității 7 centrale de procesare în vederea prelucrărilor numerice ulterioare. în modul de măsurare a impedanței de contact, comutatoarele se poziționează în așa fel încât la intrarea diferențială a 9 amplificatorului cu câștig programabil se aplică potențialele prelevate de pe electrodul activ propriu-zis, respectiv, de pe electrodul auxiliar, iar cu ajutorul comutatoarelor se conectează la 11 electrodul propriu-zis și cel auxiliar două surse de curent constant, de valoare egală și de sens opus. Semnalul la ieșirea amplificatorului cu câștig programabil va fi proporțional cu impedanța 13 contactului electrod activ - piele. Această valoare este convertită în valoare numerică printr-un convertor analog-digital, și transferată unității centrale de procesare pentru evaluare. în afară 15 de prelucrarea semnalelor măsurate, procesorul: generează semnalele de comandă pentru comutarea comutatoarelor; generează semnalul de comandă și control pentru convertorul 17 analog-digital; generează semnalul de comandă și control pentru amplificatorul cu câștig programabil; generează semnalele de comandă și control pentru canalul de condiționare 19 analogică a biosemnalului măsurat.

Circuitul pentru măsurarea impedanței de contact între piele și electrodul activ de 21 măsurare neinvazivă a biosemnalelor, conform invenției, prezintă următoarele avantaje:

- monitorizarea online a stării electrozilor aplicați pe piele; 23

- măsurarea cu precizie a impedanței unui singur contact electrod-piele;

- detectarea avansată a artefactelor de mișcare, de polarizare și ale semnalelor 25 perturbatoare;

- folosirea în mare parte a circuitului de măsurare a biosemnalelor, pentru măsurarea 27 impedanței;

- posibilitatea integrării echipamentului în sisteme mobile de măsurare; 29

- posibilitatea măsurării impedanței de contact în cazul folosirii electrozilor uscați;

- posibilitatea modificării algoritmului de măsurare prin schimbarea firmware-ului înscris 31 în UCP;

- posibilitatea de calibrare a offsetului tensiunii de intrare și a câștigului de tensiune; 33

- posibilitatea utilizării circuitului în sistemele dedicate interfețelor creier-calculator (BCI).

Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenției, în legătură cu fig. 1...6, ce 35 reprezintă:

- fig. 1, desen de realizare a electrodului activ de măsurare biosemnale, conform 37 invenției;

- fig. 2, schema bloc a circuitului pentru măsurarea impedanței de contact între piele și 39 electrodul activ de măsurare neinvazivă a biosemnalelor, aflat în modul de măsurare biosemnale; 41

- fig. 3, schema bloc a circuitului pentru măsurarea impedanței de contact între piele și electrodul activ de măsurare neinvazivă a biosemnalelor, aflatîn modul de măsurare impedanță 43 de contact, sens +;

- fig. 4, schema bloc a circuitului pentru măsurarea impedanței de contact între piele și 45 electrodul activ de măsurare neinvazivă a biosemnalelor, aflatîn modul de măsurare impedanță de contact, sens -; 47

RO 130205 Β1

- fig. 5, schema electronică generală a unui circuit pentru măsurarea impedanței de contactîntre piele și electrodul activ de măsurare neinvazivă a biosemnalelor, conform invenției;

- fig. 6, fotografia unui nod de măsurare biosemnale, prevăzut cu circuit pentru măsurarea impedanței de contact între piele și electrodul activ de măsurare neinvazivă a biosemnalelor, realizat conform invenției.

Circuitul pentru măsurarea impedanței de contact între piele și electrodul activ de măsurare neinvazivă a biosemnalelor, conform invenției, utilizează un electrod activ de construcție specială, format dintr-un electrod propriu-zis EA, compus din trei pini conectați între ei galvanic, și un electrod auxiliar EAa, format din alți trei pini conectați între ei galvanic. Pinii sunt amplasați circular, pinii electrodului propriu-zis și ai celui auxiliarfiind decalați între ei, după un pin propriu-zis urmează pe cercul imaginar de amplasare un pin auxiliar, după care se repetă configurația de amplasare a pinilor. Astfel pinii electrodului activ sunt decalați între ei cu câte 60° (fig. 1). Măsurarea impedanței de contact se realizează cu ajutorul a cinci comutatoare electronice K1...K5 4, 5, 6, 7, 8, comandate de către o unitate centrală de procesare UCP 13 realizată cu un microprocesor de complexitate mică, ce conține și algoritmul de măsurare implementatîn firmware. Biosemnalul prelevat- diferența de potențial între electrodul activ propriu-zis EA și electrodul de referință ER- este amplificat și condiționat cu ajutorul amplificatorului instrumental Al 2. Semnalul de mod comun SMC furnizat de amplificatorul instrumental Al 2 este trecut printr-un amplificator operațional în montaj repetor de tensiune AOR 3, și este aplicat electrodului DRL. în modul de măsurare biosemnale (fig. 2), comutatoarele K1...K5 4, 5, 6, 7, 8 sunt astfel poziționate, încât la intrarea diferențială a amplificatorului cu câștig programabil ACP 9 se aplică semnalul de la ieșirea amplificatorului instrumental Al 2, respectiv, tensiunea de referință internă U_REF, care este de regulă media celor două tensiuni de alimentare U_a+ și U_a_. Semnalul de la ieșirea amplificatorului ACP 9 este convertit în valoare numerică de către un convertor analog-digital CAD 10, și este transferat unității centrale UCP 13, în vederea prelucrărilor numerice ulterioare. în modul de măsurare a impedanței de contact (fig. 3), comutatoarele K1...K5 4, 5, 6, 7, 8 se poziționează în așa fel încât la intrarea diferențială a amplificatorului ACP 9 se aplică potențialele prelevate de pe electrodul activ propriu-zis EA, respectiv, de pe electrodul auxiliar EAa, iar cele două surse de curent constant SCC1 11 și SCC2 12, de valoare egală și de sens opus, se conectează la electrodul propriu-zis EA și la cel auxiliar EAa. Semnalul de la ieșirea amplificatorului ACP 9 va fi proporțional cu impedanța contactului electrod activ - piele. Această valoare este convertită în valoare numerică prin convertorul analog-digital CAD 10, și transferată unității centrale UCP 13 pentru evaluare. Deoarece comutatoarele K2 5 și K3 6 au trei poziții (stări) de comutare, acestea se pot poziționa astfel încât curentul surselor de curent constant să curgă dinspre electrodul activ EA propriu-zis către electrodul auxiliar EAa (sens +), iar într-o altă situație să curgă dinspre electrodul auxiliar EAa către electrodul EA propriu-zis. Prin alternarea sensurilor curenților în timpul măsurării impedanțelor de contact se poate evita fenomenul de polarizare a electrozilor datorită efectului de electroliză. în afară de prelucrarea semnalelor măsurate s5, procesorul: generează semnalele de comandă pentru comutarea comutatoarelor s1, s2, s3, s4, s6; generează semnalul de comandă și control pentru convertorul analog-digital s7; generează semnalul de comandă și control pentru amplificatorul cu câștig programabil s8; generează semnalele de comandă și control pentru canalul de condiționare analogică a biosemnalului măsurat s9.

Claims

Revendicări 1

1. Circuit pentru măsurarea impedanței de contact între piele și un electrod activ de 3 măsurare neinvazivă a biosemnalelor, caracterizat prin aceea că este constituit din: un ansamblu de electrozi alcătuit dintr-un electrod activ (EA) propriu-zis, format din trei pini 5 conectați între ei galvanic, și un electrod auxiliar (EAa), format din alți trei pini conectați între ei galvanic, pinii fiind amplasați circular, pinii electrodului propriu-zis și ai celui auxiliar fiind 7 decalați între ei, astfel, după un pin propriu-zis urmează un pin auxiliar, după care se repetă configurația de amplasare a pinilor; un amplificator instrumental Al (2) care amplifică și 9 condiționează biosemnalul prelevat, adică diferența de potențial dintre electrodul (EA) activ propriu-zis și electrodul auxiliar (EAa); un amplificator cu câștig programabil ACP (9), care 11 selectează biosemnal prelevat de pe electrodul (EA) activ de măsurare, sau biosemnal prelevat și trecut prin amplificatorul instrumental Al (2); cinci comutatoare electronice K1...K5 (4, 5, 6, 13

7, 8), din care K1 (4) selectează biosemnalul prelevat de pe electrodul (EA) activ, sau biosemnalul prelevat și trecut prin amplificatorul instrumental Al (2), care se aplică la intrarea amplifica- 15 torului ACP (9), K2, K3 și K4 (5, 6, 7) multiplexează, pe intrările diferențiale ale amplificatorului ACP (9), biosemnalul prelevat de pe electrodul (EA) activ de măsurare, biosemnalul prelevat 17 și trecut prin amplificatorul instrumental Al (2), semnalul prelevat de pe electrodul auxiliar (EAa), sau tensiunea de referință U_REF, în succesiunea prescrisă de protocolul de măsurare; un 19 convertor analog-digital CAD (10), care convertește semnalul de la ieșirea amplificatorului ACP (9) în valoare numerică, pentru a fi transferat unei unități centrale de procesare UCP (13), ce 21 realizează toate comenzile și reglările modulelor funcționale constitutive.
2. Circuit pentru măsurarea impedanței de contact între piele și un electrod activ de 23 măsurare neinvazivă a biosemnalelor, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că mai conține două surse de curent constant SCC1 (11) și SCC2 (12), de valoare egală și de sens 25 opus, care se aplică la intrările diferențiale ale amplificatorului ACP (9), în timpul măsurării impedanței de contact, adică în momentele în care la intrările diferențiale ale amplificatorului 27 ACP (9) sunt aplicate semnalele prelevate direct de pe electrodul activ (EA) propriu-zis, respectiv, de pe electrodul auxiliar (EAa), prin intermediul comutatorului electronic dublu K5 (8). 29
3. Circuit pentru măsurarea impedanței de contact între piele și un electrod activ de măsurare neinvazivă a biosemnalelor, conform revendicărilor 1 și 2, caracterizat prin aceea 31 că, pentru a evita polarizarea electrozilor prin electroliză prin alternarea sensurilor curențilorîn timpul măsurării impedanțelor de contact, comutatoarele electronice K2 și K3 (5,6) au trei poziții 33 de comutare, care se pot comanda astfel încât într-o situație curentul surselor de curent constant să curgă dinspre electrodul activ (EA) către electrodul auxiliar (EAa), iar într-o altă 35 situație să curgă dinspre electrodul auxiliar (EAa) către electrodul (EA) propriu-zis.