RO130207B1 - Dispozitiv pentru măsurări biosemnale - Google Patents

Description

Invenția se referă la concepția și structura unui dispozitiv pentru măsurarea neinvazivă, de pe suprafața corpului, a biosemnalelor de mică intensitate.

Condiționarea semnalelor biofizice achiziționate se referă la succesiunea de transformări analogice și digitale aplicate asupra semnalului prelevat, care îl fac apt pentru operația de extragere a informațiilor (datelor) conținute în semnalul primar util. Circuitul electronic destinat condiționării acestor semnale nu trebuie să influențeze, sau trebuie să influențeze foarte controlat, semnalul util prin atenuare sau distorsiune, să elimine într-o măsură cât mai mare zgomotele care se suprapun peste semnalul util, păstrând în același timp banda de frecvență necesară a biosemnalului. Amplificarea și, în special, preamplificarea reprezintă conținutul principal și cel mai delicat al condiționării, care aduce semnalul util la un nivel de putere compatibil cu acționarea următoarelor etaje de condiționare. Măsurările biosemnalelor necesită amplificarea unor semnale de nivel foarte redus, peste care se suprapun zgomote (artefacte) produse de interfețele electrod-țesut (diferențele dintre interfețe, instabilitatea lor în timp, mișcările pacientului etc.), semnalele electrofiziologice perturbatoare generate de alte organe decât cel studiat, alte perturbații datorate câmpurilor electromagnetice din mediu (zgomote induse de rețeaua de curent alternativ de 50 Hz, motoare, relee, contactoare electromagnetice, telefoane mobile, stații de radiorelee etc.), cât și zgomotul intern generat de dispozitivele electronice utilizate (mici fluctuații de tensiune sau curent, ca urmare a deplasărilor probabilistice ale unor cantități discrete de sarcini electrice).

Limitările metodelor de explorare ale acestor biosemnale, deci posibilitatea de extragere a cât mai multor informații din semnale, depind de calitatea metodelor și a soluțiilor utilizate în circuitul de măsurare a biosemnalelor. Structura circuitului de măsurare este formată din 6 module funcționale:

1. Electrozii folosiți pentru detectarea biosemnalelor: trebuie să satisfacă trei criterii principale de calitate, respectiv: tensiunea de polarizare între metal și piele cât mai redusă, impedanța de contact cât mai redusă și mai stabilă, și, de asemenea, fluctuația în timp a polarizării electrodului să fie cât mai redusă.

2. Condiționarea analogică a biosemnalului: se realizează printr-un lanț de amplificare și filtrare analogică, care are ca efect aducerea semnalului la parametrii (amplitudine, frecvență) optimi ai convertorului analog-digital, respectiv reducerea zgomotelor și compensarea erorilor introduse de electrozi. Lanțul analogic clasic se compune din preamplificator diferențial, filtre trece sus, etaje de amplificare și filtre trece jos. Criteriile de calitate ale preamplificatorului sunt: impedanța de intrare și factor de rejecție de mod comun CMRR cât mai mari; decalajul de tensiune (offset) și fluctuațiile de curent (drift) cât mai mici. De la următoarele etaje de amplificare se așteaptă factor de amplificare mare, respectiv distorsiuni de fază și de amplitudine cât mai mici și, dacă este cazul, izolarea galvanică a pacientului de restul echipamentului. Filtrele analogice trebuie să limiteze banda de frecvență a semnalului, în vederea conversiei analogdigitale, respectiv pentru eliminarea zgomotelor, interferențelor și a semnalelor parazite.

3. Condiționarea digitală a biosemnalului: se realizează în primă fază prin convertorul analog-digital, care transformă semnalul analogic continuu, în semnal discret digitizat în timp și valoare. Transformările aplicate sunt: eșantionare (discretizareîn timp), cuantificare (discretizareîn amplitudine), respectiv digitizare (codare binară) a semnalului. Cele două criterii de calitate importante sunt: frecvența de eșantionare, care trebuie să fie cât mai mare, pentru a micșora eroarea de cuantificare (de rotunjire) și rezoluția binară, care, de asemenea, trebuie să fie cât mai mare pentru a micșora eroarea de digitizare (de trunchiere), respectiv pentru a micșora valoarea amplificării lanțului analogic. La ora actuală, un singur tip de convertor analogdigital poate să asigure o rezoluție comparabil de mare cu cea cerută de un sistem modern de biomăsurare: cele care se bazează pe principiul de modulare Sigma-Delta, supra-eșantionarea

RO 130207 Β1 semnalelor și utilizarea filtrelor digitale trece jos cu decimare. Supra-eșantionarea puternică a 1 semnalului va dispersa zgomotul pe un domeniu larg de frecvențe, în interiorul căruia puterea de zgomot este distribuită în special la frecvențe înalte, iar puterea de zgomot în banda utilă a 3 semnalului va fi considerabil micșorată.

4. Procesorul numeric execută o preprocesare a semnalelor digitale obținute, înainte de 5 transmiterea lor la un modul central de analiză, prelucrare, stocare, interpretare și utilizare globală a datelor. Funcțiile de bază executate la acest nivel sunt: separarea semnalului util de 7 zgomot prin filtrare digitală; extragerea informației utile prin analiza spectrală și prelucrări matematice ale formelor de undă; comprimarea datelor pentru stocarea economică și reducerea 9 timpilor de transmisie a informației. De asemenea, modulul procesor are rolul de a coordona funcționarea întregului lanț de achiziție de semnale. Criteriul cel mai important de calitate al 11 procesorului numeric este executarea sarcinilor în timp real.

5. Datele preprocesate trebuie să ajungă la destinație folosind un canal de comunicație 13 adecvat, utilizând un protocol eficient de comunicație de date. Datele trebuie transmise în timp real, pentru a permite sistemului de prelucrare și interpretare a datelor achiziționate, să intervină 15 on-line pentru avertizare, acționare, alarmare etc. în condițiile unui echipament mobil de măsurare, canalul de comunicație trebuie să fie fără fir. 17 în afara raportului semnal/zgomot ridicat, un alt factor influențează negativ procesul de măsurare: zgomotul de cuantizare al convertorului analog numeric. Pentru a menține acest 19 parametru între limite acceptabile, trebuie asigurată o amplificare de tensiune mare pentru canalul de condiționare, de ordinul 10⁴... 10⁶. în condițiile în care variază parametrii semnalului 21 de intrare, sau puterea zgomotului suprapus semnalului, plaja de variație a semnalului la ieșirea amplificatorului, sau chiar plaja de comparație a convertorului nu va fi suficient de mare pentru 23 acoperirea dinamică a variației semnalului de intrare. Deviația prea mare a semnalului de intrare față de valorile uzuale, va satura canalul de condiționare, obținând astfel date eronate la ieșirea 25 unui convertor analog-digital de rezoluție medie (12...16 biți). Pentru a evita astfel de situații, trebuie intervenit în bucla de măsurare, în cel puțin trei locuri, în vederea corectării parametrilor 27 canalului de condiționare. Astfel, din cauza variației impedanței de măsurare, a semnalului de intrare de mod comun, a variației tensiunii și a curentului de offset de la intrare, este necesară 29 calibrarea dinamică a tensiunii de referință între două măsurători, în caz contrar canalul de amplificare se poate satura ușor. Procesul de calibrare se realizează printr-o rutină firmware ce 31 rulează în microcontrolerul încorporat al unității de control și cu ajutorul convertorului digital analogic din bucla de reglare. Din considerente similare, din cauza variației amplitudinii 33 semnalului diferențial de la intrare, este necesară și modificarea dinamică a amplificării canalului. Acest lucru se realizează prin reprogramarea factorului de amplificare al amplificatorului 35 cu câștig programabil, pe baza caracteristicilor de transfer memorate în procesorul central și comunicarea de noi valori pentru amplificatorul programabil, utilizând canalul serial de 37 comunicație locală. în sfârșit, mai este necesară limitarea frecvențelor superioare ale semnalelor care trec prin canalul de amplificare, în vederea satisfacerii criteriilor Nyquist referitoare 39 la frecvența de eșantionare a semnalelor analogice. în cazul utilizării unor convertoare analog numerice speciale, de rezoluție foarte mare, având o rezoluție de 22...24 biți, canalul de 41 condiționare analogică a semnalului măsurat poate fi redus considerabil, singurul modul analogic care trebuie să rămână între electrodul de măsurare și canalul de condiționare digitală 43 a semnalului fiind preamplificatorul instrumental de măsurare, în principal pentru adaptarea impedanței de intrare și simetrizarea intrărilor diferențiale. 45

Pe de altă parte, un algoritm de măsurare presupune executarea unei secvențe de operații: comutări, comparări, atenuări, conversii etc. Dispozitivele de comandă fixe, care reali- 47 zează secvențele prin stabilirea unor conexiuni galvanice între diferitele componente electrice

RO 130207 Β1 și electronice - logică cablată - nu mai pot fi modificate în vederea obținerii altor funcțiuni, decât prin reproiectare integrală. Utilizarea microcontroloarelor a făcut posibilă înlocuirea acestui tip de logică fixă, dată de conexiunile prin trasee conductoare între componentele schemei, cu logică programată, realizată prin instrucțiuni de program. în acest fel, devine posibilă modificarea comodă și rapidă a secvenței de lucru a unei structuri de circuite prin modificarea programului care comandă secvența respectivă, program rezident în memoria sistemului microprocesor.

Circuitul electric care se plasează pe suprafața corpului, în cazul măsurării biosemnalelor prin metode neinvazive, în funcție de structura electronică conținută, poate fi clasificată în una din următoarele categorii de circuite:

a) Electrod pasiv de măsurare: electrod de măsurare biosemnale, care nu conține componente electronice, numai firul metalic de contact, prin care se conectează la un circuit electronic de condiționare aflat la o distanță oarecare de punctul de măsurare;

b) Electrod activ de măsurare: electrod pentru măsurare biosemnale, care conține (încorporat în carcasa electrodului) o parte a circuitului electronic de condiționare a biosemnalului prelevat;

c) Senzor inteligent de măsurare: electrod pentru măsurare biosemnale, care conține (încorporat în carcasa electrodului), pe lângă circuitului electronic de condiționare analogică și digitală a biosemnalului prelevat, și o unitate centrală de procesare realizată cu un microcontrolor de mică sau medie complexitate, care conferă inteligență tehnică circuitului;

d) Nod independent de măsurare: electrod pentru măsurare biosemnale, care conține (încorporat în carcasa electrodului), pe lângă circuitului electronic de condiționare analogică și digitală a biosemnalului prelevat, respectiv unitatea centrală de procesare realizată cu un microcontrolor de mică sau medie complexitate, care conferă inteligență tehnică circuitului, și un circuit de transmisie fără fir a datelor achiziționate, pe baza unui protocol propriu de comunicare încorporat în firmware;

e) Modul inteligent de măsurare: nod independent de măsurare biosemnale, care mai conține (încorporat în carcasa electrodului), pe lângă circuitului electronic de condiționare analogică și digitală a biosemnalului prelevat, unitatea centrală de procesare realizată cu un microcontrolor de medie sau mare complexitate, ce conferă inteligență tehnică circuitului, circuitul și protocolul de transmisie fără fir a datelor achiziționate, și un circuit și protocol de autotestare, autocalibrare și modificare a principalilor parametri tehnici (amplificare, banda de frecvență, poli de filtrare, frecvența de eșantionare etc.);

f) Echipament de măsurare: modul inteligent complex de măsurare biosemnale, sau rețea de senzori inteligenți, noduri independente, sau module inteligente de măsurare biosemnale.

Circuitul pentru măsurarea biosemnalelor conform invenției se încadrează în categoria d), fiind un nod independent și inteligent de măsurare.

Se cunosc mai multe tipuri de echipamente pentru măsurarea biosemnalelor prin metode neinvazive, [WO 2005094674, “Active, multiplexed digital electrodesfor EEG, ECG and EMG applications”, 13.10.2005], [WO9324993, “Instrumentation amplifier”, 09.12.1993], [US5206602A, “Biomedical amplifiercircuit”, 27.04.1993], [WO 9737590, “EEG based activation system”, 16.10.1997], [US8467866, “Biosignal detecting apparatus”, 18.06.2013], [US5275172, “Electroencephalo-graphic signal acquisition and Processing system”, 04.01.1994], [RO126828, “Dispozitiv portabil pentru monitorizarea în timp real a crizelor de epilepsie”, 30.11.2011 ], [RO126178, “Dispozitiv electronic pentru măsurarea și afișarea semnalelor electrice cerebrale cu filtrare numerică”, 29.04.2011 ]. Acestea diferă

RO 130207 Β1 între ele în modul de prelevare și condiționare a semnalului analogic, rejecția perturbațiilor 1 exterioare, compensarea decalajelor, adaptarea impedanțelor de intrare și tratarea componentei continue a semnalului amplificat. Aceste soluții prezintă dezavantajul unei sensibilități mai mari 3 la zgomotele externe, la semnale de mod comun puternice (de exemplu rețeaua electrică de alimentare de 50 Hz), pot să introducă o nesimetrie în etajul de amplificare diferențială, o 5 nesimetrie a impedanțelor sau o nesimetrie a amplificării pe canalele diferențiale. Amplificarea maximă posibilă este limitată de valoare maximă a tensiunii de decalaj a electrozilor de 7 prelevare biosemnale, care poate satura ieșirea amplificatorului. Același fenomen poate provoca și prezența componentei continue în biosemnalul măsurat. Un alt dezavantaj reprezintă 9 prezența cablurilor de interconectare între modulele echipamentului de măsurare.

Problema pe care o rezolvă invenția constă în rejecția puternică a perturbațiilor rețelei 11 de alimentare și a semnalelor perturbatoare de mod comun. Alte probleme rezolvate de invenție constau în eliminarea cablurilor de legătură cu impedanță mare, sensibile la perturbații; corec- 13 tarea saturației amplificatorului pentru artefacte de tensiune la intrare; reducerea zgomotului introdus de canalul analogic; reducerea zgomotului de cuantizare; menținerea impedanței de 15 intrare ridicate și simetrice a amplificatorului de biosemnale; adaptarea amplificării de tensiune la valoarea biosemnalului prelevat; transmisia fără fir a datelor achiziționate. 17

Nodul inteligent de măsurări biosemnale, conform invenției, este alcătuit dintr-un preamplificator diferențial de intrare realizat cu un filtru trece sus și un amplificator instrumental, 19 semnalul de la ieșirea preamplificatorului se trece printr-un filtru trece jos, după care este aplicat la o intrare a unui amplificator diferențial cu câștig programabil, la cealaltă intrare a amplifi- 21 catorului fiind aplicat semnalul de referință furnizat de un convertor digital-analogic controlat de un microcontroler al unei unități centrale de procesare care este folosită și pentru comanda și 23 controlul modulelor funcționale ale dispozitivului, iar ieșirea amplificatorului cu câștig programabil se aplică la intrarea unui convertor analog-digital de tip Sigma-Delta. Dispozitivul mai 25 conține un canal serial de transmisie de date pe două fire, linia de date D și semnalul de ceas C, pentru transmiterea la unitatea centrală de procesare a datelor obținute la ieșirea con- 27 vertorului analog-digital, respectiv pentru a programa câștigul amplificatorului. Dispozitivul mai conține un modul de transmisie radio care comunică cu unitatea centrală de procesare pentru 29 transmiterea fără fir a datelor preprocesate și vehicularea semnalelor de comandă, control și de sincronizare. 31

Nodul inteligent pentru măsurări biosemnale, conform invenției, prezintă următoarele avantaje:33

- obținerea unui factor de rejecție a semnalului de mod comun deosebit de mare;

- obținerea unei impedanțe de intrare ridicate și simetrice;35

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

- rejecție ridicată a perturbațiilor tensiunii de rețea (50 Hz);37

- precizie mare de amplificare și stabilitate în timp;

- posibilitatea utilizării echipamentului în diferite aplicații care necesită diferite valori ale 39 amplificării în tensiune, prin schimbarea valorii a unui număr redus de componente pasive;

- interfațare ușoară cu restul echipamentului digital de măsurare;41

- miniaturizare și portabilitate ridicată;

- reducerea dimensiunilor fizice ale echipamentului de măsurare;43

- posibilitatea integrării echipamentului în sisteme mobile de măsurare;

- posibilitatea utilizării echipamentului în sistemele dedicate interfețelor creier-calculator 45 (BCI).

RO 130207 Β1

Se dă, în continuare, un exemplu de realizare a invenției, în legătură și cu fig. 1,2 și 3, care reprezintă:

- fig. 1, schema bloc a dispozitivului pentru măsurări biosemnale;

- fig. 2, schema electronică detaliată a unui dispozitiv pentru măsurări biosemnale, conform invenției;

- fig. 3, desenul de execuție cu dimensiuni al circuitului imprimat al circuitului din fig. 2.

Nodul independent și inteligent pentru măsurări biosemnale, conform invenției este alcătuit din 10 module funcționale principale. Biosemnalul prelevat cu electrozii de măsurare EA (electrod activ) și ER (electrod de referință) este trecut prin filtrul de frecvență trece sus 1, și se aplică amplificatorului instrumental diferențial Al 2, ieșirea căruia este trecută printr-un filtru de frecvență trece jos 3, după care se aplică la intrarea pozitivă a unui amplificator cu câștig programabil AGP 4, la intrarea negativă a amplificatorului fiind conectată tensiunea de referință de la ieșirea convertorului digital-analogic CDA 8. Ieșirea amplificatorului programabil 4 este conectată la intrarea unui convertor analog-digital de tip Sigma-Delta 5, datele obținute la ieșirea convertorului fiind transmise la unitatea centrală de procesare UCP realizată cu microcontrolor 7, prin canalul de transmisie serială de date 6 pe două fire, linia de date D și semnalul de ceas C, prin care se realizează și programarea amplificatorului AGP 4. Convertorul digital-analogic 8, controlat de unitatea centrală 7, generează potențialul de referință canalului analogic de condiționare a biosemnalului măsurat. Unitatea centrală de procesare UCP 7 comunică serial cu modulul de transmisie radio 9, pentru transmiterea fără fir, prin circuitul antenă 10, a datelor preprocesate și vehicularea semnalelor de comandă, control și de sincronizare.

Claims (3)

1. Revendicări 1

   1. Dispozitiv pentru măsurarea biosemnalelor, caracterizat prin aceea că este constituit 3 dintr-un preamplificator diferențial de intrare realizat cu un filtru trece sus (1) și un amplificator instrumental (2), semnalul de la ieșirea preamplificatorului se trece printr-un filtru trece jos (3), 5 după care este aplicat la o intrare a unui amplificator diferențial cu câștig programabil (4), la cealaltă intrare a amplificatorului (4) fiind aplicat semnalul de referință furnizat de un convertor 7 digital-analogic (8) controlat de un microcontroler al unei unități centrale de procesare (7) care este folosită și pentru comanda și controlul modulelor funcționale ale dispozitivului, iar ieșirea 9 amplificatorului (4) cu câștig programabil se aplică la intrarea unui convertor analog-digital de tip Sigma-Delta (5). 11
2. 2. Dispozitiv pentru măsurarea biosemnalelor conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că mai conține un canal (6) serial de transmisie de date pe două fire, linia de date D și 13 semnalul de ceas C, pentru transmiterea la unitatea centrală de procesare (7) a datelor obținute la ieșirea convertorului analog-digital (5), respectiv pentru a programa câștigul amplificatorului 15 (4).
3. 3. Dispozitiv pentru măsurarea biosemnalelor conform revendicărilor 1 și 2, caracterizat 17 prin aceea că mai conține un modul de transmisie radio (9) care comunică cu unitatea centrală de procesare (7) pentru transmiterea fără fir a datelor preprocesate și vehicularea semnalelor 19 de comandă, control și de sincronizare.