Исследование параметров эквивалентной цепи электродов биомедицинского назначения

Автор: · Дата: 24 Январь 2012 · Пока нет комментариев

Белецкий Н.И.  Исследование параметров эквивалентной электрической цепи кожно-электродного контакта [Текст] / Н.И. Белецкий, О.М. Дацок, Д.В. Павленко, А.В. Хоружная // Прикладная радиоэлектроника: науч.-техн. журнал. – 2011. – № 3. – С. 372 –376.

Исследование параметров эквивалентной электрической  цепи кожно-электродного контакта

Белецкий Н.И., Дацок О.М., Павленко Д.В., Хоружная А.В.

Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина

61077, Харьков, пл. Свободы 4, каф. физической и биомедицинской электроники и КИТ

The method, hardware and software for equivalent circuit parameters measurement are developed. Described circuit model includes the resistance and capacitance of the electrode and the tissues’ resistance. The design of the measuring device is simple and the lack of tuning elements. Experimental results applying to capacitive biomedical electrodes were obtained.

Введение

При проведении электрофизиологических исследований, связанных с измерением биопотенциалов, достоверность диагностической информации существенно зависит от характеристик используемых электродов. Производственные дефекты, протекающие электрохимические процессы на кожно-электродном участке, а также наличие паразитных свойств контакта приводят к искажениям амплитудных и частотных характеристик регистрируемых сигналов [1]. Для учета влияния электрода на форму электрических потенциалов необходимо достаточно точно знать параметры измерительной электродной системы. Особый интерес при разработке новых диагностических устройств  представляет применение емкостных электродов, поскольку позволяет исключить ряд искажений сигнала, связанных с электрохимическими процессами на контакте электрод – кожа [2]. Для учета влияния электрода на форму электрических потенциалов необходимо достаточно точно знать параметры измерительной электродной системы и учитывать их при проектировании и эксплуатации медицинских диагностических систем. Знание эквивалентных параметров электродов позволяет сформулировать требования к входным блокам обработки сигнала, а также оптимальным образом выбрать параметры усилителя биопотенциалов. [3], [4].

Методика измерений

Физическая модель системы электрод – биологический объект представлена эквивалентной электрической цепью, изображенной на рис.1.

Рис. 1. Эквивалентная цепь кожно-электродного контакта.

Rэ, Rs, Cэ представляют собой элементы эквивалентной цепи кожа-электрод, с достаточной (для практических применений) точностью её описывающие, и требующие определения. Очевидно, что поставленная задача сводится к исследованию пассивных параметров электрической цепи, содержащей реактивные элементы.Для построения математической модели введем Rl, Cl– параметры входной цепи усилителя биопотенциалов. Применив метод комплексных амплитуд, получим выражение, связывающее комплексные напряжения на входе цепи (источник биопотенциала) и на нагрузке (входе усилителя БП):

В основу измерения эквивалентных параметров положена зависимость от частоты комплексного сопротивления цепи и, как следствие, отношения амплитуд Uout / Uin. С помощью устройства, структурная схема которого изображена на рис.2, измеряется коэффициент ослабления цепи на нескольких фиксированных частотах (четырех в экспериментальном образце).

Гармонический сигнал  Uin(t) = U0*exp (iωt) стабильной амплитуды и частоты поступает на подводящий хлорсеребряный электрод 1 (см. рис.3), закрепленный на поверхности кожи. Ток протекает через биологические ткани  4 и исследуемый электрод 2, подключенный ко входу измерительного усилителя.

Измерительный усилитель охвачен цепью ООС, позволяющей с высокой точностью устанавливать коэффициент усиления благодаря применению цифрового потенциометра. Усиленный сигнал поступает на амплитудный детектор, интегратор и оцифровывается АЦП управляющего микроконтроллера. Результатом измерения является коэффициент усиления , при котором амплитуда усиленного сигнала, прошедшего через цепь, равна амплитуде подаваемого на неё сигнала, т.е. полностью компенсируется вносимое ослабление.

Рис. 2. Блок-схема измерительной установки.

С целью активного подавления помех, вызванных наводками осветительной сети и работающего оборудования, и, соответственно, увеличения отношения сигнал/шум, в непосредственной близости от подводящего электрода закреплен хлорсеребряный электрод 3 (рис.3), который гальванически связан с общей шиной измерительного устройства 5.

Перед каждым измерением проводится калибровка, которая заключается в подаче гармонического сигнала с подводящего электрода непосредственно на вход измерительного усилителя. Результат калибровки ­­­– вектор коэффициентов усиления, необходимый для компенсации потерь сигнала в отсутствии исследуемой цепи.

рис.3 Подключение измерительной установки: 1 – исследуемый электрод; 2 – подводящий электрод; 3 – заземляющий электрод;
4 – биологический объект;5 – измерительное устройство.

На каждой частоте должно выполняться соотношение (1), следовательно, можно записать систему уравнений для определения неизвестных Rэ, Rs, Cэ через коэффициент ослабления цепи, численно равный измеренному коэффициенту усиления Kn. С учетом описанных преобразований сигнала имеем.

Для однозначного определения трех неизвестных Rэ, Rs, Cэ система уравнения (2) должна состоять, как минимум, из трех уравнений. Для расширения диапазона измеряемых величин и повышения точности результата нами использовано 4 частоты, т.е. система уравнений умышленно изначально переопределена.

Cкачать полную версию статьи из pdf

Скачать презентацию доклада в ppt

Популярность: 37%

Рубрика: Публікації · Запись имеет метки: , , ,  

Комментирование закрыто.