Усилители биопотенциалов

     Метод Port-a-Patch, в котором используется измерительний  прибор, насос, усилитель и компьютер. Планарное сооружение помещается на стол, метод показан на рисунке 10.

     

Рисунок 10 – установка при методе Port-a-Patch

     Это метод, разработанный для увеличения производительности в электрофизиологии, когда требуются массовые измерения трансмембранной проводимости. В частности, этот метод находит применение в фармакологических исследованиях.

     Если  при классическом patch-clamp пипетка  позиционируется на неподвижной  клетке, то при планарном, напротив, клеточная суспензия наносится на микрочип с упорядоченными отверстиями субклеточного диаметра. Клетка оседает на отверстие, с помощью насоса подсасывается к нему, в результате чего формируется гигаомный контакт. Далее исследование проводится по тому же принципу, что и в традиционном patch-clamp.

     Основное  преимущество планарного patch-clamp состоит в том, что эксперимент  выполняется значительно  проще, требует меньшей  квалификации от исследователя  и занимает меньше времени. Достаточно много измерений  может быть выполнено одно за другим в автоматическом режиме. По утверждению авторов методики, этот метод позволяет легче осуществлять перфузию внутриклеточного содержимого, а также более точно дозировать исследуемые или тестовые фармакологические вещества. С помощью этого метода относительно легко работать с клетками, обычно находящимися во взвешенном состоянии — в частности, с клетками крови.

     Вместе  с тем, метод планарного patch-clamp имеет ряд существенных ограничений. Основное состоит в том, что исследуемые  клетки должны находиться в суспензии. Соответственно, не существует возможности работать с фрагментами ткани, невозможно изучать взаимодействие клеток друг с другом. Для мобилизации клеток необходимо использовать ферменты-протеазы, которые могут модифицировать поведение изучаемых ионных каналов.

     Выходят из данной проблемы так: планарный patch-clamp применяют, главным образом, в фармакологических исследованиях, где требуются массовые измерения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. ИСТОРИЧЕСКОЕ  СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЕЙ БИОПОТЕНЦИАЛОВ ПУТЕМ ЛИКВИДАЦИИ НЕДОСТАТКОВ

     К основным требованиям, предъявляемым  к УБП, относят:

     1) высокое входное сопротивление,  не менее чем на порядок  превышающее максимально возможное  внутреннее сопротивление источника  биосигнала.;

     2 способность эффективно подавлять  синфазные помехи;

     3 низкий уровень собственных шумов  (отношение сигнал/шум, приведенное  ко входу УВС, как правило,  должно быть не менее 2);

     4 обеспечение заданной полосы  пропускания;

     5 малые габариты, экономичность.

     УБП обычно используются для усиления сигналов низкого уровня в условиях действия значительных синфазных помех, во много раз превышающих уровень полезного биопотенциала. Синфазная помеха - это напряжение, наводимое одновременно на две или более линии, передающие сигнал.

     Если  бы источник биопотенциалов, линия связи и УБП были строго симметричны, то проблема борьбы с синфазной помехой никогда бы не существовала. Однако по ряду причин такую симметрию либо невозможно получить, либо в процессе эксперимента она нарушается. В результате синфазная помеха преобразуется в дифференциальный сигнал, который уже невозможно отличить от полезного сигнала. [1]

     Основными методами преобразования синфазной  помехи в нормальный дифференциальный сигнал при регистрации биоэлектрической активности являются источник биосигналов, отводящие провода и непосредственно УБП.

     Разбаланс внутреннего сопротивления источника, сопротивления участка "электрод-поверхность  отведения", емкости биообъекта относительно "земли" будут приводить к преобразованию синфазных помех в эквивалентный нормальный сигнал. Особенно существенный вклад в этот процесс внесло изменение емкости исследуемого объекта при его движении.

     В ряде физиологических исследований эффективной мерой борьбы с помехами являлось создание различного рода экранов. Экранирование позволяло избавиться от большинства наведенных помех. Кроме того, следует учитывать, что во многих исследованиях экранирование измерительного устройства в принципе недопустимо. Поэтому возникала проблема борьбы с синфазными помехами схемно-конструктивными методами.

     Наиболее  известными распространенными способами  уменьшения синфазных сигналов являлось:

     1 скручивание отводящих проводников  и их экранирование. Скручивание  дает возможность лучше сбалансировать емкость на "землю" этих проводников. Для уменьшения уровня наводок оба подводящих к УБС проводника целесообразно размещать в одном экране;

     2 балансировка и фильтрация. Примером  подобны мер может служить  использование на входе УБС  блокировочного конденсатора для уменьшения высокочастотной наводки;

     3 использование специальных электродов, паст, методов крепления и точек  отведения, уменьшающих напряжение  гальваническополяризационной ЭДС  и кожных потенциалов;

     4 использование схем без источников возбуждения или с источниками, создающими синфазную помеху с частотным спектром, существенно отличающимся от спектра измеряемого сигнала;

     5 использование дифференциальных  усилителей с высоким коэффициентом  ослабления синфазного сигнала. [9]

  5      СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ УСИЛИТЕЛЕЙ БИОПОТЕНЦИАЛОВ

       В настоящее время широко применяются УБП в виде дифференциальных усилителей (ДУ), построенных на основе операционных усилителей (ОУ). Наиболее применяемые схемы ДУ:

     · ДУ на биполярных транзисторах;

     · ДУ на полевых транзисторах;

     · ДУ с применением операционных усилителей (ОУ);

     · специальная схема ДУ с применением  ОУ;

     · многовходовый ДУ на ОУ.

     Для ряда применений, в том числе проведения медико-биологических исследований необходим дифференциальный усилитель с высоким входным сопротивлением. Для построения такого усилителя применяются структуры на составных транзисторах, однако лучшие результаты получаются при применении полевых (униполярных) транзисторов. На рисунке 11 представлена схема ДУ на полевых транзисторах.

     

Рисунок 11 - Дифференциальный усилитель на полевых транзисторах

     

Рисунок 12 - Передаточная характеристика дифференциального усилителя на полевых транзисторах при различных значениях тока источника тока.

     Из  представленной характеристики следует, что коэффициент усиления такого усилителя зависит от величины источника  тока, установленного в цепях истоков  полевых транзисторов, что необходимо учитывать при проектировании входных  каскадов аппаратуры медико-биологического назначения, для которых порой требуются весьма высокие значения коэффициентов усиления по напряжению.

     Схема универсального дифференциального  усилителя на трех ОУ приведена на рисунке 13. 

     

Рисунок 13 - Дифференциальный усилитель на трех ОУ

     Схема с тремя ОУ дает коэффициент усиления синфазного сигнала в несколько раз больше, чем схема с одним операционным усилителем.

     Это позволяет ослабить требования к согласованию сопротивлений резисторов. Эти требования тем мягче, чем больше коэффициент усиления первого каскада. Поэтому второй каскад часто выполняется с единичным коэффициентом усиления. При выполнении экспериментальных исследований необходимо учитывать величину коэффициента усиления второго каскада, равную 10, что обусловлено необходимостью упрощения экспериментальной базы и метрологического обеспечения исследований с помощью имеющихся в лабораторном комплексе приборов.

     Рассмотренные варианты дифференциальных усилителей получили свое дальнейшее развитие при  проектировании многовходовых дифференциальных усилителей, получивших широкое применение в медицинском приборостроении при построении входных усилителей кардиографов, миографов, гастроэнтерографов, а также энцефаллографической аппаратуры. Принципиальная электрическая схема дифференциального усилителя подобного класса представлена на рис 5

     

 Рисунок  5 - Многовходовый дифференциальный  усилитель 

     ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

     В ходе курсовой работы мною были рассмотрены история возникновения и развития усилителей биопотенциалов, существующие виды снятия потенциалов, направления исторического совершенствования, выявлены технические противоречия и дальнейшие пути их преодоления. На основе изученного, я предлагаю использовать принцип параметрического усиления, который обладает рядом преимуществ по сравнению с обычными методами усиления. Низкий уровень шумов, большой коэффициент преобразования, высокое входное сопротивление и малый уровень дрейфа способствуют внедрению параметрических усилителей в диапазон низких и инфракрасных частот. Отличительной особенностью параметрического усилителя является использование реактивных элементов с изменяющимися во времени параметрами для преобразования энергии источника высокочастотных колебаний в энергию полезного сигнала. Поскольку реактивные сопротивления не создают теплового шума, то такие усилители обладают хорошими потенциальными шумовыми характеристиками. 
 
 
 
 
 
 
 
 

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ахутин В.М. и др. Теория и проектирование диагностической электронно- медицинской аппаратуры: Учеб.пособие. - Л.: ЛГУ, 1980, 148 с.

2. Бакалов В.П. и др. Борьба со специфическими помехами в биотелеметрии. Отбор и передача информации. – М., Наука,1979. - Вып. 58, 101-107 с.

3. Вакалав В.П., Миррахимов М.М. Прикладные аспекты биотелеметрии. - Фрунзе: Илим,  1979.  - 272 с.

4. Волошин М.Я. Электрофизиологические методы исследования головного мозга в эксперименте.- Киев: Навук.думка, 1987.- 171 с.

5. Гарет П. Аналоговые устройства для микропроцессоров и мини-ЭВМ.- М.: Мир, 1981.- 270 с.

6. Гутников   В.С.    Интегральная   электроника в измерительных устройствах.- Л.: Энергия,   1980.-  248 с.

7. Зайченко  К.В., Жаринов О.О., Кулин А.Н., Кулыгина  Л.А., Орлов А.П. Съем и обработка  биоэлектрических сигналов: Учеб.пособие.  – СПбГУАП. СПб., 2001.140 с. ISBN 5-8088-0065-X;

8. Покровский В.М., Коротько Г.Ф. Физиология человека. – М: Медицина 2007. ISBN 5-225-04729-7;

9. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика.  - М.:Высш.школа., 1987.

10. http://www.uniphys.ru

11. http://www.electro–tech.narod.ru