Wzmacniacze pomiarowe w medycynie

54 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 1/2010 NotatNIk koNstRuktoRa Wzmacniacz pomiarowy jest odmianą wzmacniacza różnicowego. Charakteryzuje się dużym wzmocnieniem sygnału różni- cowego oraz tłumieniem składowej współ- bieżnej pojawiającej się jednocześnie na obu jego wejściach. Głównym zadaniem takiego wzmacniacza w  torze wstępnej obróbki sy- gnału jest wyłonienie sygnału użytkowego z tła i wzmocnienie go. Nie jest to zadanie łatwe, ponieważ ludzkie ciało zarówno ge- neruje własne sygnały, jak i odbiera je z oto- czenia. Dodatkowym problemem mogą być składowe napięcia wprowadzane przez prze- tworniki i elektrody. Zwykle wzmacniacz pomiarowy dołą- czony do ciała pacjenta mierzy niewielkie napięcie różnicowe o  amplitudzie kilku miliwoltów lub mniejszej, występujące na tle dużego napięcia współbieżnego, będące- go źródłem zakłóceń i  szumów. Dotyczy to zarówno sygnałów otrzymywanych z  prze- tworników, jak i impulsów bioelektrycznych, pochodzących wprost z  ciała pacjenta. Do- skonałym przykładem może być biosygnał użytkowy elektrokardiografu (aparatu EKG), którego budowa kojarzy się niewprawionym elektronikom tylko ze wzmocnieniem sy- gnałów elektrycznych pochodzących z ciała pacjenta. Niestety, praktyczna realizacja ta- kiego układu wcale nie jest aż tak trywialna. Sygnał mierzony przez EKG ma ampli- tudę rzędu 1  mV i  widmo częstotliwości od 0,05  Hz do 10  Hz. Elektrody chlorowo- -srebrowe stosowane do pobierania sygnału z  ciała pacjenta wytwarzają napięcie sta- łe o wartości około 500 mV. Dlatego sygnał docierający do wejścia elektrokardiografu to składowa zmienna o amplitudzie 1 mV nało- żona na składową stałą o napięciu 500 mV. Wzmacniacze pomiarowe w medycynie Badanie ludzkiego ciała z  użyciem nowoczesnych urządzeń diagnostycznych zwykle wymaga zamiany sygnałów elektrycznych pochodzących z  ludzkiego ciała lub podłączonych do niego czujników na postać cyfrową. W  związku z  tym na każdej ścieżce sygnałów konieczne jest zastosowanie co najmniej dwóch bloków: wzmacniacza i  ?ltru. Filtrowanie często realizowane jest przez program, ponieważ cyfrowa obróbka sygnału wiąże się z  koniecznością użycia przetwornika A/C, od którego już tylko krok do realizacji wygodnego, cyfrowego ?ltru. Nie da się jednak wystarczająco dobrze próbkować sygnałów o  napięciu rzędu kilkunastu miliwoltów i  dlatego nieodzownym elementem każdego toru pomiarowego jest specjalny wzmacniacz pomiarowy. A ponadto na ciele pacjenta indukuje się sygnał zakłóceń sieciowych o amplitudzie kilku woltów. W cyfrowym aparacie EKG, w celu dalszej obróbki, sygnał ten podawany jest na wejście przetwornika A/C. Dzięki zastosowaniu wej- ściowego wzmacniacza pomiarowego można wyeliminować bezużyteczną składową stałą oraz wyodrębnić mały (1 mV) użyteczny sy- gnał różnicowy tłumiąc wielki (kilka V) wspól- ny sygnał zakłóceń. Po wzmocnieniu sygnału użytkowego można zastosować tańszy prze- twornik A/C o względnie małej rozdzielczści. Właściwości wzmacniacza pomiarowego Często wzmacniaczami pomiarowymi nie- słusznie nazywane są dowolne bloki wzmac- niające w strukturze układu pomiarowego. Nic bardziej mylącego. Nie każdy wzmacniacz sto- sowany w sprzęcie medycznym i pomiarowym jest wzmacniaczem pomiarowym. To odnosi się również do zastosowań wzmacniaczy pomia- rowych. Są to układy ogólnego przeznaczenie, które nie są dedykowane wyłącznie do użycia w  urządzeniach pomiarowych. Nazwa ta nie wymusza też technologii realizacji układu. Może on być zarówno pojedynczym układem scalonym (jak chyba rozumie to większość kon- struktorów), jak i  urządzeniem zbudowanym w  technologii dyskretnej, przeznaczonym do instalacji przemysłowych. Podstawowe zadania stawiane przed dowolną realizacją są jednak za- wsze takie same. Wzmacniaczem pomiarowym nazywany jest blok objęty pętlą sprzężenia zwrotnego, ma- jący symetryczne wejście różnicowe oraz niesy- metryczne wyjście, wzmacniający różnicę po- między sygnałami wejściowymi i jednocześnie odrzucający sygnały wspólne (współbieżne) dla obu wejść, o czym wspominaliśmy na po- czątku tego artykułu. W ten sposób realizowana jest bardzo ważna funkcja selekcji wejściowe- go sygnału użytkowego o  zwykle niewielkiej amplitudzie. Wartości impedancji obu wejść są zwykle precyzyjnie równoważone i osiągają wartości rzędu 109  V lub większe. Impedancja wyjściowa jest zwykle bardzo mała i waha się w pobliżu kilku milionów przy niskich często- tliwościach sygnały wyjściowego. W przeciwieństwie do wzmacniaczy opera- cyjnych, w których aplikacjach zwykle wzmoc- nienie ustalane jest za pomocą zewnętrznych rezystorów, włączanych pomiędzy wejście a wyjście, we wzmacniaczach pomiarowych re- zystory ustalające wzmocnienie są elementami jego struktury, niepodłączonymi bezpośrednio do wejść czy wyjścia. Tym samym, wzmocnie- nie typowego wzmacniacza pomiarowego jest ustalane na etapie produkcji, a  jego regulacja (o  ile w  ogóle możliwa) odbywa się poprzez zwieranie odpowiednich wyprowadzeń układu scalonego lub zastosowanie dodatkowego, ze- wnętrznego rezystora, włączanego w taki spo- sób, że jest on odizolowany od wejść i wyjścia. Układy scalone wzmacniaczy pomiaro- wych zbudowane są z  klasycznych wzmac- niaczy operacyjnych, jednak w  odróżnieniu od nich w  większości zastosowań nie wy- magają zewnętrznej kompensacji wpływu wejściowego napięcia i prądu niezrównowa- żenia. Oczywiście, można taką kompensację wykonać, jednak jest to zwykle postępowa- nie opcjonalne, niewymagane dla typowych zastosowań, gdyż symetria wejść scalonego wzmacniacza bipolarnego osiągana na dro- dze trymowania za pomocą promienia lasera pozwala na uzyskanie wejściowego napięcia niezrównoważenia na poziomie 25 mV, dryftu temperaturowego około 0,3 mV oraz wejścio- wego prądu polaryzacji (będącego podsta- wowym źródłem prądu niezrównoważenia) o wartości około 0,4 nA. We wzmacniaczach unipolarnych te wartości mogą być nawet o trzy rzędy wielkości mniejsze! Tłumienie i wzmocnienie sygnału wspólnego Na rys.  1 przedstawiono schemat typowej aplikacji wzmacniacza pomiarowego. Nie ma ona wiele wspólnego z urządzeniami medyczny- mi, lecz pozwoli na łatwiejsze zrozumienie spo- sobu, w który działa wzmacniacz pomiarowy. TEMAT NUMERU 55ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 1/2010 Wzmacniacze pomiarowe w medycynie R E K L A M A Na wejścia wzmacniacza podawane jest napięcie z przekątnej mostka (napięcie różni- cowe oznaczono jako Vdiff ) wraz ze składową stałą oraz napięciem zakłóceń o amplitudzie 50  mV, dodającym się w  tej samej fazie do obu sygnałów. Napięcie zakłócające może być np. indukowane w kablach połączenio- wych przez zewnętrzne źródła zaburzeń. Re- zystor RG ustala wzmocnienie różnicowe AD . Na wyjściu otrzymuje się sygnał będący wy- nikiem wzmocnienia sygnału różnicowego VOUT =AD ×Vdiff oraz niecałkowicie stłumiony w rzeczywistych warunkach sygnał zakłóca- jący (patrz lupka na rys. 1). W tym przykła- dzie jego amplituda wynosi 5 mV. Jak wynika ze schematu na rys. 1, sygna- ły współbieżne mogą być napięciami stałymi (jak wspomniane wcześniej napięcie elek- trod lub napięcie polaryzacji mostka z rys. 1) lub zmiennymi. Z punktu widzenia aplikacji są to zaburzenia, stąd istnieje potrzeba ich wytłumienia. Jeśli rozpatrywać ciało ludzkie jako źródło sygnału, to tłumione muszą być nie tylko sygnały wolnozmienne, ale również inne, odbierane przez tę swego rodzaju ante- nę. Będzie to dotyczyć przede wszystkim sy- gnału indukowanego przez sieć energetycz- ną oraz jego częstotliwości harmonicznych. W sytuacji idealnej wzmacniacz pomiaro- wy wzmacnia tylko różnicę, odrzucając całą Rys. 1. Ilustracja aplikacji wzmacniacza pomiarowego. Napięcie Vdiff jest sumą napięć polaryzacji mostka i zakłóceń resztę. Jednak w  praktyce takie układy cha- rakteryzują się pewnym skończonym współ- czynnikiem tłumienia napięć wspólnych po- dawanym w dB. W danych katalogowych jest on oznaczany literami CMRR (Common-Mode Rejection Ratio) i definiowany jako: gdzie: ? AD : wzmocnienie różnicowe, ? VCM : napięcie wspólne doprowadzone do obu wejść różnicowych, ? VOUT : napięcie wyjściowe pojawiające się w  odpowiedzi na podanie napięcia wspólnego VCM . Parametr CMRR podawany jest odrębnie dla napięć stałych (CMRRDC ) oraz zmiennych (CMRRAC ). Oba są bardzo ważne i mogą de- cydować o praktycznych aplikacjach danego układu. CMRR jest najlepszy dla sygnałów wolnozmiennych i ulega pogorszeniu wraz ze wzrostem częstotliwości. W  nowoczesnych wzmacniaczach pomiarowych dobrej jakości CMRR wynosi około 70 dB przy wzmocnie- niu równym 1 oraz przekracza 100  dB dla większych jego wartości. Na rys. 2 pokazano zależność parametru CMRR od częstotliwości dla wzmacniacza pomiarowego AD623 przy różnych wartościach wzmocnienia. Łatwo zauważyć, że krzywa praktycznie nie zmienia 56 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 1/2010 notatnik konstruktora się w zakresie 0...100 Hz, jednak w zakresie 100 Hz...1 kHz spadek wynosi aż 20 dB (10×). Innym bardzo ważnym parametrem wzmacniacza pomiarowego jest wzmocnienie sygnału wspólnego oznaczane w  katalogach jako ACM . Jest to współczynnik zmiany na- pięcia wyjściowego na skutek zmiany współ- bieżnego napięcia wejściowego. Na przykład przyłożenie do obu wejść wzmacniacza o pa- rametrze ACM wynoszącym ?60  dB (1/1000) napięcia 10 V wywoła w odpowiedzi zmianę napięcia wyjściowego o 10 mV. Oprócz wymienionych wyżej parametrów wzmacniacz pomiarowy charakteryzowany jest również przez wiele innych. Parametry te są podawane przez producentów w katalo- gach, jednak bardzo trudno czasami odnieść się do nich obiektywnie, ponieważ niektórzy mogą stosować pewne chwyty marketingowe, aby pokazać swoją przewagę nad konkuren- cją. Trzeba zwrócić uwagę, że w wielu przy- padkach wysoka wartość jednego parametru zaniża wartość innego. Tak jest również w kla- sycznych wzmacniaczach operacyjnych, któ- rych pasmo przenoszenia zmienia się wraz ze wzmocnieniem. Niektóre wzmacniacze po- miarowe reklamowane są jako mające pasmo przenoszenia 700 kHz i CMRR równy 120 dB. Czy tak jest w rzeczywistości? Przypomnijmy, że wartość CMRR (rys. 2) zależy od wzmocnienia. Wiele wzmacnia- czy pomiarowych ma wysoki współczynnik CMRR przy wzmocnieniu napięciowym rów- nym np. 60 dB (1000×). Jednocześnie pasmo przy takim wzmocnieniu jest najwęższe i np. Rys. 4. Przykład urządzenia do pomiarów sygnałów elektrokardiograficznych z  deklarowanych 700  kHz zwęża się do 20  kHz. Z  drugiej strony, wzmacniacz ma pasmo 700  kHz przy wzmocnieniu napięciowym 20  dB (10×), przy którym CMRR wynosi 85 dB. Wzmacniacz operacyjny a pomiarowy Parametr CMRR nie charak- teryzuje wyłącznie wzmacnia- cza pomiarowego. Każdy rodzaj wzmacniacza mającego wejścia różnicowe, tj. wzmacniacze ope- racyjne, różnicowe i  pomiarowe, charakteryzuje się pewnym pa- rametrem CMR. Wzmacniacze pomiarowe i  różnicowe są jednak projektowane w  taki sposób, aby napięcie wspólne nie pojawiało się na wyj- ściu. Inaczej jest w typowym wzmacniaczu odwracającym lub nieodwracającym, zbudo- wanym na bazie klasycznego wzmacniacza operacyjnego. Na rys. 3 widać wzmacniacz operacyjny pracujący jako odwracający, do którego wejść doprowadzono napięcie wspólne. W związ- ku z  tym, że rezystor w  pętli sprzężenia zwrotnego jest włączony pomiędzy wyjście a  punkt sumowania się sygnałów wejścio- wego i  wyjściowego, na wejściu odwraca- jącym wymuszane jest takie samo napięcie jak na wejściu nieodwracającym. Pomimo że wzmacniacz operacyjny ma swój charaktery- styczny parametr CMRR, to jego układ pra- cy powoduje, że napięcie wspólne przeno- szone jest na wyjście wzdłuż wzmacniacza. W praktyce, sygnał użytkowy jest wzmacnia- ny dzięki zamkniętej pętli sprzężenia zwrot- nego, natomiast wspólny jest przenoszony ze wzmocnieniem równym jedności. Wzmacniacze pomiarowe a medycyna Na rys. 4 pokazano schemat aplikacyjny układu służącego do monitorowania trzech przebiegów EKG będących różnicą potencja- łów pomiędzy parami punktów A, B, C. Układ pomiarowy składa się z  czterech elektrod pomiarowych oznaczonych literami A, B, C i elektrody odniesienia F. Na wejściach przyrządu zastosowano trzy wzmacniacze bu- forowe, trzy wzmacniacze pomiarowe (W1, W2, W3) oraz układ wytwarzający sygnał od- niesienia (W4). Użycie wejściowych wzmac- niaczy buforowych jest opcjonalne. Sensory zbierające potencjał z  ciała pa- cjenta zwykle mają wysoką rezystancję we- wnętrzną i dlatego układ powinien mieć wy- soką impedancją wejściową, niski wejściowy prąd niezrównoważenia oraz małe szumy. Często pomiędzy pacjentem a torem pomiaro- wym dla ochrony przed porażeniem stosuje się wzmacniacze z optoizolacją. Trzy sygnały wejściowe są sumowane we wspólnym punkcie O, dając sygnał odniesie- nia. Sygnał ten doprowadzany jest przez inte- grator (W4) do prawej nogi pacjenta. Zadaniem integratora jest takie sterowanie potencjałem w punkcie F, aby suma napięć z punktów A, B, C była równa w punkcie O zero. Wzmacniacze pomiarowe W1, W2, W3 wzmacniają sygnały EKG, jednocześnie elimi- nując zakłócenia. W celu wyeliminowania mo- gącej pojawić się na wyjściach wzmacniaczy składowej stałej stosuje się filtry górnoprze- pustowe o  dolnej częstotliwości granicznej 0,03 Hz. Przebiegi EKG z wyjść filtrów mogą być podane do rejestratorów graficznych lub przetworników A/C w celu ich dalszego prze- twarzania lub rejestracji. Współczesna medycyna bardzo polega na elektronice i  uzyskiwanym w  ten sposób możliwościom diagnostyki czy leczenia. Teraz wkraczamy w dziedzinę nanotechnologii, któ- ra według futurystów zrewolucjonizuje sposób leczenia. Dziś trudno sobie wyobrazić układ diagnostyczny bez wzmacniacza pomiarowe- go. Są w nie wyposażone aparaty do EKG, EEG, wagi elektroniczne, mierniki ciśnienia, tempe- ratury, siły i inne. Jest to ogniowo pośredniczą- ce pomiędzy organizmem człowieka a maszy- ną diagnostyczną i zapewne długo jeszcze, pod taką czy inną postacią, nim pozostanie. Jacek Bogusz, EP jacek.bogusz@ep.com.pl Rys. 2. Zależność parametru CMRR od częstotliwości przy typowych wartościach wzmocnienia różnicowego AD Rys. 3. Wzmacniacz operacyjny pracujący jako odwracający z wejściami spolaryzowanymi napięciem wspólnym