Усиление биоэлектрических сигналов

Прямое, непосредственное измерение биоэлектрического сигна­ла, или сигнала, созданного на выходе генераторного датчика, яв­ляется трудновыполнимой задачей, так как эти сигналы обычно

весьма малы. Именно поэтому в структурной схеме (см. рис. 17.1) вторым элементом показан усилитель электрических сигналов.

Ради определенности проиллюстрируем особенности усиления медико-биологических электрических сигналов на примере био­электрических сигналов, т. е. тех сигналов, которые снимаются. электродами с биологического объекта.

Специфика усилителей биопотенциалов определяется следую­щими основными особенностями этой разновидности электриче­ских колебаний: 1) выходное сопротивление биологической систе­мы совместно с сопротивлением электродов обычно достаточно высоко; 2) биопотенциалы — медленно изменяющиеся сигналы; 3) биопотенциалы — слабые сигналы.

Рассмотрим подробнее эти вопросы. В § 17.2 отмечалась роль переходного сопротивления электрод — кожа на передачу био­электрического сигнала последующим элементам схемы. Оказы­вается, этим вопросом проблема сопротивлений не ограничивает­ся: при усилении сигнала следует учитывать соотношения сопро­тивлений R_t и R_BX [см. (17.1)]. Необходимо, как принято говорить, согласование сопротивления входной цепи усилителя и выходно­го сопротивления биологической системы.

Вопрос согласования полных сопротивлений (импедансов) до­статочно сложный. Проиллюстрируем его лишь некоторыми осо­бенностями взаимодействующих элементов электрической схемы.

Выразив из (17.1) силу тока / = ξ_бп/(R_i + R_BX) и подставив в формулу для входного напряжения U_BX усилителя, получим

Из (18.5) следуют некоторые предельные случаи: 1) U_BX → 0 при R_BK → 0, т. е. на входе усилителя не будет напряжения, если его входное сопротивление равно нулю; 2) U_BX → ξ_6п при R_BX →∞, т. е. максимально возможное напряжение на усилителе будет при бесконечно большом его входном сопротивлении. Во втором слу­чае тока во входной цепи нет; следовательно, не будет передавать­ся и мощность от источника сигнала.

В реальной ситуации на входе усилителя окажется часть на­пряжения, генерируемого биологической системой и зависящего от отношения RJR_вх [см. (18.5)].

Эти примеры обращают внимание на необходимость согласова­ния сопротивлений. В электрофизиологии считают, что R_BX дол­жно в 10—20 раз превышать наибольшее возможное значение R_v

Малая частота биологических электрических сигналов приво­дит к тому, что в цепях усилителя невозможно использовать конденсаторы, так как при малых частотах значительно возрастает емкостное сопротивление [см. (14.33)]. Приходится использовать специальные усилители постоянного тока.

Малость биопотенциалов побуждает использовать усилители с достаточно большим коэффициентом усиления, поэтому даже не­большие помехи, попадающие на вход усилителя, могут исказить полезный биоэлектрический сигнал и вызвать ложную информа­цию. Помехами можно считать любые токи или напряжения на выходе усилителя при отсутствии на его входе полезного сигнала.

От одних помех можно избавиться или уменьшить их влияние, усложнив и удорожив конструкцию усилителя. От других изба­виться в принципе невозможно, и поэтому приходится использо­вать каскад с небольшим коэффициентом усиления.

Так, например, переменный ток городской сети может наводить ЭДС вследствие электромагнитной индукции в рядом расположен­ных усилительных цепях и биологических объектах. Экранирова­ние усилителя и проводников в его цепи, а также исследуемых систем, удаление этих элементов от проводников с переменным то­ком позволяет устранить или уменьшить и эти помехи.

Если детали усилителя (электроды ламп, пластины конденса­торов и др.) будут колебаться, то это приведет к периодическому изменению параметров схемы и, как следствие, к возникновению случайных электромагнитных колебаний — микрофонный эф­фект. Укрепляя детали схемы и усиливая амортизацию, можно уменьшить или ликвидировать помехи и этого вида.

Большая группа помех получила название шумов (электронных шумов). Шумы слышны, например, в приемнике в виде шипения, треска и шороха. Особенно это заметно при большом усилении.

Термин «шумы» произошел от слухового восприятия электри­ческих хаотических сигналов (в области частот 20 Гц — 20 кГц) при подключении репродуктора. Однако сейчас это понятие ис­пользуется безотносительно к их частотному интервалу и тем бо­лее безотносительно к тому, воспроизводятся ли шумы звуковы­ми волнами или нет.

Шумы имеют разную физическую природу, в значительной сте­пени они обусловлены флуктуациями токов, т. е. случайными от­клонениями их от средней величины, что вызвано беспорядочными движениями электронов. Избавиться от шума достаточно сложно стараются изготовить специальные малошумящие транзисторы и лампы для использования в первых каскадах усилителей.

Искажения усиленного сигнала могут возникнуть и вследствие нестабильности источников питания, поэтому в некоторых случаях следует специально предусматривать стабилизацию напряжения.