Помехи и искажения при съеме биопотенциалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Помехи и искажения при съеме биопотенциалов

1. Виды помех при съеме биопотенциалов

Помехи, возникающие при съеме биопотенциалов и их усилении, по способу взаимодействия с полезным сигналом подразделяются на аддитивные и мультипликативные. Аддитивные помехи вносят наибольшую погрешность при электрофизиологических исследованиях. Среди них выделяют следующие основные виды.

Так называемые артефакты, или случайные помехи, вызываемые процессами в самом исследуемом объекте. Их причинами могут быть биоэлектрическая активность органов, не имеющих непосредственного отношения к работе исследуемых органов и тканей, кожно-гальванические рефлексы, нестационарность поляризационных эффектов на электродах и др. Например, в электрокардиографии часто в качестве артефактов выступают сигналы, связанные с активностью скелетных и других групп мышц, которые при биографических исследованиях являются полезными. Артефакты занимают широкую полосу частот. Они могут проявляться как в виде синфазных, так и в виде разностных помех. Инфранизкочастотные синфазные помехи создаются средним уровнем поляризационных потенциалов электродов, среднечастотные и высокочастотные - средним уровнем биоэлектрической активности соседних органов и кожно-гальваническим рефлексом. К разностным относятся составляющие помех за счет электрической активности мышц и соседних органов, неравенства поляризационных потенциалов электродов.

Разностную и синфазную помехи могут создавать также низкочастотные и высокочастотные магнитные поля, пронизывающие контур, образуемый проводами, соединяющими электроды с входной цепью усилителя. Эти помехи являются внешними при регистрации биопотенциалов. К ним в первую очередь относятся синфазные помехи с частотой 50 Гц от электрических полей силовой и осветительной сети, всегда имеющихся в помещениях, где производится регистрация. Схема образования этих помех показана на рис. 1. Биообъект, паразитная емкость С1 между фазным проводом сети и биообъектом (десятки пикофарад) и паразитная емкость С2 между биообъектом и землей (до сотен пикофарад) образуют делитель напряжения. При типичных значениях паразитных емкостей напряжение помехи может иметь величину 2-10 В, причем в силу малого сопротивления живых тканей напряжение помехи во всех точках биообъекта практически одинаково.

Для ослабления влияния синфазной сетевой помехи часто используется специальный нейтральный (индифферентный) электрод, с помощью которого биообъект соединяют с общим которого биообъект соединяют с общим (заземляющим) проводом. При этом уровень сетевых наводок может быть снижен до величины 50-100 мВ, однако он остается существенно выше уровня полезных сигналов при большинстве видов электрофизиологических исследований. Поэтому усилители биопотенциалов обычно содержат в своем составе режекторный фильтр сетевой помехи, обеспечивающий подавление в спектре усиливаемых сигналов узкой полосы 47-53 Гц.

Емкостная связь с сетевыми проводами может привести и к появлению разностных помех. Это связано с различием положения электродов и проводов отведений по отношению к источникам помех. Напряжения, наведенные на провода, вызывают токи помех, которые, протекая через электродно-кожные сопротивления, создают на них падения напряжений. При равенстве токов помех и электродно-кожных сопротивлений эти напряжения взаимно компенсируются. Однако имеющаяся всегда несимметрия приводит к появлению разностных помех.

Помимо электрического поля переменного тока источниками помех являются магнитные поля, возникающие при прохождении по проводам и кабелям значительных токов, создаваемые трансформаторами и другими магнитными приборами, электромагнитные поля, сопровождающие работу высокочастотных физиотерапевтических и хирургических аппаратов. Провода отведений образуют виток, в котором электромагнитное поле наводит разностную помеху, величина которой пропорциональна площади витка.

Мультипликативные помехи изменяют параметры контура передачи сигнала, что приводит к случайной модуляции величины полезного сигнала. Применительно к съему биопотенциалов они связаны в основном с изменениями сопротивления электрод-кожа, вызванными внешними раздражителями, высыханием токопроводящих паст или физиологического раствора, электрохимическими процессами на переходах контакта. Мультипликативные помехи носят инфранизкочастотный характер и проявляются при длительных исследованиях.

2. Собственные шумы электронных приборов

Важным видом аддитивных помех являются собственные шумы активных и пассивных элементов входных цепей и усилителей биопотенциалов. Шумовые свойства усилителя зависят от внутреннего сопротивления источника сигнала, входного сопротивления и способа построения первых каскадов усиления. Наибольшее влияние на уровень шума оказывают параметры активных элементов.

Внутренние шумы биполярных транзисторов складываются из тепловых шумов омических сопротивлений полупроводника, дробовых шумов токов p-n-переходов и шумов токораспределения. Тепловые шумы в общем случае возникают в области базы, коллектора и эмиттера, однако на практике учитывают только тепловые шумы сопротивления базы. Эквивалентная шумовая схема биполярного транзистора для включения с общим эмиттером представлена на рис. 2. Шумовые свойства транзистора на этой схеме моделируются взаимонезависимыми источниками шумовых ЭДС и токов. Кроме того, необходимо учитывать падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника сигнала, обусловленное протеканием по нему шумового тока базы, и ЭДС тепловых шумов активной части внутреннего сопротивления источника сигнала.

Рисунок 2 - Эквивалентная шумовая схема биполярного транзистора

Тепловые шумы базы учитываются генератором шумовой ЭДС

где е_т.б - эффективное значение ЭДС шумов; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; г_б - омическое (продольное) сопротивление базы; Дf - полоса частот, в которой измеряется шумовое напряжение.

Дробовые шумы обусловлены случайным характером инжекции носителей через эмиттерный и коллекторный переходы и образованием новых носителей в области базы.

,

,

где i_ш.б, i_ш.к - эффективные значения шумовых токов базы и коллектора; q - заряд электрона; I_б - постоянный ток базы; I_к - постоянный ток коллектора; в - коэффициент усиления тока базы.

Несмотря на то, что в реальном усилительном каскаде шумовое напряжение, обусловленное всеми источниками шумов, наблюдается только на его выходе, в эквивалентной схеме используют источники шумов, включенные на входе (приведенные ко входу). Это позволяет характеризовать шумовые свойства и рассчитывать отношение сигнал-шум независимо от коэффициента усиления делением напряжения сигнала на входе усилителя на суммарное напряжение шумов, приведенных ко входу. Поэтому целесообразно на эквивалентной шумовой схеме транзистора перенести источник дробового шума тока коллектора в цепь базы, заменив его источником дополнительной шумовой ЭДС е_ш.б и выразив ее через крутизну транзистора S = qI_к/kT :

Суммарная ЭДС собственных шумов транзистора, приведенных ко входу, определится соотношением

Эквивалентная шумовая схема транзистора, учитывающая все источники шумов, приведенные ко входу, представлена на рис. 3, где е_ш.г - эффективное значение ЭДС тепловых шумов внутреннего сопротивления источника сигнала R_г:

Как следует из соотношений (1) - (4), шумы усилительного каскада на биполярном транзисторе определяются параметрами транзистора, температурой окружающей среды и режимом работы по постоянному току.

Важной особенностью транзисторов является возрастание уровня шумов на низких частотах. Низкочастотный избыточный шум (шум мерцания, фликкер-шум, шум типа 1/f) связан с процессами генерации-рекомбинации свободных носителей заряда в полупроводнике.

Рисунок 3 - Эквивалентная шумовая схема транзистора с приведенными ко входу источниками шумов

Флюктуации процесса рекомбинации дырок и электронов описываются механизмом захвата ловушками, которые обусловлены дефектами кристалла в объеме и на поверхности.

Строгая теория избыточных шумов, которая позволяла бы определять их уровень по заданному режиму транзистора и малосигнальным параметрам, недостаточно разработана. Поэтому для оценки уровня шумов используют эмпирические соотношения. Квадрат эффективного значения тока избыточных шумов

где А - постоянная; f - текущая частота. Показатель степени т принимает значения в пределах 0,9-1,5.

Множитель А имеет две составляющие, одна из которых определяется процессами в области коллектора, другая - в области базы. Поэтому первая составляющая является функцией коллекторного напряжения, а вторая зависит от уровня инжекции, т. е. от величины эмиттерного тока. Избыточные шумы быстро спадают с ростом частоты. Частота, на которой уровень спектральной плотности избыточных шумов становится равным уровню белого шума, называется частотой среза избыточного шума f_и. Значение f_и обычно лежит в пределах 0,1-1,0 кГц. Абсолютные значения спектральной плотности избыточных шумов для биполярных транзисторов таковы, что в области частот ниже f_и можно пренебречь всеми составляющими, кроме избыточных шумов.

В силу особенностей в физике работы полевые транзисторы по сравнению с биполярными обладают рядом преимуществ. Перенос заряда в них осуществляется основными носителями, поэтому в полевых транзисторах меньше роль рекомбинационных процессов. Вследствие этого возникает возможность работы при сверхнизких температурах, при этом улучшаются шумовые свойства транзисторов.

В полевых транзисторах с p-n-переходом различают диффузионный шум канала, тепловые шумы неуправляемых сопротивлений канала возле истока и стока, дробовой шум затвора, шумы типа 1/f в цепи канала и затвора. Для диффузионного шума канала может быть получено эмпирическое соотношение, связывающее значение шумового тока эквивалентного генератора с крутизной проходной характеристики S_g:

где коэффициент а зависит от напряжения отсечки, длины канала и абсолютной температуры. При комнатной температуре приближенно можно считать а =0,75, что соответствует тепловому шуму канала.

Тепловыми шумами неуправляемых сопротивлений канала обычно можно пренебречь по сравнению с диффузионным шумом. Это же относится к дробовому шуму затвора, который проявляется при низких температурах.

Эффективное значение приведенной ко входу ЭДС шумов определяется выражением

где R_г - внутреннее сопротивление источника сигнала; S - крутизна транзистора. Таким образом, наименее шумящими являются полевые транзисторы с высокой крутизной.

Избыточные шумы полевых транзисторов не имеют строгой физической интерпретации, но, как и в биполярных транзисторах, связаны с несовершенством кристаллической структуры полупроводника. Исследования и-канальных транзисторов показывают, что эффективное значение шумового тока может быть описано соотношением

где с - постоянная; I_з - ток затвора при обратном смещении на р-п-переходе; б = 1,6; г лежит в пределах 1,2-1,5.

При нормальной температуре избыточные шумы полевых транзисторов с р-п-переходом являются преобладающими на низких частотах и уменьшаются с ростом частоты.

Анализ соотношений (1) - (5) показывает, что приведенный ко входу уровень шумового напряжения, определяемый всеми эквивалентными генераторами шума транзисторных каскадов, существенно зависит от токов коллектора или стока и величины внутреннего сопротивления источника сигнала. Поэтому как для биполярных, так и для полевых транзисторов при выбранном (заданном) рабочем токе существует оптимальное значение внутреннего сопротивления источника, минимизирующее уровень шумов. Чаще возникает ситуация, когда при заданном внутреннем сопротивлении источника сигнала оптимизируется ток коллектора или стока в рабочей точке транзистора.

При анализе шумовых свойств интегральных операционных усилителей также находит применение методика, основанная на описании источников шума эквивалентными генераторами шумового тока и ЭДС, включенных на входе ОУ. Эквивалентная шумовая схема операционного усилителя представлена на рис. 4. Квадрат эффективного значения приведенного ко входу шумового напряжения

биопотенциал помеха электрод искажение

где е_ш, i_ш - соответственно эффективные значения шумовой ЭДС и шумового тока эквивалентных генераторов в заданной полосе частот, а последнее слагаемое учитывает тепловые шумы внутреннего сопротивления источника сигнала R_г в той же полосе Дf

Рисунок 4 - Эквивалентная шумовая схема операционного усилителя

Шумовые характеристики интегральных ОУ приводятся в технических условиях далеко не для всех типов микросхем. Поэтому соотношение (6) может быть использовано при экспериментальном исследовании шумов ОУ. Для определения эффективного значения ЭДС шумов ОУ, приведенных ко входу, достаточно произвести измерение выходного шумового напряжения ОУ в заданной полосе частот при R_г = 0. Эффективное значение шумового тока і_ш можно определить, измерив выходное шумовое напряжение при большом значении R_г (100 кОм и более) в той же полосе частот.

Низкочастотный шум типа 1/f преобладает у всех ОУ в области частот до 1 кГц. Это связано с тем, что основная доля низкочастотных шумов определяется процессами генерации-рекомбинации, обусловленными поверхностными и объемными дефектами кристаллов. Экспериментальные исследования показывают, что усилители с минимальным значением е_ш имеют наибольший уровень шумового тока, и наоборот. Такую зависимость между шумовыми напряжениями и токами можно связать с параметрами и структурой их входных каскадов. Снижение входных токов ОУ достигается, как правило, за счет усложнения входных каскадов. Это приводит к появлению дополнительных источников шума, которые увеличивают приведенное ко входу шумовое напряжение ОУ. Шумовым током ОУ с полевыми транзисторами на входе обычно можно пренебречь, поскольку тепловые шумы внутреннего сопротивления источника сигнала на порядок превышают составляющую входного шума, обусловленную шумовым током. Шумовые характеристики ОУ практически не зависят от напряжения источников питания.

Усилители на биполярных транзисторах имеют лучшие шумовые характеристики, чем ОУ с полевыми транзисторами на входе при работе от низкоомных источников сигнала (R_г менее 100 кОм), причем наименьшее значение приведенного ко входу шумового напряжения наблюдается у наиболее простых по структуре усилителей. Дополнительная обработка кристалла, например пассивация нитридом кремния для стабилизации поверхности, значительно снижает низкочастотную составляющую шума и уменьшает частоту среза избыточного шума до единиц герц.

При съеме и регистрации биопотенциалов в качестве источника полезного сигнала выступает отведение. В связи со сложной структурой последнего и спецификой взаимодействия электродов с биообъектом отведение можно рассматривать как источник шумовых помех. Кроме тепловых шумов, интенсивность которых пропорциональна активному сопротивлению электродов и абсолютной температуре, в отведении возникают шумовые процессы, обусловленные другими причинами. Шумы движения возникают при взаимном перемещении поверхностных электродов и кожи или органа, на который они накладываются. Частичное снижение этих шумов достигается применением электродных паст и рассмотренными выше методами фиксации электродов. Шероховатость поверхности и зернистость структуры металлических электродов обуславливают интенсификацию локальных электрохимических процессов, активно протекающих на вершинах микрорельефа и гранях кристаллов. Следствием этих процессов являются электрохимические шумы. Их снижение достигается улучшением однородности и качества обработки поверхности электродов. С этой целью используется электролитическое осаждение на поверхности электрода слоя металла, а также искусственное старение поверхности новых электродов. Для этого их помещают в физиологический раствор, соединяют между собой, а раствор подвергают циклическому нагреву и охлаждению.

3. Влияние линейных искажений

В настоящее время в электрофизиологии прочное место заняли количественные методы. В связи с этим существенно повысились требования к усилителям биопотенциалов по точности воспроизведения исследуемых сигналов. Качество регистрации биопотенциалов определяется уровнем линейных и нелинейных искажений усилителей и регистрирующих устройств. Линейные искажения в значительной степени связаны с неравномерностью АЧХ отведений совместно с входными цепями усилителя в области высоких и низких частот.

Оценка искажений биоэлектрических сигналов, получаемых с помощью электродов различных типов, может быть сделана на основе анализа эквивалентных схем отведений. На рис. 5 представлена эквивалентная схема кожа-электрод-вход усилителя биопотенциалов. Схема учитывает все основные эффекты, возникающие при съеме биопотенциалов, и пригодна для расчета характеристик входной цепи для наиболее распространенных поверхностных электродов первого рода. На схеме приняты следующие обозначения: С_кэ, R_кэ - распределенная емкость и активная составляющая сопротивления кожа-электрод; С_э, R_э - емкость и сопротивление электрода; С_вх, R_вх - входная емкость и активная составляющая входного сопротивления усилителя.

Рисунок 5 - Эквивалентная схема цепи кожа-электрод-вход усилителя биопотенциалов.

Комплексный коэффициент передачи по напряжению входной цепи определяется выражением

где Z_вх, Z_э, Z_кэ - комплексные сопротивления входа усилителя, электрода и системы кожа-электрод соответственно. Последние вычисляются по формулам

,

,

,

где щ - круговая частота.

На рис. 6, а,б представлены АЧХ входной цепи, рассчитанные в соответствии с соотношением (7) для типичных значений параметров электродов при разной величине кожно-электродного сопротивления и следующих параметрах входной цепи усилителя: R_вх = 200 МОм, С_вх = 10 пФ. На рисунках цифрами обозначен тип электрода: 1 - емкостной электрод R_э = ?, С_э = 2000 пФ; 2 - металлический электрод R_э = 0, С_э = 0; 3 - резистивно-емкостной электрод R_э = 900 кОм, С_э = 2000 пФ; 4 - резистивный электрод R_э = 900 кОм, С_э = 0.

Рисунок 6 - АЧХ входной цепи: С_кэ = 3600 пФ, R_кэ = 5 кОм (а);

С_кэ = 3600 пФ, R_кэ = 2,5 МОм (б)

Рассмотрение полученных зависимостей показывает, что наименьшим уровнем линейных искажений в диапазоне изменения кожно-электродного сопротивления обладают металлические и резистивно-емкостные электроды. Их применение при точных электрофизиологических исследованиях предпочтительно. Увеличение входной емкости усилителя приводит к росту линейных искажений. Анализ показывает, что уменьшение активной составляющей входного сопротивления усилителя ведет к уменьшению коэффициента передачи входной цепи и росту линейных искажений. В этом случае наилучшие характеристики сохраняются при использовании металлических электродов.

Размещено на Allbest.ru