ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2102004

УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЪЕМА, РЕГИСТРАЦИИ И АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ И БЛОК ЗАЩИТЫ ОТ АВАРИЙНЫХ ТОКОВ ПАЦИЕНТА

УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЪЕМА, РЕГИСТРАЦИИ И АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ И БЛОК ЗАЩИТЫ ОТ АВАРИЙНЫХ ТОКОВ ПАЦИЕНТА

Имя изобретателя: Винс Э.А., Смирнов Б.Е.
Имя патентообладателя: Научно-произоводственная коммерческая фирма "Медиком ЛТД", Смирнов Борис Евгеньевич, Винс Эдуард Альфредович
Адрес для переписки: 
Дата начала действия патента: 03.08.1995

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для диагностики состояния организма путем анализа электрофизиологических сигналов. Технический результат состоит в повышении безопасности пациента с подключенными для съема электрофизиологических сигналов электродами. Устройство для съема, регистрации и анализа электрофизиологических сигналов содержит последовательно соединенные блок электродов, селективный многоканальный усилитель, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, устройство управления и первичной обработки, блок гальванического разделения, интерфейсный блок и персональную ЭВМ. Цепи питания мультиплексора, аналого-цифрового преобразователя и устройства соединены с выходными шинами гальванически изолированного источника питания. Цепи питания усилителя соединены с выходами блока защиты от аварийных токов, первая группа входов которого подключена к электродам, а вторая к выходным шинам источника питания. Блок защиты от аварийных токов пациента содержит последовательно соединенные двухпороговый компаратор и отключающий каскад. Вход компаратора через ограничительный резистор и конденсатор соединен с корпусом.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для диагностики состояния организма путем анализа электрофизиологических сигналов.

В медицинской диагностике широкое распространение получили методы диагностики на основе анализа электрофизиологических сигналов биопотенциалов в биологически активных точках, электрических сигналов, возникающих в результате мозговой, сердечной, мышечной деятельности или при измерении сопротивления биологических тканей электрическому току. Электроэнцефалографы, электрокардиоанализаторы, реоанализаторы, электронейромиографы далеко не полный перечень медицинских электрических приборов, предназначенных для этих целей. Наиболее современные из них предназначены для работы в комплексе с персональной электронной вычислительной машиной (ПЭВМ).

Известен многоканальный автоматический электрокардиограф, содержащий последовательно соединенные электроды для съема кардиосигналов в стандартных точках отведения R, L, C1.C6, N, многоканальный усилитель электрокардиосигналов и многоканальный аналого-цифровой преобразователь, выход которого подключен к системной шине, подключенные к системной шине цифроаналоговый преобразователь, соединенный с регистратором, пульт управления и микроЭВМ, включающая процессор и модули системного расширения, ОЗУ и интерфейса (см. Сборник научных трудов ВНИИМП "Разработка и клиническое применение радиоэлектронной медицинской аппаратуры". М. 1988 г. стр. 8-13). Недостаток такого электрокардиографа недостаточная травмобезопасность, т.к. в случае попадания на какой-либо электрод потенциала источника питания в результате единичного нарушения (короткого замыкания или пробоя в усилителе электрокардиосигналов) возникшие аварийные токи могут вызвать отрицательные последствия у пациента.

Известен электронейромиограф, описанный в отчете о НИР "Исследование принципов построения нового поколения цифровых нейромиографических систем", ВНИИ Центр, 1990 г. номер Госрегистрации 01870086617, стр. 16-44, рис. 2.1.1, содержащий блок пациента, через блок широкополосной развязки соединенный с последовательно включенным блоком управляемых фильтров, блоком регулировки чувствительности и блоком ЭВМ, контроллер выходной секции, через который ЭВМ соединена с управляющими входами блока управляемых фильтров и блока регулировки чувствительности. Блок пациента включает в себя последовательно соединенные электроды, коммутатор режимов, предварительный усилитель, фильтр верхних частот и мультиплексор, выход которого подключен к блоку широкополосной развязки, а также контроллер изолированной секции, соединенный через узел развязки командной цепи с контроллером выходной секции, изолированный блок питания, соединенный через блок развязки цепей питания с блоком ЭВМ, блок калибровки, соединенный с коммутатором режимов, и интегратор, включенный между выходом фильтра верхних частот и вторым входом мультиплексора, входы управления коммутатора, блока регулировки чувствительности, мультиплексора и интегратора соединены с выходами контроллера изолированной секции. Этот электронейромиограф также имеет недостаточную безопасность в случае единичного нарушения.

Устройство для диагностики по биологически активным точкам, защищенное патентом Российской Федерации N 2005460, кл. 5 A 61 H 39/02, публ. 15.01.94, БИ N 1, содержит электроды, подключенные к входам согласующих усилителей блока измерения, микропроцессорный блок, батарейный блок памяти и блок питания.

Блок измерения содержит аналого-цифровой преобразователь, вход которого подключен к выходу блока коммутации, соединенного входами с согласующими усилителями, а выход через блок гальванической развязки с оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), соединенным с микропроцессорным блоком и батарейным блоком памяти. Блок питания имеет отдельные стабилизаторы напряжения для питания микропроцессорного блока, согласующих усилителей и аналого-цифрового преобразователя, каждый из которых выполнен с двойной гальванической развязкой для защиты пациента от поражений током. Это устройство также имеет недостаточную безопасность в случае повреждения входного согласующего усилителя.

Наиболее близким к заявляемому устройству для съема, регистрации и анализа электрофизиологических сигналов является устройство, защищенное патентом Российской Федерации N 2026003, кл. 6 A 61 B 5/04, публ. 10.01.95, БИ N 1. Это устройство содержит последовательно соединенные электроды, усилитель, фильтр, время-импульсный модулятор, блок гальванического разделения, интерфейсный блок и персональную электронную вычислительную машину (ПЭВМ), а также автономный источник питания. Цепи питания усилителя, фильтра и время-импульсного модулятора соединены с выходными шинами автономного источника питания, цепи питания интерфейсного блока соединены с выходными шинами источника питания ПЭВМ, цепи питания блока гальванического разделения частично соединены с выходными шинами автономного источника питания и частично с выходными шинами источника питания ПЭВМ. Устройство прототип также имеет недостаточную безопасность при единичном нарушении, т.к. при аварийном попадании на какой-либо электрод потенциала автономного источника питания ток через пациента превысит допустимый стандартом МЭК601-1.

Целью изобретения является повышение безопасности пациента с подключенными для съема электрофизиологических сигналов электродами. Кроме того, заявленное устройство в сравнении с прототипом имеет высокую точность регистрации электрофизиологических сигналов.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для съема, регистрации и анализа электрофизиологических сигналов, содержащее последовательно соединенные блок электродов, селективный многоканальный усилитель и мультиплексор, а также гальванически изолированный источник питания и последовательно соединенные персональную электронную вычислительную машину, интерфейсный блок и блок гальванического разделения, дополнительно содержит блок защиты от аварийных токов, первая группа входов которого соединена с электродами, вторая группа входов соединена с выходными шинами гальванически изолированного источника питания, а выходы с шинами питания селективного многоканального усилителя, и последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом мультиплексора, и устройство управления и первичной обработки, вход которого соединен с блоком гальванического разделения, а выходы первый с входом управления чувствительностью и полосой пропускания селективного многоканального усилителя, второй с входом управления переключением каналов мультиплексора, при этом выходные шины гальванически изолированного источника питания соединены с шинами питания мультиплексора, аналого-цифрового преобразователя и устройства управления и первичной обработки.

Селективный многоканальный усилитель в каждом канале содержит последовательно соединенные предварительный усилитель, управляемый фильтр верхних частот и регулятор чувствительности, выходы предварительных усилителей и регуляторов чувствительности соединены с сигнальными входами мультиплексора, входы управления фильтров верхних частот и входы управления регуляторов чувствительности подключены к соответствующим выходам устройства управления и первичной обработки.

Устройство управления и первичной обработки содержит однокристальную микроЭВМ, три регистра сдвига и соединенные с ними соответственно три регистра хранения, дешифратор и блок памяти, при этом шины ввода данных, считывания входных данных и синхронизации первого порта микроЭВМ соединены с аналого-цифровым преобразователем, шины выходных данных и синхронизации первого порта микроЭВМ соединены соответственно с входами записи данных и тактовым входом первого регистра сдвига, шина считывания выходных данных первого порта соединена с входом записи первого регистра хранения, кодовые выходы которого подключены к входу управления переключением каналов мультиплексора, шины выходных данных и синхронизации второго порта микроЭВМ соединены с входами записи и тактовыми входами второго и третьего регистров сдвига, шина считывания выходных данных и шины адреса второго порта соединены с входами дешифратора, первый выход которого соединен с входом записи второго регистра хранения, а второй выход с входом записи третьего регистра хранения, кодовые выходы второго регистра хранения подключены к входу управления полосой пропускания селективного многоканального усилителя, кодовые выходы третьего регистра хранения подключены к входу управления чувствительностью селективного многоканального усилителя, шины третьего порта микроЭВМ соединены с входом-выходом блока гальванического разделения и входом-выходом блока памяти.

Блок защиты от аварийных токов пациента является самостоятельным объектом изобретения, относится к медицинской технике и предназначен для защиты от аварийных токов пациента, к которому подключены электроды для съема электрофизиологических сигналов, соединенные с входами усилителей биоэлектрических потенциалов.

В известных многоканальных системах измерения биопотенциалов используются средства для защиты входных цепей от перегрузок, которые в той или иной степени снижают действие аварийных токов, возникающих при единичных нарушениях, например, при замыкании электродов на источник питания.

Так, в электроэнцефалографе Medelec EE-2000 входная цепь предварительного усилителя (фиг. 6) содержит последовательно соединенные омическое сопротивление величиной 1 Ком и динамическое сопротивление, выполненное на двух встречно-включенных полевых транзисторах, шунтированных резистором 10 Ком (см. описание Medelec EE-2000, чертеж ЕЕ21-307, 373 фиг. 10320 6/6-C1).

Недостаток такого выполнения входной цепи предварительного усилителя за счет температурного шума резисторов, включенных между электродом и входом усилителя, снижается предельная чувствительность усилителя, кроме того, не исключается отрицательное влияние на пациента аварийных токов, возникающих при единичном нарушении.

В электрокардиографе ЭК 6Ч-01 ТУ64-1-3841-84 входная цепь каждого предварительного усилителя (фиг. 7) содержит ограничительный резистор 10 Ком, включенный между электродом и входом усилителя, и двусторонний ограничитель напряжения, смещение на который задается открытыми диодами (см. описание электрокардиографа многоканального ЭК 64-1 модели 032, 033, приложение 5, схема электрическая принципиальная кабеля отведений, ПО "Красногвардеец", г. Ленинград, 1989 г.).

Входная цепь многоканального предварительного усилителя электрокардиографа ЭК 6Ч-01 принята в качестве прототипа заявляемого блока защиты пациента от аварийных токов.

Недостаток прототипа пониженная безопасность пациента, так как при съеме электрофизиологических сигналов не исключается отрицательное влияние на пациента аварийных токов, возникающих при попадании потенциала источника питания на электрод.

Цель изобретения повышение безопасности пациента при съеме электрофизиологических сигналов.

Указанная цель достигается тем, что в блок защиты от аварийных токов пациента с подключенными для съема электрофизиологических сигналов электродами, содержащий входы для подключения электродов, к каждому из которых подсоединены по два полупроводниковых диода, один из которых подключен анодом, а другой катодом, дополнительно введен двухпороговый компаратор и подключенный к его выходу отключающий каскад, при этом вход с подключенным нулевым электродом соединен через параллельные соединенные измерительный резистор и конденсатор с корпусом и через ограничительный резистор с входом двухпорогового компаратора, катоды полупроводниковых диодов, соединенных анодами с входами для подключения сигнальных электродов, и анод полупроводникового диода, соединенного катодом с входом для подключения нулевого электрода, соединены между собой и через ограничительный резистор подключены к плюсовой шине питания, аноды полупроводниковых диодов, соединенных катодами с входами для подключения сигнальных электродов, и катод полупроводникового диода, соединенного анодом с входом для подключения нулевого электрода, соединены между собой и через ограничительный резистор подключены к минусовой шиной питания, а отключающий каскад включен между входами для подключения внешнего источника питания и выходами для подключения цепей питания блоков с подключенными электродами.

Двухпороговый компаратор содержит последовательно соединенные двухполярный ограничитель, операционный усилитель, трехзначный логический элемент в виде двух, соединенных входами, диодных двухвходовых схем И, одна из которых для положительных сигналов, а другая для отрицательных, и дифференциальный усилитель, при этом первые входы схем И соединены с выходом операционного усилителя, вторые с корпусом, выход схемы И для положительных сигналов соединен с инвертирующим входом дифференцирующего усилителя, выход схемы И для отрицательных сигналов соединен с неинвертирующим входом дифференциального усилителя. Величина измерительного резистора, через который вход подключения нулевого электрода соединен с корпусом, удовлетворяет условию:



где ЅUпор Ѕабсолютная величина порога срабатывания двухпорогового компаратора на сигнал положительной или отрицательной полярности;

Jдоп ток, допустимый через пациента при единичном нарушении;

Rи величина измерительного резистора;

Rэ подэлектродное сопротивление.

Величина каждого ограничительного резистора удовлетворяет условию:

Rогрі1,5Uпит/Jдоп,

где Rогр величина ограничительного резистора;

Uпит напряжение источника питания;

Jдоп ток, допустимый через пациента при единичном нарушении.

Сопоставительный анализ заявляемого устройства для съема, регистрации и анализа электрофизиологических сигналов показывает, что заявляемое устройство соответствует условиям:

патентоспособности по критерию "новизна", так как оно не известно из уровня техники и позволяет повысить безопасность пациента при съеме электрофизиологических сигналов;

патентоспособности по критерию "изобретательский уровень", так как содержит признаки, неизвестные из уровня техники, а именно наличие блока защиты от аварийных токов, первые входы которого подключены к электродам, вторые к шинам гальванически изолированного источника питания, а выход соединен с шинами питания селективного многоканального усилителя;

патентоспособности по критерию "промышленная применимость", так как оно может быть использовано в здравоохранении и многократно воспроизводимо.

Заявленный блок защиты от аварийных токов может быть признан изобретением, так как соответствует условиям:

патентоспособности по критерию новизна, так как совокупность признаков, которой он описан, не известна из уровня техники;

патентоспособности по критерию "изобретательский уровень", так как содержит признаки, неизвестные из уровня техники, а именно соединение нулевого электрода с корпусом через параллельно соединенные измерительный резистор и конденсатор, и через ограничительный резистор с входом двухпорогового компаратора, выход которого подключен к отключающему каскаду, включенному между питающими шинами гальванически изолированного источника питания и шинами питания предварительного усилителя, соединение анодов полупроводниковых диодов, подключенных к сигнальным электродам, с катодом полупроводникового диода, подключенного к нулевому электроду, и через ограничительный резистор плюсовой шиной питания, соединение катодов полупроводниковых диодов, подключенных к сигнальным электродам, с анодом полупроводникового диода, подключенного к нулевому электроду, и через ограничительный резистор с минусовой шиной питания;

патентоспособность по критерию "промышленная применимость", так как может быть использован в здравоохранении и многократно воспроизводим.

блочная схема устройства для съема, регистрации и анализа электрофизиологических сигналов

На фиг. 1 изображена блочная схема устройства для съема, регистрации и анализа электрофизиологических сигналов; на фиг. 2 функциональная схема блока защиты от аварийных токов пациента; на фиг. 3 функциональная схема селективного многоканального усилителя; на фиг. 4 схема двухпорогового компаратора; на фиг. 5 структурная схема устройства управления и первичной обработки; на фиг. 6 электрическая схема входной цепи электроэнцефалографа Medelec EE-2000; на фиг. 7 электрическая схема входной цепи электрокардиографа ЭК 6Ч-01 ТУ64-1-3851-84.

На фиг. 1-5 цифрами обозначены: 1 блок электродов, содержащий сигнальные электроды C1.C2 и нулевой электрод N; 2 селективный многоканальный усилитель; 3 мультиплексор; 4 аналого-цифровой преобразователь; 5 устройство управления и первичной обработки; 6 блок гальванического разделения; 7 интерфейсный блок; 8 персональная электронная вычислительная машина (ПЭВМ); 9 блок защиты от аварийных токов пациента; 10 гальванически изолированный источник питания; 11 -двухпороговый компаратор; 12 отключающий каскад; 13-1. 13-m предварительные усилители; 14-1.14-m управляемые фильтры верхних частот; 15-1.15-m регуляторы чувствительности; 16, 18 аналоговые коммутаторы; 17 операционный усилитель; 19 двухполярный ограничитель; 20 операционный усилитель; 21 трехзначный логический элемент; 22 дифференциальный усилитель; 23 однокристальная микроЭВМ; 24, 25, 26 регистры сдвига; 27, 28, 29 регистры хранения; 30 дешифратор; 31 блок памяти.

Устройство для съема, регистрации и анализа электрофизиологических сигналов (фиг. 1) содержит блок 1 электродов, включающий сигнальные электроды C1.Cm для съема электрофизиологических сигналов, нулевой электрод N, и устройство для закрепления электродов на пациенте. Сигнальные электроды соединены с входами селективного многоканального усилителя 2, назначение которого предварительная фильтрация и усиление снимаемых электрофизиологических сигналов. Выходы усилителя 2 соединены с входами мультиплексора 3, с помощью которого они поочередно подключаются к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 4. Устройство 5 управления и первичной обработки предназначено для управления селективными характеристиками усилителя 2, очередностью подключения его каналов через мультиплексор 3 к АЦП 4, считыванием кодов уровней сигналов и их предварительной обработкой и обменом информацией через блок 6 гальванического разделения и интерфейсный блок 7 с персональной электронной машиной (ПЭВМ) 8.

Селективный многоканальный усилитель 2 запитывается через блок 9 защиты от аварийных токов пациента от гальванически развязанного источника питания 10, от которого также запитаны мультиплексор 3, АЦП 4 и устройство 5.

Блок 9 защиты от аварийных токов пациента (фиг. 2) предназначен для отключения питания селективного многоканального усилителя 2 при попадании потенциала источника питания на какой-либо электрод и протекании через тело пациента аварийных токов. Входы 1.m и N блока 9 подключены соответственно к электродам C1.Cm и N блока 1. Входы "+E", "-E" подключены к выходным шинам гальванически изолированного источника питания 10. Выходы "+U", "-U" подключены к цепям питания селективного многоканального усилителя 2. Блок 9 содержит последовательно соединенные двухпороговый компаратор 11 и отключающий каскад 12. Двухпороговый компаратор 11 срабатывает, когда сигнал на его входе по абсолютной величине будет превышать заданный порог срабатывания, то есть когда будет выполняться одно из условий:

Uсі+Uпор, Uс@-Uпор,

где Uс амплитуда сигнала;

+Uпор порог срабатывания для положительных амплитуд сигнала;

-Uпор порог срабатывания для отрицательных амплитуд сигнала.

Отключающий каскад 12 включен между входами +E, -E блока 9 и его выходами +U, -U и предназначен для снятия питающих напряжений усилителя 2 при срабатывании двухпорогового компаратора 11. Вход N блока 9, соединенный с нулевым электродом N блока 1, подключен к входу двухпорогового компаратора 11 через ограничительный резистор R2 и соединен с корпусом через параллельно соединенные измерительный резистор R1 и конденсатор C1. К каждому из входов 1. m и входу N блока 9 подключено по два полупроводниковых диода диоды D11 ... D1m, D10 подключены катодами, диоды D21 ... D2m, D20 подключены анодами. Аноды диодов D11 ... D1m и катод диода D20 соединены между собой и через ограничительный резистор R подключены к выходу +U блока 9, катоды диодов D21 ... D2m и анод диода D10 соединены между собой и через резистор R4 подключены к выходу -U блока 9.

Селективный многоканальный усилитель 2 (фиг. 3) содержит в каждом канале последовательно соединенный усилитель 13 (13-1.13-m), управляемый фильтр верхних частот (ФВЧ) 14 (14-1.14-m) и регулятор чувствительности 15 (15-1. 15-m).

Предварительный усилитель 13 предназначен для широкополосного усилителя электрофизиологических сигналов, снимаемых с помощью электродов блока 1. Управляемый ФВЧ 14 предназначен для устранения постоянной составляющей и формирования амплитудно-частотной характеристики селективного усилителя в низкочастотном диапазоне. Регулятор чувствительности 14 обеспечивает декадную регулировку чувствительности селективного усилителя.

Двухпороговый компаратор 11 (фиг. 4) содержит последовательно соединенные двухполярный ограничитель 12, операционный усилитель 20, трехзначный логический элемент 21 и дифференциальный усилитель 22.

функциональная схема блока защиты от аварийных токов пациента
функциональная схема селективного многоканального усилителя
схема двухпорогового компаратора
структурная схема устройства управления и первичной обработки
электрическая схема входной цепи электроэнцефалографа Medelec EE-2000
электрическая схема входной цепи электрокардиографа ЭК 6Ч-01 ТУ64-1-3851-84

Устройство 5 управления и предварительной обработки (фиг. 5) содержит однокристальную микроЭВМ 23 (например, микросхема ADSP 2101 KP66), первый порт которой SPORT 0 предназначен для съема информации об уровнях электрофизиологических сигналов, второй SPORT 1 предназначен для управления параметрами селективного многоканального усилителя 2, а третий SPORT 2 для обмена информацией с ПЭВМ 8, три регистра сдвига 24, 25, 26 и три регистра хранения 27, 28, 29, предназначенные для преобразования последовательных кодов команд в параллельные и их хранения на время исполнения команды, дешифратор 30, предназначенный для расшифровки кода адреса команды, и блок памяти 31, выполняющий функции оперативного запоминающего устройства. Шины первого порта микроЭВМ 23 соединены: шина DRO с выходом АЦП 4, шина RESO с входом считывания АЦП 4, шина SCLOK 0 с тактовыми входами АЦП 4 и регистра сдвига 24, шина DTO с входом записи регистра сдвига 24, шина TESO с входом записи регистра хранения 27. Шины второго порта микроЭВМ 23 соединены: шина DT1 с входами записи регистров сдвига 25 и 26, шина SCLOK 1 с тактовыми входами этих регистров, шина TFS1 со стробовым входом дешифратора 30, шины адреса D0, D1 с кодовыми входами этого дешифратора. Кодовые выходы регистров сдвига 24, 25, 26 соединены с кодовыми входами регистров 27, 28, 29 соответственно. Первый выход дешифратора 30 соединен с входом записи регистра хранения 28, второй выход дешифратора 30 соединен с входом записи регистра хранения 29. Выходы регистра хранения 27 подключены к входам управления переключением каналов мультиплексора 3, выходы регистра хранения 28 подключены к входам управления полосой селективного многоканального усилителя 2, выходы регистра хранения 29 подключены к входам управления чувствительностью селективного многоканального усилителя 2.

Заявленное устройство для съема, регистрации и анализа электрофизиологических сигналов (фиг. 1) работает следующим образом

Электроды C1.Cm, N блока 1 закрепляются на теле пациента в заранее выбранных точках либо с помощью липкого пластыря, либо с использованием специальных устройств - вакуумных присосок, эластичных ремней, корсетов, шлемов и других. Для уменьшения импеданса контакта кожи с электродом и для стабилизации контактных эффектов на кожу в точках присоединения электродов наносится проводящая паста или гель. Перед началом сеанса с помощью устройства тестового контроля (на фиг. 1 не показано) проверяется надежность контакта электродов с кожей пациента и работоспособность селективного многоканального усилителя 2. Сеанс съема и регистрации электрофизиологических сигналов начинается с записи программы сеанса из ПЭВМ 8 в устройство 5 управления и первичной обработки. Программа включает в себя описание временных характеристик сеанса, параметров амплитудно-частотных характеристик каналов селективного многоканального усилителя 2 и алгоритм первичной обработки сигналов. В соответствии с заданной программой в микроЭВМ 23 (фиг. 5) вырабатываются команды управления, исполнение которых осуществляется через регистры 27, 28, 29.

Электрические сигналы, возникающие на каждом сигнальном электроде C1.Cm относительно нулевого электрода N блока 1, усиливаются селективным многоканальным усилителем 2. Выходы каналов усилителя 2 через мультиплексор 3 поочередно подключаются к входу аналого-цифрового преобразователя 4, с помощью которого уровни сигналов преобразуются в двоичные коды. Чувствительность усилителя 2 может изменяться дискретно по командам от устройства 5. Оптимальная фильтрация снимаемых электрических сигналов обеспечивается дискретным изменением граничной частоты фильтра верхних частот в усилителе 2 и цифровой фильтрацией при первичной обработке в устройстве 5. Коды обработанных сигналов из устройства 5 через блок 6 гальванического разделения и интерфейсный блок 7 передается в ПЭВМ 8, где осуществляется анализ каждого сигнала и их совокупности. На основе этого анализа делаются выводы о функциональном состоянии организма пациента. Для повышения безопасности пациента во время сеанса в результате аварийного попадания электрического потенциала источника питания на какой-либо электрод, все блоки устройства, за исключением ПЭВМ 8 и интерфейсного блока 7, записываются от гальванически изолированного источника питания 10, а питание на усилитель 2 подается через блок 9 защиты от аварийных токов пациента и отключается при возникновении аварийной ситуации.

Блок 9 (фиг. 2) функционирует следующим образом. При включении источника питания 10 компаратор 11 устанавливается в исходное состояние и питающие напряжения через отключающий каскад 12 подаются на усилитель 2. За счет протекания тока по цепи (+U) _® R3 _® D10 _® D20 _® R4 _® (-U) при R3 R4 потенциал нулевого электрода N практически равен нулю, через резистор R1 будут протекать лишь токи утечки входной цепи усилителя 2, которые в десятки раз меньше допустимого тока через пациента при единичном нарушении по международному стандарту МЭК 601-1, и падения напряжения на этом резисторе будут намного меньше порога срабатывания компаратора 11. Диоды D11 ... D1m будут заперты потенциалом на катоде диода D20, диоды D21 ... D2m закрыты потенциалом на аноде диода D10 Для предотвращения срабатывания компаратора 11 от токов, возникающих от электростатических разрядов при подключении или перемещении электродов, параллельно резистору R1 подключен интегрирующий конденсатор C1. Резистор R2, величина которого значительно больше R1, предохраняет пациента от аварийных токов при отказе компаратора 11.

Если в результате короткого замыкания или пробоя на какой-либо сигнальный электрод попадает напряжение питания усилителя 2, например, +U на электрод C1, то аварийный ток будет протекать по цепи: сигнальный электрод и по цепи: сигнальный электрод C1 _® диод D21 _® диод D10 _® резистор R1 _® корпус. Таким образом, цепь сигнальный электрод С1 _® тело пациента _® нулевой электрод N будет зашунтирована низкоомной цепью из двух последовательно соединенных открытых диодов D21, D10 и через резистор R1 будет протекать ток, намного превышающий допустимый ток через пациента Jдоп. Падение напряжения на этом резисторе превысит порог срабатывания компаратора 11 и в результате с помощью отключающего каскада 12 с усилителя 2 снимется питающее напряжение и устранится причина возникновения аварийных токов. Если на какой-либо сигнальный электрод, например, C1, будет подано отрицательное напряжение -U, то аварийный ток будет протекать по цепи корпус _® R1 _® D20 _® D11 _® (-U). Отрицательное напряжение на резисторе R1 превысит по абсолютной величине второй порог срабатывания компаратора 11, и напряжение питания усилителя 2 также будет отключено.

Двухпороговый компаратор 11 (фиг. 4) содержит последовательно соединенные двухполярный ограничитель 19 (диоды D3, D4), операционный усилитель 20 (усилитель на микросхеме KP14OUD12, охваченный отрицательной обратной связью R8, R9), трехзначный логический элемент в виде соединенных входами диодной схемы И для положительных сигналов (диоды D5, D7 и резистор R11) и диодной схемы И для отрицательных сигналов (диоды D6, D8 и резистор R12), операционный усилитель 22 (дифференциальный усилитель на микросхеме KP14OUD12 с емкостной нагрузкой R13, R14, C3).

Двухпороговый компаратор 11 имеет характеристику вход-выходы, описываемую выражением:



+Uпор > Uвх > -Uпор _® Uвых = 0.

В номинальном режиме напряжение на входе операционного усилителя равно нулю, потенциалы на инвертирующем и неинвертирующем входах дифференциального усилителя 22 равны и противоположны по знаку, и напряжение на выходе дифференциального усилителя равно нулю.

При единичном нарушении, когда через пациента будет протекать электрический ток, равный или больше допустимого по стандарту МЭК 601-1, падение напряжения на резисторе R1 превысит Uпор и в зависимости от его полярности изменится потенциал на выходе либо схемы И для положительных сигналов (D5, D7, R11), либо на выходе схемы И для отрицательных сигналов (D6, D8, R12). При положительной полярности сигнала потенциал на выходе схемы И для отрицательных сигналов изменится с отрицательного на положительный и, так как на выходе схемы И для положительных сигналов он останется неизменным, на выходе дифференциального усилителя 22 возникает напряжение положительной полярности, достаточное для срабатывания отключающего каскада.

При отрицательной полярности сигнала с положительного на отрицательный изменится потенциал на выходе схемы И для положительных сигналов, а так как выход этой схемы подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя 22, то и в этом случае на выходе этого усилителя будет присутствовать напряжение положительной полярности, достаточное для срабатывания отключающего каскада. Таким образом, двухпороговый компаратор будет выдавать управляющий сигнал на отключающий каскад при протекании через пациента токов, превышающих допустимый, вне зависимости от направленности.

Отключающий каскад в простейшем случае может быть выполнен на электромагнитном реле. Если источник питания 10 будет иметь защиту от токов короткого замыкания, то отключающий каскад можно выполнить на тиристоре, включенном между шинами питания.

Селективный многоканальный усилитель 2 (фиг. 3) содержит в каждом канале последовательно соединенный предварительный усилитель 13, управляемый фильтр верхних частот 14 и регулятор чувствительности 15. Предварительный усилитель является усилителем постоянного тока и может быть выполнен на микросхеме типа KP140UD14. С его выхода имеется возможность измерения постоянного уровня электрофизиологического сигнала. Управляемый фильтр представляет собой дифференцирующую цепочку (C2R5), величина конденсатора в которой дискретно изменяется от C12 до С32 с помощью аналогового ключа 16. Регулятор чувствительности 15 выполнен в виде операционного усилителя, сопротивление отрицательной обратной связи которого изменяется от R7-1 до R7-3 с помощью аналогового ключа 18.

Заявленное устройство для съема, регистрации и анализа электрофизиологических сигналов по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами. Так как усилитель 2, к входам которого подключены электроды для съема электрофизиологических сигналов и который является единственным связующим между пациентом и источником электрического тока (напряжения), запитывается через блок 9 защиты от аварийных токов пациента и при любом единичном нарушении питания усилитель 2 отключается, практически исключается возможность причинения пациенту травмы при съеме электрофизиологических сигналов. Кроме того, наличие блока 9 позволяет подключить сигнальные электроды к входам усилителя 2 без ограничительных резисторов и тем самым повысить чувствительность усилителя и точность съема электрофизиологических сигналов.

Заявляемый блок защиты от аварийных токов пациента в сравнении с известными устройствами, ограничивающими ток через пациента при возникновении аварийных ситуаций, обеспечивает снятие причин возникновения аварийных ситуаций за счет отключения питания от блоков, контактирующих с пациентом. Кроме того, он обеспечивает ограничение тока через тело пациента при возникновении аварийной ситуации без включения в цепь электрода ограничивающего резистора и тем самым позволяет упростить входную цепь блока, подключенного к этим электродам. Наличие в блоке 9 защиты от аварийных токов двухпорогового компаратора 11, вход которого соединен с резистором R1, соединяющий нулевой электродом N с корпусом, позволяет обезопасить пациента от протекания токов, превышающих допустимый, разной направленности, в том числе и переменных.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Устройство для съема, регистрации и анализа электрофизиологических сигналов, содержащее последовательно соединенные блок электродов, селективный многоканальный усилитель и мультиплексор, а также гальванический изолированный источник питания и последовательно соединенные персональную электронную машину, интерфейсный блок и блок гальванической развязки, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блок защиты от аварийных токов пациента, первая группа входов которого соединена с электродами блока электродов, вторая группа входом соединена с выходными шинами гальванически изолированного источника питания, а выходы с шинами питания селективного многоканального усилителя, последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом мультиплексора, и устройство управления и первичной обработки, второй вход которого соединен с блоком гальванической развязки, а выходы первый с входом управления чувствительностью и полосой пропускания селективного многоканального усилителя, второй с входом управления переключением каналов мультиплексора, при этом выходные шины гальванически изолированного источника питания соединены с шинами питания мультиплексора, аналого-цифрового преобразователя и устройства управления и первичной обработки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что селективный многоканальный усилитель в каждом канале содержит последовательно соединенные предварительный усилитель, управляемый фильтр верхних частот и регулятор чувствительности, при этом выходы предварительных усилителей и регуляторов чувствительности соединены с сигнальными входами мультиплексора, входы управления фильтров верхних частот и входы управления регуляторов чувствительности подключены к соответствующим выходам устройства управления и первичной обработки.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что устройство управления и первичной обработки содержит однокристальную микро-ЭВМ, три регистра сдвига и соединенные с ними соответственно три регистра хранения, дешифратор и блок памяти, при этом шины ввода данных, считывания входных данных и синхронизации первого порта микро-ЭВМ соединены с аналого-цифровым преобразователем, шины выходных данных и синхронизации первого порта микро-ЭВМ соединены соответственно с входом записи и тактовым входом первого регистра сдвига, шина считывания выходных данных первого порта соединена с входом записи первого регистра хранения, кодовые выходы которого подключены к входу управления переключением каналов мультиплексора, шины выходных данных и синхронизации второго порта микро-ЭВМ соединены соответственно с входами записи и тактовыми входами второго и третьего регистров сдвига, шина считывания выходных данных и шина адреса второго порта соединены с входами дешифратора, первый выход которого соединен с входом записи второго регистра хранения, а второй выход с входом записи третьего регистра хранения, кодовые выходы второго регистра хранения подключены к входу управления полосой пропускания селективного многоканального усилителя, кодовые выходы третьего регистра хранения подключены к входу управления чувствительностью селективного многоканального усилителя, шины третьего порта микро-ЭВМ соединены с входом-выходом блока гальванической развязки и входом-выходом блока памяти.

4. Блок защиты от аварийных токов пациента, содержащий входы для подключения электродов, к каждому из которых подсоединены по два полупроводниковых диода, один из которых подключен анодом, а другой катодом, отличающийся тем, что он содержит последовательно соединенные двухпороговый компаратор и отключающий каскад, при этом вход с подключенным нулевым электродом соединен через параллельно соединенные измерительный резистор и интегрирующий конденсатор с корпусом и через ограничительный резистор с входом двухпорогового компаратора, катоды полупроводниковых диодов, соединенные анодами с входами для подключения сигнальных электродов, и анод полупроводникового диода, соединенного катодом с входом для подключения нулевого электрода, соединены между собой и через ограничительный резистор подключены к плюсовой шине питания, аноды полупроводниковых диодов, соединенных катодами с входами для подключения сигнальных электродов, и катод полупроводникового диода, соединенного катодом с входом для подключения нулевого электрода, соединены между собой и через ограничительный резистор подключены к минусовой шине питания, а отключающий каскад включен между входами для подключения внешнего источника питания и выходами подключения цепей питания блоков с подключенными электродами.

5. Блок по п.4, отличающийся тем, что двухпороговый компаратор содержит последовательно соединенные двухполярный ограничитель, операционный усилитель, трехзначный логический элемент в виде двух соединенных входами диодных двухвходовых схем И, одна из которых для положительных сигналов, а другая для отрицательных, и дифференциальный усилитель, при этом первые входы схемы И соединены с выходом операционного усилителя, вторые с корпусом, выход схемы И для положительных сигналов соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, выход схемы И для отрицательных сигналов соединен с неинвертирующим входом дифференциального усилителя.

6. Блок по п.4 или 5, отличающийся тем, что величина измерительного резистора, через который вход для подключения нулевого электрода соединен с корпусом, удовлетворяет условию



где Rи величина измерительного резистора;

ЅUпор Ѕ абсолютная величина порога срабатывания двухпорогового компаратора на сигнал положительной или отрицательной полярности;

Iдоп ток допустимый через пациента при единичном нарушении;

Rэ подэлектродное сопротивление.

7. Блок по одному из пп.4, 5 или 6, отличающийся тем, что величина каждого ограничительного резистора удовлетворяет условию

Rогр і 1,5 Uпит / Iдоп,

где Rогр величина ограничительного резистора;

Uпит напряжение источника питания;

Iдоп ток допустимый через пациента при единичном нарушении.

Версия для печати


вверх