بخشی از مقاله
خلاصه
الکترودهای ثبت پتانسیل حیاتی مرطوب علی رغم ثبت سیگنال با کیفیت مطلوب، بدلیل ایجاد شرایط نامساعد برای بیمار و عدم توانایی در ثبت دراز مدت و محدودیت در استفاده از آن، جای خود را به الکترودهای فعال داده اند. در الکترود های خشک بدلیل حساسیت بیشتر نسبت به نویز های حرکتی و محیطی و افزایش امپدانس الکترود-پوست، سیگنال اخذ شده باید قبل از ورود به پردازشگر تقویت واصلاح شود. برای این منظور مدار تقویت کننده روی الکترود تعبیه میشود که سیگنال بلافاصله پس از ثبت تقویت و اصلاح شود.
به این الکترودها، الکترودهای فعال میگوییم. تحقیقات بسیار وسیعی در سراسر دنیا روی این دسته از الکترودها صورت گرفته ولی هنوز طرحی جامع و بدون نقص که جوابگوی همه ی نیازها باشد ارایه نشده است. در این مقاله سعی شده است با استفاده از تراشه ابزار دقیق AD620 تقویت کننده ای با امپدانس ورودی بالا، نویز پذیری کم، مصرف انرژی پایین، CMRR مطلوب و بهره ی بالا ساخته شود.
همچنین از آپ امپ TL074 جهت کاهش اختلاف ولتاژ DC استفاده شده است. جهت ارزیابی مدار طراحی شده ، ابتدا سیگنال قلبی توسط سیملاتور ECG از طریق این مدار به ورودی دستگاه پاورلب اعمال شده، سپس این سیگنال بدون واسطه و به صورت مستقیم به ورودی دستگاه پاورلب اعمال گردیده است.
جهت افزایش اعتبار نتایج، ثبت سیگنال در حالت چشم باز، چشم بسته، تکلیف ذهنی و تحریکات عضلانی - EMG - از جمله انقباض عضلات فک، پلک زدن و نرمش - دوی نرم - انجام شده است. سپس نتایج مورد ارزیابی و تحلیل قرار گرفته است. همچنین با استفاده از روش Welch طیف توان باندهای فرکانسی مختلف از سیگنال EEG استخراج و رسم شده است. نتایج حاکی از نویز پذیری اندک این تقویت کننده و به حداقل رساندن نویز در شرایط نویزی در عین تقویت و افزایش دامنه ی سیگنال اصلی میباشد. از این تقویت کننده برای ساخت الکترودهای فعال ثبت سیگنال مغزی استفاده شده است.
.1 مقدمه
یک سیستم اخذ و پردازش سیگنال پزشکی از بخش های مختلفی تشکیل شده است که عبارتند از الکترود، مدار پیش تقویت کننده، مدار تقویت کننده و فیلتر عوامل ناخواسته، واحد پردازش و ارسال سیگنال و نمایشگر سیگنال.[4] در سیستمهای اخذ سیگنال مرسوم از الکترودهای پسیو برای اخذ و ثبت سیگنالهای مغزی استفاده میشود. به طور کلی، این الکترودها به صورت دیسک و یا به شکل حلقه و از جنس [1] AgCl - Ag ساخته شده اند. به دلیل ساختار بسیار ساده این الکترودها امکان کوچک سازی آنها وجود دارد اما با این وجود معایب بسیاری را میتوان برای این نوع از الکترودها برشمارد. بدلیل اینکه پتانسیلهای سر در حد چند میکروولت میباشند و به نویز حساسیت زیادی دارند اغلب برای ثبت این سیگنالها با الکترودهای مرسوم نیاز به اتخاذ یک سری اعمال اضافی میباشد وثبت دقیق بسیار پر دردسر است.
این اعمال شامل آماده سازی پوست سر وموها برای تماس بهتر الکترود با پوست سر و زدن ژل برای ایجاد حداکثر رسانایی ویا استفاده از چسب برای تثبیت الکترودها روی سر میباشد. این آماده سازی نیازمند زمان طولانی و باعث ناراحتی بیمار و آزار واذیت وی میشود. علاوه براین ژل رسانا به راحتی خشک شده و خاصیت خود را از دست میدهد. این مشکلات باعث بالا رفتن امپدانس پوست الکترود میشود که نسبت سیگنال به نویز به طور چشمگیری کاهش میابد.
علاوه بر این کیفیت سیگنال ثبت شده حساس به ارتعاشات کابل [2] است و به شدت تحت تاثیر آرتیفکتهای حرکتی میباشد. با توجه به دلایل فوق الذکر، در ثبت سیگنال های EEG دراز مدت با استفاده از الکترودهای غیر فعال امکان پذیر نیست. بنابراین برای رفع این نواقص الکترودهای فعال معرفی شدند. الکترود فعال به الکترودی گفته میشود که مدار پیش تقویت کننده روی صفحه الکترود قرار گرفته و پس از دریافت سیگنال مغزی و پیش از آنکه سیگنال به مدار تقویت کننده ی اصلی برسد، دامنه ی سیگنال را افزایش میدهد. [5,6,7,8,11,12,13] برخی از تراشه ها همچون LMP7702 [14,15,16]، [12,19] INA-116 و [17] AD620 در مقالات مختلف برای طراحی پیش تقویت کننده ها مورد استفاده قرار گرفته اند.
.2 روش کار
اساس کار الکترود های فعال بر مبنای دریافت سیگنال حیاتی بدون تماس مستقیم با پوست و براساس اثر خازنی است ؟از طرفی با توجه به محدودیت های موجود برای ایجاد ظرفیت خازنی در الکترود مانند ابعاد الکترود، جنس عایق بین الکترود و پوست و فاصله بین صفحه الکترود و پوست حداکثر ظرفیت خازنی ایجاد شده چند ده پیکو فاراد خواهد بود که ظرفیت پایینی است بنابر این دریافت سیگنال حیاتی با دامنه یک میلی ولت با این ظرفیت خازنی و تحت شرایط خاص ثبت سیگنال ، قطعا کار ساده ای نبوده و نیاز به تدابیر ویژه دارد. در واقع امپدانس بالا یک خصوصیت مشترک برای تمامی انواع مختلف الکترودهای خازنی است .بنابراین برای استفاده از این نوع الکترودها باید از تقویت کننده هایی با امپدانس ورودی بالااستفاده کرد یک را ه حل بافرکردن سیگنال در خود الکترود است که امکان تطبیق امپدانس را فراهم می سازد.
در طراحی تقویت کننده الکترود فعال خازنی دو مرحله باید اجرا شود که مرحله اول انتخاب مدار تقویت کننده و مرحله دوم انتخاب المان های الکترونیکی مناسب میباشد. با توجه به خواسته های ما از یک الکترود فعال خازنی در ثبت سیگنال حیاتی مسلما انتخاب بهینه آپ امپ اصلی ترین مرحله در طراحی خواهد بود. مقالات و طرحهای پژوهشی قابل توجهی به طراحی آپ امپ متناسب با ثبت سیگنالهای بیولوژیک پرداخته اند که این مساله مبین اهمیت نقش آپ امپ می باشد. در این طرح ابتدا به بررسی ویژگیهای آپ امپ های موجود در بازار پرداخته و در نهایت به طراحی و ساخت مدار تقویت کننده خواهیم پرداخت .
بررسی مقالات مختلف که در این زمینه منتشر شده نشان می دهد که از انواع مدارات تقویت کننده استفاده شده است، و نمی توان از یک مدار خاص به عنوان بهترین مدار نام برد. به صورت خلاصه هرچقدر ویژگیهای آپ امپ به حالت ایده ال نزدیکتر باشد شرایط برای دریافت سیگنال با کیفیت، بهتر خواهد بود. به منظور طراحی یک پیش تقویت کننده مناسب برای یک سیستم ثبت سیگنال حیاتی قبل از هرچیز با توجه به چالشهای موجود برای الکترودهای خازنی باید فاکتورهای خاصی از آپ امپها را مورد نظر قرار داد.
از آنجا که در ثبت های غیر تماسی ”خازنی“ مشکلاتی همچون نویز بیشترین نقش را در تخریب سیگنال دارا می باشد به نظر می رسد از نظر ویژگیهای فنی در یک آپ امپ میزان نویز پذیری و مشخصه CMRR از اهمیت بالایی برخوردار است . ضمن اینکه مشخصاتی مانند ولتاژ آفست، جریان بایاس ورودی، بهره و تغذیه آپ امپ از پارامترهای اساسی در طراحی سیستم های ثبت می باشند
در بین آپ امپ ها آنهایی که با سطح ولتاژ پایین تر و مصرف انرژی کمتر بایاس می شوند قطعا از امتیاز ویژه ای برای استفاده در الکترود خازنی برخوردار خواهند بود. دلیل این مساله کاملا مشخص است چراکه از حجم باتری مورد استفاده در ساخت الکترود کاسته شده و به مینیاتوری شدن الکترود کمک می کند ضمن اینکه در ثبتهای طولانی مدت بازدهی بهتری خواهند داشت. یکی دیگر از مشخصه های لازم برای استفاده در پروژه در دسترس بودن و فراوانی تراشه ی مورد نظر خواهد بود که در آخرین مرحله مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت.
جدول -1 مقایسه ویژگیهای برخی از تقویت کننده های عملیاتی [20]
برای آنکه بتوان در میان آپ امپ های موجود به انتخاب بهینه رسید لازم است تا ویژگیهای آپ امپ های مختلف مورد مقایسه قرار گرفته و در نهایت به یک رتبه بندی دست یافت. بدین منظور ابتدا از مراجع مختلف لیست ده آپ امپ مختلف استخراج شده و مورد مقایسه قرار گرفته اند
با توجه به نتایج حاصل از مقایسه آپ امپ های نامزد برای استفاده در طراحی و موجود بودن در بازار درنهایت تراشه ابزار دقیق AD620 تهیه شده است. همچنین سایر لوازم مورد نیاز برای ساخت و ارزیابی الکترودها تهیه شده است. با استفاده از دیتا شیت این آی سی شرایط لازم در طراحی بررسی و با استفاده از نرم افزارهای شبیه سازی proteusو electronic work bench مورد ارزیابی های متعددی قرار گرفته و در نهایت مدار زیر برای ساخت انتخاب شده است.
