Unification of the analog part of the biosignal processing channel

Abstract

Потреба у вимірюванні та опрацюванні біосигналів виникає не лише у медичній діагностиці, але також багатьох нових застосуваннях, зокрема, у біометриці, афективній інформатиці людино-машинній взаємодії, цілодобовому клінічному моніторингу. Нові застосування підвищують вимоги до технічних і експлуатаційних характеристик засобів відбору та перетворення біосигналів. Необхідно здійснювати відбір біосигналів поза стаціонарними умовами, забезпечити синхронне опрацювання різних видів біосигналів. У цьому контексті потрібно максимально уніфікувати апаратні засоби біоінформатичної системи, особливо її аналогову частину. У роботі розглянуто особливості формування і відбору найпоширеніших біосигналів, проаналізовано джерела спотворень та описано типові вимірювальні перетворення на прикладах сигналу електрокардіограми й біоімпедансу. На підставі проведеного аналізу визначено завдання, щодо уніфікації вимірювального каналу, які можуть бути раціонально вирішені на основі використання можливостей компонентної бази сучасної мікроелектроніки та обчислювальної техніки. Показано можливість істотного спрощення вимірювального каналу вимірювання біопотенціалів, завдяки застосуванню багаторозрядних дельта- сигма АЦП. Вимірювання біоімпедансу має свою специфіку через пасивну векторну природу цієї величини. Для цього застосовують зовнішні джерела збудження, зазвичай, у вигляді джерела синусоїдного струму частотою декілька десятків кілогерц. Інформацію про складові біоімпеданса одержують за допомогою синхронного детектування. Обґрунтовано принцип побудови та синтезовано структуру аналогової частини універсального вимірювального каналу, придатного для вимірювання як біосигналів, так і біоімпеданса. Її основу складає багаторозрядний і швидкодіючий АЦП, що відкриває можливість переведення частини вимірювальних перетворень до цифрового вигляду, забезпечує стійкість до спотворень зумовлених артефактами та впливом завад.

Measurement methods and design principles for measuring channel are considered in this paper. They extend the capacity of improving noise immunity and resolution of bio-signals measurement means. The analog parts of measuring channels for measurement of different kinds of bio-signals, as well as the sources of errors for such channels are analyzed. The structure of the analog part of the high-precision universal measuring channel (invariant to the type of the measured bio-signal) is developed on the basis of this analysis.