طراحي مدار تقويت كننده در الكترودهاي فعال پزشكي

Design of amplifier circuit in active medical electrodes

الكترودهاي ثبت پتانسيل حياتي مرطوب علي رغم ثبت سيگنال با كيفيت مطلوب، بدليل ايجاد شرايط نامساعد براي بيمار و عدم توانايي در ثبت دراز مدت و محدوديت در استفاده از آن، جاي خود را به الكترودهاي فعال داده اند. در الكترود هاي خشك بدليل حساسيت بيشتر نسبت به نويز هاي حركتي و محيطي و افزايش امپدانس الكترود-پوست، سيگنال اخذ شده بايد قبل از ورود به پردازشگر تقويت واصلاح شود. براي اين منظور مدار تقويت كننده روي الكترود تعبيه ميشود كه سيگنال بلافاصله پس از ثبت تقويت و اصلاح شود. به اين الكترودها، الكترودهاي فعال ميگوييم. تحقيقات بسيار وسيعي در سراسر دنيا روي اين دسته از الكترودها صورت گرفته ولي هنوز طرحي جامع و بدون نقص كه جوابگوي همه ي نيازها باشد ارايه نشده است. در اين مقاله سعي شده است با استفاده از تراشه ابزار دقيق AD620 تقويت كننده اي با امپدانس ورودي بالا، نويز پذيري كم، مصرف انرژي پايين، CMRR مطلوب و بهره ي بالا ساخته شود. همچنين از آپ امپ TL074 جهت كاهش اختلاف ولتاژ DC استفاده شده است. جهت ارزيابي مدار طراحي شده ، ابتدا سيگنال قلبي توسط سيملاتور ECG از طريق اين مدار به ورودي دستگاه پاورلب اعمال شده، سپس اين سيگنال بدون واسطه و به صورت مستقيم به ورودي دستگاه پاورلب اعمال گرديده است. جهت افزايش اعتبار نتايج، ثبت سيگنال در حالت چشم باز، چشم بسته، تكليف ذهني و تحريكات عضلاني (EMG) از جمله انقباض عضلات فك، پلك زدن و نرمش (دوي نرم) انجام شده است. سپس نتايج مورد ارزيابي و تحليل قرار گرفته است. همچنين با استفاده از روش Welch طيف توان باندهاي فركانسي مختلف از سيگنال EEG استخراج و رسم شده است. نتايج حاكي از نويز پذيري اندك اين تقويت كننده و به حداقل رساندن نويز در شرايط نويزي در عين تقويت و افزايش دامنه ي سيگنال اصلي ميباشد. از اين تقويت كننده براي ساخت الكترودهاي فعال ثبت سيگنال مغزي استفاده شده است.

In biopotential signal recording systems, Wet electrodes are superior for recording biological signals from the skin, but due to factors such as undesirable effects of using gel for patient, inability to long-term records and etc, active electrodes are introduced. In dry electrodes, due to the higher sensitivity to noise and the increase of the electrodes-skin impedance, the signal must be amplified before entering the processor. For this purpose, the amplifier circuit is mounted on the electrode to amplify the signal immediately after reception. These electrodes are active electrodes. Extensive research around the world has been done on these electrodes, but an ideal plan has not yet been presented. In this paper, we have tried to build an amplifier with high input impedance, low noise, low power, optimal CMRR and high gain using the AD620 instrumentation chip. The TL074 chip is also used to reduce the DC voltage difference. In order to evaluate, the ECG signal was first applied to the input of PowerLab by the simulator via this circuit, then the signal was directly applied to the PowerLab input. To increase the validity of the results, recording of the signal in open eyes, closed eyes, mental task and muscle stimulation (EMG) including jaw contraction, blinking and physical movement (slow running) were performed. Then the results are evaluated and analyzed. Also, using the Welch method, the power spectrum density of different frequency bands is extracted from the EEG signal. The results indicate minimizing noise in noise conditions while amplifying the amplitude of the main signal. This amplifier is used to generate active electrodes for signaling the brain.