المحاضرة الثامنة
الأربعاء، تشرين الثاني 26, 2014
9:39 AM
| 44 |
مراجعة عن المحاضرة الماضية:
أخدنا الالكترودات الغزوية.
تعرفنا على الالكترودات الدقيقة والالكترونيات الدقيقة.
الابرية تستخدم تحت الجلد للوصول إلى ألياف العضلات.
الالكترونيات الدقيقة تسجل الإشارة من مستوى الخلية، يجب أن تتمتع بالصلابة التي توصلها إلى المكان المطلوب.
الالكترونيات الدقيقة، تتميز بتحسين الممانعة من خلال تصنيع محول ممانعة عن طريق مضخم يعطي بالخرج ممانعة منخفضة يحسن نقل الإشارة ويخفف الضجيج.
يمكن على نفس الشريحة تصميم الكترود متعدد الأقنية لاستخدامه مثلا في الأعصاب
الدارة المكافئة في الوصل ما بين الالكترود والكهروليت، والمكافئة للالكترودات الجافة.
المحاضرة الجديدة:
نتجاوز المحاضرات المتعلقة بمحولات الطاقة، نعرفها سابقا بمادة الحساسات والمشغلات، يمكن أن نستعرضها فيما بعد إذا زاد معنا وقت.
سنتعرف على مضخمات الإشارة الحيوية:
- المتطلبات الأساسية لها أو التشكيلات الأساسية لها:
في المجال الحيوي يتم تسجيل كمونات بمطالات صغيرة جدا، توجد مشكلة ممانعة المنبع الحيوي، المجالات الترددية منخفضة ويمكن أن تتداخل بشكل كبير مع الإشارات الأخرى مثل الشبكة الكهربائية. مضخم المرحلة الأولى يجب أن يؤمن تضخيم كافي للإشارة الحيوية بالمقارنة مع إشارة الضجيج.
- أهم المتطلبات الواجب توفرها:
- عدم التأثير على العمليات الفيزيولوجية، تيار الدخل للمضخم يمكن أن يعطي تحييز أكبر للالكترودات مما يؤثر على الأنسجة الحيوية؟؟
- عدم تشويه الإشارة الحيوية، معالجة الإشارة الحيوية دون تشويهها، يجب أن يكون النقل دقيق.
- تأمين فصل جيد بقدر الإمكان ما بين الإشارة وإشارات الضجيج (الإشارات المتداخلة التي تقع بنفس مجال الترددات).
- أن تكون دارة التضخيم آمنة، لأنها موصولة مباشرة مع النسيج الحيوي.
- محمي ذاتيا من الجهود العالية مثلا في جهاز الصدمة الكهربائية أو المشرط الجراحي.
- المكونات الأساسية للإشارة:
- الإشارة الحيوية المطلوبة.
- حيوية غير مرغوبة (أخرى) مثل تداخل إشارة EMG لعضلات الوجه مع إشارة العين.
- إشارات التداخل الناتجة عن الشبكة الكهربائية.
- ضجيج الحركة الناتج عند منطقة التماس ما بين النسيج والالكترود.
- إشارات ضجيج أخرى.
| 45 |
التصميم الأفضل يجب أن يحقق رفض بنسبة أعلى للإشارات الغير مرغوبة.
الإشارة الأكثر تواجدا من بين إشارات الضجيج هي إشارة الشبكة الكهربائية.
- التشكيلات المستخدمة في المضخم الحيوي:
- تشكيلة التضخيم وحيدة الدخل ذات النهاية الوحيدة، يقوم بتسجيل الإشارة الحيوية بنقطة وحيدة، أما النقطة الثانية فتكون مرجعية.
- دخل تفاضلي، يسجل من نقطتين حيويتين، ولها نقطة مرجعية، وهو الطريقة المعتمدة لأنها تساعد على التخلص من كثير من إشارات الضجيج.
والطريقتين قد يتم وصلها إما بـ RC أو DC (التفاعلي أو المباشر).
تركيبة الربط في التفاعلي تعطي مرشح تمرير عالي، يساعد في التخلص من مشكلة انزياح التيار المستمر، أو الترددات المنخفضة. RC أو AC المبدأ واحد.
تركيبة الدخل التفاضلي هي الأكثر استخداما، يتم استخدام ثلاث الكترودات في التصميم، اثنان لأخذ الإشارة الحيوية والثالث هو المرجعي.
بالنتيجة يكون لدينا تركيبتين:
- إشارات الفرق (النمط التفاضلي) هي تعبر عن الإشارة الحيوية المطلوبة التي يتم تطبيقها بين نهايتي المضخم الفرقي (التفاضلية).
- النمط المشترك، يدخل فيها تردد الشبكة الكهربائية الإضافة إلى ترددات أخرى، بالإضافة إلى بعض الكمونات الناتجة عن الالكترودات، إشارة النمط المشترك تعني وجود إشارتي دخل متماثلات بين الالكترودين على الدخل.
التصميم الجيد بالنسبة للمضخم يعني رفض النمط المشترك بشكل أفضل (أكبر).
إشارة النمط المشترك غالبا ما تكون إشارة خاطئة (ضجيج).
تعريف: نسبة رفض النمط المشترك CMRR، توجد في كل Datasheet للمضخمات، هي نسبة ربح النمط التفاضلي على نسبة ربح النمط المشترك.
رفض إشارات النمط المشترك تابع من جهة لنسبة رفض النمط المشترك بالإضافة إلى ممانعات المنبع z1 و z2 القادمة من الالكترودات.
يجب أولا اختيار الكترودين من نفس النوع، وفي الحالة المثالية يكون z1, z2 متساويات، cmrr لا نهاية، فيكون ربح النمط المشترك صفر.
| 46 |
لكن فعليا نسبة رفض النمط المشترك cmrr لها قيمة معينة، كلما زاد التردد تنقص cmrr ويزداد الربح.
بما أن الإشارات الحيوية بترددات منخفضة فهذه ميزة لنا.
يتم تفسير إشارة النمط المشترك على أنها إشارة تفاضلية وتضاف إلى قيمة الإشارة الحيوية، ولذلك يجب التخلص منها.
توجد إشارة أخرى ناتجة عن ممانعة المنبع، تسبب إضافة إشارة نمط مشترك:
إذا كانت الممانعات متماثلة تكون آخر مركبة صفرية، وإذا كانت الممانعة صغيرة تصبح قيمتها صغيرة لكن تضرب بمعامل كبير مما ينتج عنه إشارة معتبرة.
- المركبة المطلوبة.
- النقص في النمط المشترك (غير مرغوبة).
- عدم التماثل أو عدم التوازن ما بين ممانعة المنبع على طرفي دارة التسجيل (غير مرغوبة).
نسبة بسيطة من إشارات النمط المشترك في الخرج والتي تعاملها دارة التضخيم على أنها إشارة تفاضلية.
غالبا ما تكون نسبة رفض النمط المشترك هي 100 ديسبل للتخلص من إشارات الضجيج، وأيضا يتم اختيار مضخم له ممانعة دخل على الأقل 10^9 أوم.
يجب أن تكون نسبة الربح عالية 100- 50000 مرة.
بالنسبة للإشارات المتداخلة ستؤثر على جودة الإشارة الفيزيولوجية بالإضافة إلى تصميم المضخم المستخدم.
مثال: إذا كانت الإشارة الناتجة أكبر من الحيوية التي يتم قياسها، فعند عملية التضخيم سيحدث قص للإشارة بسبب الوصول إلى الإشباع. ولذلك نقوم بالتضخيم على مرحلتين.
من أهم المميزات المطلوبة من المضخم الحيوي هو ألا يؤثر على الإشارة الحيوية المطلوب تسجيلها
| 47 |
المرحلة الأولى هي مرحلة المضخم الأولي ترفع نسبة الإشارة الحيوية بحيث نستطيع التعامل معها، ثم مرشح تمرير عالي، ثم مضخم العزل يقوم بتضخيم الإشارة بعد أن يتم فرزها، ثم يمررها على مرشح تمرير منخفض، إلى الخرج.
سنتعرف عليها مرحلة مرحلة:
- التضخيم الأولي: هي المرحلة الحدية أو الأكثر أهمية في تصميم النظام، لأنها هي التي تحدد جودة النظام، التخلص من إشارات الضجيج أو تقليل أثرها.
ملاحظة: في الإشارات من رتبة الميكروفولت يتم استخدام المضخم الأداتي Instrumentation Amplifier.
وهي أهم مرحلة، تؤثر بشكل أساسي على جودة التسجيل. له مهمتين رفض النمط المشترك، وتقليل الأثر الناتج عن استقطاب الالكترودات.
أيضا من أهم مميزاته أن ممانعة الدخل للمضخم الأولي يجب أن تكون أكبر ما يمكن. في حال المضخم العملياتي، ممانعة دخلة عالية لكن غير كافية لإشارات الحيوية. ولذلك ننتقل إلى تركيبة المضخم الأداتي الذي يستخدم تركيبة معينة من المضخمات العملياتية:
التركيبة الأولى
| 48 |
تفيد هذه التركيبة بزيادة ممانعة الدخل، مع ربح يساوي الواحد، وربح النمط المشترك هو 1/cmrr.
السيئات:
يجب أن تكون نسبة cmrr أعلى ما يمكن.
مرحلة الدخل الربح فيها واحدي وهو الأمر الذي يجب تعويضه في مضخم الخرج.
ضجيج المضخم الأداتي في مرحلة الخرج له تأثير كبير على الإشارة الحيوية ويسبب ذلك تناقص نسبة الإشارة إلى الضجيج. يمكن تجاوز هذه بالتشكيلة التالية:
التركيبة الثانية
حصلنا بالنتيجة على تقليل بنسبة جيدة لإشارة النمط المشترك.
المحاسن للتشكيلة الثانية:
cmrr وتماثل مقاومات مرحلة الخرج لم يعد لها تأثير مهم على الإشارة الحيوية.
2 إذا كان يوجد إزاحة جهد فيمكن ضبطها عن طريق جهد الإزاحة لأحد المضخمات.
تركيبة ثالثة: مضخمين عملياتيين فقط، ربح 1+R2/R1، نسبة cmrr عالية (سيئة)
| 49 |
مشكلة عند تسجيل الإشارات المستمرة وذات الترددات المنخفضة جدا.
الحل الأول: يمكن التخلص من هذه الإشارات بإضافة سعات (رسمة) تقوم بدور مضخم تمرير عالي:
- الوصلة الثانية تصبح بالشكل:
- الوصلة الثالثة تصبح بالشكل:
مزايا، تؤمن التخلص من كمونات الالكترودات، تساعد على تطبيق عامل ربح أعلى، ونسبة رفض نمط مشترك بنسبة عالية.
مشاكل، تيار شحن سعة يمكن أن يؤثر على الالكترودات ويدخلها في حالة استقطاب.
| 50 |
- CMRR
- Instrumentation Amplifier
- مضخمات الإشارة الحيوية
- نسبة رفض النمط المشترك
- أهم المتطلبات الواجب توفرها
- المكونات الأساسية للإشارة
- المحاضرة الثامنة
- النمط المشترك
- النمط التفاضلي
- الوصلة الثالثة
- الوصلة الثانية
- التركيبة الأولى
- التركيبة الثانية
- التشكيلات المستخدمة في المضخم الحيوي
- التضخيم الأولي
- تركيبة الدخل التفاضلي
- سلسلة الالكترونيات الطبية
رامي قباني 