Классификация помех, возникающих при регистрации биоэлектрических сигналов.

По положению источника помехи и БТС можно разделить на внутрисистемные и внесистемные. По типу взаимодействия с БЭС помехи делятся на два вида:

Аддитивные помехи - складываются с БЭС и описываются соотношением:

,

где Uin (t) – входное воздействие, Uout (t) – реакция системы на это воздействие, N (t) – аддитивная помеха.

Мультипликативные помехи - связаны со случайным изменением коэффициента передачи информационного канала K (t) и описываются соотношением:

,

В зависимости от соотношения продолжительностей БЭС и помехи, различают три группы помех: сосредоточенные во времени, сосредоточенные по частоте, флуктуационные (шумы).

Сосредоточенные во времени помехи - это импульсные помехи, которые представляют собой нестационарный случайный процесс в виде непериодической, случайной во времени последовательности импульсов, длительность которых меньше длительности элементарных посылок БЭС. Ширина спектра такой помехи больше ширины спектра полезного сигнала. К таким помехам относятся грозовые разряды, помехи высоковольтных линий электропередач, помехи медицинского оборудования, имеющего высоковольтные и мощные источники питания (рентгеновские диагностические и хирургические аппараты, компьютерные томографы, магнитно-резонансные томографы). Как правило, такие помехи носят внесистемный характер.

У сосредоточенных по частоте помех ширина спектра соизмерима с шириной спектра полезного сигнала. Источником таких помех являются проводка осветительной и питающей сетей в отделениях и кабинетах врачей медицинских учреждений, а также хирургические и физиотерапевтические аппараты. Подобные помехи в БТС могут быть внесистемными и внутрисистемными.

Флуктуационные помехи не сосредоточены ни по частоте, ни по времени. Имеют более широкий спектр, чем сигнал и присутствуют постоянно (шум). Шумом называются флуктуации различной физической природы, отличающиеся сложной временной и спектральной структурой. Шум всегда является аддитивной помехой.

Современные БТС для регистрации БЭС имеют в своем составе электронные блоки, которые создают электрические шумы, связанные с флуктуациями токов, напряжений и напряженностей электромагнитного поля в этих блоках.

В зависимости от физической природы электрические шумы подразделяются на естественные и технические. Естественные шумы обусловлены дискретностью строения вещества и статистическим характером протекающих в этом веществе процессов. Технические шумы связаны с конструкторско-технологическим несовершенством электронных блоков измерительных преобразователей (ИП) БЭС.

Естественные электрические шумы характеризуются следующими параметрами:

а) Среднеквадратическое значение:

б) Спектральная плотность мощности:

,

где  - спектр сигнала.

Измеряемыми величинами являются значения напряжения U _ш и тока шума I _ш:

 

 

где е_ш(f), i _ш (f) –спектральные плотности соответственно напряжения и тока шума.

Электрические шумы бывают трех видов: тепловые, дробовые, фликкерные. [4,5]

Тепловые шумы связаны с хаотичностью движения заряженных частиц в проводниках, а также термодинамическими процессами электрохимических реакций биологических тканей. Среднеквадратичное напряжение теплового шума для проводников и биологических структур хорошо описывается уравнением Найквиста:

где k – постоянная Больцмана;

Т – абсолютная температура;

Z – комплексный импеданс проводника;

D f _ш - шумовая полоса частот, которая связана с полосой пропускания усилителякак:

Такой шум называется «белым», у которого спектральная плотность мощности постоянна.

Дробовые шумы связаны с дискретностью движения зарядов как в проводниках, так и в биологических тканях. Спектральная плотность тока дробового шума определяется как:

,

где е – заряд электрона, I₌ - постоянная составляющая тока.

Фликкер-шум (1/f-шум, розовый шум, избыточный шум) - аномальные флуктуации, для которых характерна обратно пропорциональная зависимость спектральной плотности мощности от частоты ω вида:

 

 

Выражение справедливо как для проводников, так и для биологических тканей и связано с протеканием постоянного тока через исследуемые структуры. Хорошее приближение к экспериментальным данным получается при γ=1.

 

 

Аддитивные помехи

Аддитивные помехи вносят наибольшую погрешность при регистрации БЭС. Аддитивные помехи делятся на синфазные и дифференциальные.

Синфазные — помехи, мгновенные значения которых на активных входах измерительного преобразователя БЭС совпадают (к таким помехам относятся “наводки” от питающей сети и промышленных электрических установок). Наличие емкости между проводами силовой или осветительной цепи и пациентом приводит к тому, что на поверхности тела относительно земли присутствует напряжение частотой 50 Гц, амплитуду и фазу которого вследствие относительно хорошей проводимости тканей организма можно считать практически одинаковыми во всех точках тела. Максимальная амплитуда синфазной помехи от сети может достигать 5... 10 В.

Инфранизкочастотные синфазные помехи зависят от среднего уровня поляризационных потенциалов электродов, который может достигать сотен милливольт, токов смещения входных цепей, которые протекают через биологические ткани и создают дополнительное падение напряжения, а также от кожно-гальванического рефлекса (КГР).

Дифференциальными называют помехи, мгновенные значения которых на активных входах измерительного преобразователя БЭС равны и противоположны по знаку. К их числу относят следующие составляющие:

А) Внутрисистемные помехи.

· биоэлектрическая активность органов, близко расположенных к месту отведения;

· неравенство поляризационных потенциалов электродов, достигающее уровня ±300 мВ;

· разброс значений импедансов системы электрод-кожа;

· фазическая и тоническая составляющие напряжения КГР, обусловленного реакцией вегетативной нервной системы;

· токи смещения входных цепей ИП БЭС, протекающие через биоткани;

· напряжение смещения входных цепей ИП БЭС;

· электрические шумы элементов БТС.

Как следует из табл. 1, спектры большинства БЭС перекрываются. Поэтому выделение одного требуемого сигнала из всей совокупности БЭС, являющихся в данном случае помехами, затруднено.

Б) Внесистемные помехи.

· Электростатические разряды (ЭСР);

· Излучаемые радиочастотные электромагнитные поля (80…2500 МГц);

· Наносекундные импульсные помехи;

· Микросекундные импульсные помехи большой энергии;

· Кондуктивные помехи, наведенные радиочастотными электро-магнитными полями (0,15…80 МГц);

· Провалы, кратковременные прерывания и изменения напряжения входных линий электропитания;

· Магнитные поля промышленной частоты.

Все медицинские электрические изделия и системы проходят испытания на помехоустойчивость к внесистемным помехам в соответствие с [3].

Следует отметить, что из всей совокупности внутри- и внесистемных аддитивных помех при проведении регистрации БЭС в реальной электромагнитной обстановке наибольшее влияние оказывают на верхнюю границу динамического диапазона ИП БЭС:

· Магнитные поля промышленной частоты.

· Неравенство поляризационных потенциалов электродов, достигающее уровня ±300 мВ.

На нижнюю границу динамического диапазона:

· разброс значений импедансов системы электрод-кожа;

· токи смещения и сдвига входных цепей измерительного преобразователя БЭС, протекающие через биоткани;

· напряжение смещения входных цепей измерительного преобразователя БЭС;

· электрические шумы элементов БТС.

Мультипликативные помехи

Одной из причин искажения БЭС является наличие мультипликативных помех в измерительном тракте БТС для регистрации БЭС, обусловленных неконтролируемым изменением импеданса электрод-кожа. Наличие подобных помех может приводить к существенному искажению формы БЭС и, как следствие, повышению вероятности постановки ошибочного диагноза. В силу сложности проблемы численной оценки мультипликативных помех при измерении ЭФС в литературе крайне мало уделяется внимания этим вопросам.

В БТС для регистрации БЭС сопротивление электрод-кожа в действительности может изменять свое значение в достаточно широких пределах. При взаимодействии с сигналами, присутствующими в БТС, в полезном сигнале возникают дополнительные гармоники, обусловленные сверткой спектра помехи, связанной с изменением сопротивления электрод-кожа, и спектрами этих сигналов. Наличие дополнительных гармоник в спектре полезного сигнала приводит к существенному изменению его формы во временной области и, как следствие, неправильной интерпретации этих изменений.

Наибольшее влияние на спектр полезного сигнала будут оказывать мультипликативная помеха при взаимодействии, во-первых, с синфазным сигналом, во- вторых, с напряжением поляризации электродов и, в-третьих, с токами смещения входных каскадов.