Краткие теоретические сведения

Для оценки помехоустойчивости БТС для регистрации БЭС необходимо знать основные характеристики БЭС и помех, которые присутствуют в БТС, представлять себе структуру БТС, а также, на основании анализа этих составляющих, определить численные критерии оценки помехоустойчивости.

Биоэлектрических сигналы.

Одновременно на поверхности биообъекта присутствует большое число сигналов от различных функциональных систем организма, его органов и тканей. Эти сигналы обусловлены электрическими полями биологического происхождения, связанными с электрохимическими и кинетическими процессами в организме человека [4].

Электрокардиографический сигнал представляет собой изменение во времени электрического потенциала сердца, который регистрируется с определенных участков тела, называемых отведениями [6] На рисунке 1 приведен фрагмент ЭКГ - сигнала, зарегистрированного у здорового человека в нормальных условиях в 12-ти стандартных отведениях. Диапазон изменений амплитуды ЭКГ сигнала составляет 0,01…5,0 мВ; частотный диапазон сигнала составляет – 0,05…150 Гц.

В последние время развивается метод электрокардиографии высокого разрешения (ЭКГ ВР). Одна из важнейших областей применения ЭКГ ВР - выявление потенциалов замедленной деполяризации миокарда, так называемых поздних потенциалов желудочков (ППЖ) и предсердий (ППП). ППЖ - это дискретные, высокочастотные (20-50 Гц), низкоамплитудные (при регистрации с поверхности тела 5-20 мкВ) электрические сигналы, определяющиеся в конечной части комплекса QRS и распространяющиеся на сегмент ST. Для их регистрации необходимо, во-первых, усиление сигнала ЭКГ в 10³-10⁵ раз, во-вторых, выделение высокочастотного сигнала от низкочастотных составляющих и внесердечной электрической активности (шума).

 

Рисунок1 - Фрагмент электрокардиографического сигнала, зарегистрированного у здорового человека в нормальных условиях.

 

Электроэнцефалографический сигнал представляет собой изменение во времени совокупности постсинптических потенциалов многих нейронов головного мозга, фиксируемых в определенных участках кожи головы. На рисунке 2 приведен ЭЭГ сигнал, зарегистрированный в восьми отведениях у здорового бодрствующего человека. Диапазон изменений амплитуды ЭЭГ сигнала составляет 0,0005…1 мВ; частотный диапазон сигнала составляет – 0,3…100 Гц. При этом принята следующая классификация ритмов колебаний по диапазонам: дельта - 0.5¸3.5 Гц, тета - 4¸7 Гц, альфа - 8¸14 Гц, бета - 15¸35 Гц, гамма - более 35 Гц.

Рисунок 2 - ЭЭГ сигнал, зарегистрированный в восьми отведениях у здорового бодрствующего человека.

 

Электромиографический сигнал представляет собой изменение во времени электрического потенциала мышц. Регистрируется с помощью электродов накладываемых на кожу в проекции исследуемых мышц или игольчатых электродов, вводимых подкожно.  Диапазон изменения амплитуды сигнала составляет 0,001…10 мВ, частотный диапазон составляет 0,1…10000 Гц. Регистрация и обработка ЭМГ сигнала используется в диагностике функционального состояния нервно-мышечной проводимости, состояния опорно-двигательного аппарата в основном, путем анализа топографии и амплитуды сигнала на коротких записях. На рисунке 3 представлен пример ЭМГ-сигнала.

Рисунок 3 - Сигнал ЭМГ, зарегистрированный поверхностными электродами, расположенными на коже выше первого заднего межкостного мускула в руке. Сигнал увеличивается по амплитуде пропорционально силе мышечного сокращения.

 

Электроокулографический сигнал представляет собой изменение во времени корнеоретинального электрического потенциала, вызываемого движением глазного яблока. Регистрируется с помощью электродов, накладываемых на кожу в области век. На рисунке 4 приведены электроокулографические сигналы, записанные одновременно с ЭЭГ сигналом и ЭМГ сигналом напряжения мышц подбородка. Диапазон изменения амплитуды электроокулографического сигнала составляет 0,01…0,2 мВ, частотный диапазон составляет 0,1…7 Гц.

Рисунок 4 - Электроокулографические сигналы, записанные одновременно с ЭЭГ сигналом и ЭМГ сигналом напряжения мышц подбородка.

 

Электроретинографический сигнал представляет собой совокупность биоэлектрических потенциалов нейронов и глиальных клеток Мюллера сетчатки глаза в ответ на световую стимуляцию. Сигнал снимается с роговицы глаза контактным электродом. ЭРГ сигнал имеет следующие характеристики: динамический диапазон 0,005…1 мВ, частотный диапазон 0,3…300 Гц. На рисунке 5 представлена схема формирования ЭРГ сигнала различными структурами глаза.

 

Рисунок 5 - Схема формирования ЭРГ сигнала различными структурами глаза.

 

Электрогастрографический сигнал представляет собой изменение во времени электрического потенциала, возникающего при работе желудочно-кишечного тракта. Регистрируется с помощью электродов, накладываемых на кожу передней брюшной стенки. На рисунке 5 приведен пример записи электрогастрографического сигнала человека. Диапазон изменения амплитуды электрогастрографического сигнала составляет 0,2…1,0 мВ, частотный диапазон составляет 0,01…2,0 Гц

 

Рисунок 6 - Пример записи электрогастрографического сигнала человека.

 

Характеристики основных БЭС, наиболее часто используемых в медицинской практике, сведены в таблицу 1. Динамический диапазон физиологических сигналов вычислялся по следующему соотношению:

 

 

где U_{c_max}, U_{c_min} - границы динамического диапазона БЭС соответственно максимальная и минимальная

Разрядность АЦП для указанных динамических диапазонов БЭС определялась из соотношения [7]:

Таблица 1 – Характеристики основных биоэлектрических сигналов.

Вид сигнала	Частотный диапазон, Гц	Амплитудныйдиапазон, мВ	Физиологический динамический диапазон, дБ	Разрядность АЦП
ЭКГ	0,05…100	0,01…5	54	9
ЭКГВР	0,05…2000	0,001…5	74	13
ЭЭГ	0,03…100	0,0005…1	66	11
ЭМГ	0,1…10000	0.001…10	80	14
ЭОГ	0,1…7	0,01…0,2	26	5
ЭРГ	0,3…300	0,005…1	46	8
ЭГГ	0,01…2,0	0,01…1,0	40	7

 

Однако, в таблице 1 представлены данные по разрядности АЦП без учета влияния электромагнитных помех, наличие которых приводит к существенному увеличению числа разрядов АЦП.