Предусилительный блок с аналого-цифровым преобразователем

Соединительные провода соединяют электроды с предусилительным блоком, в одном корпусе с которым, как правило, располагают и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Вынесение предварительных усилителей вне корпуса основных усилителей направлено против потерь слабых неусиленных рабочих сигналов, с одной стороны, и против помех, возрастающих при прохождении сигнала по длинным проводам (до усилителя), с другой стороны. Наличие выносного предусилителя позволяет приблизить усилитель к исследуемому объекту. Частично усиленный в предусилителях сигнал без значимых потерь по экранированным проводам поступает в усилительный блок. АЦП переводит аналоговый сигнал в цифровой. Дальнейшая передача сигнала в виде цифровой информации происходит без потерь и искажений. Перевод аналогового сигнала (непрерывно изменяющегося) в цифровой (дискретный код) называют квантованием (рис. 39).

Рис. 39. Схема преобразования аналогового сигнала в цифровой код 4-х битовым АЦП (По C.Bischoff et al., 1999).

Перевод амплитуды сигнала в цифровой код проводится с разной частотой в зависимости от частотной характеристики рабочего сигнала. Для последующей корректной реконструкции компьютером формы сигнала из цифрового кода частота последовательного опроса значений амплитуды сигнала АЦП должна быть, согласно теоремы Nyquist’а, более чем в 2 раза выше максимальной частоты сигнала (табл. 10).

Таблица 10

Рекомендуемые параметры электромиографа для регистрации биоэлектрических сигналов при различных методиках (По C.Bischoff et al., 1999. Адаптировано)

Для более качественной реконструкции сигнала частота дискретизации должна быть в 5-10 раз выше, чем максимальная частота рабочего сигнала (рис. 40).

Рис. 40. Эффект искажения сигнала при низкой частоте дискретизации (По C.Bischoff et al., 1999).

a – отметка частоты квантования,

b – оцифровываемый сигнал синусоидальной формы,

c – воспроизведение неискаженного сигнала, оцифрованного с высокой частотой квантования,

d – воспроизведение искаженного сигнала, оцифрованного с низкой частотой квантования,

I – частота квантования превышает частоту сигнала более чем в 2 раза,

II – частота квантования менее чем в 2 раза превышает частоту сигнала.

При каждом шаге (дискрете) АЦП проводит оценку амплитуды. Точность оценки амплитуды зависит от количества исходно имеющихся уровней оценки - числа битов АЦП. Двенадцати-битный АЦП имеет 4096 дискретных уровней и наиболее часто используется, однако в последнее время более популярным становится 16-ти битный АЦП.

Усилитель

Визуализация биопотенциалов мышц и нервов возможна на экране катодно-лучевой трубки. Однако для осциллоскопа необходим сигнал с величиной, измеряемой в вольтах, а амплитуда ЭНМГ сигналов в тысячи и миллион раз меньше. Усилитель электромиографа позволяет низкоамплитудные регистрируемые сигналы, измеряемые в микровольтах, усилить в 1000-1000000 раз. Этот процесс осуществляется в несколько этапов. Первый этап - это предусиление, которое позволяет усилить сигнал в 500 раз. На последующих этапах сигнал усиливается в 2-2000 раз. Имеется возможность регулировать коэффициент усиления с лицевой панели ЭНМГ или с клавиатуры компьютера путем изменения так называемого уровня чувствительности с 0.5 мкВ/деление (мкВ/дел) до 20 мВ/дел. Канал усилителя может находиться в 3 состояниях: включенном (режим измерения – «measure»); выключенном (режим – «Gnd»), когда в схеме усилителя входные контакты закорачиваются (соединяются между собой и заземляющим электродом); тестирующем (режим – «Cal»), когда в схеме усилителя на входы подается тестовый калибровочный сигнал прямоугольной формы величиной 10 или 100 мкВ. Величина калибровочного сигнала проверяется на дисплее по соответствию с выставленной чувствительностью усилителей, например, при чувствительности 5 мкВ/дел калибровочный сигнал в 10 мкВ будет занимать высоту, равную 2 делениям. В режиме «Gnd», когда входы усилителя закорочены и внешние сигналы на них не поступают, при выставленной на усилителях максимальной чувствительности (0,5 мкВ/дел или 1 мкВ/дел.) на экране можно увидеть низкоамплитудный высокочастотный сигнал - шум усилителя, который в качественных усилителях не должен превышать 0,6-1,0 мкВ. Высокий коэффициент усиления современных усилителей (1:1000000) приводит не только к усилению необходимого регистрируемого сигнала, но и к значительному усилению наводящих токов. Источником таких наводок наиболее часто являются переменные потенциалы сети 50 Гц, которые значительно превышают уровень биопотенциалов. Подавлять такие сигналы позволяют дифференциальные усилители, т.е. усилители с симметричным входом. Использование дифференциальных усилителей позволяет проводить регистрацию ЭНМГ вне экранированной камеры у постели больного. По сравнению с усилителями с несимметричным входом, где измерялось колебание между исследуемым потенциалом и нулевым потенциалом земли, дифференциальный усилитель измеряет разность потенциалов между двумя электродами (активным и референтным), которые соединены с первым и вторым входом усилителя. В этом случае наводящие потенциалы симметрично будут поступать на оба входа усилителя и нейтрализовываться в схеме усилителя за счет инвертирования сигнала в противофазу с одного из входов усилителя. Такая способность усилителя подавлять симметричный сигнал получила название режекции и измеряется она коэффициентом режекции. Коэффициент режекции должен превышать 100000. Это значит, что усилитель в сто тысяч раз больше усиливает полезный сигнал, чем сигнал помехи. Чтобы регистрировать биопотенциалы без искажения и частичной потери сигнала, усилители имеют большое входное сопротивление предусилителя (100-200 Мом), которое должно значительно превышать межэлектродное сопротивление, составляющее около 50 КОм. Проверку межэлектродного сопротивления в электромиографах позволяет осуществить специальное тестирующее устройство. Показатели межэлектродного сопротивления 1, 2, 5, 10, 20 и 50 КОм допустимы для проведения исследования. При межэлектродном сопротивлении выше 50 КОм амплитуда зарегистрированного потенциала будет меньше реального значения, кроме того, появятся или значительно возрастут помехи (наводка 50 Гц).

Усилитель электромиографа является широкополосным усилителем, т.е. способен усиливать потенциалы в диапазоне от 0,5 Гц до 20000 Гц (20 КГц). Регулируют полосу пропускания частот усилителя фильтры высоких и низких частот. Сужение полосы пропускания частот усилителя за счет ограничения высоких частот (до 5, 2, 1 КГц) приводит к снижению амплитуды высокочастотных сигналов или их исчезновению (рис. 41).

Рис. 41. Эффект влияния различного частотного диапазона фильтров усилителя на амплитуду, длительность и форму ПДЕ (По C.Bischoff et al., 1999. Адаптировано).

a – стандартный частотный диапазон усилителя не искажает сигнал,

b – урезание низкочастотной части диапазона усилителя сглаживает медленносоставляющие компоненты сигнала,

c – урезание высокочастотной части диапазона усилителя снижает амплитуду сигнала.

Расширение частотного диапазона за счет высоких частот (до 20 КГц) приводит к увеличению высокочастотных помех (шума). Ограничение низких частот усилителя до 20, 50, 100 Гц, деформирует форму сигнала (рис. 41b), а чрезмерное расширение до 1,0; 0,5 Гц приводит к неустойчивости изолинии, что искажает потенциалы. Для каждой методики используется свой диапазон частот, который в компьютерном электромиографе выставляется автоматически (в режиме по умолчанию – default) в зависимости от выбранного протокола исследования. Так, при регистрации глобальной ЭМГ граничную нижнюю частоту выставляются на значении 5 Гц, а верхнюю – на 2 КГц. Рекомендуемые Международной федерацией клинической нейрофизиологии параметры фильтров приведены в таблице 10. Кроме ограничения полосы пропускания частот с верхней и нижней стороны, в усилителях имеется возможность ограничивать прохождение частоты 50 Гц – частоты бытовой и промышленной электросети (60 Гц на территории США). При значительной наводке 50 Гц необходимо включить режекторный фильтр. Это уменьшает помеху, однако может искажать потенциалы и составляющие сигналы с длиной волны 20 мс, поэтому в ряде методик (например, игольчатой ЭМГ) включение режекторного фильтра запрещается (отключается в режиме по умолчанию).

В усилительном блоке могут располагаться несколько каналов усиления в точном соответствии с числом каналов электромиографа. Количество каналов в современных электромиографах может быть от 1 до 8. Характеристики чувствительности усилителя, полосы пропускания частот можно устанавливать на разных каналах разные или одинаковые – в зависимости от методики исследования. Во входном гнезде каждого канала усилителя имеются 2 входных контакта (первый и второй). Их нумерация жестко закреплена: активный электрод должен подсоединяться к первому контакту, а референтный - ко второму. Это позволяет получать на экране негативную фазу потенциалов всегда с отклонением вверх от изолинии, а позитивную вниз от изолинии.

Дисплей

Осциллоскоп (дисплей, или визуализатор) является составляющей частью электромиографа и позволяет увидеть регистрируемые сигналы мышц и нервов на экране. В компьютерных электромиографах функцию дисплея выполняет электронно-лучевой или жидко-кристаллический монитор компьютера. Луч электронно-лучевой трубки выводится на экран с перемещением слева направо за счет подачи стандартного напряжения в горизонтальной плоскости. Такое перемещение луча в горизонтальной плоскости называют горизонтальной разверткой. Смещение луча в вертикальной плоскости (вертикальная развертка) обусловлено меняющимся напряжением, подаваемым в вертикальной плоскости с канала усилителя. Таким образом, ЭНМГ сигнал, усиленный в усилителе, отклоняет луч вверх и вниз, формируя графическую форму потенциала, которая для удобства восприятия с помощью синхроимпульса располагается всегда в заданной области экрана. Для удобства представления ЭНМГ сигналов на экране используется триггерная система представления нерегулярно появляющихся сигналов с помощью синхроимпульса. Синхроимпульс – импульс, генерирующийся одновременно с рабочим сигналом и подающийся на экран для «запуска» горизонтальной развертки, чтобы зарегистрированный сигнал выводился на экран в заданном месте и был хорошо виден. Для регистрации событий, до триггерного выведения сигнала на экран используется система задержки (delay) между синхроимпульсом и регистрируемым потенциалом. Величина задержки (delay line) в зависимости от скорости горизонтальной развертки составляет несколько миллисекунд. Скорость горизонтальной развертки устанавливается в соответствии с длительностью сигнала и удобством его визуального анализа. При низкой скорости горизонтальной развертки ее выражают в см/с (сантиметры, или деления в секунду) как, например, при регистрации поверхностной ЭМГ; при большой скорости развертки – в мс/см (миллисекунды в сантиметре, или делении) как, например, при измерении скорости проведения импульса по нерву. Скорость луча в вертикальной плоскости отражает чувствительность канала усилителя и выражается обычно в мкВ/см (мкВ/дел) или в мВ/см (мВ/дел). Чем выше чувствительность, тем больше скорость вертикальной развертки.

Количество горизонтальных линий на экране соответствует числу каналов усилителя. В компьютерных электромиографах при работе по протоколам отдельных методик (определение скорости проведения по нервам, исследование параметров потенциалов действия двигательных единиц и др.) используется, как правило, один канал, в связи с этим дополнительные горизонтальные трассы (пробеги луча) используются для вывода на экран последующих сигналов, получаемых по одному каналу.

Компьютерный блок

Компьютерный блок значительно облегчает проведение исследования и анализ зарегистрированных сигналов. Компьютер электромиографа позволяет управлять с одной клавиатуры рядом процессов: выбирать канал усилителя, устанавливать чувствительность, граничные низкие и высокие частоты каналов усилителя, проверять межэлектродное сопротивление, подавать калибровочный сигнал, накапливать и обрабатывать регистрируемые сигналы, управлять стимулятором и печатающим устройством. Оснащение электромиографа компьютером позволило значительно облегчить процесс накопления ЭНМГ потенциалов (acquire) и хранить их в оперативной памяти компьютера (store). Это значительно сокращает время обследования больного, так как после окончания обследования пациента записанные потенциалы можно просмотреть, выбрать необходимые для анализа и, после удаления ненужной излишней информации, обработать. Электромиографические кривые можно запомнить на жесткий диск компьютера, т.е архивировать, и использовать эту информацию при динамическом наблюдении. Используемый ранее в составе ЭНМГ установки регистрирующий блок в компьютерных электроэнцефалографах не нужен, так как визуальный и количественный анализ сигналов проводится непосредственно на дисплее. При необходимости иметь документальную копию картина сигналов на экране может быть распечатана на принтере.

Стимулятор

Электростимулятор позволяет раздражать нервы на протяжении и регистрировать так называемые вызванные потенциалы, т.е. те, которые возникают искусственно в исследовательских целях. Работа стимулятора синхронизирована с монитором для того, чтобы вызванные потенциалы мышц и нервов предъявлялись на экране в одном и том же месте. Стимулятор может генерировать как постоянный ток, так и импульсный ток. В ЭНМГ исследовании в основном используют импульсный ток. Стимулятор генерирует импульсы прямоугольной формы. Интенсивность воздействия импульса определяется его площадью, т.е. как амплитудой, так и длительностью. Стимулятор может генерировать импульсы фиксированной длительности: 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.7 и 1.0 мс. В сформированных протоколах электромиографа длительность импульса, как правило, установлена 0.1 мс. При необходимости длительность можно изменять, например, при частичной денервации мышц длительность повышают до 1 мс, так как нерв становится плохо чувствительным к импульсам малой длительности, и амплитуда ответов может быть заниженной или вовсе отсутствовать. Длительность импульса больше 1 мс не применяется, так как в этом случае значительно увеличивается артефакт от раздражающего стимула, который деформирует нулевую линию между окончанием раздражающего стимула и началом регистрируемого сигнала. Интенсивность стимула регулируется плавно с помощью ручки или с клавиатуры компьютера. Интенсивность раздражения может регулироваться по току (от 0.1 до 100 мА) или по напряжению (до 0,5-500 вольт). Предпочтительнее использовать выход стимулятора по току, так как на возбуждающее действие оказывает влияние величина проходящего через ткань тока, а не величина напряжения. Кроме одиночных стимулов, возможна ритмическая подача стимулов или пачек стимулов с частотой от 0.1 Гц до 100 Гц. Стимуляторы реализуют режим подачи парных стимулов с регулированием межстимульного интервала, что необходимо при проведении методики с парной стимуляцией в тестировании синаптической передачи и Н-рефлекса. Использование задержки подачи стимула по отношению ко времени запуска горизонтальной развертки экрана позволяет сместить комплекс «артефакт стимула – ЭНМГ сигнал» от левого края экрана в центр. В электростимуляторах ряда фирм имеется два и более изолированных стимуляционных выхода, позволяющих давать одновременно раздражения в нескольких участках нерва на его протяжении с разной интенсивностью и задержкой. Эта техническая возможность необходима при исследовании прямых и рефлекторных ответов методом коллизии и облегчения.