EE127 Biopotential Amplifiers Ecg

March 20, 2018 | Author: Yrbin Sckotch | Category: Amplifier, Electrocardiography, Operational Amplifier, Electromyography, Electronic Filter


Comments



Description

Biopotential AmplifiersECG Amplifier Basic Requirements • Essential function of a biopotential amplifier is to take a  weak electric signals of biological origin and increase its  amplifier • They must have high input impedance so that they provide  minimal loading to avoid distortion of the signal. Typical  input impedances are 1MΩ.  • Input circuit must provide protection. No currents must  appear at the input terminals. • Output circuit is primarily used to drive the amplifier load – output p  impedance p  should be low. • Biopotential amplifiers must be designed to be optimal in a  particular frequency range as needed by the signal to  obtain optimal p  signal g  to noise ratios. l The h  voltage l  is i  in i  the h   range of 1 mV ~ 5 mV • The second stage is an instrumentation amplifier. .ECG Recording System • The first stage is a transducer (AgCl electrode).04 Hz to 150 Hz filter. Normally  implemented by cascading a low‐pass filter and a high  pass filter. which  has a very high CMRR (90dB) and high gain (1000) • Opto‐coupler to isolate the input and output of amplifier  by converting the electrical signal to light and then back • Bandpass filter of 0. which  convert ECG into i  electrical l i l voltage. Cardiac Vector • • Heart generates an electrical signal  Electrical activity of the heart can be modeled as an  electric dipole located in a conducting medium where  a dipole consists of points of equal positive and  negative charge separated from one another and is  denoted by the dipole moment The dipole moment is a vector from negative charge  to positive charge having the magnitude proportional  to the separation of these charges.  This dipole moment is called the cardiac vector.  • • • • . The cardiac vector indicates the direction of the  depolarization in time.  represented by M Its magnitude and direction vary during the cardiac  cycle as the dipole field varies itself.  so no voltage component is  seen in this lead. The  component of M in the direction of a1 is given by  the dot product of these two vectors and denoted  on the figure by val.a1=|M| cosθ M a2 θ υa1 + Figure 6. Lead vector a2 is perpendicular  to the cardiac vector.  We can do that by  connecting leads on the  surface of the body to  d detect  biopotentials.We want to capture the  cardiac vector M by looking  at t vector t  components t  . . b l  then h   a1 the voltage difference  introduced in the lead is the  projection of the cardiac  vector A lead is defined as a  connection between 2  electrodes placed on the  body  Va1=M.2 6 2 Relationships between the two lead  vectors a1 and a2 and the cardiac vector M.  LL and RA are  fed to the inputs of the  instrumentation ‐ diff differential ti l amplifier lifi I+III=II .Example of Leads – Eindhoven’s triangle • Connection between 2  electrodes  • The Th  primary i  leads l d  are – – – – Lead I: LA to RA Lead II: LL to RA Lead III: LL to LA  RL for ground • For a lead II system which is  very y common. . Concept of Wilson’s Central Terminal • Wilson et al.  • Wilson’s terminal is not ground  – but the average of the limb  potentials with the total  current at this point to be zero • There are other lead  configurations called  Augmented Leads . suggested the use  of the central terminal as a  reference for measuring the  electrode potentials • This reference was formed by  connecting a 5 kW resistor  from the limb electrode to the  common point point. Other Leads – Augmented  For signal augmentation – Disconnect the unipolar electrode y you are measuring g from the wilson’s terminal and then measure . Chest Leads V1‐V6 Chest leads V3‐V4 best for septal defects The most commonly used  clinical ECG‐system. V5. V2. the 12‐ lead ECG system. III aVR. V4. V6 . aVF V1. consists of  the following 12 leads leads. V3. II. which  are:  I. aVL. 12  0.16  0 02 t 0.13 13  0.000 to 0.06 to 0.0 to 0.ECG Wave ECG Nominal  Data wave  P  Q  R  S  T  Lead I 0.42  Lead II  0.18  0 18 t 0.49  0.0 to 0.015 to 0.02 to 1 1.55  Lead III ‐0.06 to 0.073 to 0.03 to 1 1.06 to 0.30  .68 68  0.18 to 1 1.19  0.0 to 0.0 to 0.28  0 03 t 0.31 31  0.55  0.13  0.36  0.0 to 0.0 to 0. 7 Block diagram of an electrocardiograph .Design of an ECG circuit Right leg electrode Sensing electrodes Lead‐fail detect Driven right leg circuit ADC Memory Amplifier protection circuit Lead selector Preamplifier Isolation circuit Driver amplifier Recorder Ð printer Auto Baseline calibration restoration Isolated power supply Parallel circuits for simultaneous recordings from different leads Microcomputer Control program ECG analysis program Operator display Ke board Keyboard Figure 6. Main Components of the ECG Circuit Preamplifier ‐Initial Amplification ‐Needs very high I/P impedance ‐High CMRR ‐Typically. it is a 3 opamp  differential amplifier with a  gain control switch Driver Amplifier ‐Amplification of the ECG signal for  appropriate recording Isolation circuitry ‐Blocks the ECG from power line  frequencies eque c es Driven right leg circuit ‐Provides a reference point on the  body instead of ground . Preamplifier Design Design g  Specifications p Amplification Range: 20‐2000 Frequency Range (0. Gd=4 4. We can replace R4 in  y a potentiometer p  to  this circuit by adjust to increase common mode  rejection.7 7 and  Gc=0.0047 which is good Common  Mode rejection. .5MΩ Hi h CMRR (Ex High (E  60dB) Step 1: Single Opamp Differential Amplifier For this differential amplifier  VOUT = (V1 – V2)R4/R3 For a CMRR>60dB or CMRR>1000  Gd/Gc>1000 Gd is governed by R4/R3 if we choose  R4=47K R4 47K and R3 R3=10K 10K.05‐150Hz) High Input Impedance 2. • Step 2: Consider the 2 opamp stage and design  it for high gain VOUT Gain= = (V1 – V2)(1+2R2/R1) VOUT 1+2R2/R1 If we choose R2=22K R2 22K and R1=10K R1 10K.4 . then gain=(1+(2*22)/10))=5.Preamplifier Design Cont. 4~25 VOUT = – (V1 – V2)(1 + 2R2/R1)(R4/R3) .Preamplifier Design Cont.7*5. • Step 3: Cascade the 2 opamp stage with the  differential amplifier Total Gain of the instrumentation amplifier  =4. STEP5 Preamplifier with Filtering Low Pass  f=1/(2*pi*RC)~106Hz Truncates frequencies>106Hz STEP6 Non‐inverting amplifier Gain=(1+150K/4.7K)~32 ( / ) Total Gain=25*32=800 STEP4 High Pass τ=RC=3.3s f=1/(2*pi*RC)~0.05Hz Passes  frequencies>0.05Hz .  the High Pass Filter stage should be placed immediately after the  d ff differential l amplifier l f  to chop h  off ff the h  DC component of its output.Some additional design considerations High gain stages early in the signal path. Otherwise. this  DC component will be amplified by the gain stage g g  and may y saturate the  following op‐amps .  However. 2nd order filter Salley‐Key high pass filter .Its gain is determined by the resistor Rg.  This  coupling is modeled as a capacitor. This is  quite high. VA ‐ VB =  Id1*(Z1‐Z2) ~120µV if Id1 is in nA and  difference of Z1‐Z2 is in KΩ. Interference from Electric Devices – Power line  interference Power line C2 Z1 Id1 Id2 C1 120 V C3 There is electric field coupling  between the power line and the lead  wires and/or ECG amplifier. A B Electrocardiograph G ZG Id1+  Id2 Figure 6. Also lowering skin‐ electrode impedances may help.Problems with ECG. Hence the voltage VA ‐ VB = Id1*Z1‐Id2*Z2. If the electrodes are  placed close together the currents are  approximately the same. Coupling  capacitance between the hot side of  the power line and lead wires causes  current to flow through skin‐electrode  impedances on its way to ground. . This can be minimized by shielding  the leads and grounding each shield  at the ECG unit.10 A mechanism of electric‐ field pickup of an electrocardiograph  resulting from the power line. Body impedance is low ~  500Ω. It  causes a current to flow from  the  Z2 power line through the skin‐electrode  impedance through the body to  ground. Hence the h  skin k  electrode l d  impedances d  become b  critical l in  the design of the biopotential amplifiers .2µA and ZG=50KΩ. Any imbalance  in the input  contribute to the common mode  signal.  υcm Z1 υcm Electrocardiograph A Zin B Zin Z2 υcm ZG idb G Figure 6. But for real amplifiers with finite input  impedance.  mode voltages such as powerline interference . VA‐VB=Vcm ((Z2‐Z1)/Zin) if Z1 and Z2 are <<Zin. there is some Vcm that appears in the  output   output.11 Current flows from the  power line through the body and  ground d impedance. Typical values  are 10mV for idb=0.  The magnitude of this signal is Vcm=idb*Z ZG. Power line 120 V Cb idb There is also a possibility of current from the power line  to flow through the body as shown causing a common  model voltage to appear in the signal.Problems with ECG. i d  th thus creating ti  a  common‐mode voltage everywhere on  Hence we need to keep input impedance high  And skin‐electrode impedance equal to remove common  the body. For a perfect amplifier this is no problem as the  differential amplifier with reject the common mode  signal. Electrom ographic interference on the ECG. • Other sources of  interference – Magnetic field pickup EMG i interference t f Figure 6.Problems with ECG Cont. Figure 6.  . (b) This effect can be  minimized by twisting the lead wires  together and keeping them close to the  body in order to subtend a much  smaller area.9 (a) 60 Hz power‐line  interference  (b) Electromyographic interference. The  change in magnetic field passing  through this area induces a current in  the loop.12  Magnetic‐field pickup by  the elctrocardiograph (a) Lead wires for  lead I make a closed loop (shaded area)  when patient and electrocardiograph  are considered in the circuit.   • Voltage limiting devices such as diodes are used for protecting the  ECG circuitry and are connected between the lead and RL ground.14 6 14 Voltage‐limiting devices (a) Current‐ voltage characteristics of a voltage‐limiting  device. (b) Parallel silicon‐diode voltage‐limiting  circuit.  • These occur for example in the operating room when the ECG is  combined with the use of an electrosurgical unit that will induce  high transient voltages into the patient.13 A voltage‐protection scheme  at the input of an electrocardiograph Figure 6. Figure 6. (c) Back‐to‐back silicon Zener‐diode .Problems with Transients • To protect the ECG circuit against high voltages we need voltage  limiting circuitry. Other Problems frequently  encountered with the ECG • Frequency Distortion: High frequency  distortion ‐ Rounding off the QRS  waveform and diminishing its  amplitude. take long time for recovery due  ECG to the large charge built up in the  capacitors. g  the p patient  current will flow through presenting a safety problem as well as  •Artifacts from Large Transients – elevating the patients body potential  Cause a large abrupt deflection in the  projecting erroneous voltages in the  ECG. Low frequency distortion – baseline is no longer horizontal after an  event. and a finite period of time is  Peaks of the QRS are cutoff required for the charge to bleed off enough  to bring the ECG back into the amplifier’s  Ground Loops – If 1 ground of 1 device  active region of operation. • • .  saturate.  Saturation or cutoff distortion – High  Figure 6. a  a first‐order recovery of the system. This is followed by  is higher than the ECG ground.8  Effect of a voltage transient on an  ECG recorded on an electrocardiograph in  offset voltages and improperly adjusted  which the transient causes the amplifier to  amplifiers can produce saturated ECGs.  we  can try to eliminate the common model  signal at the source. For instance  Electric l  and d Magnetic f field ld pickup k  can  be minimized by electrostatic shielding υ RL and twisting of lead wires. potential  This negative  feedback causes the output common  mode signal to be low.  cm id − + υ3 Ra − + υ4 Ra Rf − Auxiliary op p amp p + Ro • RL . Another h  solution l i  i is the h  Driven i ‐Right i h  Leg R System where the RL electrode is  connected to the O/P of an auxiliary  opamp  The common mode signal  opamp. Even though  the amplifier will help in eliminating  these because of the high CMRR. sensed by the voltage followers is  amplified and fed‐back to the body – raising the RL potential.Common mode reduction circuits • Common mode signal from the body or  power line is a problem.  EMG is the electromyogram.16  Voltage and frequency ranges of some common biopotential signals.Design considerations with other  p amplifiers Figure 6. EOG is the electrooculogram. EEG is the elctroencephalogram. dc  potentials include intracellular voltages as well as voltages measured from several  points on the body. ECG  is the electrocardiogram. and AAP is the axon action  potential.  .   Typical surface EMG signals for large muscles.  To observe an EMG signal.  Muscles generate voltages around 100 mV when they contract. These  voltages lt  are greatly tl  attenuated tt t d  b by i internal t l tissue ti  and d the th  skin.EMG Amplifier – Basics and Design • • • • • • • • • EMG stands for electromyogram It is measurement of electrical potentials created by the contraction of  muscles. We will also want to use a circuit the draws nearly zero current from the  p  leads. ki  and d they th   are weak but measurable at the surface of the skin.  EMG signals contain frequencies ranging from 10 Hz or lower up to 1 kHz  or higher.  We reject this signal by looking at the difference in voltage between two  nearby points on the skin over the muscle of interest. are  around 1‐2 mV in amplitude. we need to build a differential amplifier with  high common‐mode rejection The dominant common mode voltage signals on our bodies is usually a 60‐ Hz sine wave that is capacitively coupled to us from the 120‐VAC wiring in  the walls. such as the bicep. since dc current p passed through g  EMG electrodes can lead to  input large dc offsets and degrade the long‐term usefulness of the electrodes. . . 2 nA or devices with MOSFETS (lower input currents. To observe an EMG we need EMG electrodes.  Amplitudes visualized should be 100‐300mV. but they generally  exhibit higher levels of noise).  You can essentially plot gain over frequency for  varying I/P frequency. For  example you can set a gain of 201. . noise)  TL084 is identical to that of the LM324 in the pin diagram For safety the best method is to connect two 9V batteries for power supply You can design the instrumentation amplifier (3 opamp one) we discussed in class. 201  Gain is (1 + 2R2/R1)(R4/R3) We can use values like 10KΩ for all resistors except R2 and 1MΩ for R2 to get an overall  gain of 201. Connect the other two electrodes to the  input of the opamp and observe the response on the oscilloscope by flexing the bicep. You can measure the overall gain of your circuit by applying a small amplitude  1KHz sine wave from a function generator. this is a good g  grounding g g p point. The 3rd electrode  can be b  stuck t k to t  th the b bone i in your elbow lb  of f the th  same arm and d that th t is i  connected t d to t  ground d  i in  the EMG circuit. We can stick two of these electrodes on the  muscle of interest (ex. This will keep your body potential  near your circuit’s ground potential. Connect your elbow to circuit ground. With cutoff around 10 Hz . To avoid any DC offsets from the electrodes – we can add high pass filter to the instrumentation amplifier. Since there are no muscles at your elbow to generate  electric p potentials.• • • • • We can build an EMG circuit using an instrumentation amplifier with opamps such as  LM741 and LM324(BJT devices input currents of 100‐500 nA) or TL084 device with JFETs – input currents <0. close to each other but not overlapping). bicep.
Copyright © 2024 DOKUMEN.SITE Inc.