Transcript آمپلي فاير تفاضلي - Semnan University of Medical Sciences

Electrodiagnostic
Amir H. Bakhtiary
PhD. PT
Associate Professor
Physiotherapy Department
Rehabilitation faculty
Semnan University of Medical Sciences
Instrumentation
‫دستگاه الكتروميوگرافي و اجزاي آن‬
‫دستگاه‌هاي الكتروميوگرافي ‪ Electromyography‬به گونه اي طراحي‬
‫شدهاند تا بتوانند سيگنالهايي بسيار كوچك با آمپلي تود ‪ µV 0/5‬تا ‪10‬‬
‫‪ mV‬و فركانس ‪ 1‬تا ‪ Hz 30000‬را ثبت نمايند‬
‫اين دستگاه‌هاي الكتروميوگرافي از دستگاه‌هاي الكتروانسفالوگراف و‬
‫الكتروكارديوگراف پيچيده‌تر مي‌باشند‪ .‬اساس ي‌ترين اجزاي يك دستگاه‬
‫الكتروميوگرافي عبارتند از‪ :‬آمپلي فاير‪ ،‬اسيلوسكوپ‪ ،‬آمپلي فاير بلندگو‪،‬‬
‫تحريك كننده‪ ،‬دستگاههاي ثبات‪.‬‬
‫بخش‌هاي اساس ي و ضروري يك دستگاه الكتروميوگرافي از جمله آمپلي فاير‪،‬‬
‫دستگاه تحريك‪ ،‬اسيلواسك ‌وپ‪ ،‬واحد ذخيره سيگنال‪ ،‬دستگاه ثبات‪ ،‬آمپلي فاير‬
‫شنوايي‪ ،‬بلندگو و الكترودهاي مختلف تحريك و ثبات‪.‬‬
‫محدوده‪ ،‬دامنه ولتاژ و فركانس تست‌هاي مختلف دستگاه‌هاي‬
‫الكتروميوگرافي‪ ،‬الكتروآنسفالوگرافي و الكتروكارديوگراف‪.‬‬
‫آمپلي فاير يا تقويت كننده‬
‫سيگنال‌هاي نوروفيزيولوژيك آمپلي تود دارند و براي مشاهده بهتر اين‬
‫سيگنال‌ها و نيز بررس ي پارامترهاي آن بايد تقويت شوند‪.‬‬
‫آمپلي فايرها جريانات الكتريكي را به ولتاژ الكتريكي تبديل و سپس تقويت کرده و‬
‫سيگنال‌هاي ناخواسته يا نويز )‪ (Noise‬آن را کاهش داده‬
‫براي كاهش تداخل و تزاحم نویزها از پيش تقويت كننده ها یا ‪(Pre-‬‬
‫)‪ amplifier‬استفاده میشود‪ .‬نخستين مرحله تقويت سيگنال در پيش‬
‫بگيرد‬
‫تقويت كننده انجام شده که بهتر است نزدیک بيمار قرار ‌‬
‫‪Pre-amplifier‬‬
‫پري آمپلي فايرها‪ ،‬با کاهش امپدانس (مقاومت صوری در مقابل جریان‬
‫متناوب) منبع سيگنال از چندين هزار اهم در الكترود به چند اهم باعث‬
‫كاهش مكانيسم اثر تداخل امواج مزاحم یا نویز مي‌گردند‬
‫به طور كلي دو نوع آمپلي فاير در وجود دارد‪:‬‬
‫‪ )1‬آمپلي فاير ساده يا غير تفاضلی یا ‪Simple Amplifier‬‬
‫‪ )2‬آمپلي فاير تفاضلي یا ‪.Differential Amplifier‬‬
‫آمپلي فاير ساده يا آمپلي فاير غير تفاضلي‬
‫آمپلي فايرهاي ساده از يك سيم به عنوان رابط گيرنده سيگنال و از‬
‫سيم ديگر به عنوان مرجع يا رفرنس براي اتصال به زمين استفاده‬
‫مي‌کنند (بنابراین اختالف پتانسیل جریان ورودی به آمپلی فایر‬
‫نسبت به زمين سنجیده می شود)‪.‬‬
‫اشكال اين آمپلي فاير اين است كه قادر نيست اختالف پتانسيل بين‬
‫يك جفت الكترود را نشان دهد و در واقع اختالف پتانسيل بين‬
‫الكترود ثبات و همان نقطه رفرانس یا زمين را نشان مي‌دهد‪.‬‬
‫در آمپلي فايرهاي ساده پتانسيل بيوالكتريك جمع آوري شده توسط الكترودها‬
‫بهمراه سيگنالهاي ناخواسته ‪ 50‬تا ‪ 60‬هرتز از برق شهر و منابع ديگر وارد آمپلي‬
‫فاير شده و تقويت مي‌گردد‬
‫آمپلي فاير تفاضلي‬
‫‪Differential Amplifier‬‬
‫در آمپلي فايرهاي تفاضلي يا ديفرانسيلي به هر آمپلي فاير دو ور ‌ودی فعال‬
‫وارد مي‌شود و اختالف بين دو ورودي تقويت مي‌گردد‪ .‬به عبارت ديگر آمپلي‬
‫فايرهاي تفاضلي موارد مشترك وارد شده را حذف کرده و تنها اختالف‬
‫پتانسيل دو ورودی )‪ (input‬را تقويت مي‌نمايند‬
‫پتانسيل‌هاي هم فاز در دو ‪ input‬تحت عنوان پتانسيلهاي مشترك‬
‫یا ‪ Common Mode Potentials‬ناميده مي‌شوند و در آمپلی‬
‫فایر تفاضلی حذف می شوند‬
‫ً‬
‫معموال يك آمپلي فاير تفاضلي شامل دو آمپلي فاير ثبات مجزا است كه‬
‫همراه يك الكترود سوم متصل به زمين كار مي‌كند‪ .‬از تركيب اختالف‬
‫پتانسيل تقويت شده بين دو سيم ورودی اين دو آمپلي فاير (با توجه به‬
‫الكترود زمين) خروجي تشكيل مي‌شود‬
‫براي مثال اگر ‪ VA‬و ‪ VB‬سيگنال‌هاي بيولوژيك باشند‬
‫که توسط الكترودهاي ‪ A‬و ‪ B‬با توجه به زمين ثبت‬
‫شده باشند و ‪ VC‬جزء پتانسيلهاي هم فاز و مشترك‬
‫ثبت شده در هر دو الكترود ‪ A‬و ‪ B‬باشد‪ ،‬خروجي آمپلي‬
‫فاير به شكل زير خواهد بود‪:‬‬
‫‪[VA + VC] - [VB + VC] = VA – VB‬‬
‫بنابراين اختالف سيگنال‌ها تقويت و سيگنالهاي مشترك‬
‫حذف ميگردند‪.‬‬
‫ويژگيهاي آمپلي فايرهاي تفاضلي‬
‫آمپلي فايرهاي تفاضلي ويژگيها و خصوصیاتی دا ‌رند كه‬
‫مهمترين آنها عبارتند از‪:‬‬
‫‪ -1‬نسبت حذف سيگنالهاي مشترك یا ‪Common Mode Reject Rate‬‬
‫‪ -2‬امپدانس (مقاومت) ورودي باال‬
‫‪ -3‬ميزان بازدهی یا ‪Gain‬‬
‫ويژگيهاي آمپلي فايرهاي تفاضلي‬
‫‪ )1‬نسبت حذف سيگنالهاي مشترك یا‬
‫‪Common Mode Reject Rate‬‬
‫توانايي و قدرت يك آمپلي فاير تفاضلي براي حذف سيگنال‌هاي‬
‫مساوي و مشترك را ‪ CMRR‬مي‌گويند‬
‫بدن انسان مثل يك آنتن سيگنال‌هاي الكترومغناطيس را دريافت ميكند ‌و اين‬
‫سيگنال‌ها به طور مساوي به هر دو الكترود ميرسند و به همين علت هم فاز‬
‫بوده و بنابراين مي‌توان با حذف سيگنال‌هاي مشترك در دو الكترود‪ ،‬اختالف‬
‫پتانسيل بين دو الكترود را تقويت كرد‬
‫ويژگيهاي آمپلي فايرهاي تفاضلي‬
‫‪ )1‬نسبت حذف سيگنالهاي مشترك یا‬
‫‪Common Mode Reject Rate‬‬
‫‪ CMRR‬را به صورت دس ي بل ‪ dB‬نيز نشان مي‌هند و با فرمول زير‬
‫محاسبه مي‌گردد‪:‬‬
‫‪CMRR (dB) = 20 log CMRR‬‬
‫مقدار ايده آل ‪ dB 80 -100‬است‪ .‬مقادير‬
‫‌‬
‫حداقل ‪ CMRR‬باید ‪ dB 20‬باشد‪ ،‬ولي‬
‫باالتر ‪ CMRR‬براي حذف اثر سیگنالهای تداخلی و مزاحم هنگام ثبت ضروري است‪.‬‬
‫ويژگيهاي آمپلي فايرهاي تفاضلي‬
‫‪ )2‬امپدانس (مقاومت) ورودي باال‬
‫يكي از راه حلهاي موجود براي حذف نویز استفاده از آمپلی فایر با امپدانس‬
‫ورودی زیاد است‪ .‬يعني مقاومت ورودي آمپلي فاير نسبت به عبور جريان باال‬
‫باشد‪ .‬واحد این مقاومت ورودی اهم است‪.‬‬
‫مزایای استفاده از آمپلي فايرهاي با امپدانس ورودی باال شامل‪:‬‬
‫الف‪ -‬جلوگيري از انحراف جريان و کاهش شدت آن در آمپلي فاير‪،‬‬
‫ب‪ -‬حفظ انرژي سيگنال الكتريكی عضله‪،‬‬
‫ج‪ -‬كاهش تأثير امواج تداخلي یا نویز‪،‬‬
‫د‪ -‬كاهش احتمال از دست دادن سيگنال بیوالکتریک‬
‫ويژگيهاي آمپلي فايرهاي تفاضلي‬
‫‪ )2‬امپدانس (مقاومت) ورودي باال‬
‫در الكتروانسفالوگرافي حداقل امپدانس ورودي بايد ‪ 5‬تا ‪ M 10‬که در‬
‫‪ EMG‬باید حدود ‪ M 100‬باشد‪ .‬اگر امپدانس ورودی آمپلی فایر حداقل‬
‫‪ M 20‬باشد‪ ،‬انرژي سيگنال تا حدود ‪ %99‬حفظ ميگردد‪.‬‬
‫مقاومت ايده آل ‪ M 100‬است‪ ،‬زيرا ديگر نيازي به آماده كردن پوست‬
‫نمي‌باشد و انرژي سيگنال تا حدود ‪ %99.9‬حفظ مي‌گردد‪.‬‬
‫ويژگيهاي آمپلي فايرهاي تفاضلي‬
‫‪ )3‬بازدهی یا ‪Gain‬‬
‫بازدهي عبارت است از نسبت ولتاژ خروجي به ولتاژ ورودي كه به‬
‫صورت لگاريتمي و بر حسب دس ي بل ‪ dB‬بيان مي‌گردد و براي محاسبه‬
‫آن ‌از فرمول زير استفاده مي‌ش ‌ود‪:‬‬
‫)‪Voltage(Output‬‬
‫‪Gain  20log‬‬
‫)‪Voltage( Input‬‬
‫بنابراين اگر ولتاژ خروجي ‪ 70‬و ولتاژ ورودي ‪ 100‬باشد طبق فرمو ‌ل‬
‫‪70‬‬
‫‪Gain  20 log‬‬
‫‪ 3dB‬‬
‫‪100‬‬
‫ويژگيهاي آمپلي فايرهاي تفاضلي‬
‫‪ )3‬بازدهی یا ‪Gain‬‬
‫به طور كلي آمپلی فایرهای الکترومیوگرافی بايد داراي بازدهي و ولتاژ باال و‬
‫يكساني براي تمامي فركانس‌ها در محدوده ‪ 2‬تا ‪ 10000‬هرتز باشد در اين‬
‫صورت بازدهي آمپلي فاير برابر با ‪ -3‬يا ‪ dB -6‬باشد‪.‬‬
‫بدین ترتیب حدود ‪ %50‬تا ‪ %70‬دامنه پتانسيل‌هاي مورد نظر حفظ خواهد‬
‫شد و از طرف ديگر سطح نويز نيز پايين خواهد بود‪.‬‬
‫در آمپلی فایرها‪ ،‬براي كنترل آمپلي تود از تنظیم حساسيت یا ‪Sensitivity‬‬
‫و براي كنترل فركانس از فيلتر فركانسها استفاده مي‌گردد‪.‬‬