Analogna elektronika лево|мини|288x288пиксел|Slika 1: Instrumetacioni pojačavač Analogna elektronika je grana elektronike koja se bavi analizom i obradom analognih signala koji su po vremenu i amplitudi kontinualni. Pojam analogna se odnosi na proporcionalost signala i veličine koja ga opisuje, bila to struja ili napon. Zadatak analogne elektronike jeste projektovanje analognih električnih kola i analiza istih. Primjeri analognih elektronskih kola su ispravljači, stabilizatori, oscilatori, filtri, modulatori, demodulatori, CFB pojačavači, operacioni pojačavači kojih ima mnoštvo, neki od njih su naponski komparator, neinvertujući, invertujući, instrumentacioni, diferencijator, integrator, sabirač, diferencijalni pojačavač. Savremena elektronika se bazira na PN spoju koji nastaje spajanjem dva poluprovodnika od kojih je jedan P-tipa, a drugi N-tipa. Gotovo svaka važna komponenta ga sadrži u sebi, poput dioda, BJT(bipolarni tranzistor), MOSFET, JFET i drugi. Takođe, pomenuti pn spoj predstavlja osnovu velikog broja optoelektronskih komponenti, poput poluprovodničkih lasera, solarne ćelije, fotodetektora, itd. Važno je napomenuti i da u elektronici postoji veliki broj režima rada sa pn spojem zbog čega savremena elektronika ima veliki značaj. Režimi koji se najviše sreću u elektronskoj teoriji i praksi su prekidački, ispravljački i pojačavački. Kolo na slici 1. predstavlja instrumentacioni pojačavač. U biomedicinskim aplikacijama instrumentacioni pojačavač zahtjeva veliko pojačanje, dobar CMRR(faktor potiskivanja srednje vrijednosti signala)sa manje šuma i nisku snagu optimizacije. Ovo kolo ima mogućnost regulacije pojačanja pomoću otpornika R1, pritom promjena njegove otpornosti ne utiče na CMRR, te on ima mogućnost da pojačava male ulazne signale zbog čega je našao široku primjenu u medicini.
Struja kroz otpornik R1
i Na osnovu struje koja teče kroz R1 i R2 nje možemo da nađemo napone na izlazima pojačavača op1 i op2:
Struja kroz otpornike R3 i R4
Konačni izraz za izlazni napon
Medicinska elektronika Medicinska elektronika je grana elektronike u kojoj se elektronske komponente, a samim tim i elektronska kola i instrumenti primjenjuju u medicinske svrhe, to mogu biti dijagnostika, liječenje, elektronska kontrola anestezije, kontrola rada srca, razna klinička istraživanja, pa čak i najsloženije procudere kao što su operativni zahvati u kojima je neophodna izuzetna preciznost. Medicinska elektronika je jedno od najbrže rastućih naučnih polja ove ere. Na siguran način obezbjeđuje najpreciznije i najpouzdanije rezultate u oblasti medicine. Preciznm mjernim instrumentima i brojnim inovacijama ova grana odgovara na potrebu čovjeka za tačnošću, sigurnošću, brzinom. Koriste se u dijagnostici i tretiranju različitih bolesti i stanja. Ova naučna disciplina zahtjeva znanje i iskustvo velikog broja stručnjaka iz različitih naučnih oblasti, te predstavlja spoj hemije, biologije, fizike, medicine, elektronike, programiranja i mnogih drugih prirodnih i tehničkih nauka u cilju stvaranja savremenih i bezbjednih dijagnostičkih alata, mjernih instrumenata, proizvodnje umjetnih organa, prostetike, medicinskih informatičkih sistema. U ovoj oblasti se koristi mnoštvo analognih, digitalnih kola i procesora, čijim dizajnom, korišćenjem, principima rada i opravkama inženjeri u potpunosti ovladaju. Neke od užih specijalnosti u medicinskoj elektronici su biomedicinski, biomehanički, rehabilitacioni i ortopedski inženjering.
Biomedicinski signali Prije nego li dođemo do same konstrukcije i analize elektronskih kola, pojačavača i filtara koji su potrebni za analizu signala u kliničkoj medicini i biomedicinskim istraživanjima neophodno je prethodno opisati izvore i karakteristike ovih signala. Generalno govoreći biomedicinski signali se mogu podijeliti na dvije skupine:
Endogeni signali Egzogeni signali
Endogeni signali su oni signali koji nastaju od prirodnih fizioloških procesa i njihovi parametri se mjere na živim bićima. Primjeri takvih signala, postupaka i uređaja koi obrađuju takve signale su EKG(elektrokardiogram), EEG(elektroencefalogram), mjerenje pulsa, tjelesne temperature, nivo glukoze u krvi, krvnog pritiska.
Egzogeni signali su oni signali koji se primjenjuju spolja, najčešće neinvazivno kako bi se mjerile i bilježile vrijednosti unutrašnjih struktura(organa) i vrijednosti njihovih parametara. Primjeri za ovu vrstu signala su MRI(magnetna rezonanca), X-ray ultrazvuk(slikoviti i Doppler), monohromatsko svijetlo za oksimetre, OCT skener, LDV i primjena magnetnog polja za NMR.
Modulacija i demodulacija biomedicinskih signala Generalo govoreći, modulacija je proces u kojem se DC ili niskofrekventni signal kombinuje nelinearno sa visokofrekventnim nosećim talasom kako bi se formirao modulisani nosilac pogodan za prenos signala do resivera odnosno demodulatora, gdje se signal oporavlja. Modulatori i demodulatori predstavljaju neke od najznačajnijih komponenti velikog broja komunikacionih sistema i sistema za prenos podataka. U biomedicinskom inženjeringu, snimljeni fiziološki signali se modulišu zato što modulacija omogućava robustni prenos informacija odnosno signala preko žice ili koaksijalnog kabla, optičkog kabla ili radio signala, sa mjesta snimanja do mjesta na kojem će se obaviti demodulacija, procesiranje i skladištenje. Kao primjer fizioloških signala možemo uzeti EKG ili krvni pritisak koji modulišu nosioca koji je poslat kao FM radio signal od mjesta prikupljanja signala do udaljenog resivera gdje se signali demodulišu, interpretiraju, filtriraju propuštanjem kroz niskopropusni filtar i skladište. Pet osnovnih vrsta modulacije su impulsna amplitudska modulacija(IAM), impulsna modulacija po trajanju, impulsna položajna modulacija, impulsna kodna modulacija i delta modulacija. Ovom problematikom se detaljnije bavi zasebna naučna oblast, telekomunikacije.
Primjeri analognih elektronskih kola u medicini Neka od elektronskih kola koja imaju široku primjenu u izradi biomedicinske i medicinske opreme su diferencijalni pojačavači, razne vrste operacionih pojačavača poput instrumentacionog, zatim pojačavači koji se koriste u medicinskoj izolaciji, analogni aktivni filtri, a potom i specijalna elektronska kola razvijena samo za tu namjenu. Jedno od tih specijalnih elektronskih kola je EMG pojačavač.
EMG pojačavač Elektromiografija je elektrodijagnostička medicinska metoda koja se koristi za procjenu i snimanje električne aktivnosti koju proizvode mišići skeleta. Ovaj proces se sprovodi pomoću instrumenta koji se zove elektromiograf kako bi se napravio snimak-elektromiogram.
Na slici 1. se vidi EMG pojačavač kojeg karakterišu tri glavna parametra: frekventni opseg, amplituda signala i impedansa elektroda. Ovaj pojačavač radi na frekvenciji reda 25 Hz do nekoliko KHz, amplituda signala se kreće od 100 μV do 1 mV, a impedansa se kreće od 200 do 5000 Ω. Cilj je dizajnirati pojačavač koji može da izmjeri generisani signal. Kako se ovo kolo ne koristi direktno za dijagnostičke svrhe već da bi se kontrolisalo neko veće kolo, neophodno je da se signal propusti kroz neki filtar, kako bi na izlazu iz pojačavača dobili izlazni signal bez smetnji ekvivalentan kontrakciji koju prave mišići. Ovo kolo se sastoji iz četiri dijela,a to su:
Instrumentacioni pojačavač Filtar propusnih opsega Precizni punotalasni ispravljač Niskopropusni filtar
Instrumentacioni pojačavač, kao što je ranije objašnjeno, pojačava ulazni signal, odnosno u ovom slučaju povećava diferencijalni napon između elektroda A i B, što je odlično jer su ulazni signali koji je potrebno snimiti i analizirati u oblasti medicine veoma malih vrijednosti. Kao što se može vidjeti na slici, postoji i treća elektroda koja je označena sa REF. Njena funkcija je da uzemlji tijelo, pri čemu REF treba postaviti što dalje od tačaka A i B. Otpornik R4 kontroliše pojačanje instrumentacionog pojačavača i pritom ne utiče na CMRR, a R7 kontroliše CMRR, pri čemu vrijednost tog otpornika treba postaviti tako da smanjuje signal na ulazu za vrijeme kada mišić ne pravi kontrakcije. Takođe, povećavanjem otpornosti R8 se povećava pojačanje, a njegovim smanjivanjem i pojačanje opada. Pri tom postupku povećavanja R8 treba obratiti pažnju da pojačavač ne uđe u zasićenje, što se može desiti kada je DC offset napon(napon razdešenosti) previše pojačan. Preveliko pojačanje napona razdešenosti se javlja kao posljedica prevelike otpornosti R8.
Filtar propusnih opsega se koristi da poništi nesavršenost ovog pojačavača, odnosno napon razdešenosti između elektroda, pored toga filtrira neželjene visoke frekvencije.
Precizni punotalasni ispravljač uzima apsolutnu vrijednost signala na izlazu iz filtra propusnih opsega. U cilju izbjegavanja pada napona na diodama, koristi se aktivni ispravljač umjesto pasivnog, a kako bi se zadržala što veća energija signala koristi se punotalasni ispravljač, umjesto podrazumjevanog polutalasnog.
Niskopropusni filtar propušta samo dio signala koji je na niskim frekvencijama. Kako se šum smatra visokofrekventnim signalom, postavljanjem niskopropusnog filtra na izlazu punotalasnog ispravljača se većina tog šuma eliminiše i na izlazu iz filtra se dobija čist signal koji odgovara intezitetu kontrakcije mišića.
EKG pojačavač Elektrokardiogram predstavlja jedno od najvažnijih elektrofizioloških mjerenja u medicinskoj dijagnostici. Kako je srce mišićni organ, ono proizvodi kontrakciju koja generiše spaciotemporalno električno polje, tako se razlika spaciotemporalnog potencijala može mjeriti. Amplituda i talasni oblik EKG-a zavise od mjesta na koži na kojem se postavljaju elektrode za mjerenje impulsa. Na dobijenom grafiku se razlikuju QRS, P i T talasi. QRS se povezuje sa visokom depolarizacijom ventrikularnog mišića koja prethodi kontrakciji mišića. P talas izaziva atrijalna depolarizacija, a T talas je povezan sa ventrikularnom mišićnom repolarizacijom odnosno oporavkom. алт=|мини|Slika 1: Primjer elektrokardiograma Kada se prikupe podaci elektrode koje su prikačene na tijelu transformišu EKG signal u električni napon(potencijal), neophodno je te napone poslati na ulaz pojačavača. Pojačavanje je neophodno kako bi se uvećala amplituda signala za dalje procesiranje i grafički prikaz. Kako su signali na ulazu veoma mali i pojačavač može biti podložan šumovima, kablovi koji povezuju elektrode sa ulazima u kolo trebaju biti što kraći i dobro izolirani. Na EKG-u QRS može imati vrijednosti u opsegu od 400 V do 2,5mV. Veliki broj EKG pojačavača omogućavaju da se operator prebaci na notch filtar na 50Hz, kako bi se poništila interferencija frekvencije 50Hz(za većinu Evropskih zemalja) ili 60Hz(Amerika) koja se može pojaviti na izlazu. Notch filtar izaziva veoma malu distorciju izlaznog EKG signala. Neophodno je da pojačavač ima galvansku izolaciju kako bi se izbjegli elektrošokovi. Galvanskom izolacijom se postavlja velika impedansa između pacijenta, elektroda i uzemljenja. Na ovaj način se struja koja može proći kroz pacijenta svodi na svega nekoliko mikroampera u slučaju dodira komponenti pod naponom.
Problemi u radu EKG-a U radu EKG uređaja javljaju se sljedeća tri problema, koji će u daljem tekstu biti objašnjeni, kao i njihova rješenja.
Interferencija električnog polja Magnetna indukcija Disbalans u impedansi izvora