Amplificatore di Biosegnali

Abstract : in questo post vogliamo illustrare la costruzione di un amplificatore per biosegnali basato sul chip INA128 che integra al suo interno un amplificatore per strumentazione. La rilevazione di biosegnali, con il loro basso valore del rapporto “signal to noise”, presenta aspetti caratteristici che richiedono un attento utilizzo dell’elettronica. Noi ci siamo basati su di un amplificatore per strumentazione seguito da un filtro passa-banda per eliminare i disturbi LF ed HF, a valle abbiamo inserito un filtro elimina-banda in configurazione a “doppio-T” per eliminare la omnipresente componente a 50 Hz. Il sistema è completato da un rivelatore di inviluppo per l’andamento globale dei segnali a frequenza più elevata.

Introduzione

Il segnale elettrico derivante dall’attività biologica è caratterizzato da valori di tensione molto bassi, appena superiori al livello del rumore, ed interessa una banda di frequenze che si estende dalle frazioni di Hz a qualche centinaio di Hz. Gli amplificatori che si usano per queste applicazioni costituiscono una interessante sfida per i progettisti e, al contempo, rivestono una particolare importanza dovuta alle applicazioni nel settore della medicina.
Anche noi di PhysicsOpenLab ci siamo voluti “cimentare” nella progettazione e realizzazione di un amplificatore per biosegnali da utilizzare per applicazioni di elettrocardiografia ed elettromiografia.

Amplificatore da Strumentazione

Il primo componente della nostra apparecchiatura è un amplificatore da strumentazione (Instrumentation amplifier). Si tratta di un amplificatore operazionale particolarmente adatto per amplificare deboli segnali provenienti dai trasduttori nel campo delle misure elettroniche e nelle strumentazioni professionali.
La sua struttura è derivata dall’amplificatore differenziale : rispetto a questo presenta due operazionali in più che migliorano (aumentandola) l’impedenza di ingresso e permettono di variare l’amplificazione del segnale differenziale d’ingresso V_in variando un solo componente R_gain. L’immagine sotto mostra lo schema base per il componente che abbiamo utilizzato : INA128.Per utilizzare il modulo INA128 è comodo utilizzare delle schede per sperimentazione, come quella raffigurata sotto e nella immagine di copertina (si trovano facilmente su eBay). Queste schede completano il modulo con componenti aggiuntivi come il trimmer per variare il guadagno, la parte di filtraggio dei segnali in ingresso e la sezione per il filtraggio delle linee di alimentazione.

Noi abbiamo completato la scheda con due resistori da 5MΩ che collegano i segnali di ingresso al GND, in modo da migliorare la stabilità dei segnali di input, come mostrato nello schema seguente :

Amplificazione e Filtraggio

Il segnale prodotto dal primo stadio INA128 viene successivamente filtrato ed amplificato da uno stadio che fornisce guadagno fisso G=10, frequenza passa alto a 0,1 Hz e passa basso a 160 Hz. In questo modo viene eliminata la eventuale componente continua presente nel segnale e vengono anche eliminati i disturbi ad alta frequenza. All’interno della banda passante potrebbe però essere presente il disturbo a 50 Hz dovuto ad accoppiamenti con la linea di potenza domestica, per questo motivo abbiamo inserito anche un filtro elimina banda (notch filter) per attenuare l’onnipresente disturbo a 50 Hz.

Rivelatore di Inviluppo

L’uscita dal notch filter costituisce il nostro segnale da visualizzare con l’oscilloscopio oppure da acquisire con un data logger. Per segnali ad alta frequenza – come quelli che si registrano in una elettromiografia – può però essere utile avere anche un rivelatore di inviluppo. Questo ci permette di avere l’andamento globale del segnale come mostrato nella immagine sotto.

Il rivelatore di inviluppo è costituito in pratica da un raddrizzatore a doppia semi-onda seguito da un filtro passa-basso con la funzione di integratore, secondo lo schema riportato sotto.

Stadio di Alimentazione

L’alimentazione dei diversi moduli è ottenuta con una coppia di batterie da 9V, seguita da regolatori a 5V. Il collegamento dei due regolatori permette di avere un riferimento (GND) flottante, rispetto al quale si hanno le linee a +5V e a -5V.

Lo Strumento Finito

Tutti i moduli sono stati inseriti in una scatola di alluminio, collegata al potenziale di massa. Nella immagine sotto si vede l’amplificatore da strumentazione, in basso a sinistra, il modulo alimentatore con le batterie, in alto a sinistra e, a destra, la scheda OP AMP EVM PDIP (bread board per amplificatori operazionali) sulla quale sono realizzati tutti gli altri moduli.

L’apparecchiatura ha i connettori per tre elettrodi : i due elettrodi che portano il segnale ai due ingressi, positivo e negativo, dell’amplificatore da strumentazione e l’elettrodo di riferimento che corrisponde all’ingresso di riferimento dell’amplificatore e che viene collegato al potenziale di massa. L’immagine sotto mostra l’apparecchio ed i tre elettrodi.

Esempi di Applicazioni

La prima applicazione è quella della acquisizione di tracciati elettrocardiografici. L’elettrodo di riferimento va posizionato su di una gamba all’altezza dell’anca, mentre gli altri due elettrodi vanno posizionati sul petto, uno a destra ed uno a sinistra :  queste posizioni sono note come triangolo di Einthoven (dal nome del medico fisiologo Willem Einthoven).

Il guadagno dell’amplificatore va regolato in modo da avere un segnale non superiore al volt, in modo da non avere il problema di eventuale saturazione da parte dell’amplificatore. Le immagini riportate sotto mostrano un tipico tracciato ECG.

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