Выходной каскад электронейростимулятора

[Falconist]

Глубокоуважаемые коллеги,

на "РадиоЛоцмане" (http://www.rlocman.ru/forum/showthre...t=5013&page=13) мой коллега, врач-анестезиолог изготовил (по советам местных форумчан) аппарат для поиска нервов при регионарной анестезии. Аппетит пришел во время еды: замахнулся на аппарат для определения глубины миорелаксации при наркозе. Вообще-то, вся эта эпопея - чистой воды благотворительность, но, учитывая "техническую оснащенность" медицины на большинстве постсоветского пространства, не исключено, что кому-то (родственникам, друзьям, знакомым) придется воспользоваться услугами этого врача, так что благотворительность - скорее относительная. Давайте поможем врачу-энтузиасту!

IMHO этот девайс на порядок, если не больше, сложнее предыдущего, поскольку значительную проблему составляет выходной каскад, который должен обеспечивать достаточно серьезные параметры стимулирующего импульса (прямоугольные импульсы отрицательной полярности длительностью 0,1...0,5 мс - в первом приближении 2,5 мс - с фронтами не более 5% от длительности, с регулируемой силой тока от 0 до 60 мА, с ограничением выходного напряжения 100...120 В) при соблюдении правил медицинской электробезопасности. Поскольку я в этих вопросах плаваю слишком мелко, прошу Вашей помощи.

По опыту разработки (в 90-х годах прошлого века) электромиостимуляторов и эксплуатации нейростимуляторов в составе аппарата для электромиографии, наиболее часто используемым выходным каскадом является трансформаторный, являющийся "генератором тока", что обеспечивает электробезопасность пациента - больше тока, чем задано параметрами трансформатора, он в нагрузку не отдаст.

С учетом этого IMHO выходной каскад может быть (но не обязательно!) выполнен в виде прямоходового преобразователя напряжения с двумя (?) обратными связями - первая по току ключевого транзистора и сторая - по напряжению, пропорциональному выходному (аналогично схемам развертки телевизоров?). Его возможная структура приведена на рисунке. Верна ли она? Как ее (или другую, более приемлемую на ваш взгляд схему) можно довести до реализации?

Краем уха слыхал, что сейчас существуют микросхемы драйверов, позволяющие отслеживать силу тока в каждом отдельном импульсе, но точной информации у меня по ним нет.

Прошу специалистов-"силовиков" поделиться своими мыслями. Буду весьма признателен за любую информацию и помощь в данном вопросе.

[Falconist]

М-дя... Не зря выходной каскад является секретнейшим "ноу-хау" большинства разработчиков. За 2 дня - ни одной реплики... Потому по душевному простатиту решил сам заняться его проектрированием. Даже Мультисим для этого себе поставил. Хотя, как писал раньше - такими схемами до этого не занимался.

Решил пойти по пути ключевания выходного трансформатора "мощным" генератором тока, схему которого тупо содрал у А.Г.Алексенка с соавт. (2-е изд., С.218, Рис.6.6.б.) - Рис. 1. Коэффициент трансформации первичной/выходной обмоток = 1/12. КТ обмотки ОС = 1/1. Нагрузка R7-R7-C1 является стандартным эквивалентом нагрузки при чрескожной стимуляции. Без С1 форма выходных импульсов просто великолепная. Но это не соответствует реальным условиям. Вроде бы можно получить около 80 мА при амплитуде управляющих импульсов (с выхода задающего генератора) 5 В. и напряжении питания 9 В.

Каскад на U1B - "корректирующий". Форма выходных сигналов с его выхода и выходных импульсов на эквиваленте нагрузки показаны на рис. 2. При отключенной ОС (отсутствии R11) он представляет собой банальный повторитель (рис. 3). Вот только ничего он все равно не корректирует - форма выходных импульсов остается далекой от желаемой. Может быть, если бы ОУ запитывать двухполярным напряжением, что-то и скорректировалось бы, но я принципиально выбрал однополярное питание - при батарейном это важно.

Поэтому вопросы:
1. Насколько еретична "идеология" построения такого каскада?
2. Не нужно ли ставить транзистор параллельно обмотке трансформатора, чтобы "рубить" задний фронт?
3. Какие вообще существуют схемотехнические решения для получения подобных импульсов?

[tauP10]

Почему 100nF ? вроде как модель человеческого тела оперирует с 100-200pF.

Нужна красота по форме напряжения или форме тока для импульсов ?
И то и то имхо реализуется, но не одновременно - очень уж 100nF мешают .

[tauP10]

Это простейшая схема. Но достаточно красивые импульсы. Но по напряжению , а ток - кривоват , ибо емкость нагрузки.

[Falconist]

Почему 100nF ? вроде как модель человеческого тела оперирует с 100-200pF.

0,1 мкф я взял из справочника "Физиологические константы организма человека". Вот еще информация: http://abitur.bsuir.by/eumk/bsip/page9.htm .

Ткани тела являются проводником второго рода, импеданс которого содержит активную и реактивную составляющие. Емкость тканей создается мембранами образующих ткани клеток и многочисленными поверхностями, разделяющими отдельные органы и структуры тела. Реактивная составляющая тока, протекающего по подкожным тканям, по крайней мере, на порядок меньше активной составляющей, и ею можно пренебречь. Емкость тканей кожи достигает 0,1 мкФ/см2, и ее необходимо учитывать.

Так что никуда не денешься, эту емкость приходится волей-неволей учитывать, хотя она и сильно "гадит".

Нужна красота по форме напряжения или форме тока для импульсов?
И то и то имхо реализуется, но не одновременно - очень уж 100nF мешают .

Стимулирует ток. Вот его-то форма и является основным фактором. Кстати, по заднему фронту я сильно ужесточил требования: главное - передний фронт, он как раз и выполняет деполяризацию возбудимых мембран. Задний не столь важен, его длительность можно увеличить до 10% от длительности импульса, но не более. Иначе импульсы станут трудно дозируемыми по мощности.

Ваша схема, уважаемый tauP10, страдает тем (широко распространенным) недостатком, что запитывается от постоянного напряжения (генератора напряжения). При наличии ранок, ссадин и т.п. и выходе из строя какого-нибудь элемента может развиться запредельный ток значительной длительности. В электромедицинском оборудовании главное - безопасность, поэтому если возникает даже тень сомнения в надежности схемы - ее нужно сразу же браковать. А трансформатор является "генератором тока" - больше тока, чем определяется его параметрами, он не выдаст. Потому подобные каскады и применяются, несмотря на их "врожденные" недостатки.

[tauP10]

А трансформатор является "генератором тока" - больше тока, чем определяется его параметрами, он не выдаст.

Ошибаетесь, выдаст.
есть трансы тока а бывают и трансы напряжения.
В Вашей схеме более похоже на транс напряжение и его токоограничитеьные свойства определяются выходным сопротивлением составного ключа , трансформируемым во вторичку (сопротивления тоже трансформируются).
Другое дело флайбэк или включение на обратном ходу , как Вы писали - у телевизоров. Но там за форму никто не поручится, если она не будет жестко задаваться нагрузкой , или например емкостью обратного хода в первичке (или вторичке). Калиброванную по току прямоугольную форму на флайбэке получить нельзя. А если постараться и получить - она будет иметь бешеный запас по энергии в случае неожиданного расширения импульса во времени.
Трансы - фтопку.
счас что-нить нарисую

[yarunt]

Трансформатор не решение проблемы,делали подобный прибор. Амплитуда 60-120в и частота должна была меняться 1гц-10гц.В микроскоп смотрели живые клетки по их реакции на импульсы. Схема примерно такая была

[tauP10]

примерно так предложу

Транс фтопку еще раз.

Ток ограничен . можно подстраховаться и еще в сток резистор поставить (для случая выхода и КЗ в полевике)
Полевик в этой схеме работает качественным и быстрым генератором тока.

[Falconist]

Вынимаем транс из топки и продолжаем его мучать... Не потому, что я его так "люблю", а потому, что в его вторичной обмотке просто нечему вылетать: межвитковое замыкание - не страшно, ток только уменьшится; обрыв - тем более не страшен. В первичке пусть все выгорит дотла - тоже не страшно, эта цепь к пациенту не подключена.

Я еще раз повторяю: если есть хоть мизерная доля вероятности выхода из строя любого элемента схемы, подключенной непосредственно к пациенту (2-е следствие их 1-го закона Чизхолма: "Все, что принципиально не может сломаться, все равно сломается") такая схема для медицинского применения не годится. Жаль, конечно, но...

yarunt работал с клетками, а не с живыми людьми, для его задач его схема вполне приемлема.

Досимулировал "свою" схему (рис.1) - вроде более-менее пристойные импульсы. Напряжение управляющих импульсов 3 В, ток во вторичке - 50 мА (рис.2). Потребление тока в первичной цепи в импульсе (по напряжению на эмиттерном резисторе - рис. 3) - порядка 600 мА, как и должно быть по коэффициенту трансформации (рис.4).

Остался вопрос по расчету трансформатора. Вот тут должен просить реальной помощи, мне это сложновато.

[tauP10]

Досимулировал "свою" схему (рис.1) - вроде более-менее пристойные импульсы. Напряжение управляющих импульсов 3 В, ток во вторичке - 50 мА (рис.2). Потребление тока в первичной цепи в импульсе (по напряжению на эмиттерном резисторе - рис. 3) - порядка 600 мА, как и должно быть по коэффициенту трансформации (рис.4).

Ага , только ток во вторичке даааааалёк от прямоугольной формы - замерьте ток датчиком тока (типа того что у меня на схеме - есть такой элементик в панели инструментов).

Ваши рассуждения насчет надежности трансформаторной схемы , основываются лишь на том что мощность импульсов через транс ограничена и постоянное напряжение приложить невозможно к пациенту.
Так вот в Вашей схеме мощность импульсов может оказаться гораздо больше предельной , если вдруг кожа станет менее 1 ком (например 100 Ом) . Так как транс не работает в режиме генератора тока (у Вас).

Все проблемы решаются и без трансформатора. Ток и мощность можно ограничить не только выходным каскадом , но и преобразователем с Кроны до 100V . Причем если можность одиночных импульсов максимум 6 Вт , то преобразователю достаточно иметь заданную мощность 0.6 Ватт (кстати можете ее ограничит даже трансом - только преобразовательным трансом а не выходным , где требуется прямоугольность импульса тока). При этом если выходной каскад выгорит - в пациента пойдет 0.6 Ватта . Это даже мыши выдерживают , не говоря про лошадей.

транс выходной - фтопку
добавлено 4.10////// Попробовал городить на простейшем умножителе до 100Вольт из 9 вольт на входе. К сожалению выходную мощность 0.6 Ватта получить не удастся если применять простой диодный умножитель. Очень мешает динамическое сопротивление диодов, которое не обойти ( и шоттки тоже). Ставить же на коммутируемых конденсаторах - неоправданно дорого , много полевиков и драйверов верхнего уровня. Наиболее реальный вариант - с дросселем или на на повышающем трансформаторе.