Danas je nabavljen uređaj za galvansku izolaciju stimulacijskih i mjernih električnih signala u medicini naziva Stimulus isolation unit SIU 478 A, proizvod američke tvrtke Grass Medical Instruments iz 1960-tih godina.
Tvrtku Grass Instruments osnovao je 1935. godine Albert Grass, a specijalizirala se za proizvodnju medicinskih instrumenata za EEG, epilepsiju i praćenje spavanja te za poligrafsku opremu (sistemi grafičkog bilježenja promjena na ljudskom tijelu). Tijekom 1994. tvrtku je kupio Astro-Med i danas posluje kao podružnica te tvrtke pod nazivom Grass Technologies. I dalje proizvodi medicinske, kirurške, oftalmološke i veterinarske instrumente i aparate.
Medicinska mjerenja na živčanim sustavima uključuju metodu u kojoj se jedan kraj živca stimulira blagim električnim impulsima, a istovremeno se na drugom kraju živca mjerni odziv na takav podražaj. U tu svrhu je na živac potrebno postaviti parove elektroda, jedne preko kojih se dovode stimulirajući naponski impulsi i druge preko kojih se mjeri reakcija na takav podražaj. To se stručno zove mjerenje evociranih potencijala.
Kod mjerenja evociranih potencijala može se pojaviti jedan problem, a to je da se sa uređaja koji generira pobudne, stimulirajuće ili evocirane naponske impulse, dio tih signala prenese i na prijemni (mjerni, registracijski) uređaj. Ovaj neželjeni prijenos je moguć preko zajedničke mase generatora i prijemnika, te preko električnog otpora samog živca. Time će električni signal koji proizvodi živac biti pomiješan sa ispitnim signalom sa generatora, te će slika živčanog odziva biti izobličena, odnosno biti će zagađena tzv. stimulus artefaktima.
Slike prikazuju kako izoliranje zajedničke mase između generatora signala i mjernog uređaja rješava problem stimulus artefakta. Na živac je kod mjerenja spojeno pet elektroda. Preko elektroda 1 i 2 se dovodi stimulirajući impuls, elektroda 3 je vezana na masu (odvođenje smetajućih signala između stimulatora i detektora), a elektrode 4 i 5 idu na pretpojačalo (detektor) i uređaj za prikaz signala bioelektričnog odgovora na stimulirajući signal. Na slici lijevo, veći dio stimulirajućeg signala zatvara krug preko elektroda 1 i 2 jer jer su tu elektrode koje generiraju signal najbliže i električni otpor je najmanji. Međutim, s obzirom da je stimulator vezan na zajedničku masu kao i detektor, između generatorskih elektroda 1 i 2 te detektorskih elektroda 3-5 također preko samog živca postoje neki (veći) otpori preko kojih će se onda granati i (manji) dio struje generatora. Tako će manji dio struje generatora prolaziti i između elektroda 4 i 5 detektorskog pojačala i ta struja će se pribrojiti struji koju stvara živac. Kao posljedica toga, na monitoru će se vidjeti pomiješane amplitude signala koje je stvorio živac sa onima koje nije stvorio živac nego potječu iz samog generatora. Iako je elektroda za uzemljenje 3 dodana kako bi se pomogle odvesti neželjene struje između generatora i detektora na masu to nije u potpunosti efikasno rješenje. Stoga se generator pomoću SIU izolatora galvanski potpuno izolira od detektora, odnosno od ostatka instrumentacije. Čak i ovo galvansko odvajanje neće u potpunosti spriječiti pojavu neželjenih artefakta u signalu, no isti će se svesti na najmanju moguću mjeru.
Galvansko odvajanje se može postići transformatorima za odvajanje, opto-izolatorima ali i jednom posve specifičnom metodom, RF odvajanjem. Naš stimulus izolator koristi upravo tu metodu galvanske izolacije preko elektromagnetske RF sprege. Princip takve sprege je isti kao i princip radio prijenosa. Ulaznim signalom se modulira visoka noseća frekvencija RF oscilatora (predajnika), modulirani radio val se odašilje preko antene (zavojnice) odašiljača te prima preko antene (zavojnice) prijemnika gdje se zatim demodulira i filtrira u originalni valni oblik. Prijemnik je konstruiran tako da nema zajedničku masu sa predajnikom čime se postiže galvansko odvajanje, odnosno uvelike se smanjuje mogućnost zatvaranja nekog parazitskog strujnog kruga između predajnika i prijemnika.
Elektromagnetska RF sprega se čini kao dosta složen način galvanske izolacije naspram upotrebe transformatora ili opto-izolatora. Međutim, transformator nije pogodan prijenos pravokutnih impulsa veće širine (širih od cca 1 ms) jer ne može transformirati istosmjerni napon. Također, izlazni impuls će imati određena izobličenja naspram pravokutnom ulaznom koja nastaju zbog histereze i samoindukcije. Opto-izolatori pak moraju imati napajanje i na prijemnoj strani (foto-dioda ili foto-tranzistor) što opet stvara problem odvajanja zajedničke mase. Opto-izolator je dobar za odvajanje kruga visokog napona (opasnog po život) od kruga niskog napona, no ako se koristi za galvansko odvajanje dva strujna kruga onda se obično za napajanje prijemnog kruga (opto-par i pojačalo) koriste interne baterije kako bi se kreirao strujni krug potpuno odvojen od ostalih uređaja sa zajedničkom (mrežnom) masom.
Za naš Stimulus isolation unit SIU 478 A nismo pronašli nikakve podatke, pa ćemo izvesti elektroničku shemu da vidimo što možemo iz nje saznati.
Pentoda EL86 je u triodnom spoju (anoda spojena sa g2) i radi kao Hartleyev oscilator VF noseće frekvencije. Modulacija oscilatora je posve sigurno anodna (promjenom napona na anodi) jer na priključnicu osim izvoda za grijanje vodi još jedino izvod za anodu. Pronašli smo podatke da generatori stimulirajućih impulsa tvrtke Grass Instruments iz tog razdoblja kompatibilni sa našim STU 478A mogu generirati pravokutne impulse amplitude 0,15 – 150 V. Vrlo vjerojatno takav uređaj proizvodi dovoljno veliki izlazni napon kojim se napaja anoda (max 150 V), a u svrhu modulacije se taj napon onda smanjuje u ritmu pravokutnog signala za neku određenu amplitudu.
Zavojnice u krugu Hartleyevog oscilatora (L1i L2) služe ujedno kao antene za prijenos elektromagnetske energije na zavojnicu (antenu) prijemnika (L3). Zavojnica prijemnika je na valjkastom keramičkom tijelu motana između zavojnica oscilatora kako bi prijenos energije bio što veći. Naravno, ovdje treba paziti na smjer motanja (spajanja) zavojnica jer su struje u dvije zavojnice Hartleyevog oscilatora međusobno protufazne.
Amplitudno modulirani VF signal iz zavojnice L3 prvo se vodi na diodni demodulator, a nakon toga na složen rezonantni filtar kako bi se uklonile sve komponente smetajuće (noseće) visoke frekvencije iz demoduliranog signala. Čisti pravokutni signali dalje se izravno ili preko kondenzatora vode na komutatorsku sklopku za odabir polariteta na izlaznim priključnicama i na atenuator za namještanje željene amplitude izlaznog signala.
Kada se pravokutni signal vodi izravno bez sprežnog kondenzatora, na izlazu se dobivaju čisti pravokutni impulsi sa polaritetom odabranim preko komutatorske sklopke. Takvi signali se u medicinskom žargonu zovu monofazni pravokutni signali. Ako pak se uključi sprega preko kondenzatora, pozitivni pravokutni signal se djelomično izobličava (postaje oštriji) i dobiva negativnu komponentu. Takav signal se u medicinskom žargonu naziva bifazni impuls. Ovakvi impulsi se koriste tijekom dugotrajnijih testiranja gdje postoji opasnost od istosmjerne elektrolize i pojave balončića plina na testiranom tkivu.
Izlazni frekvencijski kompenzirani atenuator označen kao MULTIPLIER služi naravno za korekciju izlazne amplitude impulsa u ovisnosti o amplitudi ulaznog impulsa iz generatora stimulusa. Da bi se što je moguće više smanjila mogućnost pojave stimulus artefakta na generatoru se obično odabire najmanja jačina izlaznog impulsa sa kojoj se može napraviti dobro mjerenje.
Oscilator sa elektronskom cijevi EL86 čini ulazni uzemljeni dio RF izolatora.
Diodni demodulator, VF filtar i izlazni atenuator čine izlazni galvanski odvojen dio RF izolatora.
U uređajima široke potrošnje danas najčešće nalazimo na različite opto-izolatore koji u prvom redu služe kao zaštitna mjera između proboja visokonaponskih strujnih krugova na niskonaponske krugove. Međutim, jednako kao i prije 60 godina tako se i danas u pojedinim aplikacijama također koriste transformatorski i RF izolatori. RF izolatori su danas svedeni na oblik integriranog kruga slično kao i opto-izolatori. U kućištu tog integriranog kruga se nalazi oscilator sa minijaturnom predajnom zavojnicom i galvanski zaseban krug prijemnik za svojom minijaturnom zavojnicom (antenom).
Općenito gledano, mnogi suvremeni elektronički sklopovi koji se danas masovno koriste izmišljeni su još prije 100 godina, a praktično konstruirani koje desetljeće kasnije kada je tehnologija dovoljno napredovala za takve konstrukcije. Kroz iduća desetljeća ti isti sklopovi su sve više minijaturizirani, no načelno se gotovo i nisu mijenjali što se tiče osvovne blok sheme rada.
Da nam je umjesto ovog SIU 478 A u ruke došao neki suvremeni medicinski uređaj sa RF izolatorima u obliku čipa montiranih na nekoj pločici sa stotinama drugih čipova, vjerojatno bi ostao posve neprimijećen i nezanimljiv za izučavanje. Na ovoj pak izvedbi istog tog elementa iz 1960-tih godina možemo gotovo školski vidjeti što je, kako radi i od čega je sastavljen jedan takav elektronički sklop.
Dobra stara diskretna elektronika nezamjenjiva je za praktično učenje elektronike i razumijevanje elektroničkih sklopova. Moderne elektroničke komponente i konstrukcije pak se sve više prilagođavaju robotskoj (miro)montaži i sad već možete naići na tiskane pločice gdje ne samo da nećete moći identificirati specijalne integrirane krugove, nego čak nećete moći razlučiti otpornike od kondenzatora, dioda i osigurača, kao ni tranzistore od regulatora i različitih namjenskih kombinacija dvije ili više komponenti u jednom kućištu. Sve su to sada samo male bezlične crne kockice kojima se nekad ne vide ni izvodi ni oznake, a bez sheme ni funkcija ni linije povezivanja. Stoga, još jednom možemo samo ponoviti našu stalnu krilaticu – Dobra stara elektronika 🙂
