ECG装置における差動増幅器の役割

🧠 心電図信号はmV程度と小さく、商用電源雑音mains noise 商用電源雑音（mains noise）mains noise（商用電源雑音） など大きな同相信号 common-mode signal 同相信号（common-mode signal） common-mode signal（同相信号） が重なる。 差動増幅器differential amplifier 差動増幅器（differential amplifier）differential amplifier（差動増幅器） は二入力の差を増幅する。

差動信号と同相信号

出力は理想的にはA_d(V_+−V_−)で、両入力へ等しく加わる電源雑音は相殺 cancellation 相殺（cancellation） cancellation（相殺） される。CMRRは通常dBでも表し、高い入力インピーダンス input impedance 入力インピーダンス（input impedance） input impedance（入力インピーダンス） は電極から信号を奪わないために必要である。

ECG装置における差動増幅器の役割を表す式

$A_d$は差動利得 differential gain差動利得（differential gain） differential gain（差動利得）、$A_{cm}$は同相利得 common-mode gain 同相利得（common-mode gain） common-mode gain（同相利得） である。dB表示では$20\log_{10}(A_d/A_{cm})$を用いる。

小さなECGを雑音から取り出す

両入力へ同相に入る雑音を除去する。

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='differential signal'>差動信号</span>と<span class='jp-term jp-term-diagram' title='common-mode signal'>同相信号</span>"] --> B
  B["小さなECGを雑音から取り出す"] --> C
  C["両入力へ同相に入る雑音を除去する"] --> D
  D["CMRRと電極接触"]

CMRRと電極接触

心電図誘導は二電極間の小さな体表電位差body surface potential difference体表電位差（body surface potential difference）body surface potential difference（体表電位差）を入力する一方、商用電源雑音mains noise 商用電源雑音（mains noise）mains noise（商用電源雑音） は両入力へほぼ同相に重なる。差動増幅器differential amplifier 差動増幅器（differential amplifier）differential amplifier（差動増幅器） は前者を増幅して後者を抑え、高い同相信号除去比 common-mode rejection ratio 同相信号除去比（common-mode rejection ratio） common-mode rejection ratio（同相信号除去比） で記録の信号雑音比 signal-to-noise ratio 信号雑音比（signal-to-noise ratio） signal-to-noise ratio（信号雑音比） を改善する。

CMRRは差動利得 differential gain 差動利得（differential gain） differential gain（差動利得） と同相利得 common-mode gain 同相利得（common-mode gain） common-mode gain（同相利得） の比で、性能指標になる。電極インピーダンスelectrode impedance 電極インピーダンス（electrode impedance）electrode impedance（電極インピーダンス） が左右で不均衡だと同相雑音が差動成分へ変換されるため、皮膚処理・接触・右脚駆動回路right leg drive circuit 右脚駆動回路（right leg drive circuit）right leg drive circuit（右脚駆動回路） も記録品質を左右する。

まとめ

差動増幅では目的の電位差 potential difference 電位差（potential difference） potential difference（電位差） を保ちつつ、共通モード干渉と電極由来の雑音を抑える。¹²

• 心電図信号はmV程度と小さく、商用電源雑音mains noise 商用電源雑音（mains noise）mains noise（商用電源雑音） など大きな同相信号 common-mode signal 同相信号（common-mode signal） common-mode signal（同相信号） が重なる。差動増幅器differential amplifier 差動増幅器（differential amplifier）differential amplifier（差動増幅器） は二入力の差を増幅する。
• 両入力へ同相に入る雑音を除去する。
• CMRRは差動利得 differential gain 差動利得（differential gain） differential gain（差動利得） と同相利得 common-mode gain 同相利得（common-mode gain） common-mode gain（同相利得） の比で、性能指標になる。