Biophysics · 21.19

ECG装置における差動増幅器の役割

Role of the differential amplifier in ECG equipment

🧠 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が重なる。 差動増幅器amplifier増幅器（amplifier）amplifier（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

CMRR=\frac{A_d}{A_{cm}}

$A_d$ は差動利得gain利得（gain）gain（利得）、 $A_{cm}$ は同相利得gain利得（gain）gain（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["差動信号と同相信号"] --> 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potential difference電位差（potential difference）potential difference（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amplifier増幅器（amplifier）amplifier（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で記録の信号雑音比を改善する。

CMRRは差動利得gain利得（gain）gain（利得）と同相利得gain利得（gain）gain（利得）の比で、性能指標になる。電極インピーダンスimpedanceインピーダンス（impedance）impedance（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・右脚駆動回路も記録品質を左右する。

まとめ

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が重なる。差動増幅器amplifier増幅器（amplifier）amplifier（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gain利得（gain）gain（利得）と同相利得gain利得（gain）gain（利得）の比で、性能指標になる。