Strategie redukcji hałasu w elektrofizjologii

Podczas rejestrowania sygnałów elektrycznych z komórek (w naczyniu lub w żywym ciele człowieka lub zwierzęcia) jednym z głównych problemów jest zwiększenie stosunku sygnału do szumu.

Sygnały te są zwykle w zakresie od 10uV do 100mV i są generowane przez bardzo niskie źródła zasilania, które mogą wytwarzać prądy rzędu nanoamperów.

Często interesujące sygnały mieszczą się w zakresie 1 Hz-10 KHz (najczęściej 10 Hz-10 KHz).

Co gorsza, zwykle istnieje wiele narzędzi generujących hałas, które są niezbędne do przebywania w pobliżu (w klinice są to inne urządzenia monitorujące, diagnostyczne i terapeutyczne w laboratorium to inne urządzenia monitorujące, naukowe).

Aby zmniejszyć wpływ hałasu i zwiększyć stosunek sygnału do szumu, istnieje kilka ogólnie stosowanych zasad, takich jak:

• Jeśli to możliwe, użyj wzmacniacza prądu (często nazywanego stopniem nagłownym), wzmacniacza o bardzo wysokiej impedancji wejściowej i raczej niskim wzmocnieniu napięcia lub nawet bez wzmocnienia napięcia. bardzo blisko źródła sygnału (ciała).
• Aby podłączyć źródło (elektrody rejestrujące) do wzmacniacza pierwszego stopnia (stopnia), użyj przewodów, które nie mają ekranów (aby uniknąć zniekształceń pojemnościowych sygnału).
• Unikaj pętli uziemienia
• Jeśli to możliwe, użyj wzmacniaczy różnicowych (aby anulować szum indukcyjny ze źródeł elektromagnetycznych w pobliżu).
• Zawsze używaj klatek Faradaya i uziemionych ekranów (zwykle folii aluminiowych), aby zakryć źródło sygnału i wszystko, co jest z nim połączone (ciało, sprzęt ...).
• Nie da się tego zrobić bez odpowiednich filtrów (zwykle wysokie cięcie 10 KHz i niskie cięcie, które w zależności od sygnału mogą wynosić od 1 Hz do 300 Hz)
• Jeśli nie możesz opanować hałasu sieciowego (50 Hz lub 60 Hz w różnych krajach) i tylko jeśli twój sygnał obejmuje ten zakres, możesz użyć aktywnych filtrów, takich jak Humbug http://www.autom8.com/hum_bug.html

Moje pytanie brzmi: czy są jakieś inne sugestie, które przegapiłem? Czy którakolwiek z tych sugestii została przekazana lub jest błędna?

Zwykle ludzie z tych dziedzin (jak ja) nie mają formalnego wykształcenia w dziedzinie elektrotechniki, a czasem mitologia przechodzi z pokolenia na pokolenie uczniów bez odpowiedniego dowodu. To jest próba rozwiązania tego.

EDYCJA:
- jeśli to możliwe, używaj baterii lub bardzo dobrze regulowanych zasilaczy we wszystkich swoich urządzeniach, w tym w dowolnych pompach, mikrodrogach, urządzeniach monitorujących, nawet możesz umieścić filtry w sieci komputerowej (choć zwykle nie jest to poważny problem).

Napędzana tarcza

Możliwe jest stosowanie ekranowanych drutów między elektrodami i przedwzmacniaczem bez dużego wpływu dodatkowej pojemności pasożytniczej ekranu (druga kropka). Sam sygnał nie ucierpi zbytnio, ponieważ jest bardzo mały w porównaniu do komponentu trybu wspólnego. Aby to zrozumieć, wyobraź sobie niewielki sygnał różnicowy na tle znacznie większego sygnału wspólnego (najczęściej spowodowanego napięciem sieciowym 50 Hz lub 60 Hz) i składową prądu stałego na niską częstotliwość spowodowaną interakcją tkanki z elektrodami i samym ciałem. O ile rozumiem problem, interferencje sprzężone z sygnałem przez pojemność kabla są znacznie gorsze niż doprowadzenie samego sygnału przez pojemność kabla.

Sztuczka polega na aktywnym napędzaniu ekranu kabla za pomocą części sygnału w trybie wspólnym, zamiast podłączania ekranu do uziemienia przedwzmacniacza. Kilka lat temu zbudowałem taki przedwzmacniacz z aktywną osłoną i mogłem stosować ekranowane przewody o długości 2 m między elektrodami a pierwszym stopniem wzmacniacza. Schematy można znaleźć w tej pracy (nie mojej, ale dogodnie obejmują najciekawsze schematy mojego wzmacniacza EMG) . Patrz rys. 8,7, 8,8 i 8,9 oraz wszystkie inne informacje wokół nich w rozdziale 8. Ryc. 8.12 omawia, w jaki sposób zakłócenia są sprzężone pojemnościowo z sygnałem zainteresowania. Przepraszamy, praca jest w języku niemieckim, ale mam nadzieję, że obrazy i schematy są międzynarodowe.

Dobrym miejscem do odebrania sygnału trybu wspólnego jest „środek” rezystora do ustawiania wzmocnienia początkowego InAmp (ponownie, patrz teza połączona powyżej).

Kierowana prawa noga

Prawa noga służy jako odniesienie do pomiaru sygnału na lewej nodze, lewym ramieniu i prawym ramieniu.

Koncepcję napędzanej osłony można rozszerzyć, aby aktywnie prowadzić pacjenta, a połączenie wykonuje się w miejscu wykorzystywanym jako odniesienie dla sygnałów, które mają być mierzone, czyli w prawej nodze. Jest to znane jako napędzana prawa noga (DRL); dobra dyskusja na temat wzmacniaczy DRL w tym artykule EDN .

Jeśli twoje pomiary nie są pobierane z ludzkiego ciała, ale z niektórych komórek w naczyniu, prawdopodobnie możesz umieścić elektrodę DRL na dnie lub w galaretce / pożywce wzrostowej, w pobliżu miejsca, w którym znajduje się elektroda referencyjna. W ten sposób używasz tej samej strategii, jak w przypadku konfiguracji DRL.

Filtr wycinający

Ponadto, jeśli szum jest naprawdę zły, możesz umieścić filtr wycinający na 50 Hz lub 60 Hz na ścieżce sygnału, ale to również zaszkodzi interesującemu sygnałowi.

Bardzo ważna uwaga bezpieczeństwa: Elektrody nie mogą mieć bezpośredniego połączenia galwanicznego z uziemieniem ochronnym (PE). Jest to konieczne, ponieważ po podłączeniu pacjenta do potencjalnie śmiertelnego napięcia w wyniku uszkodzenia innego urządzenia w laboratorium, prąd zwarcia będzie miał bardzo dobrą ścieżkę przez pacjenta i elektrody do uziemienia. Mówiąc o referencji uziemienia wokół elektrod lub przedwzmacniacza, upewnij się, że jest to uziemienie odnoszące się tylko do przedwzmacniacza, a nie do prawdziwego uziemienia zwykle znanego jako PE! Zwykle wymaga to zastosowania wzmacniacza izolacyjnego w pobliżu lub tuż obok przedwzmacniacza lub izolatora cyfrowego, jeśli chcesz mieć ADC blisko przedwzmacniacza. Więcej na ten temat w DIN EN 60601-1 i innych odpowiednich normach.

1. Użyj wzmacniacza instrumentacyjnego jako przedwzmacniacza (z napędem po prawej stronie)

Wzmacniacz instrumentalny ma między innymi bardzo wysoką impedancję wejściową. Jest to idealne rozwiązanie do pomiaru małych prądów. Zobacz arkusz danych dla INA128 . Strona 11 ma schemat referencyjny (załączony poniżej), który jest podobny do tego, czego szukasz.

2. ZAWSZE stosuj izolację zasilania dla oprzyrządowania biomedycznego!

Użyj układu scalonego z izolacją zasilania. Zobacz kilka przykładów z Maxima .

3. Użyj aktywnego filtra

Użyj darmowego oprogramowania FilterPro firmy TI, aby łatwo zaprojektować aktywny wzmacniacz dla żądanego zakresu częstotliwości. Filtr pasmowy z kluczem Sallen jest łatwy do wdrożenia.

4. Digitalizuj sygnał i użyj DSP do dodatkowego filtrowania.

Użyj i ADC lub oscyloskopu lub digitizera, aby przenieść sygnał do domeny cyfrowej, gdzie możesz wypróbować różne techniki DSP. Filtr odrzucania pasma szumu sieciowego może być łatwo wykonany na przykład w oprogramowaniu. Książka na ten temat może być pomocne. Nie zapomnij również użyć izolatorów cyfrowych na wyjściach ADC. ADUM1100 jest przykładem.

Możesz być w stanie użyć wzmacniacza blokującego .

Nie jest to ogólna metoda, którą można zastosować w każdym przypadku, ale jeśli możesz, daje ona niezrównane wyniki. Wymaga modulowania oryginalnego sygnału (np. Jeśli jest to sygnał optyczny, za pomocą koła rozdrabniającego). Ze względu na modulację sygnału jest on użyteczny tylko w przypadku sygnałów, które zmieniają się znacznie wolniej niż modulacja.

Korzyści są jednak oszałamiające. Za pomocą wzmocnienia Lock-in można odzyskać sygnały, których amplituda jest rzędu wielkości PONIŻEJ szumu.

Zasada:

• Oryginalny sygnał jest modulowany ze znaną częstotliwością i fazą.
• Wykryty sygnał (plus dużo szumu) jest wzmacniany i mnożony przez prostokątny sygnał o tej samej częstotliwości i fazie, a następnie zintegrowany (wykrywanie wrażliwe na fazę). Prawie cały hałas został anulowany.

Myślę, że wyszukiwanie w Internecie „wzmacniacza blokującego” daje wystarczająco szczegółowe opisy.

Zmieniłbym drugi punkt na: „Jeśli używasz ekranowanych przewodów, upewnij się, że ekrany są prawidłowo uziemione. Nieuziemiona osłona może powodować dodatkowe zakłócenia sprzężone pojemnościowo”.

Rozważ przeprowadzenie eksperymentów poza normalnymi godzinami pracy, kiedy HVAC i inne urządzenia wytwarzające EMI mogą być wyłączone.

EDYCJA: W odpowiedzi na komentarze dotyczące mocy prądu stałego. Uruchamianie urządzeń do elektrofizjologii przy użyciu akumulatorów ołowiowych 12 V to stara i nierzadka praktyka. W rezultacie niektóre wyspecjalizowane urządzenia używane do elektrofizjologii i wokół niej są zaprojektowane tak, aby pobierały prąd stały o wartości 12Vdc. Laboratoria budują nawet „ciche” szopy z dala od budynków i linii energetycznych. Urządzenia w tych szopach zasilane są bateriami akumulatorów 12 V, podczas eksperymentów wciągane są przewody prądu przemiennego służące do ładowania.

Jeśli szum sieci nadal stanowi problem, poprowadź obwody ze źródła prądu stałego, takiego jak bateria.

Bardzo ważne jest także, aby połączenie elektrody powierzchniowej było jak najlepsze - i wszystkie elektrody możliwie identycznie przymocowane do powierzchni. Dwa powody.

1. Jeśli elektrody nie są prawie identycznie podłączone, prawdopodobnie będą dość duże różnice potencjałów połączeń między elektrodami, które mogą faktycznie nasycić stopnie wejściowe o dużym wzmocnieniu, jeśli sygnały wejściowe nie są górnoprzepustowe. Nie przepadam szczególnie za wysokimi wejściami, jeśli mogę tego uniknąć, ponieważ może to popsuć impedancję wejściową, jeśli nie będziesz ostrożny. Jak tylko mogę, dostaję małe sygnały różnicowe do wzmacniacza o impedancji ceglanej z wysoką CMRR.

2. Ładnie przymocowane trody zmniejszają artefakt ruchu

3. Jeśli rezystancja w przyłączach elektrod różni się zbyt mocno, cały ten szum elektromagnetyczny na ciele poprzez sprzężenie pojemnościowe ze światem nie dotrze do wzmacniacza jako sygnału trybu wspólnego, ale będzie znaczny składnik szumowy dla sygnału różnicowego, ponieważ dobrze.