Стратегии снижения шума в электрофизиологии

При записи электрических сигналов от ячеек (в чашке или в теле живого человека или животного) одной из основных проблем является увеличение отношения сигнал / шум.

Эти сигналы обычно находятся в диапазоне от 10 мкВ до 100 мВ и генерируются источниками очень низкой мощности, которые могут выдавать токи порядка наноампер.

Часто интересующие сигналы попадают в диапазон 1 Гц-10 кГц (чаще всего 10 Гц-10 кГц).

Чтобы усугубить ситуацию, как правило, есть много инструментов, генерирующих шум, которые необходимо иметь рядом (в клинике это другие приборы для мониторинга, диагностики и терапии в лаборатории, это другие приборы для мониторинга, научные приборы).

Чтобы уменьшить влияние шума и увеличить отношение сигнал / шум, существует несколько общепринятых правил, таких как:

• Если возможно, используйте усилитель тока (часто называемый головным каскадом), усилитель с очень высоким входным сопротивлением и довольно низким усилением напряжения или даже без усиления напряжения. очень близко к источнику сигнала (тело).
• Для подключения источника (записывающих электродов) к усилителю первой ступени (головному каскаду) используйте провода без экранов (чтобы избежать емкостных искажений сигнала).
• Избегайте контуров заземления
• По возможности используйте дифференциальные усилители (для подавления индукционного шума от электромагнитных источников вокруг).
• Всегда используйте клетки Фарадея и заземленные экраны (обычно алюминиевую фольгу) для покрытия источника сигнала и всего, что с ним связано (корпус, оборудование ...).
• Вы не можете сделать это без надлежащих фильтров (обычно верхний срез 10 кГц и низкий срез, который в зависимости от сигнала может быть в диапазоне от 1 Гц до 300 Гц)
• Если вы не можете использовать сетевой шум (50 Гц или 60 Гц в разных странах) и только если ваш сигнал покрывает этот диапазон, вы можете использовать активные фильтры, такие как Humbug http://www.autom8.com/hum_bug.html

Мой вопрос: есть ли другие предложения, которые я пропустил? Есть ли какие-либо из этих предложений или нет?

Обычно люди в этой области (как и я) не имеют формального образования в области электротехники, и иногда существуют мифы, передающиеся от учителя к ученику из поколения в поколение без надлежащих доказательств. Это попытка исправить это.

РЕДАКТИРОВАТЬ:
- если возможно, используйте батареи или очень хорошо отрегулированные источники питания во всех ваших устройствах, включая любые насосы, микроприводы, устройства мониторинга, даже если вы можете установить фильтры на сети ваших компьютеров (хотя это обычно не является серьезной проблемой).

Ведомый щит

Можно использовать экранированные провода между электродами и предусилителем без большого влияния дополнительной паразитной емкости экрана (ваша вторая точка). Сам сигнал не будет сильно поврежден, потому что он очень мал по сравнению с синфазным компонентом. Чтобы понять это, представьте себе крошечный дифференциальный сигнал поверх гораздо более мощного синфазного сигнала (в основном вызванного напряжением сети 50 Гц или 60 Гц) и компонент постоянного тока в низкую частоту, вызванный взаимодействием ткани. с электродами и самим телом. Насколько я понимаю проблему, помехи, связанные с сигналом через емкость кабеля, намного хуже, чем сам сигнал, подаваемый через емкость кабеля.

Хитрость заключается в том, чтобы активно управлять экраном кабеля синфазной частью сигнала, а не подключать экран к заземлению предусилителя. Несколько лет назад я построил такой предварительный усилитель с активной защитой и смог использовать экранированные провода длиной до 2 м между электродами и первой ступенью усилителя. Схемы можно найти в этой диссертации (не моя, но удобно включает в себя наиболее интересные схемы моего усилителя EMG) . Пожалуйста, смотрите рис. 8.7, 8.8 и 8.9 и все вокруг них в главе 8. На рис. 8.12 показано, как помехи емкостно связаны с интересующим сигналом. Извините, дипломная работа на немецком языке, но я надеюсь, что изображения и схемы являются международными.

Хорошим местом для приема сигнала синфазного режима является «середина» резистора установки усиления исходного InAmp (опять же, см. Тезис, связанный выше).

Правая нога

Правая нога используется в качестве эталона для измерения сигнала на левой ноге, левой руке и правой руке.

Концепция управляемого экрана может быть расширена для активного управления пациентом, и соединение устанавливается в месте, используемом в качестве эталона для измеряемых сигналов, которое является правой ногой. Это известно как ведомая правая нога (ДХО); В этой статье от EDN есть хорошее обсуждение усилителей DRL .

Если ваши измерения взяты не из человеческого тела, а из каких-то клеток в чашке, вы, вероятно, можете поместить электрод DRL на дно или в желе / ​​питательную среду, рядом с местом, где находится ваш электрод сравнения. Таким образом, вы используете ту же стратегию, что и в смысле настройки DRL.

Режекторный фильтр

Кроме того, если гул действительно плохой, вы можете установить режекторный фильтр на частоте 50 или 60 Гц в тракте сигнала, но это также повредит интересующий сигнал.

Очень важное замечание по безопасности: электроды не должны иметь прямого гальванического соединения с защитным заземлением (PE). Это необходимо, потому что, как только пациент подключается к потенциально смертельному напряжению из-за повреждения в другом устройстве в лаборатории, ток повреждения будет очень хорошо проходить через пациента и через электроды к земле. Когда речь идет о заземлении вокруг электродов или предусилителя, убедитесь, что это заземление относится только к предусилителю, а не к реальному заземлению, обычно известному как PE! Для этого обычно требуется изолирующий усилитель где-то вокруг или сразу за предварительным усилителем, или цифровой изолятор, если вы хотите, чтобы АЦП был близко к предварительному усилителю. Подробнее об этом в DIN EN 60601-1 и других соответствующих стандартах.

1. Используйте инструментальный усилитель в качестве предварительного усилителя (с правым приводом)

Инструментальный усилитель, между прочим, имеет очень высокий входной импеданс. Это идеально подходит для измерения малых токов. Смотрите таблицу данных для INA128 . Страница 11 имеет схему ссылок (прилагается ниже), которая похожа на то, что вы ищете.

2. ВСЕГДА используйте изоляцию источника питания для биомедицинских приборов!

Используйте изоляцию IC источника питания. Смотрите несколько примеров от Максима .

3. Используйте активный фильтр

Используйте бесплатное программное обеспечение FilterPro от TI, чтобы легко спроектировать активный усилитель для желаемого диапазона частот. Полосовой фильтр Sallen-key легко реализовать.

4. Оцифруйте сигнал и используйте DSP для дополнительной фильтрации.

Используйте и АЦП или осциллограф или дигитайзер, чтобы доставить сигнал в цифровой домен, где вы можете опробовать различные методы DSP. Фильтр подавления полосы сетевого шума может быть легко сделан, например, программно. Книга по данной теме может быть полезной. Также не забудьте использовать цифровые изоляторы на выходах АЦП. ADUM1100 является примером.

Возможно, вы сможете использовать блокирующий усилитель .

Это не общий метод, который вы можете применить в любом случае, но если вы можете, он дает вам непревзойденные результаты. Это требует, чтобы вы модулировали исходный сигнал (например, если это оптический сигнал, с помощью колеса прерывателя). Из-за модуляции сигнала это полезно только для сигналов, которые изменяются намного медленнее, чем модуляция.

Преимущества, однако, потрясающие. Используя усиление с фиксацией, вы можете восстанавливать сигналы, амплитуда которых составляет порядки НИЖЕ шума.

Принцип:

• Исходный сигнал модулируется с известной частотой и фазой.
• Обнаруженный сигнал (плюс много шума) усиливается и умножается на прямоугольный сигнал той же частоты и фазы, а затем интегрируется (чувствительное к фазе обнаружение). Почти весь шум отменяется.

Я думаю, что поиск в Интернете для «усилителя блокировки» дает вам достаточно более подробные описания.

Я бы поменял 2-ую пулю на: «При использовании экранированных проводов убедитесь, что экраны заземлены правильно. Незаземленный экран может создавать дополнительный шум с емкостной связью».

Рассмотрите возможность проведения экспериментов в нерабочее время, когда HVAC и другое оборудование, производящее ЭМП, могут быть выключены.

РЕДАКТИРОВАТЬ: В ответ на комментарии о мощности постоянного тока. Запуск электрофизиологических установок на 12В свинцово-кислотных батареях - старая и не редкая практика. В результате некоторое специализированное оборудование, используемое для электрофизиологии и вокруг нее, рассчитано на работу от 12 В постоянного тока. Лаборатории даже строят "тихие" сараи вдали от зданий и линий электропередач. Установки внутри этих навесов питаются от аккумуляторных батарей 12 В, шнуры переменного тока, которые используются для зарядки, отводятся во время экспериментов.

Если сетевой шум все еще остается проблемой, запустите цепи от источника постоянного тока, например, от батареи.

Также очень важно постараться, чтобы соединение поверхностного электрода было как можно более хорошим, а все электроды были максимально идентично прикреплены к поверхности. Две причины.

1. Если электроды подключены не одинаково, вероятно, между электродами будут существенные различия потенциалов перехода, которые могут фактически насыщать входные каскады с высоким коэффициентом усиления, если входы не являются высокочастотными. Мне не особенно нравится пропускать мои входы, если я могу избежать этого, так как это может испортить ваш входной импеданс, если вы не будете осторожны. Мне нравится, как только я могу подавать небольшие дифференциальные сигналы в усилитель импеданса кирпичной стены с высокой CMRR.

2. Красиво прикрепленные 'рыцари уменьшают артефакт движения

3. Если сопротивление в креплениях электродов слишком сильно отличается, все эти электромагнитные помехи на корпусе через емкостную связь с миром не будут поступать на усилитель в качестве синфазного сигнала, но в дифференциальном сигнале будет существенная шумовая составляющая, так как Что ж.