Стратегії зниження шуму в електрофізіології

Під час запису електричних сигналів з клітин (у посуді або всередині живого тіла людини чи тварини) однією з основних проблем є збільшення співвідношення сигнал / шум.

Ці сигнали зазвичай знаходяться в діапазоні від 10uV до 100mV і генеруються дуже низькими джерелами живлення, які можуть подавати струми в порядку nanoAmps.

Часто сигнали, що цікавлять, потрапляють в діапазон 1 Гц - 10 КГц (найчастіше 10 Гц - 10 КГц).

Для того, щоб погіршити ситуацію, зазвичай є багато інструментів, що створюють шум, які необхідно мати навколо (в клініці це інші моніторингові, діагностичні та терапевтичні прилади в лабораторії - це інші моніторингові, наукові прилади).

Для зменшення впливу шуму та збільшення співвідношення сигнал / шум існує кілька загальноприйнятих правил, таких як:

• Якщо можливо, використовуйте підсилювач струму (часто його називають головним ступенем), підсилювач з дуже високим вхідним опором і досить низьким підсиленням напруги або навіть без посилення напруги. дуже близько до джерела сигналу (тіла).
• Для підключення джерела (записуючих електродів) до підсилювача першого ступеня (головного ступеня) використовуйте дроти, які не мають екранів (щоб уникнути ємнісних спотворень сигналу).
• Уникайте заземлення
• По можливості використовуйте диференціальні підсилювачі (для відміни індукційного шуму від електромагнітних джерел навколо).
• Завжди використовуйте клітки Фарадея та заземлені щити (зазвичай алюмінієві фольги) для покриття джерела сигналу та всього, що з ним пов’язано (корпус, обладнання ...).
• Ви не можете зробити це без належних фільтрів (зазвичай високий розріз 10 КГц і низький розріз, який залежно від сигналу може бути від 1 Гц до 300 ГГц)
• Якщо ви не можете їхати від мережевого шуму (50 Гц або 60 ГГц в різних країнах) і лише якщо ваш сигнал охоплює цей діапазон, ви можете використовувати активні фільтри, такі як Humbug http://www.autom8.com/hum_bug.html

Моє запитання: чи є якісь інші пропозиції, які я пропустив? Чи є якась із цих пропозицій поточною чи неправильною?

Зазвичай люди в цій галузі (як я) не мають формальної освіти з електротехніки, і іноді існують міфи, що передають від вчителя до студентського покоління за поколінням без належних доказів. Це спроба виправити це.

EDIT:
- якщо можливо, використовуйте батарейки або дуже добре регульовані джерела живлення на всіх своїх пристроях, включаючи будь-які насоси, мікроприводи, прилади моніторингу, навіть ви можете поставити фільтри на мережу комп'ютерів (хоча це, як правило, не є серйозною проблемою).

Загнаний щит

Можна використовувати екрановані дроти між електродами та підсилювачем без особливого впливу від додаткової паразитичної ємності щита (ваша 2 крапка). Сам сигнал не зашкодить сильно, тому що він дуже малий порівняно з компонентом загального режиму. Щоб зрозуміти це, уявіть собі крихітний диференціальний сигнал поверх набагато більшого сигналу загального режиму (в основному викликаного мережевою напругою 50 Гц або 60 Гц) та компонента постійного струму до низької частоти, викликаного взаємодією тканини з електродами та самим корпусом. Наскільки я розумію проблему, інтерференція, пов'язана з сигналом через ємність кабелю, набагато гірша, ніж сам сигнал подається через ємність кабелю.

Трюк полягає в активному керуванні екраном кабелю загальною частиною сигналу замість підключення екрана до підсилювача. Деякі роки тому я побудував такий підсилювач з активною охороною і міг використовувати екрановані дроти до 2 м між електродами та першим ступенем підсилювача. Схематику можна знайти в цій тезі (не моя, але зручно включає найцікавіші схеми мого підсилювача EMG) . Будь ласка, дивіться рис. 8.7, 8.8 та 8.9 та всі речі навколо них у главі 8. Мал. 8.12 розповідає про те, як інтерференція ємнісно пов'язана із сигналом, що цікавить. Вибачте, теза написана німецькою мовою, але я сподіваюся, що образи та схеми є міжнародними.

Хорошим місцем для прийняття загального режиму сигналу є "середина" резистора настройки посилення початкового InAmp (знову дивіться тезу, пов'язану вище).

Ведена права нога

Права нога використовується як орієнтир для вимірювання сигналу на лівій нозі, лівій руці та правій руці.

Концепція веденого щита може бути розширена для активного водіння пацієнта, а з'єднання здійснюється в місці, яке використовується як орієнтир для вимірювання сигналів, що є правою ногою. Це відоме як ведена права нога (DRL); в цій статті від EDN є хороша дискусія про DRL-підсилювачі .

Якщо ваші вимірювання проводяться не з людського тіла, а з деяких клітин у посуді, ви, ймовірно, можете поставити електрод DRL на дно або в желе / ​​середовище росту, близько до місця, де знаходиться ваш електрод відліку. Таким чином, ви використовуєте ту саму стратегію, що і в сенсі установки DRL.

Золотий фільтр

Крім того, якщо гул справді поганий, ви можете поставити на тракт сигналу нарізний фільтр частотою 50 Гц або 60 Гц, але це також зашкодить сигналу, що цікавить.

Дуже важлива вказівка ​​щодо безпеки: Електроди не повинні мати прямого гальванічного з'єднання із захисною землею (PE). Це необхідно, тому що, як тільки пацієнт підключається до потенційно летальної напруги несправністю в іншому пристрої навколо лабораторії, струм несправності пройде дуже добре через пацієнта та через електроди до заземлення. Говорячи про опорний заземлення навколо електродів або підсилювача, не забудьте зробити це заземленням, яке посилається лише на попередній підсилювач, а не на реальний заземлення, зазвичай відомий як PE! Зазвичай для цього потрібен підсилювач ізоляції десь навколо або просто минулий підсилювач або цифровий ізолятор, якщо ви хочете, щоб АЦП був близький до попереднього підсилювача. Детальніше про це в DIN EN 60601-1 та інших відповідних стандартах.

1. Використовуйте підсилювач приладу як попередній підсилювач (з правою ногою)

Підсилювач приладів, крім іншого, має дуже високий вхідний опір. Це ідеально підходить для вимірювання малих струмів. Див . Таблицю даних INA128 . Сторінка 11 має довідкову схему (додається нижче), яка схожа на те, що ви шукаєте.

2. ЗАВЖДИ використовуйте ізоляцію живлення для біомедичних приладів!

Використовуйте ізоляцію живлення. Дивіться кілька прикладів від Максима .

3. Використовуйте активний фільтр

Використовуйте безкоштовне програмне забезпечення FilterPro від TI, щоб легко створити активний підсилювач для потрібного діапазону частот. Стрічковий фільтр пропускання клавіш Саллен легко здійснити.

4. Оцифруйте сигнал і використовуйте DSP для додаткової фільтрації.

Використовуйте і АЦП, або осцилоскоп або оцифровлювач для передачі сигналу в цифровий домен, де ви можете спробувати різноманітні методи DSP. Наприклад, фільтр відхилення смуги живлення від мережі може бути легко виконаний у програмному забезпеченні. Книга по даній темі може бути корисною. Крім того, не забувайте використовувати цифрові ізолятори на виходах АЦП. ADUM1100 - приклад.

Можливо, ви зможете використовувати підсилювач, що блокується .

Це не загальний метод, який ви можете застосувати в будь-якому випадку, але якщо зможете, він дає неперевершені результати. Це вимагає від вас модуляції оригінального сигналу (наприклад, якщо це оптичний сигнал, колісом колеса). Завдяки модуляції сигналу він корисний лише для сигналів, які змінюються набагато повільніше, ніж модуляція.

Переваги, однак, приголомшливі. За допомогою підсилення Lock-in ви можете відновлювати сигнали, амплітуда яких на порядок нижче НУМУ.

Принцип:

• Вихідний сигнал модулюється відомою частотою та фазою.
• Виявлений сигнал (плюс багато шуму) підсилюється та примножується прямокутним сигналом однакової частоти та фази, а потім інтегрується (фазочутливе виявлення). Майже весь шум скасовується.

Я думаю, що пошук в Інтернеті "підсилювача блокування" дає вам досить детальні описи.

Я б змінив 2-ю кулю на: "Якщо ви використовуєте екрановані дроти, переконайтесь, що щити заземлені правильно. Незаземлений щит може ввести додатковий ємнісно пов'язаний шум."

Розгляньте проведення експериментів поза звичайним робочим часом, коли HVAC та інше обладнання, що виробляє EMI, можуть бути вимкнені.

EDIT: У відповідь на коментарі про живлення постійного струму. Використання електрофізіологічних установок від 12В свинцево-кислотних акумуляторів є давньою і не рідкісною практикою. В результаті деяке спеціалізоване обладнання, що використовується для електрофізіології та навколо неї, розраховане на 12В постійного струму. Лабораторії навіть будують «тихі» навіси подалі від будівель та ліній електропередач. Диски у цих сараях живляться від акумуляторних батарей на 12 В, шнури змінного струму, які використовуються для зарядки, відбираються під час експериментів.

Якщо шум від мережі все ще залишається проблемою, запустіть ланцюги від джерела постійного струму, як акумулятор.

Також досить важливо спробувати зробити так, щоб з'єднання поверхневого електрода було якомога кращим - і всі електроди були максимально однаково закріплені на поверхні. Дві причини.

1. Якщо електроди майже не однаково приєднані, ймовірно, існують досить значні різниці потенціалів переходу між електродами, що може насправді наситити високі ступені вхідного посилення, якщо входи не мають високого пропускання. Мені особливо не подобається, якщо я можу цього уникнути, якщо я не можу цього уникнути, так як це може зіпсувати ваш вхідний опір, якщо ви не будете обережні. Мені подобається потрапляти невеликими диференціальними сигналами в підсилювач імпедансу цегляної стіни з високим CMRR, як тільки я можу.

2. Приємно прикріплені 'троти зменшують артефакт руху

3. Якщо опір в електродних прикріпленнях відрізняється занадто сильно, весь той ЕМ-шум на тілі через ємнісну сполуку до світу не надходить на підсилювач як сигнал загального режиму, але буде істотним шумовим компонентом диференціального сигналу, оскільки добре.