Elektrofizyolojide gürültü azaltma stratejileri

Elektrik sinyallerini hücrelerden (bir tabakta veya yaşayan bir insan veya hayvan vücudunun içinde) kaydederken, en büyük problem sinyalin gürültü oranını arttırmasıdır.

Bu sinyaller genellikle 10uV ila 100mV aralığındadır ve nanoAmp'ler sırasındaki akımları verebilen çok düşük güç kaynakları tarafından üretilir.

Genelde, ilgilenilen sinyaller 1Hz-10KHz aralığındadır (en sık olarak 10Hz-10KHz).

Meseleleri daha da kötüleştirmek için, genellikle etrafta olması gereken çok fazla gürültü üretme aracı vardır (klinikte bunlar diğer izleme, tanı ve tedavi cihazları laboratuvarda, diğer izleme, bilimsel cihazlardır).

Gürültünün etkisini azaltmak ve sinyal / gürültü oranını artırmak için, genel olarak uygulanan birkaç kural vardır:

• Mümkünse, bir akım yükselticisi (genellikle kafa aşaması olarak adlandırılır), çok yüksek giriş empedanslı ve oldukça düşük gerilim yükselmesi veya hatta gerilim yükselmesi olmayan bir yükselteç kullanın. sinyal kaynağına çok yakın (vücut).
• Kaynağı (kayıt elektrotları) birinci aşama amplifikatöre (kafa aşaması) bağlamak için, blendajsız kablolar kullanın (sinyalin kapasitatif bozulmalarını önlemek için).
• Zemin döngülerinden kaçının
• Mümkün olduğunda diferansiyel amplifikatörler kullanın (etrafındaki elektromanyetik kaynaklardan gelen indüksiyon gürültüsünü iptal etmek için).
• Sinyal kaynağını ve ona bağlı herhangi bir şeyi (gövde, ekipman ...) örtmek için daima Faraday kafeslerini ve topraklanmış kalkanları (genellikle Alüminyum folyolar) kullanın.
• Uygun filtreler olmadan bunu yapamazsınız (genellikle 10KHz yüksek kesim ve sinyale bağlı olarak 1Hz - 300Hz arasında herhangi bir yerde olabilen düşük kesim)
• Şebeke sesini duyamıyorsanız (farklı ülkelerde 50Hz veya 60Hz) ve yalnızca sinyaliniz bu aralığı kapsıyorsa Humbug http://www.autom8.com/hum_bug.html gibi aktif filtreler kullanabilirsiniz.

Sorum şu: Kaçırdığım başka öneriler var mı? Bu önerilerden herhangi biri akıyor mu, yanlış mı?

Genellikle bu alanlardaki insanlar (benim gibi) elektrik mühendisliği alanında örgün eğitime sahip değillerdir ve bazen bir öğretmenden öğrenci nesline geçtikten sonra doğru kanıt olmadan mitleri vardır. Bu, bunu düzeltmek için bir girişimdir.

EDIT:
- mümkünse piller veya çok iyi düzenlenmiş güç kaynakları, tüm pompalarınız, mikro sürücüler, izleme aygıtları dahil olmak üzere tüm cihazlarınızda kullanın, hatta bilgisayarların ana şebekesine bile filtre koyabilirsiniz (bu genellikle ciddi bir sorun olmasa da).

Tahrik kalkanı

Blendajın ilave parazitik kapasitansından (2. noktanız) etkilenmeden, elektrotlar ve pre-amp arasında blendajlı kablo kullanılması mümkündür. Sinyalin kendisi çok fazla incinmez, çünkü genel mod bileşenine kıyasla çok küçüktür. Bunu anlamak için, çok, çok daha büyük bir ortak mod sinyali (çoğunlukla 50 Hz veya 60 Hz şebeke gerilimi nedeniyle) üzerinde küçük bir diferansiyel sinyal ve doku etkileşiminin neden olduğu DC-düşük frekanslı bir bileşen düşünün. elektrotlar ve vücudun kendisi ile. Sorunu anladığım kadarıyla, sinyale kablonun kapasitansı yoluyla bağlanan girişim, sinyalin kendisinin kablo kapasitesinden beslenmesinden çok daha kötüdür.

İşin püf noktası, blendajı pre-amp topraklamasına bağlamak yerine, sinyalin ortak mod parçasıyla kablo korumasını aktif olarak sürmektir. Birkaç yıl önce aktif bir koruyucuyla bu tür bir ön amplifikatör inşa ettim ve elektrotlar ile amp'in ilk aşaması arasında 2 m uzunluğunda korumalı kablolar kullanabildim. Şemalar bu tezde bulunabilir (benim değil, fakat EMG amperimin en ilginç şemalarını içerir) . Lütfen şek. 8.7, 8.8 ve 8.9 ve bunların etrafındakiler bölüm 8'de açıklanmaktadır. Şekil 8.12, etkileşimin ilgilenilen sinyale nasıl kapasitif bir şekilde bağlandığını tartışmaktadır. Üzgünüz, tez Almancaydı, ancak umarım görüntüler ve şemalar uluslararasıdır.

Ortak mod sinyalini almak için iyi bir yer, başlangıç ​​InAmp değerinin kazanç ayar direncinin "ortası" dır (yine yukarıda verilen tezi görün).

Tahrik sağ bacak

Sağ bacak, sol bacak, sol kol ve sağ koldaki sinyali ölçmek için referans olarak kullanılır.

Tahrikli bir kalkan kavramı, hastayı aktif olarak hareket ettirmek için genişletilebilir ve bağlantı, ölçülecek olan sinyallerin referansı olarak kullanılan yerde, sağ bacak olan bağlantıda yapılır. Bu, tahrik edilen bir sağ bacak (DRL) olarak bilinir; Bu yazıda DRL amper hakkında EDN tarafından iyi bir tartışma var .

Ölçümleriniz bir insan vücudundan değil, bir tabaktaki bazı hücrelerden alındığında, muhtemelen DRL elektrodunu tabana ya da jöle / büyüme ortamına, referans elektrodunuzun bulunduğu yere yakın bir yere koyabilirsiniz. Bu şekilde, bir DRL kurulumunda olduğu gibi aynı stratejiyi kullanırsınız.

Çentik filtresi

Ayrıca, hum gerçekten kötüyse, sinyal yoluna 50 Hz veya 60 Hz'de bir çentik filtresi koyabilirsiniz, ancak bu aynı zamanda ilgili sinyale de zarar verecektir.

Çok önemli güvenlik notu: Elektrotların koruyucu toprağa (PE) doğrudan galvanik bağlantısı olmamalıdır. Bu gereklidir, çünkü hasta laboratuvar etrafındaki başka bir cihazda bir arıza ile potansiyel olarak ölümcül gerilime bağlandıktan sonra, arıza akımı hasta boyunca ve elektrotlar üzerinden toprağa çok iyi bir yol alacaktır. Elektrotların veya pre-ampin etrafındaki bir toprak referansı hakkında konuşurken, bunu yalnızca pre-amp'e referans verilen bir toprak haline getirdiğinizden emin olun, genellikle PE olarak bilinen gerçek topraklama için değil! ADC'nin ön ampere yakın olmasını istiyorsanız, bu genellikle pre-amp'in çevresinde veya hemen yakınında bir yerde bir izolasyon ampi veya dijital bir izolatör gerektirir. Bu konuda daha fazla DIN EN 60601-1 ve diğer ilgili standartlar.

1. Ön amplifikatör olarak bir Enstrümantasyon Amplifikatörü kullanın (sağ ayak tahrikli)

Bir enstrümantasyon amplifikatörü, diğer şeylerin yanı sıra, çok yüksek bir giriş empedansına sahiptir. Bu küçük akımları ölçmek için idealdir. INA128 için veri sayfasına bakın . Sayfa 11, aradığınız şeye benzer bir referans şemasına (aşağıda ekli) sahiptir.

2. HER ZAMAN biyomedikal enstrümantasyon için güç kaynağı yalıtımını kullanın!

Bir güç kaynağı izolasyonu IC kullanın. Maxim'den bazı örneklere bakın .

3. Aktif bir filtre kullanın

İstediğiniz frekans aralığına göre aktif bir amplifikatörü kolayca tasarlamak için TI'nin ücretsiz FilterPro yazılımını kullanın. Bir Sallen-key band geçiş filtresi uygulamak kolaydır.

4. Sinyali sayısallaştırın ve ilave filtreleme için DSP kullanın.

Sinyali çeşitli DSP tekniklerini deneyebileceğiniz dijital alana götürmek için ve ADC veya bir osiloskop veya dijitalleştirici kullanın. Şebeke gürültü bandı reddetme filtresi, örneğin yazılımda kolayca yapılabilir. Konuyla ilgili bir kitap yardımcı olabilir. Ayrıca, ADC çıkışlarında dijital izolatörleri kullanmayı unutmayın. ADUM1100 bir örnek.

Bir kullanmak mümkün olabilir yükseltici kilidi- .

Her durumda uygulayabileceğiniz genel bir yöntem değildir, ancak yapabiliyorsanız size eşsiz sonuçlar verir. Orijinal sinyali değiştirmenizi gerektirir (örneğin bir optik sinyal ise, bir kıyıcı tekerleği ile). Sinyalin modülasyonu nedeniyle, sadece modülasyondan çok daha yavaş değişen sinyaller için kullanışlıdır.

Bununla birlikte, faydalar çarpıcı. Lock-in amplifikasyonunu kullanarak, genliği gürültü AŞIRI büyüklükte olan sinyalleri kurtarabilirsiniz.

İlke:

• Orijinal sinyal bilinen frekans ve faz ile modüle edilir.
• Algılanan sinyal (artı çok fazla gürültü), aynı frekans ve fazdaki dikdörtgen bir sinyal ile büyütülür ve çoğaltılır ve daha sonra entegre edilir (faza duyarlı algılama). Neredeyse tüm sesler iptal edildi.

Sanırım internette "kilitli amplifikatör" aranıyor, size daha ayrıntılı açıklamalar getiriyor.

2. mermiyi şu şekilde değiştirirdim: "Blendajlı kablolar kullanılıyorsa, blendajların doğru şekilde topraklandığından emin olun. Topraklanmamış blendaj, ilave kapasitif olarak bağlanmış gürültü çıkarabilir."

HVAC ve diğer EMI üreten ekipmanların kapalı olabileceği normal çalışma saatleri dışında deney yapmayı düşünün.

EDIT: DC gücü ile ilgili yorumlara cevap olarak. 12 V kurşun-asit akülerden elektrofizyoloji kulelerinin açılması eski ve nadir görülen bir uygulamadır. Sonuç olarak, elektrofizyoloji için ve çevresinde kullanılan bazı özel ekipmanlar 12Vdc'yi çalıştırmak üzere tasarlanmıştır. Laboratuarlar bile “sessiz” sürüleri binalardan ve elektrik hatlarından uzakta inşa ediyorlar. Bu hanelerin içindeki kuleler 12V akü bankları ile desteklenir, şarj için kullanılan AC kablolar deneyler sırasında geri çekilir.

Şebeke gürültüsü hala sorunsa, devreleri akü gibi bir DC kaynağından çalıştırın.

Ayrıca bir yüzey elektrotunun bağlantısını mümkün olduğu kadar iyi hale getirmeye çalışmak ve tüm elektrotları mümkün olduğunca yüzeye aynı şekilde sabitlemek çok önemlidir. İki sebep.

1. Eğer elektrotlar hemen hemen aynı şekilde bağlanmadıysa, girişler yüksek geçilmezse, aslında yüksek kazançlı giriş aşamalarını doyurabilen elektrotlar arasındaki potansiyel olarak büyük ölçüde birleşme potansiyeli farkı olabilir. Dikkatli olmamanız durumunda giriş empedansını bozabileceği için, girişlerimi özellikle geçmek istemiyorum. Küçük fark sinyalleriyle en kısa sürede yüksek CMRR'li tuğla duvar empedanslı amp'e binmeyi seviyorum.

2. Güzel bir şekilde tutturulmuş 'askerler hareket artefaktını azaltır

3. Elektrot bağlantılarındaki direnç çok fazla farklılık gösterirse, vücuttaki tüm EM EM gürültüsü dünyaya yapılan kapasitif kuplaj yoluyla ampere ortak bir mod sinyali olarak gelmez, ancak diferansiyel sinyale yönelik önemli bir gürültü bileşeni olacaktır. iyi.