Strategie di riduzione del rumore in elettrofisiologia

Quando si registrano segnali elettrici dalle cellule (in un piatto o all'interno di un corpo umano o animale vivente), uno dei problemi principali è quello di aumentare il rapporto segnale-rumore.

Questi segnali sono generalmente nell'intervallo da 10 uV a 100 mV e sono generati da fonti di energia molto basse che possono produrre correnti nell'ordine dei nanoAmps.

Spesso i segnali di interesse rientrano nell'intervallo 1Hz-10KHz (molto spesso 10Hz-10KHz).

A peggiorare le cose di solito ci sono molti strumenti di generazione del rumore che sono necessari per essere in giro (nella clinica ci sono altri dispositivi di monitoraggio, diagnostici e terapeutici in laboratorio, questi sono altri dispositivi di monitoraggio, scientifici).

Per ridurre l'impatto del rumore e aumentare il rapporto segnale rumore, ci sono alcune regole generalmente applicate come:

• Se possibile, utilizzare un amplificatore di corrente (spesso chiamato head-stage), un amplificatore con impedenza di ingresso molto elevata e un'amplificazione piuttosto bassa o addirittura nessuna amplificazione di tensione. molto vicino alla sorgente del segnale (corpo).
• Per collegare la sorgente (elettrodi di registrazione) all'amplificatore del primo stadio (stadio principale) utilizzare cavi che non dispongono di schermature (per evitare distorsioni capacitive del segnale).
• Evitare anelli di massa
• Se possibile, utilizzare amplificatori differenziali (per cancellare il rumore di induzione dalle fonti elettromagnetiche circostanti).
• Utilizzare sempre gabbie Faraday e schermi collegati a terra (solitamente fogli di alluminio) per coprire la sorgente del segnale e tutto ciò che è collegato (corpo, attrezzatura ...).
• Non puoi farlo senza i filtri adeguati (di solito un taglio alto a 10 KHz e un taglio basso che, a seconda del segnale, possono variare da 1Hz a 300Hz)
• Se non riesci a cavalcare il rumore di rete (50Hz o 60Hz in diversi paesi) e solo se il tuo segnale copre tale intervallo, puoi utilizzare filtri attivi come Humbug http://www.autom8.com/hum_bug.html

La mia domanda è: ci sono altri suggerimenti che ho perso? Qualcuno di questi suggerimenti è passato o sbagliato?

Di solito le persone in questi campi (come me) non hanno un'educazione formale in ingegneria elettrica e talvolta ci sono miti che passano da un insegnante a generazione dopo generazione senza prove adeguate. Questo è un tentativo di correggere questo.

MODIFICA:
- se possibile, usa batterie o alimentatori molto ben regolati in tutti i tuoi dispositivi, comprese eventuali pompe, microdrive, dispositivi di monitoraggio, anche tu puoi mettere filtri sulla rete del tuo computer (anche se questo di solito non è un problema serio).

Scudo guidato

È possibile utilizzare cavi schermati tra gli elettrodi e il preamplificatore senza molta influenza dalla capacità parassita aggiunta dello schermo (il tuo secondo punto). Il segnale stesso non sarà danneggiato molto perché è molto piccolo rispetto al componente in modalità comune. Per capirlo, immagina un piccolo segnale differenziale sopra un segnale di modo comune molto, molto più grande (causato principalmente da una tensione di rete di 50 Hz o 60 Hz) e un componente da CC a bassa frequenza causato dall'interazione del tessuto con gli elettrodi e il corpo stesso. Per quanto ho capito il problema, l'interferenza accoppiata al segnale tramite la capacità del cavo è molto peggio che avere il segnale stesso alimentato attraverso la capacità del cavo.

Il trucco è guidare attivamente la schermatura del cavo con la parte del segnale in modo comune invece di collegare la schermatura alla terra del preamplificatore. Alcuni anni fa, ho costruito un tale preamplificatore con una protezione attiva e sono stato in grado di utilizzare cavi schermati fino a 2 m tra gli elettrodi e il primo stadio dell'amplificatore. Gli schemi possono essere trovati in questa tesi (non la mia, ma include convenientemente gli schemi più interessanti del mio amplificatore EMG) . Vedi fig. 8.7, 8.8 e 8.9 e tutte le cose che li circondano nel capitolo 8. La Figura 8.12 discute come l'interferenza è accoppiata in modo capacitivo al segnale di interesse. Mi dispiace, la tesi è in tedesco, ma spero che le immagini e gli schemi siano internazionali.

Un buon posto per raccogliere il segnale di modo comune è il "mezzo" del resistore di impostazione del guadagno dell'InAmp iniziale (di nuovo, vedere la tesi collegata sopra).

Gamba destra guidata

La gamba destra viene utilizzata come riferimento per misurare il segnale sulla gamba sinistra, sul braccio sinistro e sul braccio destro.

Il concetto di scudo guidato può essere esteso per guidare attivamente il paziente e la connessione viene stabilita nella posizione utilizzata come riferimento per i segnali da misurare, che è la gamba destra. Questo è noto come una gamba destra guidata (DRL); c'è una buona discussione sugli amplificatori DRL in questo articolo di EDN .

Se le tue misurazioni non vengono prese da un corpo umano ma da alcune cellule di un piatto, puoi probabilmente posizionare l'elettrodo DRL sul fondo o nel mezzo di gelatina / crescita, vicino a dove si trova l'elettrodo di riferimento. In questo modo, si utilizza la stessa strategia che si farebbe nel senso di una configurazione DRL.

Filtro Notch

Inoltre, se il ronzio è davvero grave, è possibile inserire un filtro notch a 50 Hz o 60 Hz nel percorso del segnale, ma ciò danneggerà anche il segnale di interesse.

Nota di sicurezza molto importante: gli elettrodi non devono avere alcun collegamento galvanico diretto con terra di protezione (PE). Ciò è necessario perché una volta che il paziente viene collegato a una tensione potenzialmente letale a causa di un guasto in un altro dispositivo intorno al laboratorio, la corrente di guasto avrà un ottimo percorso attraverso il paziente e attraverso gli elettrodi verso terra. Quando si parla di un riferimento a terra attorno agli elettrodi o al preamplificatore, assicurarsi di rendere questo un riferimento a terra solo al preamplificatore e non a quello reale solitamente noto come PE! Questo di solito richiede un amplificatore di isolamento da qualche parte intorno o appena oltre il preamplificatore o un isolatore digitale se si desidera avere l'ADC vicino al preamplificatore. Maggiori informazioni in merito a DIN EN 60601-1 e altre norme pertinenti.

1. Utilizzare un amplificatore di strumentazione come pre-amplificatore (con azionamento della gamba destra)

Un amplificatore di strumentazione, tra le altre cose, ha un'impedenza di ingresso molto elevata. Questo è l'ideale per misurare piccole correnti. Vedere la scheda tecnica per INA128 . Pagina 11 ha uno schema di riferimento (allegato sotto) che è simile a quello che stai cercando.

2. Utilizzare SEMPRE l'isolamento dell'alimentazione per la strumentazione biomedica!

Utilizzare un IC di isolamento dell'alimentatore. Vedi alcuni esempi da Maxim .

3. Utilizzare un filtro attivo

Usa il software gratuito FilterI di TI per progettare facilmente un amplificatore attivo per la tua gamma di frequenza desiderata. Un filtro passa banda Sallen-chiave è facile da implementare.

4. Digitalizza il segnale e usa DSP per un filtro aggiuntivo.

Usa e ADC o un oscilloscopio o un digitalizzatore per portare il segnale al dominio digitale dove puoi provare una varietà di tecniche DSP. Un filtro di rifiuto della banda di rumore di rete può essere facilmente realizzato nel software, ad esempio. Un libro sull'argomento potrebbe essere utile. Inoltre, non dimenticare di utilizzare isolatori digitali sulle uscite ADC. ADUM1100 è un esempio.

Potresti essere in grado di utilizzare un amplificatore lock-in .

Non è un metodo generale che puoi applicare in ogni caso, ma se puoi, ti dà risultati insuperabili. Richiede di modulare il segnale originale (ad es. Se si tratta di un segnale ottico, mediante una rotella del chopper). A causa della modulazione del segnale è utile solo per segnali che cambiano molto più lentamente della modulazione.

I vantaggi, tuttavia, sono sorprendenti. Usando l'amplificazione Lock-in è possibile recuperare segnali la cui ampiezza è ordini di grandezza SOTTO il rumore.

Il principio:

• Il segnale originale è modulato con frequenza e fase note.
• Il segnale rilevato (più un sacco di rumore) viene amplificato e moltiplicato con un segnale rettangolare della stessa frequenza e fase e quindi integrato (rilevamento sensibile alla fase). Quasi tutto il rumore viene cancellato.

Penso che cercare "amplificatore lock-in" sul web ti offra descrizioni più dettagliate.

Vorrei cambiare il secondo proiettile in: "Se si utilizzano cavi schermati, assicurarsi che gli schermi siano correttamente messi a terra. Lo schermo senza messa a terra può introdurre ulteriore rumore accoppiato in modo capacitivo."

Prendi in considerazione la possibilità di eseguire esperimenti al di fuori del normale orario lavorativo in cui HVAC e altre apparecchiature che producono EMI potrebbero essere spenti.

EDIT: in risposta ai commenti sull'alimentazione DC. Far funzionare le apparecchiature elettrofisiologiche con batterie al piombo-acido a 12V è una pratica vecchia e non rara. Di conseguenza, alcune apparecchiature specializzate utilizzate per e intorno all'elettrofisiologia sono progettate per funzionare a 12Vcc. I laboratori costruiscono persino capannoni "silenziosi" lontano da edifici e linee elettriche. I tappeti all'interno di questi capannoni sono alimentati con batterie da 12 V, i cavi CA utilizzati per la ricarica vengono ritratti durante gli esperimenti.

Se il rumore di rete è ancora un problema, far funzionare i circuiti da una fonte CC come una batteria.

È anche molto importante cercare di rendere il collegamento di un elettrodo di superficie il più buono possibile - e tutti gli elettrodi il più possibile identici alla superficie. Due ragioni.

1. Se gli elettrodi non sono quasi identici, è probabile che ci siano differenze di potenziale di giunzione abbastanza considerevoli tra gli elettrodi, che possono effettivamente saturare gli stadi di ingresso ad alto guadagno se gli ingressi non sono passa-alto. Non mi piace particolarmente passare in alto i miei input se posso evitarlo, in quanto può rovinare l'impedenza di input se non stai attento. Mi piace ottenere appena piccoli segnali differenziali in un amplificatore di impedenza a muro con CMRR alto.

2. I trodes ben attaccati riducono gli artefatti da movimento

3. Se la resistenza negli attacchi degli elettrodi differisce troppo, tutto quel rumore EM sul corpo attraverso l'accoppiamento capacitivo al mondo non arriverà all'amplificatore come segnale di modo comune, ma ci sarà una sostanziale componente di rumore nel segnale differenziale come bene.