Chiến lược giảm tiếng ồn trong điện sinh lý

Khi ghi tín hiệu điện từ các tế bào (trong đĩa hoặc bên trong cơ thể người hoặc động vật sống), một vấn đề chính là tăng tín hiệu thành tỷ lệ nhiễu.

Các tín hiệu này thường nằm trong phạm vi 10uV đến 100mV và được tạo ra bởi các nguồn năng lượng rất thấp có thể tạo ra dòng điện theo thứ tự nanoAmps.

Thông thường các tín hiệu quan tâm nằm trong phạm vi 1Hz-10KHz (thường là 10Hz-10KHz).

Để làm cho vấn đề tồi tệ hơn thường có rất nhiều công cụ tạo tiếng ồn cần có xung quanh (trong phòng khám là những thiết bị theo dõi, chẩn đoán và điều trị khác trong phòng thí nghiệm, đây là những thiết bị theo dõi, khoa học khác).

Để giảm tác động của nhiễu và tăng tỷ lệ tín hiệu thành nhiễu, có một số quy tắc được áp dụng chung như:

• Nếu có thể sử dụng bộ khuếch đại hiện tại (thường được gọi là giai đoạn đầu), bộ khuếch đại có trở kháng đầu vào rất cao và khuếch đại điện áp khá thấp hoặc thậm chí không có khuếch đại điện áp. rất gần với nguồn tín hiệu (cơ thể).
• Để kết nối nguồn (điện cực ghi) với bộ khuếch đại giai đoạn đầu (giai đoạn đầu), hãy sử dụng dây không có tấm chắn (để tránh sự biến dạng điện dung của tín hiệu).
• Tránh các vòng đất
• Khi có thể sử dụng bộ khuếch đại vi sai (để loại bỏ nhiễu cảm ứng từ các nguồn điện từ xung quanh).
• Luôn sử dụng lồng Faraday và tấm chắn nối đất (thường là lá nhôm) để che nguồn tín hiệu và mọi thứ được kết nối với nó (thân máy, thiết bị ...).
• Bạn không thể thực hiện việc này nếu không có các bộ lọc thích hợp (thường là mức cắt cao 10KHz và mức cắt thấp tùy thuộc vào tín hiệu có thể ở bất kỳ đâu từ 1Hz đến 300Hz)
• Nếu bạn không thể sử dụng tiếng ồn chính (50Hz hoặc 60Hz ở các quốc gia khác nhau) và chỉ khi tín hiệu của bạn bao phủ phạm vi đó, bạn mới có thể sử dụng các bộ lọc hoạt động như Humbug http://www.autom8.com/hum_orms.html

Câu hỏi của tôi là: Có bất kỳ đề nghị nào khác mà tôi đã bỏ lỡ? Có bất kỳ đề xuất này chảy hoặc sai?

Thông thường những người trong lĩnh vực này (như tôi) không được giáo dục chính thức về kỹ thuật điện và đôi khi có những huyền thoại truyền từ giáo viên sang thế hệ học sinh sau nhiều thế hệ mà không có bằng chứng xác thực. Đây là một nỗ lực để sửa lỗi này.

EDIT:
- nếu có thể, hãy sử dụng pin hoặc nguồn điện được điều tiết rất tốt trong tất cả các thiết bị của bạn, bao gồm mọi máy bơm, microdrive, thiết bị giám sát, thậm chí bạn có thể đặt bộ lọc vào nguồn điện của máy tính (mặc dù điều này thường không phải là vấn đề nghiêm trọng).

Khiên chắn

Có thể sử dụng các dây được che chắn giữa các điện cực và pre-amp mà không chịu nhiều ảnh hưởng từ điện dung ký sinh được thêm vào của khiên (dấu chấm thứ 2 của bạn). Bản thân tín hiệu sẽ không bị tổn thương nhiều vì nó rất nhỏ so với thành phần chế độ chung. Để hiểu điều này, hãy tưởng tượng một tín hiệu vi sai nhỏ trên đầu của tín hiệu chế độ chung lớn hơn nhiều (chủ yếu gây ra bởi điện áp lưới 50 Hz hoặc 60 Hz) và thành phần tần số thấp đến DC do tương tác của mô gây ra với các điện cực và cơ thể chính nó. Theo như tôi hiểu được vấn đề, nhiễu liên kết với tín hiệu qua điện dung của cáp thì tệ hơn nhiều so với việc tín hiệu được truyền qua dung lượng cáp.

Mẹo nhỏ là chủ động lái khiên của cáp với phần tín hiệu ở chế độ chung thay vì kết nối khiên với mặt đất của pre-amp. Cách đây vài năm, tôi đã chế tạo một pre-amp như vậy với một bộ phận bảo vệ tích cực và có thể sử dụng các dây được che chắn miễn là 2 m giữa các điện cực và giai đoạn đầu tiên của amp. Các sơ đồ có thể được tìm thấy trong luận án này (không phải của tôi, nhưng thuận tiện bao gồm các sơ đồ thú vị nhất của amp EMG của tôi) . Xin vui lòng xem hình. 8,7, 8,8 và 8,9 và tất cả những thứ xung quanh chúng trong chương 8. Hình 8.12 thảo luận về cách thức giao thoa được ghép điện dung với tín hiệu quan tâm. Xin lỗi, luận án bằng tiếng Đức, nhưng tôi hy vọng các hình ảnh và sơ đồ là quốc tế.

Một nơi tốt để nhận tín hiệu chế độ chung là "giữa" của điện trở cài đặt mức tăng của InAmp ban đầu (một lần nữa, xem luận án được liên kết ở trên).

Chân phải

Chân phải được sử dụng làm tài liệu tham khảo để đo tín hiệu ở chân trái, cánh tay trái và cánh tay phải.

Khái niệm về một lá chắn điều khiển có thể được mở rộng để chủ động điều khiển bệnh nhân và kết nối được thực hiện tại vị trí được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các tín hiệu được truyền bệnh, đó là chân phải. Điều này được gọi là một chân phải điều khiển (DRL); có một cuộc thảo luận tốt về ampe kế trongEDN bài viết này của EDN .

Nếu các phép đo của bạn không được lấy từ cơ thể người mà từ một số tế bào trong đĩa, bạn có thể đặt điện cực DRL xuống đáy hoặc vào môi trường thạch / môi trường phát triển, gần nơi đặt điện cực tham chiếu của bạn. Bằng cách này, bạn sử dụng chiến lược tương tự như bạn hiểu theo cách thiết lập của DRL.

Bộ lọc notch

Ngoài ra, nếu hum thực sự xấu, bạn có thể đặt bộ lọc notch ở tần số 50 Hz hoặc 60 Hz vào đường dẫn tín hiệu, nhưng điều này cũng sẽ làm tổn thương tín hiệu quan tâm.

Lưu ý an toàn rất quan trọng: Các điện cực không được có bất kỳ kết nối điện trực tiếp nào với đất bảo vệ (PE). Điều này là cần thiết bởi vì một khi bệnh nhân được kết nối với điện áp có khả năng gây chết người do lỗi ở một thiết bị khác xung quanh phòng thí nghiệm, dòng điện sự cố sẽ có đường truyền rất tốt qua bệnh nhân và qua các điện cực chạm đất. Khi nói về một tham chiếu mặt đất xung quanh các điện cực hoặc pre-amp, hãy chắc chắn làm cho mặt đất này được tham chiếu đến chỉ pre-amp và không phải với mặt đất thực thường được gọi là PE! Điều này thường yêu cầu amp cách ly ở đâu đó xung quanh hoặc chỉ qua amp trước hoặc bộ cách ly kỹ thuật số nếu bạn muốn có ADC gần với pre-amp. Thông tin thêm về điều này trong DIN EN 60601-1 và các tiêu chuẩn khác có liên quan.

1. Sử dụng Bộ khuếch đại Thiết bị làm bộ khuếch đại trước (với ổ đĩa chân phải)

Một bộ khuếch đại thiết bị, trong số những thứ khác, có trở kháng đầu vào rất cao. Điều này là lý tưởng để đo dòng điện nhỏ. Xem biểu dữ liệu cho INA128 . Trang 11 có sơ đồ tham khảo (đính kèm bên dưới) tương tự như những gì bạn đang tìm kiếm.

2. LUÔN LUÔN sử dụng cách ly cung cấp điện cho thiết bị y sinh!

Sử dụng IC cách ly nguồn điện. Xem một số ví dụ từ Maxim .

3. Sử dụng bộ lọc hoạt động

Sử dụng phần mềm FilterPro miễn phí của TI để dễ dàng thiết kế bộ khuếch đại hoạt động cho dải tần mong muốn của bạn. Bộ lọc thông dải băng tần Sallen rất dễ thực hiện.

4. Số hóa tín hiệu và sử dụng DSP để lọc bổ sung.

Sử dụng và ADC hoặc máy hiện sóng hoặc bộ số hóa để đưa tín hiệu đến miền kỹ thuật số nơi bạn có thể thử nhiều kỹ thuật DSP. Chẳng hạn, bộ lọc loại bỏ dải nhiễu chính có thể được thực hiện dễ dàng trong phần mềm. Một cuốn sách về chủ đề này có thể hữu ích. Ngoài ra, đừng quên sử dụng các bộ cách ly kỹ thuật số trên các đầu ra ADC. ADUM1100 là một ví dụ.

Bạn có thể sử dụng bộ khuếch đại khóa .

Nó không phải là một phương pháp chung mà bạn có thể áp dụng trong mọi trường hợp, nhưng nếu bạn có thể, nó mang lại cho bạn kết quả không thể vượt qua. Nó yêu cầu bạn điều chỉnh tín hiệu gốc (ví dụ nếu đó là tín hiệu quang, bằng bánh xe chopper). Do điều chế tín hiệu, nó chỉ hữu ích cho các tín hiệu thay đổi chậm hơn nhiều so với điều chế.

Những lợi ích, tuy nhiên, là tuyệt đẹp. Sử dụng khuếch đại Lock-in, bạn có thể khôi phục các tín hiệu có biên độ là các bậc có cường độ BÊN DƯỚI nhiễu.

Nguyên tắc:

• Tín hiệu gốc được điều chế với tần số và pha đã biết.
• Tín hiệu được phát hiện (cộng với rất nhiều nhiễu) được khuếch đại và nhân với tín hiệu hình chữ nhật có cùng tần số và pha và sau đó được tích hợp (phát hiện độ nhạy pha). Hầu như tất cả các tiếng ồn được hủy bỏ.

Tôi nghĩ rằng việc tìm kiếm trên web cho "bộ khuếch đại khóa" cung cấp cho bạn đủ các mô tả chi tiết hơn.

Tôi sẽ thay đổi viên đạn thứ 2 thành: "Nếu sử dụng dây được che chắn, hãy đảm bảo rằng các tấm chắn được nối đất chính xác. Khiên bị che khuất có thể gây ra tiếng ồn ghép điện dung bổ sung."

Cân nhắc chạy thử nghiệm ngoài giờ làm việc bình thường khi HVAC và các thiết bị sản xuất EMI khác có thể tắt.

EDIT: Đáp lại những bình luận về nguồn điện DC. Chạy điện sinh lý khai thác pin axít chì 12V là một thói quen cũ và không phổ biến. Kết quả là một số thiết bị chuyên dụng được sử dụng cho và xung quanh điện sinh lý được thiết kế để chạy hết 12Vdc. Các phòng thí nghiệm thậm chí còn xây dựng "yên tĩnh" tránh xa các tòa nhà và đường dây điện. Các giàn khoan bên trong các nhà kho này được cung cấp năng lượng với các ngân hàng pin 12 V, dây AC được sử dụng để sạc được rút lại trong các thí nghiệm.

Nếu nhiễu chính vẫn là một vấn đề, hãy chạy các mạch từ nguồn DC như pin.

Điều cũng khá quan trọng là cố gắng làm cho kết nối của một điện cực bề mặt trở nên tốt nhất có thể - và tất cả các điện cực càng cố định với bề mặt càng tốt. Hai lý do.

1. Nếu các điện cực không được gắn gần như giống hệt nhau, có khả năng có sự khác biệt khá lớn về mối nối giữa các điện cực, có thể thực sự bão hòa các giai đoạn đầu vào có mức tăng cao nếu đầu vào không được thông qua cao. Tôi đặc biệt không thích vượt qua đầu vào của mình nếu tôi có thể tránh được, vì nó có thể làm rối loạn trở kháng đầu vào của bạn nếu bạn không cẩn thận. Tôi muốn nhận được bằng các tín hiệu vi sai nhỏ vào một amp trở kháng tường gạch với CMRR cao ngay khi tôi có thể.

2. Trodes đính kèm độc đáo làm giảm tạo tác chuyển động

3. Nếu điện trở trong các phụ kiện điện cực khác nhau quá nhiều, tất cả nhiễu EM trên cơ thể thông qua khớp nối điện dung với thế giới sẽ không đến amp dưới dạng tín hiệu chế độ chung, nhưng sẽ có một thành phần nhiễu đáng kể cho tín hiệu vi sai như tốt.