Strategi pengurangan kebisingan dalam elektrofisiologi

Saat merekam sinyal listrik dari sel (dalam piring atau di dalam tubuh manusia atau hewan yang hidup), satu masalah utama adalah meningkatkan rasio sinyal terhadap noise.

Sinyal-sinyal ini biasanya dalam kisaran 10uV hingga 100mV dan dihasilkan oleh sumber daya yang sangat rendah yang dapat menghasilkan arus dalam urutan nanoAmps.

Seringkali sinyal yang menarik berada dalam kisaran 1Hz-10KHz (paling sering 10Hz-10KHz).

Untuk memperburuk keadaan biasanya ada banyak alat penghasil kebisingan yang perlu ada di sekitar (di klinik ini adalah perangkat pemantauan, diagnostik dan terapeutik lainnya di laboratorium ini adalah pemantauan lainnya, perangkat ilmiah).

Untuk mengurangi dampak kebisingan dan meningkatkan rasio sinyal terhadap kebisingan, ada beberapa aturan yang berlaku umum seperti:

• Jika memungkinkan gunakan penguat arus (sering disebut head-stage), penguat dengan impedansi input sangat tinggi dan amplifikasi tegangan agak rendah atau bahkan tidak ada amplifikasi tegangan. sangat dekat dengan sumber sinyal (tubuh).
• Untuk menghubungkan sumber (elektroda perekaman) ke amplifier tahap pertama (head-stage) gunakan kabel yang tidak memiliki pelindung (untuk menghindari distorsi kapasitif dari sinyal).
• Hindari loop tanah
• Bila memungkinkan gunakan penguat diferensial (untuk membatalkan derau induksi dari sumber elektromagnetik di sekitar).
• Selalu gunakan sangkar Faraday dan perisai yang dibumikan (biasanya Aluminium foils) untuk menutupi sumber sinyal dan apa pun yang terhubung dengannya (bodi, peralatan ...).
• Anda tidak dapat melakukan ini tanpa filter yang tepat (biasanya potongan tinggi 10KHz dan potongan rendah yang tergantung pada sinyalnya berkisar antara 1Hz hingga 300Hz)
• Jika Anda tidak dapat menghilangkan derau hantaran listrik (50Hz atau 60Hz di berbagai negara) dan hanya jika sinyal Anda mencakup kisaran itu, Anda dapat menggunakan filter aktif seperti Humbug http://www.autom8.com/hum_bug.html

Pertanyaanku adalah: Apakah ada saran lain yang saya lewatkan? Apakah ada dari saran-saran ini yang mengalir atau salah?

Biasanya orang-orang di bidang ini (seperti saya) tidak memiliki pendidikan formal di bidang teknik listrik dan kadang-kadang ada mitos yang diturunkan dari seorang guru ke generasi siswa dari generasi ke generasi tanpa bukti yang tepat. Ini adalah upaya untuk memperbaikinya.

SUNTING:
- jika mungkin gunakan baterai atau catu daya yang diatur dengan sangat baik di semua perangkat Anda, termasuk pompa, mikrodrives, perangkat pemantauan, bahkan Anda dapat menempatkan filter pada sumber listrik komputer Anda (meskipun ini biasanya bukan masalah serius).

Didorong perisai

Dimungkinkan untuk menggunakan kabel berpelindung antara elektroda dan pre-amp tanpa banyak pengaruh dari kapasitansi parasit tambahan perisai (titik kedua Anda). Sinyal itu sendiri tidak akan terlalu sakit karena sangat kecil dibandingkan dengan komponen mode umum. Untuk memahami hal ini, bayangkan sinyal diferensial kecil di atas sinyal mode-umum yang jauh lebih besar (kebanyakan disebabkan oleh tegangan listrik 50 Hz atau 60 Hz) dan komponen frekuensi-ke-rendah yang disebabkan oleh interaksi jaringan. dengan elektroda dan tubuh itu sendiri. Sejauh yang saya mengerti masalah ini, gangguan yang digabungkan ke sinyal melalui kapasitansi kabel jauh lebih buruk daripada memiliki sinyal itu sendiri dimasukkan melalui kapasitas kabel.

Caranya adalah dengan secara aktif menggerakkan pelindung kabel dengan bagian mode-umum dari sinyal alih-alih menghubungkan pelindung ke ground pre-amp. Beberapa tahun yang lalu, saya telah membangun pre-amp tersebut dengan pelindung aktif dan dapat menggunakan kabel berpelindung sepanjang 2 m antara elektroda dan tahap pertama amp. Skema ini dapat ditemukan dalam tesis ini (bukan milik saya, tetapi termasuk skema yang paling menarik dari amp EMG saya) . Silakan lihat gbr. 8.7, 8.8 dan 8.9 dan semua hal di sekitarnya dalam bab 8. Gambar 8.12 membahas bagaimana interferensi digabungkan secara kapasitif ke sinyal yang diinginkan. Maaf, tesisnya dalam bahasa Jerman, tapi saya harap gambar dan skemanya internasional.

Tempat yang baik untuk mengambil sinyal mode umum adalah "tengah" dari resistor pengaturan penguatan InAmp awal (sekali lagi, lihat tesis yang ditautkan di atas).

Digerakkan kaki kanan

Kaki kanan digunakan sebagai referensi untuk mengukur sinyal pada kaki kiri, lengan kiri dan lengan kanan.

Konsep pelindung yang digerakkan dapat diperluas untuk mendorong pasien secara aktif, dan sambungan dibuat di lokasi yang digunakan sebagai referensi untuk sinyal yang akan diukur, yang merupakan kaki kanan. Ini dikenal sebagai kaki kanan digerakkan (DRL); ada diskusi yang bagus tentang amp DRL di artikel ini oleh EDN .

Jika pengukuran Anda tidak diambil dari tubuh manusia tetapi dari beberapa sel dalam piring, Anda mungkin dapat menempatkan elektroda DRL ke bagian bawah atau ke dalam media pertumbuhan / jeli, dekat dengan tempat elektroda referensi Anda berada. Dengan cara ini, Anda menggunakan strategi yang sama seperti yang Anda lakukan dalam arti pengaturan DRL.

Takik filter

Selain itu, jika dengungannya benar-benar buruk, Anda dapat memasukkan filter takik pada 50 Hz atau 60 Hz ke jalur sinyal, tetapi ini juga akan merusak sinyal yang menarik.

Catatan keamanan yang sangat penting: Elektroda tidak boleh memiliki koneksi galvanik langsung ke arde pelindung (PE). Ini diperlukan karena begitu pasien terhubung ke tegangan yang berpotensi mematikan oleh kesalahan pada perangkat lain di sekitar lab, arus kesalahan akan memiliki jalur yang sangat baik melalui pasien dan melalui elektroda ke ground. Ketika berbicara tentang referensi ground di sekitar elektroda atau pre-amp, pastikan untuk menjadikan ini ground yang dirujuk hanya pada pre-amp dan bukan ke ground nyata yang biasanya dikenal sebagai PE! Ini biasanya memerlukan amp isolasi di suatu tempat sekitar atau hanya melewati pre-amp, atau isolator digital jika Anda ingin ADC dekat dengan pre-amp. Lebih lanjut tentang ini di DIN EN 60601-1 dan standar terkait lainnya.

1. Gunakan Amplifier Instrumentasi sebagai pre-amplifier (dengan drive kaki kanan)

Penguat instrumentasi, antara lain, memiliki impedansi input yang sangat tinggi. Ini sangat ideal untuk mengukur arus kecil. Lihat lembar data untuk INA128 . Halaman 11 memiliki skema referensi (terlampir di bawah) yang mirip dengan apa yang Anda cari.

2. SELALU menggunakan isolasi catu daya untuk instrumentasi biomedis!

Gunakan IC isolasi catu daya. Lihat beberapa contoh dari Maxim .

3. Gunakan filter aktif

Gunakan perangkat lunak FilterPro gratis TI untuk dengan mudah mendesain penguat aktif untuk rentang frekuensi yang Anda inginkan. Filter pass band Sallen-key mudah diterapkan

4. Digitalisasi sinyal dan gunakan DSP untuk penyaringan tambahan.

Gunakan dan ADC atau osiloskop atau digitizer untuk membawa sinyal ke domain digital di mana Anda dapat mencoba berbagai teknik DSP. Sebagai contoh, filter penolakan pita suara utama dapat dengan mudah dilakukan dalam perangkat lunak. Sebuah buku tentang topik mungkin bisa membantu. Juga, jangan lupa untuk menggunakan isolator digital pada output ADC. ADUM1100 adalah contohnya.

Anda mungkin dapat menggunakan amplifier yang terkunci .

Ini bukan metode umum yang bisa Anda terapkan dalam kasus apa pun, tetapi jika Anda bisa, itu memberi Anda hasil yang tak tertandingi. Ini mengharuskan Anda untuk memodulasi sinyal asli (misalnya jika itu adalah sinyal optik, oleh roda perajang). Karena modulasi sinyal hanya berguna untuk sinyal yang berubah jauh lebih lambat daripada modulasi.

Namun, manfaatnya menakjubkan. Dengan menggunakan amplifikasi Kunci-masuk, Anda dapat memulihkan sinyal yang amplitudo-nya adalah urutan besarnya DI BAWAH kebisingan.

Prinsip:

• Sinyal asli dimodulasi dengan frekuensi dan fase yang diketahui.
• Sinyal yang terdeteksi (ditambah banyak noise) diperkuat dan dikalikan dengan sinyal persegi panjang dengan frekuensi dan fase yang sama dan kemudian terintegrasi (deteksi fase sensitif). Hampir semua kebisingan dibatalkan.

Saya pikir mencari "penguncian-penguat" di web memberi Anda deskripsi yang lebih rinci.

Saya akan mengubah peluru ke-2 menjadi: "Jika menggunakan kabel berpelindung, pastikan perisai di-ground dengan benar. Perisai yang tidak dibumikan dapat menimbulkan kebisingan ditambah kapasitif tambahan."

Pertimbangkan menjalankan eksperimen di luar jam kerja normal ketika HVAC dan peralatan penghasil EMI lainnya mungkin tidak aktif.

EDIT: Menanggapi komentar tentang daya DC. Menjalankan rig electrophysiology dari baterai timbal-asam 12V adalah praktik yang sudah biasa dan tidak jarang. Akibatnya beberapa peralatan khusus yang digunakan untuk dan di sekitar electrophysiology dirancang untuk lari 12Vdc. Laboratorium bahkan membangun gudang "sunyi" jauh dari gedung dan saluran listrik. Rig di dalam gudang ini ditenagai dengan bank baterai 12V, kabel AC yang digunakan untuk pengisian ditarik selama percobaan.

Jika suara listrik masih menjadi masalah, jalankan sirkuit dari sumber DC seperti baterai.

Ini juga sangat penting untuk mencoba mendapatkan koneksi dari elektroda permukaan menjadi sebaik mungkin - dan semua elektroda sama identik dengan permukaan mungkin. Dua alasan.

1. Jika elektroda hampir tidak terpasang secara identik, ada kemungkinan perbedaan potensial yang cukup besar antara elektroda, yang sebenarnya dapat menjenuhkan tahap input gain tinggi jika input tidak lulus tinggi. Saya tidak terlalu suka input-tinggi saya jika saya bisa menghindarinya, karena dapat mengacaukan impedansi input Anda jika Anda tidak hati-hati. Saya ingin mendapatkan sinyal diferensial kecil ke dalam amp-impedansi dinding bata dengan CMRR tinggi sesegera mungkin.

2. Luncuran yang terpasang dengan baik mengurangi artefak gerakan

3. Jika hambatan pada lampiran elektroda terlalu banyak berbeda, semua noise EM pada tubuh melalui kopling kapasitif ke dunia tidak akan sampai pada amp sebagai sinyal mode umum, tetapi akan ada komponen noise substansial pada sinyal diferensial seperti baik.