전기 생리학의 노이즈 감소 전략

세포 (접시 또는 살아있는 인간 또는 동물 신체 내부)의 전기 신호를 기록 할 때 한 가지 주요 문제는 신호 대 잡음비를 높이는 것입니다.

이 신호는 일반적으로 10uV ~ 100mV 범위에 있으며 나노 암페어 정도의 전류를 생성 할 수있는 매우 낮은 전원에서 생성됩니다.

관심있는 신호는 종종 1Hz-10KHz 범위 (대부분 10Hz-10KHz) 내에 있습니다.

설상가상으로 일반적으로 주변에 필요한 소음 발생 도구가 많이 있습니다 (병원에는 실험실에서 다른 모니터링, 진단 및 치료 장치가 있으며 다른 모니터링, 과학 장치입니다).

노이즈의 영향을 줄이고 신호 대 노이즈 비율을 높이기 위해 일반적으로 적용되는 몇 가지 규칙이 있습니다.

• 가능한 경우 입력 임피던스가 매우 높고 전압 증폭이 적거나 전압 증폭이없는 전류 증폭기 (종종 헤드 스테이지)를 사용하십시오. 신호 소스 (본체)에 매우 가깝습니다.
• 소스 (레코딩 전극)를 첫 번째 스테이지 앰프 (헤드 스테이지)에 연결하려면 차폐가없는 와이어를 사용하십시오 (신호의 용량 성 왜곡을 피하기 위해).
• 접지 루프 방지
• 가능하면 차동 증폭기를 사용하십시오 (전자파 소스의 유도 노이즈를 제거하기 위해).
• 패러데이 케이지와 접지 된 차폐물 (일반적으로 알루미늄 호일)을 사용하여 신호 소스와 그에 연결된 모든 물체 (본체, 장비 ...)를 덮으십시오.
• 적절한 필터 없이는이 작업을 수행 할 수 없습니다 (일반적으로 신호에 따라 1Hz ~ 300Hz의 10KHz 하이 컷 및 로우 컷)
• 메인 노이즈 (다른 국가에서는 50Hz 또는 60Hz)를 탈 수없고 신호가 해당 범위를 커버하는 경우에만 Humbug http://www.autom8.com/hum_bug.html 과 같은 활성 필터를 사용할 수 있습니다

내 질문은 : 내가 놓친 다른 제안이 있습니까? 이러한 제안 중 어떤 것이 흐르거나 잘못 되었습니까?

일반적으로이 분야의 사람들 (예 : 나와 같은)은 전기 공학에 대한 정식 교육을받지 않으며 때로는 적절한 증거없이 교사에서 학생 세대로 전달되는 신화가 있습니다. 이것은 이것을 정정하려는 시도입니다.

편집 :
-가능하면 펌프, 마이크로 드라이브, 모니터링 장치를 포함한 모든 장치에 배터리 또는 매우 잘 조절 된 전원 공급 장치를 사용하십시오. 컴퓨터의 주전원에 필터를 넣을 수도 있습니다 (일반적으로 심각한 문제는 아니지만).

구동 방패

실드의 추가 된 기생 커패시턴스 (두 번째 점)의 영향을 많이받지 않으면 서 전극과 프리 앰프 사이에 실드 와이어를 사용할 수 있습니다. 신호 자체는 공통 모드 구성 요소에 비해 매우 작기 때문에 크게 손상되지 않습니다. 이를 이해하려면 훨씬 더 큰 공통 모드 신호 (주로 50Hz 또는 60Hz 주 전압으로 인한)와 조직의 상호 작용으로 인한 DC- 저주파 성분 위에 작은 차동 신호가 있다고 가정하십시오. 전극과 몸 자체로. 내가 문제를 이해하는 한, 케이블의 커패시턴스를 통해 신호에 연결된 간섭은 신호 자체가 케이블 용량을 통해 공급되는 것보다 훨씬 나쁩니다.

트릭은 실드를 프리 앰프의 접지에 연결하는 대신 신호의 공통 모드 부분으로 케이블의 실드를 능동적으로 구동하는 것입니다. 몇 년 전, 액티브 가드로 프리 앰프를 만들었고 전극과 앰프의 첫 번째 스테이지 사이에 2m 길이의 차폐 와이어를 사용할 수있었습니다. 이 논문 에서 회로도를 찾을 수 있습니다 (내 것이 아니라 가장 흥미로운 EMG 앰프의 회로도 포함) . 그림을 참조하십시오. 8.7, 8.8 및 8.9 및 8 장에서 주변의 모든 내용이 표시됩니다. 그림 8.12는 관심 신호에 간섭이 용량 성 결합되는 방법을 설명합니다. 죄송합니다. 논문은 독일어로되어 있지만 이미지와 회로도가 국제적이기를 바랍니다.

공통 모드 신호를 포착하기에 좋은 곳은 초기 InAmp의 게인 설정 저항의 "중간"입니다 (다시 말하면 위의 논문 참조).

오른쪽 다리 구동

오른쪽 다리는 왼쪽 다리, 왼쪽 팔 및 오른쪽 팔의 신호를 측정하기위한 참조로 사용됩니다.

구동 차폐의 개념은 환자를 능동적으로 구동하기 위해 확장 될 수 있으며, 연결될 신호는 측정 될 신호 (오른쪽 다리)에 대한 기준으로 사용되는 위치에서 이루어집니다. 이것을 DRL (Driven Right Leg)이라고합니다. DRL 앰프에 대한 좋은 토론이 있습니다.이 기사에서 EDN의 이 있습니다.

인체에서 측정하지 않고 접시의 일부 세포에서 측정 한 경우 DRL 전극을 기준 전극이있는 위치와 가까운 바닥 또는 젤리 / 성장 매체에 넣을 수 있습니다. 이런 방식으로 DRL 설정과 같은 전략을 사용합니다.

노치 필터

또한 윙윙 거리는 소리가 정말로 나쁘면 신호 경로에 50Hz 또는 60Hz의 노치 필터를 넣을 수 있지만 이로 인해 관심 신호가 손상 될 수도 있습니다.

매우 중요한 안전 참고 사항 : 전극에는 보호 접지 (PE)에 직접 전기 연결이되어서는 안됩니다. 이것은 실험실 주변의 다른 장치의 결함으로 인해 환자가 잠재적으로 치명적인 전압에 연결되면 결함 전류가 환자를 통과하고 전극을 통해 접지로 매우 좋은 경로를 갖기 때문에 필요합니다. 전극 또는 프리 앰프 주변의 접지 기준에 대해 이야기 할 때는이 접지를 일반적으로 PE라고 알려진 실제 접지가 아닌 프리 앰프만을 참조하십시오! ADC를 프리 앰프에 가깝게하려면, 일반적으로 프리 앰프 주변 또는 프리 앰프 주변의 절연 증폭기 또는 디지털 아이솔레이터가 필요합니다. 이에 대한 자세한 내용은 DIN EN 60601-1 및 기타 관련 표준을 참조하십시오.

1. 계측 증폭기를 프리 앰프로 사용 (오른쪽 다리 구동)

계측 증폭기는 무엇보다도 입력 임피던스가 매우 높습니다. 작은 전류 측정에 이상적입니다. INA128에 대한 데이터 시트를 참조하십시오 . 11 페이지에는 참조 회로도 (아래 첨부)가 있으며 찾고있는 것과 유사합니다.

2. 생체 의학 기기에는 항상 전원 공급 장치 격리를 사용하십시오!

전원 공급 장치 격리 IC를 사용하십시오. Maxim의 몇 가지 예를 참조하십시오 .

3. 활성 필터 사용

TI의 무료 FilterPro 소프트웨어를 사용 하여 원하는 주파수 범위에 맞는 액티브 앰프를 쉽게 설계하십시오. Sallen-key 밴드 패스 필터는 구현하기 쉽습니다.

4. 신호를 디지털화하고 추가 필터링을 위해 DSP를 사용하십시오.

ADC 또는 오실로스코프 또는 디지타이저를 사용하여 다양한 DSP 기술을 시도 할 수있는 디지털 도메인으로 신호를 가져옵니다. 예를 들어 소프트웨어에서 주 노이즈 대역 제거 필터를 쉽게 수행 할 수 있습니다. 주제에 관한 책 이 도움이 될 수 있습니다. 또한 ADC 출력에 디지털 절연기를 사용하는 것을 잊지 마십시오. ADUM1100 이 예입니다.

잠금 증폭기 를 사용할 수 있습니다 .

어떤 경우에도 적용 할 수있는 일반적인 방법은 아니지만 가능하면 탁월한 결과를 얻을 수 있습니다. 원래 신호를 변조해야합니다 (예 : 초퍼 휠로 광학 신호 인 경우). 신호의 변조로 인해 변조보다 훨씬 느리게 변하는 신호에만 유용합니다.

그러나 그 이점은 놀랍습니다. Lock-in 증폭을 사용하면 노이즈보다 진폭이 큰 신호를 복구 할 수 있습니다.

원칙 :

• 원래 신호는 알려진 주파수와 위상으로 변조됩니다.
• 감지 된 신호 (더 많은 노이즈)는 증폭되고 동일한 주파수 및 위상의 직사각형 신호로 곱해진 다음 통합됩니다 (위상 감지). 거의 모든 소음이 제거됩니다.

웹에서 "Lock-in Amplifier"를 검색하면 더 자세한 설명을 얻을 수 있다고 생각합니다.

두 번째 글 머리 기호를 다음과 같이 변경합니다. "실드 와이어를 사용하는 경우 실드가 올바르게 접지되어 있는지 확인하십시오. 접지되지 않은 실드에 용량 성 결합 노이즈가 추가로 발생할 수 있습니다."

HVAC 및 기타 EMI 생성 장비가 꺼져있을 수있는 정상 업무 시간 이외의 실험을 실행 해보십시오.

편집 : DC 전원에 대한 의견에 대한 답변. 12V 납산 배터리로 전기 생리학 장비를 작동시키는 것은 오래되었지만 드문 일이 아닙니다. 결과적으로 전기 생리학에 사용되는 일부 특수 장비는 12Vdc를 소모하도록 설계되었습니다. 실험실은 건물과 전력선에서 멀리 떨어진 "조용한"창고를 만듭니다. 이 창고 내부의 리그는 12V 배터리 뱅크로 전원이 공급되며, 실험에 사용되는 충전에 사용되는 AC 코드가 수축됩니다.

메인 노이즈가 여전히 문제가되는 경우 배터리와 같은 DC 소스에서 회로를 실행하십시오.

또한 표면 전극을 가능한 한 잘 연결하고 모든 전극을 가능한 한 표면에 동일하게 고정시키는 것이 중요합니다. 두 가지 이유가 있습니다.

1. 전극이 거의 동일하게 부착되지 않으면, 전극 사이에 상당히 큰 접합 전위차가있을 가능성이 높으며, 입력이 통과하지 않으면 실제로 높은 이득 입력단을 포화시킬 수 있습니다. 주의하지 않으면 입력 임피던스를 엉망으로 만들 수 있으므로 피할 수 있으면 입력을 고역 통과시키는 것을 특히 좋아하지 않습니다. 가능한 한 빨리 CMRR이 높은 브릭 월 임피던스 앰프에 작은 차동 신호를 사용하는 것을 좋아합니다.

2. 멋지게 부착 된 '트로 드는 움직임을 줄입니다

3. 전극 부착물의 저항이 너무 큰 경우, 세계에 대한 용량 성 커플 링을 통해 신체의 EM 노이즈가 모두 공통 모드 신호로 앰프에 도달하지는 않지만 차동 신호에 상당한 노이즈 성분이 발생합니다. 잘.