Strategien zur Rauschunterdrückung in der Elektrophysiologie

Wenn elektrische Signale von Zellen (in einer Schale oder in einem lebenden menschlichen oder tierischen Körper) aufgezeichnet werden, besteht ein Hauptproblem darin, das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen.

Diese Signale liegen normalerweise im Bereich von 10 bis 100 mV und werden von sehr schwachen Stromquellen erzeugt, die Ströme in der Größenordnung von Nano-Ampere liefern können.

Häufig fallen interessierende Signale in einen Bereich von 1 Hz bis 10 kHz (am häufigsten 10 Hz bis 10 kHz).

Um die Sache noch schlimmer zu machen, gibt es in der Regel eine Vielzahl von Werkzeugen zur Geräuscherzeugung (in der Klinik sind dies andere Überwachungs-, Diagnose- und Therapiegeräte im Labor, dies sind andere Überwachungs- und wissenschaftliche Geräte).

Um die Auswirkungen von Rauschen zu verringern und das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen, gelten im Allgemeinen folgende Regeln:

• Verwenden Sie nach Möglichkeit einen Stromverstärker (häufig als Kopfstufe bezeichnet), einen Verstärker mit sehr hoher Eingangsimpedanz und eher geringer Spannungsverstärkung oder gar keiner Spannungsverstärkung. sehr nahe an der Signalquelle (Körper).
• Um die Quelle (Aufnahmeelektroden) mit dem Verstärker der ersten Stufe (Kopfstufe) zu verbinden, verwenden Sie Kabel ohne Abschirmung (um kapazitive Verzerrungen des Signals zu vermeiden).
• Vermeiden Sie Erdschleifen
• Verwenden Sie nach Möglichkeit Differenzverstärker (um das Induktionsrauschen von elektromagnetischen Quellen zu unterdrücken).
• Verwenden Sie immer Faradaysche Käfige und geerdete Abschirmungen (normalerweise Aluminiumfolien), um die Signalquelle und alles, was damit verbunden ist (Gehäuse, Ausrüstung ...), abzudecken.
• Ohne geeignete Filter ist dies nicht möglich (normalerweise ein 10-kHz-Hoch- und ein Tiefpass, der je nach Signal zwischen 1 Hz und 300 Hz liegen kann).
• Wenn Sie keine Netzgeräusche hören können (50Hz oder 60Hz in verschiedenen Ländern) und Ihr Signal nur diesen Bereich abdeckt, können Sie aktive Filter wie Humbug http://www.autom8.com/hum_bug.html verwenden

Meine Frage ist: Gibt es noch andere Vorschläge, die ich verpasst habe? Ist einer dieser Vorschläge geflossen oder falsch?

Normalerweise haben Leute in diesem Bereich (wie ich) keine formale Ausbildung in Elektrotechnik und manchmal gibt es Mythen, die von einer Lehrerin zur nächsten Generation ohne entsprechende Beweise weitergegeben werden. Dies ist ein Versuch, dies zu korrigieren.

BEARBEITEN:
- Verwenden Sie nach Möglichkeit Batterien oder sehr gut geregelte Netzteile in all Ihren Geräten, einschließlich Pumpen, Microdrives und Überwachungsgeräten. Sie können sogar Filter in die Netzspannung Ihrer Computer einbauen (obwohl dies normalerweise kein ernstes Problem darstellt).

Angetriebener Schild

Es ist möglich, abgeschirmte Drähte zwischen den Elektroden und dem Vorverstärker zu verwenden, ohne großen Einfluss auf die zusätzliche parasitäre Kapazität der Abschirmung zu haben (Ihr 2. Punkt). Das Signal selbst wird nicht sehr verletzt, da es im Vergleich zur Gleichtaktkomponente sehr klein ist. Um dies zu verstehen, stellen Sie sich ein winziges Differenzsignal über einem viel größeren Gleichtaktsignal (meistens verursacht durch 50 Hz oder 60 Hz Netzspannung) und einer Gleichstrom-Niederfrequenz-Komponente vor, die durch die Wechselwirkung des Gewebes verursacht wird mit den Elektroden und dem Körper selbst. Soweit ich weiß, ist die Störung, die über die Kapazität des Kabels auf das Signal eingekoppelt wird, viel schlimmer, als wenn das Signal selbst über die Kabelkapazität eingespeist wird.

Der Trick besteht darin, die Abschirmung des Kabels aktiv mit dem Gleichtaktteil des Signals zu betreiben, anstatt die Abschirmung mit der Masse des Vorverstärkers zu verbinden. Vor einigen Jahren habe ich einen solchen Vorverstärker mit einer aktiven Schutzvorrichtung gebaut und konnte geschirmte Drähte mit einer Länge von bis zu 2 m zwischen den Elektroden und der ersten Stufe des Verstärkers verwenden. Die Schaltpläne finden Sie in dieser Arbeit (nicht meine, enthält aber die interessantesten Schaltpläne meines EMG-Verstärkers) . Bitte siehe Abb. 8.7, 8.8 und 8.9 und das gesamte dazugehörige Material in Kapitel 8. In Abb. 8.12 wird erläutert, wie Störungen kapazitiv an das interessierende Signal gekoppelt werden. Entschuldigung, die Arbeit ist auf Deutsch, aber ich hoffe die Bilder und Schemata sind international.

Ein guter Ort zum Aufnehmen des Gleichtaktsignals ist die "Mitte" des Verstärkungseinstellwiderstands des anfänglichen InAmp (siehe auch die oben verlinkte These).

Angetriebenes rechtes Bein

Das rechte Bein wird als Referenz zum Messen des Signals am linken Bein, linken Arm und rechten Arm verwendet.

Das Konzept einer angetriebenen Abschirmung kann erweitert werden, um den Patienten aktiv anzutreiben, und die Verbindung wird an der Stelle hergestellt, die als Referenz für die zu messenden Signale dient. Dies ist das rechte Bein. Dies wird als angetriebenes rechtes Bein (DRL) bezeichnet. In diesem Artikel von EDN gibt es eine gute Diskussion über DRL-Verstärker .

Wenn Ihre Messungen nicht von einem menschlichen Körper, sondern von einigen Zellen in einer Schale stammen, können Sie die DRL-Elektrode wahrscheinlich auf den Boden oder in das Gelee / Wachstumsmedium in der Nähe der Position Ihrer Referenzelektrode legen. Auf diese Weise verwenden Sie dieselbe Strategie wie bei einer DRL-Einrichtung.

Notch-Filter

Auch wenn das Brummen wirklich schlecht ist, können Sie einen Sperrfilter mit 50 Hz oder 60 Hz in den Signalpfad einfügen, dies beeinträchtigt jedoch auch das interessierende Signal.

Sehr wichtiger Sicherheitshinweis: Die Elektroden dürfen keine direkte galvanische Verbindung zur Schutzerde (PE) haben. Dies ist notwendig, da der Fehlerstrom, sobald der Patient durch einen Fehler in einem anderen Gerät im Labor an eine möglicherweise tödliche Spannung angeschlossen wird, einen sehr guten Weg durch den Patienten und über die Elektroden zur Erde hat. Wenn Sie von einer Erdungsreferenz um die Elektroden oder den Vorverstärker sprechen, stellen Sie sicher, dass diese Erdung nur auf den Vorverstärker und nicht auf die reale Erdung bezogen ist, die normalerweise als PE bezeichnet wird! Dies erfordert normalerweise einen Trennverstärker in der Nähe oder direkt hinter dem Vorverstärker oder einen digitalen Trennverstärker, wenn der ADC in der Nähe des Vorverstärkers installiert werden soll. Mehr dazu in DIN EN 60601-1 und anderen relevanten Normen.

1. Verwenden Sie einen Instrumentenverstärker als Vorverstärker (mit Rechtslenker)

Ein Instrumentenverstärker hat unter anderem eine sehr hohe Eingangsimpedanz. Dies ist ideal zum Messen kleiner Ströme. Siehe Datenblatt für den INA128 . Auf Seite 11 befindet sich ein Referenzschema (siehe unten), das dem ähnlich ist, was Sie suchen.

2. Verwenden Sie für biomedizinische Instrumente IMMER eine galvanische Trennung der Stromversorgung!

Verwenden Sie einen Spannungsversorgungs-Isolations-IC. Siehe einige Beispiele von Maxim .

3. Verwenden Sie einen aktiven Filter

Verwenden Sie die kostenlose FilterPro- Software von TI, um auf einfache Weise einen aktiven Verstärker für Ihren gewünschten Frequenzbereich zu entwerfen. Ein Sallen-Key-Bandpassfilter ist einfach zu implementieren.

4. Digitalisieren Sie das Signal und verwenden Sie DSP für zusätzliche Filterung.

Verwenden Sie einen ADC oder ein Oszilloskop oder einen Digitalisierer, um das Signal in den digitalen Bereich zu leiten, wo Sie eine Vielzahl von DSP-Techniken ausprobieren können. Ein Netzrauschband-Sperrfilter kann zum Beispiel einfach per Software erstellt werden. Ein Buch zum Thema könnte hilfreich sein. Vergessen Sie auch nicht, digitale Isolatoren an den ADC-Ausgängen zu verwenden. ADUM1100 ist ein Beispiel.

Möglicherweise können Sie einen Lock-In-Verstärker verwenden .

Es ist keine allgemeine Methode, die Sie in jedem Fall anwenden können, aber wenn Sie können, erhalten Sie unübertroffene Ergebnisse. Sie müssen das ursprüngliche Signal modulieren (z. B. wenn es sich um ein optisches Signal handelt, durch ein Chopper-Rad). Aufgrund der Modulation des Signals ist es nur für Signale nützlich, die sich viel langsamer ändern als die Modulation.

Die Vorteile sind jedoch erstaunlich. Mit der Lock-In-Verstärkung können Sie Signale mit einer Amplitude um Größenordnungen UNTER dem Rauschen wiederherstellen.

Das Prinzip:

• Das ursprüngliche Signal wird mit bekannter Frequenz und Phase moduliert.
• Das detektierte Signal (plus viel Rauschen) wird verstärkt und mit einem Rechtecksignal gleicher Frequenz und Phase multipliziert und dann integriert (phasensensitive Detektion). Fast alle Geräusche werden gelöscht.

Ich denke, das Durchsuchen des Webs nach "Lock-In-Verstärkern" bietet Ihnen genug detailliertere Beschreibungen.

Ich würde den zweiten Punkt folgendermaßen ändern: "Wenn Sie abgeschirmte Kabel verwenden, stellen Sie sicher, dass die Abschirmungen korrekt geerdet sind. Nicht geerdete Abschirmungen können zusätzliche kapazitiv gekoppelte Störungen verursachen."

Denken Sie daran, Experimente außerhalb der normalen Geschäftszeiten durchzuführen, wenn HLK- und andere Geräte, die elektromagnetische Störungen erzeugen, möglicherweise ausgeschaltet sind.

BEARBEITEN: Als Antwort auf Kommentare zur Gleichstromversorgung. Das Betreiben von Elektrophysiologie-Anlagen mit 12-V-Blei-Säure-Batterien ist eine alte und nicht ungewöhnliche Praxis. Infolgedessen sind einige Spezialgeräte für und um die Elektrophysiologie so konstruiert, dass sie 12 VDC liefern. Labore bauen sogar "leise" Schuppen, die von Gebäuden und Stromleitungen getrennt sind. Bohrinseln in diesen Hallen werden mit 12-V-Batteriebänken betrieben, Wechselstromkabel, die zum Laden verwendet werden, werden während der Experimente eingezogen.

Wenn das Netzrauschen immer noch ein Problem ist, lassen Sie die Schaltkreise wie eine Batterie von einer Gleichstromquelle aus laufen.

Es ist auch sehr wichtig zu versuchen, die Verbindung einer Oberflächenelektrode so gut wie möglich zu machen - und alle Elektroden so identisch wie möglich an der Oberfläche zu befestigen. Zwei Gründe.

1. Wenn die Elektroden nicht annähernd identisch angebracht sind, gibt es wahrscheinlich beträchtliche Unterschiede in der Übergangspotentialität zwischen den Elektroden, was zu einer Sättigung der Eingangsstufen mit hoher Verstärkung führen kann, wenn die Eingänge nicht hochpassiert sind. Ich mag es nicht besonders, meine Eingänge hoch zu lassen, wenn ich es vermeiden kann, da es Ihre Eingangsimpedanz durcheinander bringen kann, wenn Sie nicht vorsichtig sind. Ich mag es, durch kleine Differenzsignale in einen Brick-Wall-Impedanzverstärker mit hohem CMRR zu gelangen, sobald ich kann.

2. Schön befestigte Troden reduzieren Bewegungsartefakte

3. Wenn sich der Widerstand in den Elektrodenanschlüssen zu stark unterscheidet, wird all das EM-Rauschen am Körper durch kapazitive Kopplung mit der Welt nicht als Gleichtaktsignal am Verstärker ankommen, sondern es wird eine erhebliche Rauschkomponente für das Differenzsignal als vorhanden sein Gut.