Estrategias de reducción de ruido en electrofisiología

escudo impulsado

Es posible usar cables blindados entre los electrodos y el preamplificador sin mucha influencia de la capacitancia parásita añadida del escudo (su segundo punto). La señal en sí no sufrirá mucho porque es muy pequeña en comparación con el componente de modo común. Para entender esto, imagine una pequeña señal diferencial encima de una señal de modo común mucho más grande (principalmente causada por un voltaje de red de 50 Hz o 60 Hz) y un componente de CC a baja frecuencia causado por la interacción del tejido. con los electrodos y el propio cuerpo. Según entiendo el problema, la interferencia acoplada a la señal a través de la capacitancia del cable es mucho peor que tener la señal en sí alimentada a través de la capacidad del cable.

El truco consiste en conducir activamente el blindaje del cable con la parte de modo común de la señal en lugar de conectar el blindaje a la tierra del preamplificador. Hace algunos años, construí un preamplificador de este tipo con una protección activa y pude usar cables blindados de hasta 2 m entre los electrodos y la primera etapa del amplificador. Los esquemas se pueden encontrar en esta tesis (no es mía, pero convenientemente incluye los esquemas más interesantes de mi amplificador EMG) . Consulte la fig. 8.7, 8.8 y 8.9 y todo lo relacionado con ellos en el capítulo 8. La figura 8.12 analiza cómo la interferencia se acopla capacitivamente a la señal de interés. Lo siento, la tesis está en alemán, pero espero que las imágenes y esquemas sean internacionales.

Un buen lugar para captar la señal de modo común es el "centro" de la resistencia de ajuste de ganancia del InAmp inicial (nuevamente, consulte la tesis vinculada anteriormente).

Pierna derecha impulsada

La pierna derecha se utiliza como referencia para medir la señal en la pierna izquierda, el brazo izquierdo y el brazo derecho.

El concepto de un escudo accionado se puede ampliar para impulsar activamente al paciente, y la conexión se realiza en el lugar utilizado como referencia para medir las señales, que es la pierna derecha. Esto se conoce como pierna derecha impulsada (DRL); hay una buena discusión sobre los amplificadores DRL en este artículo de EDN .

Si sus medidas no se toman de un cuerpo humano sino de algunas células en un plato, probablemente pueda colocar el electrodo DRL en el fondo o en el medio de crecimiento/gelatina, cerca de donde se encuentra su electrodo de referencia. De esta manera, usa la misma estrategia que usaría en el sentido de una configuración DRL.

filtro de muesca

Además, si el zumbido es realmente malo, puede colocar un filtro de muesca a 50 Hz o 60 Hz en la ruta de la señal, pero esto también dañará la señal de interés.

Nota de seguridad muy importante: Los electrodos no deben tener ninguna conexión galvánica directa a tierra de protección (PE). Esto es necesario porque una vez que el paciente se conecta a un voltaje potencialmente letal por una falla en otro dispositivo del laboratorio, la corriente de falla tendrá un muy buen camino a través del paciente y de los electrodos a tierra. Cuando hable sobre una referencia a tierra alrededor de los electrodos o el preamplificador, asegúrese de que sea una tierra referenciada solo al preamplificador y no a la tierra real, generalmente conocida como PE. Esto generalmente requiere un amplificador de aislamiento en algún lugar alrededor o justo después del preamplificador, o un aislador digital si desea tener el ADC cerca del preamplificador. Más sobre esto en DIN EN 60601-1 y otras normas relevantes.

1. Use un amplificador de instrumentación como preamplificador (con unidad de pierna derecha)

Un amplificador de instrumentación, entre otras cosas, tiene una impedancia de entrada muy alta. Esto es ideal para medir corrientes pequeñas. Consulte la hoja de datos del INA128 . La página 11 tiene un esquema de referencia (adjunto a continuación) que es similar a lo que está buscando.

2. ¡Use SIEMPRE aislamiento de la fuente de alimentación para instrumentación biomédica!

Utilice un circuito integrado de aislamiento de fuente de alimentación. Vea algunos ejemplos de Maxim .

3. Usa un filtro activo

Utilice el software gratuito FilterPro de TI para diseñar fácilmente un amplificador activo para su rango de frecuencia deseado. Un filtro de paso de banda Sallen-key es fácil de implementar.

4. Digitalice la señal y use DSP para filtrado adicional.

Use un ADC o un osciloscopio o un digitalizador para llevar la señal al dominio digital donde puede probar una variedad de técnicas DSP. Un filtro de rechazo de banda de ruido de red se puede hacer fácilmente en software, por ejemplo. Un libro sobre el tema podría ser útil. Además, no olvide usar aisladores digitales en las salidas del ADC. ADUM1100 es un ejemplo.

Es posible que pueda usar un amplificador de bloqueo .

No es un método general que puedas aplicar en cualquier caso, pero si puedes, te da unos resultados inmejorables. Requiere que module la señal original (por ejemplo, si es una señal óptica, mediante una rueda de chopper). Debido a la modulación de la señal, solo es útil para señales que cambian mucho más lentamente que la modulación.

Los beneficios, sin embargo, son impresionantes. Usando la amplificación Lock-in, puede recuperar señales cuya amplitud está en órdenes de magnitud POR DEBAJO del ruido.

El principio:

• La señal original se modula con frecuencia y fase conocidas.
• La señal detectada (más mucho ruido) se amplifica y multiplica con una señal rectangular de la misma frecuencia y fase y luego se integra (detección sensible a la fase). Casi todo el ruido se cancela.

Creo que buscar en la web "amplificador de bloqueo" le brinda suficientes descripciones más detalladas.

Cambiaría la segunda viñeta a: "Si usa cables blindados, asegúrese de que los blindajes estén conectados a tierra correctamente. El blindaje sin conexión a tierra puede introducir ruido acoplado capacitivamente adicional".

Considere la posibilidad de realizar experimentos fuera del horario comercial normal cuando el HVAC y otros equipos que producen EMI pueden estar apagados.

EDITAR: en respuesta a los comentarios sobre la alimentación de CC. Hacer funcionar equipos de electrofisiología con baterías de plomo-ácido de 12 V es una práctica antigua y común. Como resultado, algunos equipos especializados utilizados para la electrofisiología están diseñados para funcionar con 12 V CC. Los laboratorios incluso construyen cobertizos "tranquilos" lejos de edificios y líneas eléctricas. Las plataformas dentro de estos cobertizos se alimentan con bancos de baterías de 12 V, los cables de CA que se utilizan para cargar se retraen durante los experimentos.

Si el ruido de la red sigue siendo un problema, ejecute los circuitos desde una fuente de CC como una batería.

También es muy importante tratar de lograr que la conexión de un electrodo de superficie sea lo mejor posible, y que todos los electrodos estén fijados a la superficie de la manera más idéntica posible. Dos razones.

1. Si los electrodos no están conectados de manera casi idéntica, es probable que haya diferencias de potencial de unión bastante considerables entre los electrodos, lo que en realidad puede saturar las etapas de entrada de alta ganancia si las entradas no son de paso alto. No me gusta especialmente pasar alto mis entradas si puedo evitarlo, ya que puede estropear la impedancia de entrada si no tienes cuidado. Me gusta pasar por pequeñas señales diferenciales a un amplificador de impedancia de pared de ladrillo con CMRR alto tan pronto como pueda.

2. Los trodos muy bien adheridos reducen el artefacto de movimiento

3. Si la resistencia en los accesorios de los electrodos difiere demasiado, todo ese ruido EM en el cuerpo a través del acoplamiento capacitivo al mundo no llegará al amplificador como una señal de modo común, pero habrá un componente de ruido sustancial en la señal diferencial como bien.