Estrategias de reducción de ruido en electrofisiología.

Al grabar señales eléctricas de las células (en un plato o dentro de un cuerpo humano o animal vivo), un problema importante es aumentar la relación señal / ruido.

Estas señales generalmente están en el rango de 10uV a 100mV y son generadas por fuentes de muy baja potencia que pueden generar corrientes del orden de nanoAmps.

A menudo, las señales de interés caen dentro del rango de 1Hz-10KHz (más a menudo 10Hz-10KHz).

Para empeorar las cosas, generalmente hay muchas herramientas generadoras de ruido necesarias (en la clínica, estos son otros dispositivos de monitoreo, diagnóstico y terapéuticos en el laboratorio, estos son otros dispositivos científicos de monitoreo).

Para reducir el impacto del ruido y aumentar la relación señal / ruido, existen algunas reglas generalmente aplicadas como:

• Si es posible, use un amplificador de corriente (a menudo llamado head-stage), un amplificador con una impedancia de entrada muy alta y una amplificación de bajo voltaje o incluso sin amplificación de voltaje. muy cerca de la fuente de señal (cuerpo).
• Para conectar la fuente (electrodos de grabación) al amplificador de la primera etapa (etapa principal) use cables que no tengan blindaje (para evitar distorsiones capacitivas de la señal).
• Evitar bucles de tierra
• Cuando sea posible, use amplificadores diferenciales (para cancelar el ruido de inducción de las fuentes electromagnéticas cercanas).
• Siempre use jaulas Faraday y escudos con conexión a tierra (generalmente láminas de aluminio) para cubrir la fuente de señal y cualquier cosa conectada a ella (cuerpo, equipo ...).
• No puede hacer esto sin los filtros adecuados (generalmente un corte alto de 10KHz y un corte bajo que, dependiendo de la señal, puede ser de 1Hz a 300Hz)
• Si no puede evitar el ruido de la red eléctrica (50Hz o 60Hz en diferentes países) y solo si su señal cubre ese rango, puede usar filtros activos como Humbug http://www.autom8.com/hum_bug.html

Mi pregunta es: ¿hay alguna otra sugerencia que me haya perdido? ¿Alguna de estas sugerencias fue correcta o incorrecta?

Por lo general, las personas en estos campos (como yo) no tienen educación formal en ingeniería eléctrica y, a veces, hay mitos que pasan de un maestro a otro, generación tras generación, sin la evidencia adecuada. Este es un intento de corregir esto.

EDITAR:
si es posible, use baterías o fuentes de alimentación muy bien reguladas en todos sus dispositivos, incluidas las bombas, microunidades, dispositivos de monitoreo, incluso puede colocar filtros en la red eléctrica de sus computadoras (aunque esto generalmente no es un problema grave).

Escudo conducido

Es posible usar cables blindados entre los electrodos y el preamplificador sin mucha influencia de la capacitancia parásita agregada del escudo (su segundo punto). La señal en sí no se dañará mucho porque es muy pequeña en comparación con el componente de modo común. Para comprender esto, imagine una pequeña señal diferencial en la parte superior de una señal de modo común mucho más grande (causada principalmente 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. Hasta donde entiendo el problema, la interferencia acoplada a la señal a través de la capacitancia del cable es mucho peor que tener la propia señal alimentada a través de la capacidad del cable.

El truco es 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 dicho preamplificador con un protector activo 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 la mía, pero convenientemente incluye los esquemas más interesantes de mi amplificador EMG) . Por favor vea la fig. 8.7, 8.8 y 8.9 y todo lo que los rodea 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 los 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, vea la tesis vinculada anteriormente).

Pierna derecha conducida

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

El concepto de un escudo accionado puede extenderse para conducir activamente al paciente, y la conexión se realiza en la ubicación utilizada como referencia para las señales a medir, 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 mediciones no se toman de un cuerpo humano, sino de algunas células en un plato, probablemente pueda colocar el electrodo DRL en la parte inferior o en el medio de gelatina / crecimiento, cerca de donde se encuentra su electrodo de referencia. De esta manera, utiliza la misma estrategia que utilizaría 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 alrededor del laboratorio, la corriente de falla tendrá una muy buena ruta a través del paciente y a través de los electrodos a tierra. Cuando se habla de una referencia de tierra alrededor de los electrodos o del preamplificador, asegúrese de hacer que esta sea una tierra referenciada solo al preamplificador y no a la tierra real, generalmente conocida como PE. Por lo general, esto requiere un amplificador de aislamiento en algún lugar alrededor o justo antes del preamplificador, o un aislador digital si desea tener el ADC cerca del preamplificador. Más información sobre esto en DIN EN 60601-1 y otras normas relevantes.

1. Use un amplificador de instrumentación como preamplificador (con transmisión por la derecha)

Un amplificador de instrumentación, entre otras cosas, tiene una impedancia de entrada muy alta. Esto es ideal para medir pequeñas corrientes. 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. ¡SIEMPRE use aislamiento de fuente de alimentación para instrumentación biomédica!

Utilice una fuente de alimentación de aislamiento IC. Vea algunos ejemplos de Maxim .

3. Use un filtro activo

Utilice el software FilterPro gratuito 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 y 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 puede realizarse fácilmente en el software, por ejemplo. Un libro sobre el tema puede ser útil. Además, no olvide usar aisladores digitales en las salidas ADC. ADUM1100 es un ejemplo.

Es posible que pueda usar un amplificador de bloqueo .

No es un método general que pueda aplicar en cualquier caso, pero si puede, le brinda resultados insuperables. Requiere que module la señal original (por ejemplo, si es una señal óptica, mediante una rueda 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 de bloqueo, puede recuperar señales cuya amplitud es de 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 un "amplificador de bloqueo" le ofrece descripciones más detalladas.

Cambiaría la segunda viñeta a: "Si usa cables apantallados, asegúrese de que las pantallas estén conectadas a tierra correctamente. La pantalla no puesta a tierra puede introducir ruido adicional acoplado capacitivamente".

Considere realizar experimentos fuera del horario comercial normal cuando 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 12V es una práctica antigua y no inusual. Como resultado, algunos equipos especializados utilizados para electrofisiología y sus alrededores están diseñados para funcionar con 12Vdc. Los laboratorios incluso construyen cobertizos "silenciosos" lejos de edificios y líneas eléctricas. Las plataformas dentro de estos cobertizos funcionan con bancos de baterías de 12V, los cables de CA que se usan 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 intentar que la conexión de un electrodo de superficie sea lo mejor posible, y que todos los electrodos estén lo más fijos posible a la superficie. Dos razones.

1. Si los electrodos no están unidos de manera casi idéntica, es probable que haya diferencias potentes de unión bastante considerables entre los electrodos, que en realidad pueden saturar las etapas de entrada de alta ganancia si las entradas no son de paso alto. No me gusta particularmente pasar de 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 puedo.

2. Los 'trodes muy bien unidos reducen el artefacto de movimiento

3. Si la resistencia en los accesorios del electrodo 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.