Estratégias de redução de ruído em eletrofisiologia

Ao gravar sinais elétricos de células (em um prato ou dentro de um corpo humano ou animal vivo), um grande problema é aumentar a relação sinal / ruído.

Esses sinais geralmente estão na faixa de 10uV a 100mV e são gerados por fontes de energia muito baixas que podem gerar correntes na ordem dos nanoAmps.

Frequentemente, os sinais de interesse estão dentro da faixa de 1Hz-10KHz (na maioria das vezes 10Hz-10KHz).

Para piorar a situação, geralmente existem muitas ferramentas de geração de ruído necessárias (na clínica existem outros dispositivos de monitoramento, diagnóstico e terapêuticos em laboratório, outros dispositivos científicos de monitoramento).

Para reduzir o impacto do ruído e aumentar a relação sinal / ruído, existem algumas regras geralmente aplicadas, como:

• Se possível, use um amplificador de corrente (geralmente chamado head-stage), um amplificador com impedância de entrada muito alta e amplificação de tensão bastante baixa ou mesmo sem amplificação de tensão. muito perto da fonte de sinal (corpo).
• Para conectar a fonte (eletrodos de gravação) ao amplificador do primeiro estágio (estágio principal), use fios que não possuam blindagem (para evitar distorções capacitivas do sinal).
• Evite loops de terra
• Quando possível, use amplificadores diferenciais (para cancelar o ruído de indução das fontes eletromagnéticas ao redor).
• Sempre use gaiolas Faraday e escudos aterrados (geralmente folhas de alumínio) para cobrir a fonte de sinal e qualquer coisa conectada a ela (corpo, equipamento ...).
• Você não pode fazer isso sem filtros adequados (geralmente um corte alto de 10KHz e um corte baixo que, dependendo do sinal, podem variar de 1Hz a 300Hz)
• Se você não conseguir captar o ruído da rede elétrica (50Hz ou 60Hz em diferentes países) e apenas se o seu sinal cobrir esse intervalo, você poderá usar filtros ativos como o Humbug http://www.autom8.com/hum_bug.html

Minha pergunta é: Há outras sugestões que eu perdi? Alguma dessas sugestões fluiu ou está errada?

Normalmente, pessoas nessas áreas (como eu) não têm educação formal em engenharia elétrica e, às vezes, há mitos passando de um professor para um aluno geração após geração, sem evidências adequadas. Esta é uma tentativa de corrigir isso.

EDIT:
- se possível, use baterias ou fontes de alimentação muito bem reguladas em todos os seus dispositivos, incluindo bombas, microdrives, dispositivos de monitoramento, mesmo que você possa colocar filtros na rede elétrica de seus computadores (embora isso geralmente não seja um problema sério).

Escudo acionado

É possível usar fios blindados entre os eletrodos e o pré-amplificador sem muita influência da capacitância parasita adicionada do escudo (seu segundo ponto). O sinal em si não será ferido muito porque é muito pequeno comparado ao componente de modo comum. Para entender isso, imagine um sinal diferencial minúsculo em cima de um sinal de modo comum muito, muito maior (causado principalmente pela tensão de rede de 50 Hz ou 60 Hz) e um componente de CC para frequência baixa causado pela interação do tecido com os eletrodos e o próprio corpo. Pelo que entendi, a interferência acoplada ao sinal via capacitância do cabo é muito pior do que o próprio sinal ser alimentado pela capacidade do cabo.

O truque é acionar ativamente a blindagem do cabo com a parte do sinal em modo comum, em vez de conectar a blindagem ao terra do pré-amplificador. Alguns anos atrás, eu construí esse pré-amplificador com uma proteção ativa e pude usar fios blindados desde 2 m entre os eletrodos e o primeiro estágio do amplificador. Os esquemas podem ser encontrados nesta tese (não a minha, mas inclui convenientemente os esquemas mais interessantes do meu amplificador EMG) . Por favor, veja a fig. 8.7, 8.8 e 8.9 e todas as coisas ao seu redor no capítulo 8. A Fig. 8.12 discute como a interferência é capacitivamente acoplada ao sinal de interesse. Desculpe, a tese está em alemão, mas espero que as imagens e esquemas sejam internacionais.

Um bom lugar para captar o sinal do modo comum é o "meio" do resistor de ajuste de ganho do InAmp inicial (novamente, veja a tese acima).

Conduzido perna direita

A perna direita é usada como referência para medir o sinal na perna esquerda, braço esquerdo e braço direito.

O conceito de blindagem acionada pode ser estendido para acionar ativamente o paciente, e a conexão é feita no local usado como referência para os sinais a serem medidos, que é a perna direita. Isso é conhecido como perna direita acionada (DRL); há uma boa discussão sobre amplificadores de DRL neste artigo da EDN .

Se suas medidas não forem obtidas de um corpo humano, mas de algumas células de um prato, você provavelmente poderá colocar o eletrodo DRL no fundo ou no meio de geléia / crescimento, perto de onde está o eletrodo de referência. Dessa forma, você usa a mesma estratégia que usaria no sentido de uma configuração de DRL.

Filtro de entalhe

Além disso, se o zumbido for muito ruim, você pode colocar um filtro de entalhe em 50 Hz ou 60 Hz no caminho do sinal, mas isso também prejudicará o sinal de interesse.

Nota de segurança muito importante: Os eletrodos não devem ter nenhuma conexão galvânica direta com o terra de proteção (PE). Isso é necessário porque uma vez que o paciente é conectado a uma tensão potencialmente letal por uma falha em outro dispositivo no laboratório, a corrente de falha terá um caminho muito bom através do paciente e através dos eletrodos para o aterramento. Ao falar sobre uma referência de aterramento em torno dos eletrodos ou do pré-amplificador, certifique-se de fazer deste um terra referenciado apenas ao pré-amplificador e não ao aterramento real geralmente conhecido como PE! Isso geralmente requer um amplificador de isolamento em algum lugar próximo ou próximo do pré-amplificador, ou um isolador digital, se você deseja que o ADC esteja próximo ao pré-amplificador. Mais sobre isso na DIN EN 60601-1 e outras normas relevantes.

1. Use um amplificador de instrumentação como pré-amplificador (com acionamento da perna direita)

Um amplificador de instrumentação, entre outras coisas, tem uma impedância de entrada muito alta. É ideal para medir pequenas correntes. Consulte a folha de dados para o INA128 . A página 11 possui um esquema de referência (anexado abaixo) que é semelhante ao que você está procurando.

2. SEMPRE use o isolamento da fonte de alimentação para instrumentação biomédica!

Use um IC de isolamento da fonte de alimentação. Veja alguns exemplos de Maxim .

3. Use um filtro ativo

Use o software FilterPro gratuito da TI para projetar facilmente um amplificador ativo para a faixa de frequência desejada. É fácil implementar um filtro de passagem de banda com chave sallen.

4. Digitalize o sinal e use DSP para filtragem adicional.

Use o ADC ou um osciloscópio ou um digitalizador para levar o sinal ao domínio digital, onde você poderá experimentar uma variedade de técnicas DSP. Um filtro de rejeição de banda de ruído da rede elétrica pode ser facilmente executado em software, por exemplo. Um livro sobre o assunto pode ser útil. Além disso, não se esqueça de usar isoladores digitais nas saídas ADC. ADUM1100 é um exemplo.

Você pode usar um amplificador de encaixe .

Não é um método geral que você possa aplicar em qualquer caso, mas, se puder, fornecerá resultados insuperáveis. Requer que você module o sinal original (por exemplo, se for um sinal óptico, por meio de uma roda do helicóptero). Devido à modulação do sinal, é útil apenas para sinais que mudam muito mais lentamente que a modulação.

Os benefícios, no entanto, são impressionantes. Usando a amplificação de bloqueio, você pode recuperar sinais cuja amplitude é de ordem de magnitude ABAIXO do ruído.

O princípio:

• O sinal original é modulado com frequência e fase conhecidas.
• O sinal detectado (mais muito ruído) é amplificado e multiplicado por um sinal retangular da mesma frequência e fase e, em seguida, integrado (detecção sensível à fase). Quase todo o barulho é cancelado.

Acho que pesquisar na web por "amplificador de encaixe" fornece descrições mais detalhadas o suficiente.

Eu mudaria o segundo marcador para: "Se estiver usando fios blindados, verifique se as blindagens estão aterradas corretamente. A blindagem não aterrada pode introduzir ruído adicional capacitivamente acoplado".

Considere executar experimentos fora do horário comercial normal, quando HVAC e outros equipamentos que produzem EMI podem estar desligados.

EDIT: Em resposta a comentários sobre a energia DC. A operação de equipamentos de eletrofisiologia com baterias de chumbo-ácido de 12V é uma prática antiga e não incomum. Como resultado, alguns equipamentos especializados usados ​​para e em torno da eletrofisiologia são projetados para funcionar com 12Vdc. Os laboratórios até constroem galpões "silenciosos" longe de prédios e linhas de energia. As plataformas dentro desses galpões são alimentadas com bancos de baterias de 12V, cabos CA que são usados ​​para carregar são retraídos durante as experiências.

Se o ruído da rede elétrica ainda for um problema, execute os circuitos de uma fonte CC como uma bateria.

Também é muito importante tentar fazer com que a conexão de um eletrodo de superfície seja a melhor possível - e todos os eletrodos da forma mais idêntica possível na superfície. Duas razões.

1. Se os eletrodos não forem quase idênticos, é provável que haja diferenças de potencial de junção bastante consideráveis ​​entre os eletrodos, que podem realmente saturar os estágios de entrada de alto ganho se as entradas não forem passadas em alta. Não gosto particularmente de passar alto minhas entradas se puder evitá-las, pois isso pode atrapalhar sua impedância de entrada, se você não tomar cuidado. Eu gosto de receber pequenos sinais diferenciais em um amplificador de impedância de parede de tijolos com alto CMRR assim que possível.

2. Os códigos bem anexados reduzem o artefato de movimento

3. Se a resistência nos anexos dos eletrodos diferir muito, todo o ruído EM no corpo através do acoplamento capacitivo para o mundo não chegará ao amplificador como um sinal de modo comum, mas haverá um componente de ruído substancial no sinal diferencial como bem.