Estrategias de reducción del ruido en electrofisiología

Question

Cuando se registran las señales eléctricas de las células (en una placa o dentro de un cuerpo humano o animal vivo), uno de los principales problemas es aumentar la relación señal/ruido.

Estas señales suelen estar en el rango de 10uV a 100mV y son generadas por fuentes de muy baja potencia que pueden producir corrientes del orden de los nanoAmperios.

A menudo, las señales de interés se sitúan en el rango de 1Hz-10KHz (la mayoría de las veces 10Hz-10KHz).

Para empeorar las cosas, normalmente hay un montón de herramientas que generan ruido y que es necesario tener cerca (en la clínica son otros dispositivos de monitorización, diagnóstico y terapéuticos, en el laboratorio son otros dispositivos de monitorización, científicos).

Para reducir el impacto del ruido y aumentar la relación señal/ruido, existen algunas reglas de aplicación general como:

• Si es posible, utilice un amplificador de corriente (a menudo llamado head-stage), un amplificador con una impedancia de entrada muy alta y una amplificación de tensión más bien baja o incluso sin amplificación de tensión. muy cerca de la fuente de señal (cuerpo).
• Para conectar la fuente (electrodos de registro) al amplificador de la primera etapa (etapa de cabeza) utilice cables que no tengan blindaje (para evitar distorsiones capacitivas de la señal).
• Evite los bucles de tierra
• Cuando sea posible, utilice amplificadores diferenciales (para cancelar el ruido de inducción de las fuentes electromagnéticas del entorno).
• Utilice siempre jaulas de Faraday y escudos con conexión a tierra (normalmente láminas de aluminio) para cubrir la fuente de señal y todo lo que esté conectado a ella (cuerpo, equipo...).
• No se puede hacer esto sin los filtros adecuados (normalmente un corte alto de 10KHz y un corte bajo que, dependiendo de la señal, puede estar en cualquier lugar de 1Hz a 300Hz )
• Si no puedes librarte del ruido de la red (50Hz o 60Hz en diferentes países) y sólo si tu señal cubre ese rango puedes 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 es acertada o errónea?

Por lo general, las personas que se dedican a este campo (como yo) no tienen una educación formal en ingeniería eléctrica y, a veces, hay mitos que pasan de un profesor a un alumno generación tras generación sin pruebas adecuadas. Este es un intento de corregir esto.

EDITAR:

• si es posible utiliza baterías o fuentes de alimentación muy bien reguladas en todos tus dispositivos, incluyendo cualquier bomba, microdrives, dispositivos de monitorización, incluso puedes poner filtros en la red de tus ordenadores (aunque esto no suele ser un problema grave).

Answer 1

Escudo de protección

Es posible utilizar cables apantallados entre los electrodos y el preamplificador sin que influya mucho la capacitancia parásita añadida del apantallamiento (su 2º punto). La señal en sí no se verá muy perjudicada porque es muy pequeña en comparación con el componente de modo común. Para entender esto, imagine una pequeña señal diferencial sobre una señal de modo común mucho, mucho más grande (causada principalmente por la tensión 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. Por lo que yo entiendo, 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 consiste en conducir activamente la pantalla del cable con la parte de modo común de la señal en lugar de conectar la pantalla a la tierra del preamplificador. Hace algunos años, construí un preamplificador de este tipo con una protección activa y pude utilizar cables apantallados 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 incluye convenientemente los esquemas más interesantes de mi amplificador EMG) . Consulte las figuras 8.7, 8.8 y 8.9 y todo lo que las rodea en el capítulo 8. En la fig. 8.12 se discute 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 recoger la señal de modo común es el "medio" de la resistencia de ajuste de ganancia del InAmp inicial (de nuevo, véase la tesis enlazada 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 escudo conducido puede ampliarse para conducir activamente al paciente, y la conexión se realiza en el lugar utilizado como referencia para las señales que se van a medir, que es la pierna derecha. Esto se conoce como pierna derecha conducida (DRL); hay una buena discusión sobre los amplificadores DRL en este artículo de EDN .

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

Filtro de muescas

Además, si el zumbido es realmente malo, puedes poner un filtro notch 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 con la tierra de protección (PE). Esto es necesario porque una vez que el paciente se conecta a una tensión potencialmente letal por un fallo en otro dispositivo alrededor del laboratorio, la corriente de fallo tendrá un muy buen camino a través del paciente y a través de los electrodos hasta la tierra. Cuando se hable de una referencia de tierra alrededor de los electrodos o del preamplificador, asegúrese de que se trata de una tierra referenciada únicamente al preamplificador y no a la tierra real, normalmente conocida como PE. Esto suele requerir 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 información sobre esto en la norma DIN EN 60601-1 y otras normas pertinentes.

Answer 2

1. Utilizar un amplificador de instrumentación como preamplificador (con accionamiento de la pierna 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 abajo) que es similar a lo que usted busca.

2. Utilice SIEMPRE el aislamiento de la fuente de alimentación para la instrumentación biomédica.

Utilice un CI de aislamiento de la fuente de alimentación. Vea algunos ejemplos de Maxim .

3. Utilizar un filtro activo

Utilice el programa gratuito de TI FiltroPro para diseñar fácilmente un amplificador activo para la gama de frecuencias que desee. Un filtro de paso de banda Sallen-key es fácil de implementar.

4. Digitalizar la señal y utilizar el DSP para el filtrado adicional.

Utiliza un ADC, un osciloscopio o un digitalizador para llevar la señal al dominio digital, donde podrás probar diversas técnicas de DSP. Por ejemplo, un filtro de rechazo de la banda de ruido de la red puede hacerse fácilmente por software. A libro sobre el tema puede ser útil. Además, no olvides utilizar aislantes digitales en las salidas del ADC. ADUM1100 es un ejemplo.

Answer 3

Es posible que pueda utilizar un amplificador lock-in .

No es un método general que puedas aplicar en cualquier caso, pero si puedes, te da resultados inmejorables. Requiere que modules la señal original (por ejemplo, si se trata de una señal óptica, por medio de una rueda de corte). Debido a la modulación de la señal sólo es útil para señales que cambian mucho más lentamente que la modulación.

Los beneficios, sin embargo, son impresionantes. Utilizando la amplificación Lock-in se pueden 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 se multiplica por una señal rectangular de la misma frecuencia y fase y luego se integra (detección sensible a la fase). Se cancela casi todo el ruido.

Creo que si buscas en la web "lock-in amplifier" tendrás suficientes descripciones más detalladas.

Answer 4

Yo cambiaría el segundo punto por: "Si utiliza cables apantallados, asegúrese de que los apantallamientos están correctamente conectados a tierra. Un blindaje no conectado a tierra puede introducir ruido adicional acoplado capacitivamente".

Considere la posibilidad de realizar experimentos fuera de las horas normales de trabajo, cuando los equipos de calefacción, ventilación y aire acondicionado y otros equipos que producen EMI pueden estar apagados.

EDIT: En respuesta a los comentarios sobre la corriente continua. El funcionamiento de los equipos de electrofisiología con baterías de plomo de 12 V es una práctica antigua y no infrecuente. Por ello, algunos equipos especializados utilizados para la electrofisiología y sus alrededores están diseñados para funcionar con 12Vdc. Los laboratorios incluso construyen cobertizos "silenciosos" lejos de los edificios y las líneas eléctricas. Los equipos que se encuentran dentro de estos cobertizos se alimentan con bancos de baterías de 12 V, y los cables de CA que se utilizan para la carga se retiran durante los experimentos.

Answer 5

Si el ruido de la red sigue siendo un problema, haz funcionar los circuitos con una fuente de corriente continua, como una batería.