Stratégies de réduction du bruit en électrophysiologie

Lors de l'enregistrement de signaux électriques provenant de cellules (dans une parabole ou à l'intérieur d'un corps humain ou animal vivant), un problème majeur est d'augmenter le rapport signal / bruit.

Ces signaux sont généralement dans la gamme de 10 uV à 100 mV et sont générés par des sources de très faible puissance qui peuvent produire des courants de l'ordre de nanoampères.

Souvent, les signaux d'intérêt se situent dans la plage de 1 Hz à 10 kHz (le plus souvent de 10 Hz à 10 kHz).

Pour aggraver les choses, il y a généralement beaucoup d'outils générateurs de bruit qui sont nécessaires (dans la clinique, ce sont d'autres appareils de surveillance, de diagnostic et thérapeutiques en laboratoire, ce sont d'autres appareils de surveillance, scientifiques).

Pour réduire l'impact du bruit et augmenter le rapport signal / bruit, il existe quelques règles généralement appliquées telles que:

• Si possible, utilisez un amplificateur de courant (souvent appelé head-stage), un amplificateur avec une impédance d'entrée très élevée et une amplification de tension plutôt basse ou même aucune amplification de tension. très proche de la source du signal (corps).
• Pour connecter la source (électrodes d'enregistrement) à l'amplificateur du premier étage (tête de scène), utilisez des fils sans blindage (pour éviter les distorsions capacitives du signal).
• Évitez les boucles de masse
• Si possible, utilisez des amplificateurs différentiels (pour annuler le bruit d'induction des sources électromagnétiques environnantes).
• Utilisez toujours des cages Faraday et des blindages mis à la terre (généralement des feuilles d'aluminium) pour couvrir la source du signal et tout ce qui y est connecté (corps, équipement ...).
• Vous ne pouvez pas le faire sans filtres appropriés (généralement une coupe haute de 10 KHz et une coupe basse qui, selon le signal, peuvent être comprises entre 1 Hz et 300 Hz)
• Si vous ne pouvez pas vous débarrasser du bruit du secteur (50 Hz ou 60 Hz dans différents pays) et seulement si votre signal couvre cette plage, vous pouvez utiliser des filtres actifs comme Humbug http://www.autom8.com/hum_bug.html

Ma question est: Y a-t-il d'autres suggestions que j'ai manquées? L'une de ces suggestions a-t-elle été transmise ou erronée?

Habituellement, les gens dans ce domaine (comme moi) n'ont pas d'éducation formelle en génie électrique et parfois il y a des mythes passant d'un enseignant à un élève génération après génération sans preuves appropriées. Il s'agit d'une tentative de corriger cela.

EDITER:
- si possible, utilisez des piles ou des alimentations très bien régulées dans tous vos appareils, y compris les pompes, microdrives, appareils de surveillance, même vous pouvez mettre des filtres sur le secteur de vos ordinateurs (bien que ce ne soit généralement pas un problème grave).

Bouclier entraîné

Il est possible d'utiliser des fils blindés entre les électrodes et le préampli sans beaucoup d'influence de la capacité parasite ajoutée du blindage (votre 2e point). Le signal lui-même ne sera pas beaucoup blessé car il est très petit par rapport au composant en mode commun. Pour comprendre cela, imaginez un minuscule signal différentiel au-dessus d'un signal en mode commun beaucoup plus grand (principalement causé par une tension secteur de 50 Hz ou 60 Hz) et une composante CC à basse fréquence provoquée par l'interaction du tissu avec les électrodes et le corps lui-même. Pour autant que je comprends le problème, l'interférence couplée au signal via la capacité du câble est bien pire que d'avoir le signal lui-même alimenté par la capacité du câble.

L'astuce consiste à piloter activement le blindage du câble avec la partie en mode commun du signal au lieu de connecter le blindage à la masse du préampli. Il y a quelques années, j'ai construit un tel préampli avec une garde active et j'ai pu utiliser des fils blindés jusqu'à 2 m entre les électrodes et le premier étage de l'ampli. Les schémas peuvent être trouvés dans cette thèse (pas la mienne, mais inclut commodément les schémas les plus intéressants de mon ampli EMG) . Veuillez voir la fig. 8.7, 8.8 et 8.9 et tout ce qui les entoure dans le chapitre 8. La Fig. 8.12 explique comment les interférences sont couplées capacitivement au signal d'intérêt. Désolé, la thèse est en allemand, mais j'espère que les images et les schémas sont internationaux.

Un bon endroit pour capter le signal de mode commun est le "milieu" de la résistance de réglage de gain de l'InAmp initial (encore une fois, voir la thèse liée ci-dessus).

Entraînement de la jambe droite

La jambe droite est utilisée comme référence pour mesurer le signal sur la jambe gauche, le bras gauche et le bras droit.

Le concept d'un bouclier entraîné peut être étendu pour conduire activement le patient, et la connexion est établie à l'emplacement utilisé comme référence pour les signaux à mesurer, qui est la jambe droite. Ceci est connu comme une jambe droite entraînée (DRL); il y a une bonne discussion sur les amplis DRL dans cet article d'EDN .

Si vos mesures ne sont pas prises à partir d'un corps humain mais de certaines cellules dans une assiette, vous pouvez probablement placer l'électrode DRL au fond ou dans la gelée / milieu de croissance, près de l'endroit où se trouve votre électrode de référence. De cette façon, vous utilisez la même stratégie que vous le feriez dans le sens d'une configuration DRL.

Filtre coupe-bande

De plus, si le bourdonnement est vraiment mauvais, vous pouvez mettre un filtre coupe-bande à 50 Hz ou 60 Hz dans le chemin du signal, mais cela nuira également au signal d'intérêt.

Consigne de sécurité très importante: Les électrodes ne doivent pas avoir de connexion galvanique directe avec la terre de protection (PE). Cela est nécessaire car une fois que le patient est connecté à une tension potentiellement mortelle par un défaut dans un autre appareil autour du laboratoire, le courant de défaut aura un très bon chemin à travers le patient et via les électrodes vers la terre. Lorsque vous parlez d'une référence de masse autour des électrodes ou du préampli, assurez-vous d'en faire une terre référencée uniquement au préampli et non à la masse réelle généralement connue sous le nom de PE! Cela nécessite généralement un ampli d'isolement quelque part autour ou juste après le préampli, ou un isolateur numérique si vous souhaitez avoir l'ADC à proximité du préampli. Plus d'informations à ce sujet dans la norme DIN EN 60601-1 et dans d'autres normes pertinentes.

1. Utilisez un amplificateur d'instrumentation comme préamplificateur (avec entraînement à droite)

Un amplificateur d'instrumentation, entre autres, a une impédance d'entrée très élevée. Ceci est idéal pour mesurer de petits courants. Voir la fiche technique de l' INA128 . La page 11 a un schéma de référence (ci-dessous) qui est similaire à ce que vous recherchez.

2. TOUJOURS utiliser l'isolement de l'alimentation pour l'instrumentation biomédicale!

Utilisez un circuit intégré d'isolation d'alimentation. Voir quelques exemples de Maxim .

3. Utilisez un filtre actif

Utilisez le logiciel gratuit FilterPro de TI pour concevoir facilement un amplificateur actif pour la plage de fréquences souhaitée. Un filtre passe-bande à clé Sallen est facile à mettre en œuvre.

4. Numérisez le signal et utilisez DSP pour un filtrage supplémentaire.

Utilisez et ADC ou un oscilloscope ou un numériseur pour acheminer le signal vers le domaine numérique où vous pouvez essayer une variété de techniques DSP. Un filtre de rejet de bande de bruit secteur peut être facilement réalisé dans un logiciel, par exemple. Un livre sur le sujet pourrait être utile. N'oubliez pas non plus d'utiliser des isolateurs numériques sur les sorties ADC. ADUM1100 en est un exemple.

Vous pourrez peut-être utiliser un amplificateur à verrouillage .

Ce n'est pas une méthode générale que vous pouvez appliquer dans tous les cas, mais si vous le pouvez, elle vous donne des résultats inégalés. Il vous oblige à moduler le signal d'origine (par exemple s'il s'agit d'un signal optique, par une roue hacheuse). En raison de la modulation du signal, il n'est utile que pour les signaux qui changent beaucoup plus lentement que la modulation.

Cependant, les avantages sont stupéfiants. En utilisant l'amplification Lock-in, vous pouvez récupérer des signaux dont l'amplitude est de l'ordre de grandeur EN DESSOUS du bruit.

Le principe:

• Le signal d'origine est modulé avec une fréquence et une phase connues.
• Le signal détecté (plus beaucoup de bruit) est amplifié et multiplié par un signal rectangulaire de même fréquence et de même phase puis intégré (détection sensible à la phase). Presque tout le bruit est annulé.

Je pense que la recherche sur le Web d'un "amplificateur de verrouillage" vous donne suffisamment de descriptions plus détaillées.

Je changerais la deuxième puce comme suit: "Si vous utilisez des fils blindés, assurez-vous que les blindages sont correctement mis à la terre. Un blindage non mis à la terre peut introduire un bruit supplémentaire couplé capacitivement."

Envisagez d'exécuter des expériences en dehors des heures normales de bureau lorsque les systèmes CVCA et autres équipements produisant des interférences électromagnétiques peuvent être éteints.

EDIT: En réponse aux commentaires sur l'alimentation CC. Faire fonctionner des appareils d'électrophysiologie avec des batteries plomb-acide 12V est une pratique ancienne et pas rare. En conséquence, certains équipements spécialisés utilisés pour et autour de l'électrophysiologie sont conçus pour fonctionner à 12Vdc. Les laboratoires construisent même des abris «silencieux» loin des bâtiments et des lignes électriques. Les plates-formes à l'intérieur de ces hangars sont alimentées par des bancs de batteries 12V, les cordons CA qui sont utilisés pour la charge sont rétractés pendant les expériences.

Si le bruit du secteur est toujours un problème, exécutez les circuits à partir d'une source CC comme une batterie.

Il est également très important d'essayer de faire en sorte que la connexion d'une électrode de surface soit aussi bonne que possible - et que toutes les électrodes soient fixées de manière identique à la surface. Deux raisons.

1. Si les électrodes ne sont pas presque identiques, il y a probablement des différences de potentiel de jonction assez importantes entre les électrodes, qui peuvent en fait saturer les étages d'entrée à gain élevé si les entrées ne sont pas passe-haut. Je n'aime pas particulièrement laisser passer mes entrées si je peux l'éviter, car cela peut gâcher votre impédance d'entrée si vous ne faites pas attention. J'aime passer par de petits signaux différentiels dans un ampli à impédance de mur de briques avec un CMRR élevé dès que possible.

2. Des trodes bien fixées réduisent les artefacts de mouvement

3. Si la résistance dans les attachements d'électrode diffère trop, tout ce bruit EM sur le corps via le couplage capacitif au monde n'arrivera pas à l'ampli en tant que signal de mode commun, mais il y aura une composante de bruit substantielle dans le signal différentiel comme bien.