Pourquoi mettriez-vous votre amplificateur d'entrée devant votre filtrage pour un signal ECG?

Dans cet article sur eetimes.com, ils montrent la chaîne de signal pour mesurer un ECG.

Le signal brut d'un ECG contient du bruit et des décalages au moins d'une amplitude supérieure au signal réel. (Quelques ECG mV, plusieurs dizaines de mV provenant du bruit de la ligne électrique et du décalage de l'électrode et jusqu'à plusieurs centaines de mV de ligne de base se déplacent en raison du mouvement du sein.)

Cela me ferait intuitivement faire le filtrage du signal devant les amplificateurs, pour éviter l'amplification des composantes de signal indésirables. Dans cet article, cependant, ils effectuent le filtrage du signal après l'amplificateur d'entrée, l'élimination du bruit à haute fréquence même après le deuxième amplificateur.

Je ne peux pas vraiment penser à une raison pour laquelle ils feraient cela. La seule chose qui me vient à l'esprit est la très haute impédance de la source du signal, mais le filtrage n'affecterait pas la source du signal, car cette plage de fréquence serait évidemment dans la bande passante.

Suis-je en train de manquer une raison importante pour laquelle vous feriez le conditionnement du signal dans cet ordre?

Suis-je en train de manquer une raison importante pour laquelle vous feriez le conditionnement du signal dans cet ordre?

Oui, vous l'êtes...

L'amplificateur différentiel frontal sera choisi de telle sorte qu'il présente un niveau de réjection en mode commun de plusieurs dizaines de dB, très probablement de l'ordre de 80 dB.

Cet ampli diff convertit un signal différentiel en un signal asymétrique et toute interférence de mode commun sera largement ignorée.

Si vous deviez mettre des filtres sur les deux jambes de l'ampli diff, pour éviter une asymétrie d'équilibre, vous devriez choisir des composants (tels que des condensateurs et des résistances) qui étaient adaptés à au moins un niveau équivalent de -80 dB.

Vous pourriez considérer les condensateurs de 1% comme ayant potentiellement une différence de valeur de 2% et que, en dB, on pourrait considérer que -20 log (50) = -34 dB. En d'autres termes, vous n'obtiendrez jamais de performances différentielles en mode commun décentes avec des filtres sur chaque jambe avant l'amplificateur différentiel.

Andy et Nick ont ​​offert d'excellentes réponses. Permettez-moi d'essayer de les renforcer un peu.

Tout d'abord, le calcul dit que l'amplification puis le filtrage équivalent au filtrage puis à l'amplification. Ceci, bien sûr, s'applique à la situation idéale, permet donc de discuter des non-idéalités.

Le GRAND ici, IMO, est la saturation. Si le bruit est si important qu'il sature votre amplificateur, tous les paris sont désactivés. Vous perdez le signal. Est-ce que cela nous dérange ici ?? Pas vraiment. Nous laissons généralement le gain de cet étage InAmp suffisamment bas pour faire face à environ 100 mV de décalage d'électrode CC, donc le gain est modeste et il est peu probable que nous saturions.

La prochaine préoccupation concernant les non-idéalités, comme déjà mentionné, est le bruit en mode commun et le CMRR. Nous voulons que le CMRR dans la bande passante soit excellent. Si nous blessons le CMRR dans la bande passante, nous diminuons le SNR. Je ne suis pas totalement d'accord avec Nick sur le préfiltrage dans la gamme des kHz, mais je suis généralement habitué aux directives du fabricant pour le filtrage RF, et peut-être même aller une décennie en fréquence en dessous de leurs recommandations. Lorsque je crée ces filtres, j'utilise souvent des bouchons X2Y pour essayer de garder les bouchons bien adaptés.

Enfin, réfléchissons au chemin du signal jusqu'au signal dans le corps. L'impédance de l'interface électrode / peau sera toujoursvarient, et chaque conception doit en tenir compte. En raison de la formidable impédance d'entrée des InAmps d'aujourd'hui, ce n'est pas aussi grave qu'auparavant. En fait, pour répondre aux normes de sécurité hospitalière NFPA99 (quand je sais que je dois faire passer un appareil par l'ingénierie clinique pour inspection), je mets souvent une grosse résistance de klaxon sur chaque fil d'électrode pour garantir la conformité (<10 microampères) en cas de défaillance de la tension ferroviaire aux entrées ampli. Je fais bien correspondre ces résistances, mais cela ne fait probablement pas autant de différence que j'aime à le penser, en particulier compte tenu du décalage de l'électrode, donc dans une certaine mesure, nous nous moquons de faire croire cela simplement parce que nous ne le faisons pas '' t jeter un filtre devant l'ampli que les chemins de signal de tous les fils d'électrode sont bien adaptés - ils '. Les variations ici, cependant, peuvent rendre un peu aléatoire la fréquence de coupure d'un filtre que nous choisissons de mettre ici.

Lancez Driven-Leg dans le mix, et vous êtes probablement environ 20 dB mieux. Les InAmps ne sont pas ce qu'ils étaient à l'époque de John Webster . Nous avons des unités bon marché avec des impédances dont il ne pouvait que rêver.

La façon dont j'aborde de tels problèmes est de convertir mon signal différentiel en asymétrique dès que possible, en traitant aussi délicatement que possible jusqu'à l'ampli d'instrumentation avec un gain modeste, et après cela, je fais ce que je veux Je voudrais. Avec une bonne sélection de pièces, vous pouvez vraiment obtenir un bruit de niveau microvolt avec des signaux de niveau millivolt.

En dernier point, le point de Nick sur la protection ESD est bon. Pour mes affaires, je ne m'en soucie pas particulièrement, mais vous êtes-vous déjà demandé comment les unités d'ECG cliniques ne surviennent pas simplement lorsqu'un patient est défibrillé? Des milliers de volts présentés aux entrées, et une unité bien conçue se contente de rire et vaquer à ses occupations.

Je vais appuyer la réponse de @ Andy et j'aimerais ajouter une chose.

Un filtre passe-bas passif entre les électrodes et l'InAmp est nécessaire. J'ai mis la fréquence de coupure quelque part dans la région kHz.

Les InAmps ont un excellent CMRR aux basses fréquences, mais le CMRR se dégrade aux fréquences plus élevées (supérieures à 3 kHz-10 kHz selon la puce). La rectification aux hautes fréquences est une autre préoccupation pour InAmps. Un signal haute fréquence peut être rectifié par l'étage d'entrée d'InAmp, puis apparaître comme un décalage CC.
(Plus dans cette note d'application: Analog Devices MT-070. Protection RFI d'entrée en ampère .)

Étant donné que le signal ECG est faible, les hautes fréquences peuvent être filtrées même avec des composants passifs quelque peu incompatibles.

Le seul filtrage que vous ayez fait avant le premier amplificateur est celui lié à la forme de l'antenne / guide d'onde. Et cela ne s'applique qu'aux micro-ondes et aux fréquences plus élevées.

Les filtres passifs conventionnels ajoutent du bruit - vous voulez que le signal soit aussi grand que possible par rapport à ce bruit ajouté. Même si cela signifie que vous amplifiez également des signaux interférents, vous ne modifiez pas le rapport du signal aux signaux interférents dans la bande, vous pouvez donc filtrer les interférences aussi efficacement après l'amplification qu'avant. Mais vous ne pouvez pas amplifier aussi efficacement après le filtrage, car vous êtes déjà mélangé au bruit du filtre.

Ensuite, vous amplifiez à nouveau fréquemment après le filtrage, car maintenant la gamme dynamique complète peut être appliquée aux fréquences d'intérêt. Mais cela s'ajoute à la pré-amplification, pas à la place.