電気生理学におけるノイズ低減戦略

細胞からの電気信号を記録するとき（皿の中、または生きている人間や動物の体内）、1つの大きな問題は、信号対雑音比を高めることです。

これらの信号は通常10uV〜100mVの範囲であり、ナノアンペアのオーダーの電流を生成できる非常に低い電源で生成されます。

多くの場合、対象の信号は1Hz〜10KHzの範囲内にあります（ほとんどの場合、10Hz〜10KHz）。

事態を悪化させるには、通常、周囲に必要な多くのノイズ生成ツールがあります（診療所では、これらは他の監視、診断および治療機器であり、これらは他の監視、科学機器です）。

ノイズの影響を減らし、S / N比を高めるために、次のような一般的に適用されるルールがいくつかあります。

• 可能であれば、非常に高い入力インピーダンスとかなり低い電圧増幅、または電圧増幅なしの電流増幅器（ヘッドステージと呼ばれることも多い）を使用します。信号源（ボディ）に非常に近い。
• ソース（記録電極）を第1段のアンプ（ヘッドステージ）に接続するには、シールドのないワイヤを使用します（信号の容量性歪みを避けるため）。
• グランドループを回避する
• 可能な場合は、差動増幅器を使用します（周囲の電磁源からの誘導ノイズをキャンセルするため）。
• ファラデーケージと接地シールド（通常はアルミ箔）を常に使用して、信号ソースとそれに接続されているもの（本体、機器など）を覆います。
• 適切なフィルターなしでこれを行うことはできません（通常、信号に応じて1Hzから300Hzまでの10KHzのハイカットとローカット）
• メインノイズ（さまざまな国では50Hzまたは60Hz）に乗ることができず、信号がその範囲をカバーしている場合にのみ、Humbug http://www.autom8.com/hum_bug.htmlのようなアクティブフィルターを使用できます

私の質問は、私が逃した他の提案はありますか？これらの提案のいずれかが流れているか、間違っていますか？

通常、この分野の人々（私のような）は電気工学の正式な教育を受けておらず、時には適切な証拠なしに教師から生徒に世代から世代へと伝わる神話があります。これはこれを修正する試みです。

編集：
-可能であれば、バッテリー、またはポンプ、マイクロドライブ、監視デバイスを含むすべてのデバイスで非常に適切に調整された電源を使用します（コンピューターの主電源にフィルターを配置することもできますが、これは通常深刻な問題ではありません）。

駆動シールド

シールドの追加された寄生容量（2番目のドット）の影響をあまり受けることなく、電極とプリアンプの間にシールド線を使用することができます。信号自体は、コモンモードコンポーネントと比較して非常に小さいため、それほど害はありません。これを理解するために、はるかに大きなコモンモード信号（主に50 Hzまたは60 Hzの主電源電圧によって生じる）の上にある小さな差動信号と、組織の相互作用によって生じるDCから低周波成分を想像してください電極と体自体で。私が問題を理解している限り、ケーブルの静電容量を介して信号に結合される干渉は、信号自体がケーブル容量を介して供給されるよりもはるかに悪いです。

秘Theは、シールドをプリアンプのグランドに接続する代わりに、信号のコモンモード部分でケーブルのシールドを積極的に駆動することです。数年前、アクティブガードを使用してこのようなプリアンプを構築し、電極とアンプの最初のステージの間に2 mのシールドワイヤを使用することができました。回路図はこの論文で見つけることができます（私のものではありませんが、EMGアンプの最も興味深い回路図が含まれています）。図をご覧ください。8.7、8.8、および8.9、および8章の周辺のすべてのもの。図8.12は、干渉が対象信号にどのように容量結合されるかを説明しています。申し訳ありませんが、論文はドイツ語ですが、画像と回路図が国際的であることを願っています。

コモンモード信号を拾うのに適した場所は、初期InAmpのゲイン設定抵抗の「中間」です（再度、上記のリンクの論文を参照）。

右足を運転

右脚は、左脚、左腕、および右腕の信号を測定するための基準として使用されます。

被動シールドの概念は、患者を積極的に駆動するように拡張でき、接続は、測定される信号の基準として使用される場所、つまり右脚で行われます。これは、駆動右脚（DRL）として知られています。EDNによるこの記事には、 DRLアンプに関する良い議論があります。

測定が人体からではなく、皿の一部の細胞から行われた場合、おそらく、参照電極が置かれている場所の近くの底部またはゼリー/成長培地にDRL電極を配置できます。このように、DRLセットアップの意味で使用するのと同じ戦略を使用します。

ノッチフィルター

また、ハムが本当にひどい場合は、50 Hzまたは60 Hzのノッチフィルターを信号経路に入れることができますが、これは目的の信号を傷つけます。

非常に重要な安全上の注意：電極は保護接地（PE）への直接のガルバニック接続を持ってはなりません。これが必要なのは、患者が研究室周辺の別のデバイスの故障により致命的な電圧に接続されると、故障電流が患者を通り電極を介して接地まで非常に良好な経路をとるからです。電極またはプリアンプの周りのグラウンド基準について話すときは、これを通常PEとして知られる実際のグラウンドではなく、プリアンプのみを基準とするグラウンドにしてください。これには通常、プリアンプの周囲またはその直前にアイソレーションアンプが必要です。ADCをプリアンプに近づけたい場合は、デジタルアイソレータが必要です。詳細については、DIN EN 60601-1およびその他の関連規格を参照してください。

1.計装アンプをプリアンプとして使用します（右脚駆動）

計装アンプは、とりわけ、非常に高い入力インピーダンスを持っています。これは、小電流の測定に最適です。INA128のデータシートを参照してください。ページ11には、探しているものと同様の参照回路図（以下に添付）があります。

2.生物医学的計測には常に電源分離を使用してください！

電源分離ICを使用してください。Maximの例を参照してください。

3.アクティブなフィルターを使用する

TIの無料のFilterProソフトウェアを使用して、目的の周波数範囲のアクティブアンプを簡単に設計できます。サレンキーバンドパスフィルターは簡単に実装できます。

4.信号をデジタル化し、追加のフィルタリングにDSPを使用します。

ADCまたはオシロスコープまたはデジタイザを使用して、信号をデジタルドメインに送り、そこでさまざまなDSPテクニックを試すことができます。たとえば、電源ノイズ帯域除去フィルターはソフトウェアで簡単に実行できます。本トピックのは役に立つかもしれません。また、ADC出力でデジタルアイソレータを使用することを忘れないでください。ADUM1100は一例です。

ロックインアンプを使用できる場合があります。

いずれの場合にも適用できる一般的な方法ではありませんが、可能であれば、卓越した結果が得られます。元の信号を変調する必要があります（たとえば、チョッパーホイールで光信号の場合）。信号の変調により、変調よりもはるかにゆっくり変化する信号にのみ役立ちます。

しかし、その利点は素晴らしいです。ロックイン増幅を使用すると、振幅がノイズよりも数桁大きい信号を復元できます。

原則：

• 元の信号は、既知の周波数と位相で変調されます。
• 検出された信号（および多くのノイズ）は増幅され、同じ周波数と位相の矩形信号で乗算されてから積分されます（位相検出）。ほとんどすべてのノイズがキャンセルされます。

「ロックインアンプ」をウェブで検索すると、より詳細な説明が十分に得られると思います。

2番目の箇条書きを「シールド線を使用する場合は、シールドが正しく接地されていることを確認してください。接地されていないシールドは、容量性結合ノイズを追加する可能性があります。」

HVACおよびその他のEMI発生装置がオフになっている可能性がある通常の営業時間外に実験を実行することを検討してください。

編集：DC電源に関するコメントへの対応。 12V鉛蓄電池から電気生理学的装置を動かすことは古くて珍しいことではありません。その結果、電気生理学およびその周辺に使用される特殊な機器は、12Vdcで動作するように設計されています。ラボでは、建物や送電線から離れた「静かな」小屋も建設しています。これらの小屋の中のリグは12Vのバッテリーバンクで駆動され、充電に使用されるACコードは実験中に引っ込められます。

それでも主電源ノイズが問題になる場合は、バッテリーなどのDC電源から回路を実行してください。

また、表面電極の接続を可能な限り良好にしようとすることも非常に重要です。すべての電極は、表面にできる限り同じように固定されます。2つの理由。

1. 電極がほぼ同一に取り付けられていない場合、電極間にかなり大きな接合部の電位差がある可能性が高く、入力がハイパスでない場合、実際に高ゲイン入力段を飽和させる可能性があります。気をつけないと入力インピーダンスを台無しにする可能性があるので、それを避けることができるなら、入力をハイパスすることは特に好きではありません。できる限り早く、小さな差動信号でCMRRの高いブリックウォールインピーダンスアンプに入るのが好きです。

2. うまく取り付けられた「トロードは動きのアーティファクトを減らす

3. 電極アタッチメントの抵抗の差が大きすぎると、世界への容量結合による身体上のすべてのEMノイズは、コモンモード信号としてアンプに到達しませんが、まあ。