ECG信号のフィルタリングの前に入力アンプを配置するのはなぜですか?


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eetimes.comのこの記事では、ECGを測定するためのシグナルチェーンを示しています。

ここに画像の説明を入力してください

ECGの生信号には、実際の信号よりも少なくとも大きい振幅とオフセットが含まれています。(数mVのECG、電力線ノイズと電極オフセットから数十mV、乳房の動きによる最大数百mVのベースラインのふらつき。)

これにより、不要な信号成分の増幅を回避するために、アンプので信号のフィルタリングを直感的に行うことができます。ただし、この記事では、入力アンプの後に信号フィルタリング行い、2番目のアンプの後でも高周波ノイズを除去します。

私は彼らがこれをする理由を本当に考えることはできません。頭に浮かぶのは信号源のインピーダンスが非常に高いことだけですが、その周波数範囲は明らかに通過帯域内にあるため、フィルタリングは信号源に影響を与えません。

この順序で信号調整を行う重要な理由がありませんか?


それはかなり良い記事です。
スコットサイド

回答:


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この順序で信号調整を行う重要な理由がありませんか?

はい、そうです...

フロントエンド差動増幅器は、数十dBのコモンモード除去レベルをもつように選択されます。これは、おそらく80 dBの領域です。

この差動アンプは差動信号をシングルエンド信号に変換し、コモンモード干渉はほとんど無視されます。

差動アンプの両方のレッグにフィルターを配置する場合、バランスの不一致を回避するには、少なくとも同等レベルの-80 dBに一致するコンポーネント(コンデンサーや抵抗器など)を選択する必要があります。

1%のコンデンサは2%の値の差がある可能性があると見なすことができ、dBの観点では-20 log(50)= -34 dBと見なすことができます。つまり、diff-amplifierの前に各レッグのフィルターを使用して、適切な差動コモンモードパフォーマンスを得ることはありません。


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CMRRの低下にもかかわらず、差動ノイズがアンプの前のフィルタリングを保証するのに十分大きい可能性はありますか?
DavidG25

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発生する可能性はありますが、数百mVよりもはるかに大きいDMコンポーネントが必要になります(100 mVでは、そのアンプの出力でわずか0.5ボルトになります)。早期に増幅するもう1つの理由は、フロントエンドで14dBのゲインを適用することにより、システムの残りのノイズFARの問題を少なくすることです。実際には、現実は乱雑であり、デフアンプの前にフィルターがある可能性がありますが、通常、それらは関心のある帯域外にあるため、小さな許容誤差の影響は最小限に抑えられます。これらは、無線伝送などを電子機器から遠ざけるために存在します。
ダン・ミルズ

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@DanMills:最後のポイントに対して+1。ただし、アンプの2つの入力間のキャップが、差動ノイズを作成せずにローパスフィルタリングを提供することを観察することで、さらに拡張できますが、通常、ブロック図で言うごとに「フィルター」。
supercat

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@supercat確かに、さらに一歩進んで、そのキャップを直列に2つに分割し、ジャンクションからシャーシグランドに小さい値のキャップを配置できます。関心のある帯域内のCM電圧の大部分がスモールキャップを介してグランドに落とされる一方、RFで大きなシリーズキャップは無視できるインピーダンスであり、グランドへのキャップはRF電流をシャントするため、2つの大きなシリーズキャップのミスマッチは減衰します。
ダン・ミルズ

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アンディとニックは素晴らしい答えを提供しました。少し強化してみましょう。

最初に、数学は、増幅してからフィルタリングすることは、フィルタリングしてから増幅することと同等であると言います。もちろん、これは理想的な状況に当てはまるので、非理想性について議論しましょう。

ここでの大きなもの、IMOは飽和状態です。ノイズが大きすぎてアンプが飽和する場合、すべての賭けはオフです。信号を失います。これは私たちを困らせますか?? あんまり。通常、そのInAmpステージのゲインは、100mV程度のDC電極オフセットを処理するのに十分なほど低くするため、ゲインは適度であり、飽和することはほとんどありません。

すでに述べたように、非理想性に関する次の懸念は、コモンモードノイズとCMRRです。通過帯域のCMRRが優れていることを望みます。通過帯域でCMRRを傷つけると、SNRが低下します。私は完全にkHzの範囲でのプレフィルタリングについてニックと一緒ではありませんが、私は通常RFフィルタリングのメーカーのガイドラインに従います。これらのフィルターを作成するとき、よくX2Yキャップを使用して、キャップを一致させようとします。

最後に、体内の信号に至るまでの信号経路について考えてみましょう。電極/皮膚界面のインピーダンスは常にさまざまであり、すべてのデザインがそれを考慮する必要があります。今日のInAmpの入力インピーダンスは非常に大きいため、これはそれほど大きな問題ではありません。実際、NFPA99病院の安全基準を満たすために(検査のために臨床工学を通じてデバイスを持ち込まなければならないことがわかっているとき)コンプライアンスを保証するために各電極リードに大きなホーン抵抗器をしばしば配置します(10マイクロアンペア未満)。アンプ入力で。私はそれらの抵抗器をよく一致させますが、おそらく電極での不一致を考えると、それはおそらく私が思うほどには違いが出ないので、ある程度まで、私たちはそれを信じてすべての電極リードの信号経路がよく一致していることをアンプの前にフィルターを投げます-それらは。ただし、ここでのバリエーションにより、ここで選択するフィルターのカットオフ周波数が少し不明瞭になる可能性があります。

Driven-Legをミックスに入れると、おそらく20dBほど良くなります。InAmpsはJohn Websterの時代のものではありません。私たちには、彼が夢見ただけのインピーダンスの安価なユニットがあります。

私がそのような問題に取り組む方法は、可能な限り早く差動信号をシングルエンドに変換し、適度なゲインを持つ計装アンプまですぐに逃げることができる限り慎重に扱い、その後、何でもすることですが欲しいです。適切な部品を選択すると、ミリボルトレベルの信号でマイクロボルトレベルのノイズを実際に得ることができます。

最後のポイントとして、ESD保護に関するニックのポイントは良いポイントです。私の場合、特に気にしませんが、患者の除細動が行われたときに臨床ECGユニットがどうしてポップしないのか疑問に思ったことはありますか?数千ボルトの電圧が入力に加えられ、適切に設計されたユニットが笑い、ビジネスに取り掛かります。


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2番目の@Andyの答え、1つ追加したいと思います。

電極とInAmpの間にパッシブローパスフィルターが必要です。私はカットオフ周波数をkHz領域のどこかに置きました。

電極と計装アンプの間にローパスフィルターを備えたブロック図

InAmpsは低周波数で大きなCMRRを持ちますが、CMRRは高周波数(チップによって3kHz-10kHz以上)で低下します。高周波での整流は、InAmpのもう1つの懸念事項です。高周波信号は、InAmpの入力段で整流され、DCオフセットとして表示される場合があります。
(このアプリノートの詳細:Analog DevicesMT-070。In-Amp入力RFI保護。)

EKG信号は低いため、受動部品の多少の不整合があっても高周波を除去できます。


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高周波は、アンプの後のローパスでフィルタリングできるため、コモンモードとしてフィルタリングする必要はありません。小信号システムのアンプの前に受動部品が不要で、特にECGでは、すべての測定電極を、身体に電流を流せない「無限」の入力インピーダンスFETステージに接続する必要があります。RLドライブ、回路のグランドとボディのグランドを徐々にイコライズします。RLドライブから測定チャネルに流れる電流で回路を形成したくないでしょう。
ベンフォークト

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@Ben 高周波コモンモードは、InAmpのに除外する必要があります。InAmpsは、低周波数でのコモンモードをうまく拒否します。残念ながら、InAmpには高周波共通モードに問題があります(InkHzのモデルによって異なりますが、10kHz以上)。CMRRは周波数に依存し、より高い周波数では低下します。[ただ主題を守ってください。私はこれを主にInAmpをEMIから保護することだと考えています。患者の安全面を考慮したい場合は、それも喜んで行います。]
ニックアレクセエフ

信号帯域よりも高い周波数ではCMRRは必要ありません。それらが計装アンプを通過する場合、次のバンドパスがそれらをフィルタリングするため、問題ではありません。望まないのは、最初のアンプの前にあるノイズ源です。
ベンフォークト

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@Ben高周波数でのCMRRの低下に加えて、InAmpは高周波数での整流にも悩まされます。高周波信号は、InAmpの入力段で整流され、出力でDCオフセットとして現れる場合があります。このアプリノートの詳細:Analog Devices MT-070。アンプ内入力RFI保護
ニックアレキセフ

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最初の増幅器の前に行う唯一のフィルタリングは、アンテナ/導波管の形状に関連するフィルタリングです。そして、それはマイクロ波以上の周波数にのみ適用されます。

従来のパッシブフィルターはノイズを追加します。つまり、追加されたノイズと比較して信号をできるだけ大きくする必要があります。干渉信号も増幅していることを意味している場合でも、帯域内干渉信号に対する信号の比率を変更することはないため、増幅後と同様に干渉を効果的にフィルタリングできます。ただし、フィルタのノイズにすでに混入しているため、フィルタリング後は効果的に増幅できません。

対象の周波数にフルダイナミックレンジを適用できるようになったため、フィルタリング後に頻繁に再び増幅ます。しかし、これは前増幅に追加されるものであり、代わりではありません。

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