电生理学中的降噪策略

当记录来自细胞（在盘中或在活的人或动物体内的细胞）的电信号时，一个主要问题是增加信噪比。

这些信号通常在10uV至100mV的范围内，由非常低的电源产生，可产生纳安量级的电流。

感兴趣的信号通常落在1Hz-10KHz范围内（最常见的是10Hz-10KHz）。

更糟糕的是，通常有很多噪声产生工具需要使用（在诊所，这些是实验室中的其他监测，诊断和治疗设备，而这些是其他监测，科学设备）。

为了减少噪声的影响并提高信噪比，有一些普遍适用的规则，例如：

• 如果可能，请使用电流放大器（通常称为前置放大器），具有非常高的输入阻抗和相当低的电压放大甚至没有电压放大的放大器。非常靠近信号源（主体）。
• 要将信号源（记录电极）连接到第一级放大器（前置级），请使用没有屏蔽线（以避免信号的电容性失真）。
• 避免接地回路
• 尽可能使用差分放大器（以消除周围电磁源的感应噪声）。
• 始终使用法拉第笼和接地屏蔽（通常是铝箔）覆盖信号源和与之连接的任何物体（主体，设备...）。
• 没有适当的滤波器，您将无法做到这一点（通常是10KHz的高切和低切，具体取决于信号的范围可能是1Hz至300Hz）
• 如果您无法摆脱市电噪声（在不同国家/地区为50Hz或60Hz），并且只有当信号覆盖该范围时，您才可以使用有源滤波器，例如Humbug http://www.autom8.com/hum_bug.html

我的问题是：我还有其他建议吗？这些建议中的任何一项是正确的还是错误的？

通常，这个领域的人（像我一样）没有接受电气工程方面的正规教育，有时在没有适当证据的情况下，一代又一代的神话会从老师传给学生。这是尝试纠正此问题。

编辑：
-如果可能的话，请在所有设备（包括任何泵，微型驱动器，监控设备）中使用电池或稳压良好的电源，甚至您也可以在计算机的电源上放置滤波器（尽管这通常不是严重的问题）。

从动屏蔽

可以在电极和前置放大器之间使用屏蔽线，而不会受到屏蔽层增加的寄生电容（第二点）的很大影响。信号本身不会受到太大的损害，因为与共模分量相比，它很小。要理解这一点，请想象一个大得多的共模信号（主要由50 Hz或60 Hz电源电压引起）以及一个由组织相互作用引起的DC到低频分量之上的微小差分信号电极和身体本身。就我所了解的问题而言，通过电缆电容耦合到信号上的干扰比通过电缆容量馈送信号本身要严重得多。

诀窍是使用信号的共模部分主动驱动电缆的屏蔽层，而不是将屏蔽层连接到前置放大器的接地。几年前，我在有源放大器上构建了这种前置放大器，并且能够在电极与放大器的第一级之间使用长达2 m的屏蔽线。原理图可以在本文中找到（不是我的，但方便地包括了我的EMG放大器最有趣的原理图）。请参见图。8.7、8.8和8.9及其周围的所有内容将在第8章中讨论。图8.12讨论了如何将干扰电容性耦合到目标信号上。抱歉，论文用德语撰写，但我希望图像和示意图是国际化的。

接收共模信号的一个好地方是初始InAmp的增益设置电阻的“中间”（同样，请参见上面链接的论文）。

驱动右腿

右腿用作测量左腿，左臂和右臂上信号的参考。

可以扩展从动屏蔽的概念以主动驱动患者，并在要测量的信号的参考位置（即右腿）进行连接。这就是所谓的右驱动腿（DRL）；EDN在本文中对DRL放大器进行了很好的讨论。

如果您不是从人体而是从盘子中的一些细胞中获得测量值，则可以将DRL电极放在底部或果冻/生长培养基中，靠近参比电极所在的位置。这样，您将使用与DRL设置相同的策略。

陷波滤波器

另外，如果嗡嗡声确实很差，您可以在信号路径中放置一个50 Hz或60 Hz的陷波滤波器，但这也会损害目标信号。

非常重要的安全说明：电极不得直接与保护接地（PE）进行电气连接。这是必要的，因为一旦患者由于实验室周围其他设备的故障而连接到潜在的致命电压，故障电流将具有通过患者并通过电极到地面的良好路径。当谈论电极或前置放大器周围的接地参考时，请确保仅以前置放大器为参考，而不是以通常称为PE的真实接地为参考！这通常需要在前置放大器周围或刚好超过前置放大器的地方需要一个隔离放大器，或者如果您希望ADC靠近前置放大器，则需要一个数字隔离器。有关更多信息，请参见DIN EN 60601-1和其他相关标准。

1.使用仪表放大器作为前置放大器（带右腿驱动器）

仪表放大器尤其具有很高的输入阻抗。这是测量小电流的理想选择。参见INA128的数据表。第11页有一个参考示意图（如下所示），与您要寻找的相似。

2.在生物医学仪器上始终使用电源隔离！

请使用电源隔离IC。请参见Maxim的一些示例。

3.使用有源滤波器

使用TI的免费FilterPro软件轻松设计适合您所需频率范围的有源放大器。Sallen键带通滤波器易于实现。

4.数字化信号，并使用DSP进行额外的滤波。

使用ADC或示波器或数字化仪将信号传输到数字域，您可以在其中尝试各种DSP技术。例如，市电噪声带阻滤波器可以通过软件轻松完成。关于该主题的书可能会有所帮助。同样，不要忘记在ADC输出上使用数字隔离器。ADUM1100就是一个例子。

您可能可以使用锁定放大器。

这不是在任何情况下都可以应用的通用方法，但是如果可以的话，它将为您带来无与伦比的效果。它要求您调制原始信号（例如，如果是斩波轮发出的光信号）。由于信号的调制，它仅对变化比调制慢得多的信号有用。

然而，好处是惊人的。使用锁定放大，您可以恢复幅度低于噪声几个数量级的信号。

原则：

• 原始信号以已知的频率和相位进行调制。
• 检测到的信号（加上大量噪声）被放大并与相同频率和相位的矩形信号相乘，然后积分（相敏检测）。几乎所有的噪音都被消除了。

我认为在网络上搜索“锁定放大器”会给您足够详细的描述。

我将第二个项目符号更改为：“如果使用屏蔽线，请确保屏蔽层正确接地。未接地的屏蔽层可能会引入额外的电容耦合噪声。”

当暖通空调和其他产生电磁干扰的设备可能关闭时，请考虑在正常工作时间之外进行实验。

编辑：回应有关直流电源的评论。 使用12V铅酸电池运行电生理装置是一种古老且不常见的做法。结果，一些专门用于电生理学的设备被设计为以12Vdc的电压运行。实验室甚至建造远离建筑物和电源线的“安静”棚屋。这些棚屋内的钻机由12V电池组供电，用于充电的交流电源线在实验过程中缩回。

如果仍然存在电源噪声问题，请从直流电源（如电池）运行电路。

尝试使表面电极的连接尽可能的好，并且所有电极尽可能相同地固定在表面上，这也很重要。有两个原因。

1. 如果电极的连接方式不完全相同，则电极之间的结电位可能会相当大，如果输入未通过高通，则实际上会使高增益输入级饱和。如果可以避免的话，我尤其不希望高通输入，因为如果您不小心，可能会使输入阻抗混乱。我希望尽快将小的差分信号输入到具有高CMRR的砖墙式阻抗放大器中。

2. 贴合的'步枪减少了运动伪影

3. 如果电极附件中的电阻相差太大，则通过电容耦合到世界上的所有人体EM噪声都不会作为共模信号到达放大器，但差动信号中会存在相当大的噪声成分：好。