ทำไมคุณถึงใส่แอมพลิฟายเออร์ของคุณหน้าตัวกรองเพื่อหาสัญญาณ ECG

14

ในบทความนี้ที่ eetimes.com พวกเขาแสดงเชนสัญญาณสำหรับการวัดคลื่นไฟฟ้าหัวใจ

สัญญาณดิบของ ECG มีสัญญาณรบกวนและออฟเซ็ตอย่างน้อยขนาดที่ใหญ่กว่าสัญญาณจริง (คลื่นไฟฟ้าหัวใจไม่กี่ mV, หลายสิบ mV จากเสียงสายไฟฟ้าและอิเล็กโทรดชดเชยและถึงหลายร้อย mV พื้นฐานเดินเนื่องจากการเคลื่อนไหวของเต้านม)

สิ่งนี้จะทำให้ฉันทำการกรองสัญญาณด้านหน้าแอมป์เพื่อหลีกเลี่ยงการขยายส่วนประกอบสัญญาณที่ไม่ต้องการ ในบทความนี้พวกเขาทำการกรองสัญญาณหลังจากเครื่องขยายเสียงอินพุทเอาเสียงความถี่สูงแม้หลังจากเครื่องขยายเสียงที่สอง

ฉันไม่สามารถนึกถึงเหตุผลได้ว่าทำไมพวกเขาถึงทำเช่นนี้ สิ่งเดียวที่อยู่ในใจคือความต้านทานที่สูงมากของแหล่งสัญญาณ แต่การกรองจะไม่ส่งผลกระทบต่อแหล่งสัญญาณเนื่องจากช่วงความถี่นั้นจะอยู่ใน passband อย่างเห็นได้ชัด

ฉันขาดเหตุผลสำคัญบางประการที่ทำให้คุณปรับสภาพสัญญาณตามลำดับนี้หรือไม่?

signal-processing biopotential ecg

— jusaca
แหล่งที่มา

นั่นเป็นบทความที่ค่อนข้างดี

— Scott Seidman

25

ฉันขาดเหตุผลสำคัญบางประการที่ทำให้คุณปรับสภาพสัญญาณตามลำดับนี้หรือไม่?

ใช่คุณเป็น ...

แอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนต์ส่วนหน้าจะถูกเลือกเพื่อให้มีระดับการปฏิเสธโหมดร่วมกันหลายสิบเดซิเบลซึ่งค่อนข้างเป็นไปได้ในภูมิภาค 80 เดซิเบล

แอมป์ diff นี้แปลงสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลเป็นสัญญาณสิ้นสุดเดียวและการรบกวนในโหมดทั่วไปจะถูกละเว้น

หากคุณใส่ตัวกรองที่ขาทั้งสองของแอมป์ diff เพื่อหลีกเลี่ยงความไม่สมดุลของสมดุลคุณจะต้องเลือกส่วนประกอบ (เช่นตัวเก็บประจุและตัวต้านทาน) ที่ได้รับการจับคู่อย่างน้อย -80 เดซิเบลในระดับที่เท่ากัน

คุณสามารถพิจารณาตัวเก็บประจุ 1% ว่าอาจมีความแตกต่างในค่า 2% และในแง่ของ dB อาจถือได้ว่าเป็น -20 log (50) = -34 dB กล่าวอีกนัยหนึ่งคุณจะไม่ได้รับประสิทธิภาพของโหมดคอมมอนเรลที่ดีเยี่ยมพร้อมฟิลเตอร์ที่ขาแต่ละข้างก่อนแอมพลิฟายเออร์

— แอนดี้อาคา
แหล่งที่มา

1

เป็นไปได้ไหมว่าเสียงที่แตกต่างนั้นยอดเยี่ยมพอที่จะรับประกันการกรองก่อนแอมพลิฟายเออร์แม้จะลดลงใน CMRR?

— DavidG25

2

สามารถเกิดขึ้นได้ แต่จะต้องมีส่วนประกอบ DM ที่สูงกว่านั้นสักสองสามร้อย mV (100mV ให้ครึ่งโวลต์ที่เอาต์พุตของแอมพลิฟายเออร์นั้น) อีกสาเหตุหนึ่งที่ทำให้การขยายเร็วขึ้นก็คือคุณทำให้ระบบเสียงส่วนที่เหลือลดน้อยลงด้วยปัญหาโดยการใช้อัตราขยาย 14dB ในส่วนหน้า ในทางปฏิบัติความเป็นจริงยุ่งเหยิงและมีแนวโน้มว่าจะมีตัวกรองก่อนแอมป์ diff แต่โดยทั่วไปแล้วพวกเขาจะอยู่นอกวงดนตรีที่น่าสนใจเพื่อให้ความอดทนเล็กน้อยมีผลน้อยที่สุด สิ่งเหล่านี้มีอยู่เพื่อไม่ให้มีการส่งสัญญาณวิทยุจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

— Dan Mills

1

@DanMills: +1 สำหรับจุดสุดท้ายของคุณแม้ว่าจะสามารถขยายเพิ่มเติมได้โดยการสังเกตว่าฝาปิดระหว่างอินพุตทั้งสองของแอมป์จะให้การกรองสัญญาณความถี่ต่ำผ่านโดยไม่สร้างเสียงรบกวนที่แตกต่างกัน แต่มักจะไม่ถูกมองว่าเป็น "ตัวกรอง" ต่อการพูดในบล็อกไดอะแกรม

— supercat

1

@supercat แน่นอนและคุณสามารถก้าวไปอีกขั้นหนึ่งแล้วแยกแคปนั้นออกเป็นสองซีรีส์แล้ววาง SMALL ที่มีค่าหนึ่งตัวจากทางแยกไปยังแชสซีกราวด์ ความไม่ตรงกันของตัวพิมพ์ใหญ่สองตัวนั้นถูกลดทอนลงเนื่องจากแรงดันไฟฟ้า CM ส่วนใหญ่ในย่านความถี่ที่น่าสนใจนั้นถูกปล่อยลงบนฝาปิดขนาดเล็กลงสู่พื้นในขณะที่ RF ฝาแบบชุดใหญ่นั้นมีความต้านทานน้อยมาก

— Dan Mills

8

Andy และ Nick เสนอคำตอบที่ดี ขอผมลองเนื้อพวกมันหน่อยนะ

ก่อนอื่นคณิตศาสตร์บอกว่าการขยายแล้วการกรองเทียบเท่ากับการกรองแล้วขยาย แน่นอนว่าสิ่งนี้นำไปใช้กับสถานการณ์ในอุดมคติดังนั้นขอพูดคุยเกี่ยวกับความไม่เหมาะ

ตัวใหญ่ที่นี่ IMO คือความอิ่มตัว หากเสียงดังมากจนทำให้เครื่องขยายเสียงของคุณอิ่มตัวการเดิมพันทั้งหมดจะปิด คุณสูญเสียสัญญาณ สิ่งนี้รบกวนเราที่นี่หรือไม่? ไม่ได้จริงๆ เรามักจะปล่อยให้อัตราขยายของ InAmp นั้นอยู่ในระดับต่ำพอที่จะจัดการกับ 100mV หรือมากกว่านั้นของการชดเชยอิเล็กโทรด DC ดังนั้นอัตราขยายจึงค่อนข้างปานกลางและเราไม่น่าจะอิ่มตัว

ข้อกังวลถัดไปที่เกี่ยวกับความไม่เหมาะตามที่ได้กล่าวไปแล้วคือสัญญาณรบกวนของโหมดทั่วไปและ CMRR เราต้องการให้ CMRR ในวงพาสดีเยี่ยม ถ้าเราทำร้าย CMRR ใน pass pass เราจะลด SNR ลง ฉันไม่ได้อยู่กับ Nick อย่างสมบูรณ์ในช่วง Prefiltering ในช่วง kHz แต่ฉันมักจะทำตามคำแนะนำของผู้ผลิตสำหรับการกรองคลื่นความถี่วิทยุและแม้แต่ความถี่ในทศวรรษที่ต่ำกว่าคำแนะนำของพวกเขา เมื่อฉันสร้างตัวกรองเหล่านี้ฉันมักจะใช้ตัวกรอง X2Yเพื่อพยายามจับคู่ตัวพิมพ์ให้เข้ากัน

สุดท้ายเรามาคิดถึงเส้นทางของสัญญาณไปจนถึงสัญญาณในร่างกาย ความต้านทานของขั้วไฟฟ้า / ผิวหนังจะมักจะแตกต่างกันไปและทุกการออกแบบจำเป็นต้องคำนึงถึงสิ่งนั้นด้วย เนื่องจากความต้านทานอินพุตที่มหาศาลของ InAmps ในวันนี้จึงไม่ใช่เรื่องใหญ่เท่าที่เคยเป็นมา ในความเป็นจริงเพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐานความปลอดภัยของโรงพยาบาล NFPA99 (เมื่อฉันรู้ว่าฉันต้องนำอุปกรณ์ผ่านทางวิศวกรรมคลินิกเพื่อตรวจสอบ) ฉันมักจะใส่ตัวต้านทาน honking ขนาดใหญ่ในแต่ละขั้วไฟฟ้าตะกั่วเพื่อรับประกันการปฏิบัติตาม (<10 ไมโครแคมป์) ที่อินพุตแอมป์ ฉันตรงกับตัวต้านทานเหล่านั้นดี แต่มันอาจจะไม่ได้สร้างความแตกต่างมากเท่ากับที่ฉันคิดว่ามันทำโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อไม่ตรงกันกับขั้วไฟฟ้าดังนั้นในระดับหนึ่งเรากำลังล้อเล่นกับตัวเองเพื่อให้เชื่อว่าเพียงเพราะเราไม่ อย่าโยนตัวกรองเข้าไปก่อนที่แอมป์ที่เส้นทางสัญญาณของตัวนำขั้วไฟฟ้าทั้งหมดนั้นเข้ากันดี - พวกมัน '. อย่างไรก็ตามการเปลี่ยนแปลงที่นี่สามารถทำให้ความถี่ในการตัดของตัวกรองที่เราเลือกทำได้ดีขึ้น

โยน Driven-Leg ลงไปในส่วนผสมแล้วคุณน่าจะดีขึ้นประมาณ 20dB InAmps ไม่ใช่สิ่งที่พวกเขาอยู่ในสมัยของJohn Webster เรามีหน่วยราคาไม่แพงที่มีสิ่งกีดขวางที่เขาสามารถฝันถึงได้

วิธีที่ฉันจัดการกับปัญหาดังกล่าวคือการแปลงสัญญาณดิฟเฟอเรนซ์ให้เป็นซิงเกิ้ลโดยเร็วที่สุดเท่าที่จะทำได้โดยปฏิบัติอย่างมีรสนิยมอย่างที่ฉันสามารถไปได้ด้วยตัวเองจนกระทั่งถึง Instrumentation Amp ด้วยกำไรเล็กน้อยและหลังจากนั้น ฉันต้องการ. ด้วยการเลือกชิ้นส่วนที่ดีคุณสามารถรับเสียงระดับไมโครโวลต์ด้วยสัญญาณระดับมิลลิโวลต์ได้

ประเด็นสุดท้ายจุดสำคัญของ Nick เกี่ยวกับการป้องกัน ESD นั้นดี สำหรับสิ่งของของฉันฉันไม่สนใจเป็นพิเศษ แต่คุณเคยสงสัยหรือไม่ว่าหน่วย ECG ทางคลินิกไม่เพียงแค่ปรากฏเมื่อผู้ป่วยมีการช็อกไฟฟ้า โวลต์หลายพันตัวถูกนำเสนอต่ออินพุตและหน่วยที่ออกแบบมาอย่างดีก็แค่หัวเราะและทำธุรกิจ

— Scott Seidman
แหล่งที่มา

8

ฉันจะตอบ @ Andyสองและฉันต้องการเพิ่มสิ่งหนึ่ง

ตัวกรอง low-pass แบบพาสซีฟระหว่างอิเล็กโทรดและ InAmp นั้นถูกเรียกใช้ ฉันใส่ความถี่ cutoff ไว้ที่ใดที่หนึ่งในภูมิภาค kHz

บล็อกไดอะแกรมพร้อมฟิลเตอร์กรองความถี่ต่ำระหว่างขั้วไฟฟ้าและแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด

InAmps มี CMRR ที่ยอดเยี่ยมที่ความถี่ต่ำ แต่ CMRR จะลดลงที่ความถี่สูงกว่า (สูงกว่า 3kHz-10kHz ขึ้นอยู่กับชิป) การแก้ไขที่ความถี่สูงเป็นเรื่องที่น่ากังวลสำหรับ InAmps สัญญาณความถี่สูงอาจได้รับการแก้ไขโดยขั้นตอนการป้อนข้อมูลของ InAmp จากนั้นปรากฏเป็นออฟเซ็ต DC
(เพิ่มเติมในแอพนี้: อุปกรณ์แอนะล็อก MT-070. การป้องกันอินพุต RFI ในแอมป์ )

เนื่องจากสัญญาณ EKG อยู่ในระดับต่ำดังนั้นจึงสามารถกรองความถี่สูงได้แม้จะมีส่วนประกอบพาสซีฟที่ไม่ตรงกัน

— Nick Alexeev
แหล่งที่มา

1

ความถี่สูงไม่จำเป็นต้องถูกกรองเป็นโหมดทั่วไปเพราะสามารถกรองได้ด้วย lowpass หลังแอมป์ คุณไม่ต้องการ passives ที่อยู่ด้านหน้าของเครื่องขยายเสียงในระบบสัญญาณขนาดเล็กใด ๆ และโดยเฉพาะอย่างยิ่งใน ECG ที่คุณต้องการให้อิเล็กโทรดการวัดทั้งหมดจะเชื่อมต่อกับอิมพีแดนซ์อินพุต "อนันต์" เฟส FET ไม่สามารถผ่านกระแสไฟฟ้าผ่านร่างกาย ไดรฟ์ RL ค่อย ๆทำให้วงจรพื้นและพื้นร่างกายของคุณช้าลงคุณไม่ต้องการสร้างวงจรที่มีไดรฟ์ RL ที่ไหลออกมาในปัจจุบันและเข้าไปในช่องการวัด

— Ben Voigt

1

@Ben โหมดความถี่สูงทั่วไปควรถูกกรองออกก่อน InAmp InAmps ปฏิเสธโหมดทั่วไปที่ความถี่ต่ำได้ดี น่าเสียดายที่ InAmps มีปัญหากับโหมดทั่วไปที่มีความถี่สูง (สูงกว่า 10kHz แม้ว่าจะแตกต่างจากรุ่นหนึ่งของ InAmp ไปอีก) CMRR ขึ้นอยู่กับความถี่และลดลงที่ความถี่สูงขึ้น [เพียงเพื่อให้เรื่อง ฉันเห็นว่าส่วนใหญ่เป็นเรื่องของการปกป้อง InAmp จาก EMI หากเราต้องการพิจารณาด้านความปลอดภัยของผู้ป่วยฉันก็ยินดีที่จะทำเช่นนั้น]

— Nick Alexeev

คุณไม่ต้องการ CMRR ที่ความถี่สูงกว่าย่านความถี่ของสัญญาณ หากพวกเขาผ่าน in-amp มันไม่สำคัญเพราะ bandpass ต่อไปนี้จะกรองพวกมันออก สิ่งที่คุณไม่ต้องการคือแหล่งกำเนิดเสียงรบกวนก่อนแอมพลิฟายเออร์แรก

— Ben Voigt

1

@Ben นอกเหนือจากการลด CMRR ที่ความถี่สูง InAmps ยังได้รับการแก้ไขที่ความถี่สูง สัญญาณความถี่สูงอาจได้รับการแก้ไขโดยขั้นตอนการป้อนข้อมูลของ InAmp จากนั้นปรากฏเป็น DC ออฟเซ็ตที่เอาต์พุต เพิ่มเติมในแอพนี้: Analog Devices MT-070 ในการป้อนข้อมูล Amp RFI คุ้มครอง

— Nick Alexeev

7

การกรองเดียวที่คุณเคยทำมาก่อนแอมพลิฟายเออร์ตัวแรกนั้นเกี่ยวข้องกับรูปร่างของเสาอากาศ / ท่อนำคลื่น และนั่นใช้ได้กับไมโครเวฟและความถี่ที่สูงกว่าเท่านั้น

ตัวกรองแบบพาสซีฟทั่วไปเพิ่มเสียงรบกวน - คุณต้องการให้สัญญาณมีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับเสียงรบกวนที่เพิ่มมากที่สุด แม้ว่ามันจะหมายถึงว่าคุณกำลังขยายสัญญาณรบกวนคุณก็ไม่ได้เปลี่ยนอัตราส่วนของสัญญาณเป็นสัญญาณรบกวนในวงดังนั้นคุณจึงสามารถกรองสัญญาณรบกวนได้อย่างมีประสิทธิภาพหลังจากการขยายเช่นเคย แต่คุณไม่สามารถขยายได้อย่างมีประสิทธิภาพหลังจากการกรองเพราะคุณมิกซ์เสียงของตัวกรองแล้ว

จากนั้นคุณจะขยายอีกครั้งหลังจากกรองเนื่องจากตอนนี้ช่วงไดนามิกเต็มรูปแบบสามารถนำไปใช้กับความถี่ที่น่าสนใจได้ แต่นี่คือนอกเหนือจากการขยายสัญญาณล่วงหน้าไม่ใช่แทน

— Ben Voigt
แหล่งที่มา