Warum sollten Sie Ihren Eingangsverstärker für ein EKG-Signal vor Ihre Filterung stellen?

In diesem Artikel auf eetimes.com wird die Signalkette zur Messung eines EKGs dargestellt.

Das Rohsignal eines EKGs enthält Rauschen und Offsets, die mindestens um einen Betrag größer sind als das reale Signal. (Einige wenige mV-EKGs, einige zehn mV aufgrund von Stromleitungsrauschen und Elektrodenversatz und bis zu mehreren hundert mV Grundlinienwanderung aufgrund von Brustbewegungen.)

Dies würde mich intuitiv veranlassen, das Signal vor den Verstärkern zu filtern , um eine Verstärkung der unerwünschten Signalkomponenten zu vermeiden. In diesem Artikel erledigen sie jedoch die Signalfilterung nach dem Eingangsverstärker, die Hochfrequenzentstörung auch nach dem zweiten Verstärker.

Mir fällt eigentlich kein Grund ein, warum sie das tun würden. Das Einzige, was mir in den Sinn kommt, ist die sehr hohe Impedanz der Signalquelle, aber die Filterung würde die Signalquelle nicht beeinflussen, da dieser Frequenzbereich offensichtlich im Durchlassbereich liegt.

Fehlt mir ein wichtiger Grund, warum Sie die Signalkonditionierung in dieser Reihenfolge durchführen würden?

Fehlt mir ein wichtiger Grund, warum Sie die Signalkonditionierung in dieser Reihenfolge durchführen würden?

Ja, das bist Du...

Der Front-End-Differenzverstärker wird so gewählt, dass er einen Gleichtaktunterdrückungspegel von vielen zehn dB aufweist, möglicherweise im Bereich von 80 dB.

Dieser Differenzverstärker wandelt ein Differenzsignal in ein unsymmetrisches Signal um und Gleichtaktstörungen werden weitgehend ignoriert.

Wenn Sie Filter an beiden Beinen des Differenzverstärkers anbringen, müssen Sie Komponenten (z. B. Kondensatoren und Widerstände) auswählen, die auf mindestens einen äquivalenten Pegel von -80 dB abgestimmt sind, um eine Unstimmigkeit der Balance zu vermeiden.

Sie können davon ausgehen, dass Kondensatoren mit 1% einen potenziellen Wertunterschied von 2% aufweisen, und in dB könnte dies als -20 log (50) = -34 dB angesehen werden. Mit anderen Worten, mit Filtern auf jedem Zweig vor dem Diff-Verstärker würden Sie niemals eine anständige differentielle Gleichtaktleistung erzielen.

Andy und Nick boten großartige Antworten. Lassen Sie mich versuchen, sie nur ein wenig aufzupeppen.

Erstens sagt die Mathematik, dass das Verstärken und Filtern gleichbedeutend mit dem Filtern und Verstärken ist. Dies gilt natürlich für die ideale Situation, also lasst uns die Nichtidealitäten diskutieren.

Das GROSSE hier, IMO, ist die Sättigung. Wenn das Rauschen so groß ist, dass es Ihren Verstärker sättigt, sind alle Wetten deaktiviert. Sie verlieren das Signal. Stört uns das hier ?? Nicht wirklich. Normalerweise lassen wir die Verstärkung dieser InAmp-Stufe niedrig genug, um mit etwa 100 mV Gleichstromelektroden-Offset fertig zu werden. Daher ist die Verstärkung gering und es ist unwahrscheinlich, dass wir sättigen.

Das nächste Problem, bei dem es, wie bereits erwähnt, um Nichtidealitäten geht, sind Gleichtaktrauschen und CMRR. Wir möchten, dass die CMRR im Durchlassbereich hervorragend ist. Wenn wir das CMRR im Durchlassbereich verletzen, verringern wir das SNR. Ich bin nicht ganz mit Nick beim Vorfiltern im kHz-Bereich zusammen, aber ich befolge normalerweise die Herstellerrichtlinien für die HF-Filterung und gehe möglicherweise sogar ein Jahrzehnt in der Frequenz unter deren Empfehlungen. Wenn ich diese Filter baue, verwende ich oft X2Y-Kappen , um die Kappen gut aufeinander abzustimmen.

Lassen Sie uns zum Schluss über den Signalweg bis zum Signal im Körper nachdenken. Die Impedanz der Elektrode / Haut-Schnittstelle wird immervariieren, und jedes Design muss dies berücksichtigen. Aufgrund der enormen Eingangsimpedanz der heutigen InAmps ist dies keine so große Sache wie früher. Um die Sicherheitsstandards des NFPA99-Krankenhauses zu erfüllen (wenn ich weiß, dass ich ein Gerät zur Inspektion durch die klinische Technik bringen muss), habe ich oft einen großen Hupwiderstand auf jedes Elektrodenkabel gelegt, um die Konformität (<10 Mikroampere) bei Ausfall der Schienenspannung zu gewährleisten an den Amp-Eingängen. Ich passe gut zu diesen Widerständen, aber es macht wahrscheinlich nicht so viel Unterschied, wie ich es gerne denke, insbesondere angesichts der Fehlanpassung an der Elektrode. • Werfen Sie keinen Filter vor den Verstärker, um sicherzustellen, dass die Signalwege aller Elektrodenleitungen gut aufeinander abgestimmt sind.. Variationen hier können jedoch dazu führen, dass die Grenzfrequenz eines Filters, für das wir uns entscheiden, ein wenig verändert wird.

Wenn Sie Driven-Leg in die Mischung einbauen, sind Sie wahrscheinlich um 20 dB besser. InAmps waren nicht das, was sie zu John Websters Zeiten waren . Wir haben preiswerte Geräte mit Impedanzen, von denen er nur träumen konnte.

Ich gehe solche Probleme an, indem ich mein differentielles Signal so schnell wie möglich in Single-Ended-Signale umwandle. Dabei gehe ich so behutsam wie möglich vor, bis der Instrumentenverstärker mit einer bescheidenen Verstärkung arbeitet, und danach tue ich, was auch immer Ich möchte. Mit einer guten Teileauswahl können Sie mit Millivolt-Pegelsignalen wirklich Rauschen mit Mikrovolt-Pegel erzielen.

Als letzter Punkt ist Nicks Standpunkt zum ESD-Schutz gut. Für meine Sachen ist es mir egal, aber haben Sie sich jemals gefragt, wie klinische EKG-Einheiten nicht einfach platzen, wenn ein Patient defibrilliert ist? Tausende von Volt werden an den Eingängen anliegen, und ein gut designtes Gerät lacht nur und geht seinen Geschäften nach.

Ich werde @ Andys Antwort unterstützen und ich möchte eine Sache hinzufügen.

Ein passives Tiefpassfilter zwischen den Elektroden und dem InAmp ist erforderlich. Ich stelle die Grenzfrequenz irgendwo im kHz-Bereich ein.

InAmps haben eine große CMRR bei niedrigen Frequenzen, aber die CMRR verschlechtert sich bei höheren Frequenzen (über 3 kHz - 10 kHz, abhängig vom Chip). Die Gleichrichtung bei hohen Frequenzen ist ein weiteres Problem für InAmps. Ein Hochfrequenzsignal wird möglicherweise von der Eingangsstufe von InAmp gleichgerichtet und erscheint dann als DC-Offset.
(Weitere Informationen finden Sie in diesem App-Hinweis: Analog Devices MT-070. In-Amp Input RFI Protection .)

Da das EKG-Signal niedrig ist, kann die Hochfrequenz auch bei etwas fehlangepassten passiven Komponenten herausgefiltert werden.

Die einzige Filterung, die Sie jemals vor dem ersten Verstärker durchgeführt haben, bezieht sich auf die Form der Antenne / des Wellenleiters. Und das gilt nur für Mikrowellen und höhere Frequenzen.

Herkömmliche passive Filter fügen Rauschen hinzu - Sie möchten, dass das Signal im Vergleich zu dem hinzugefügten Rauschen so groß wie möglich ist. Auch wenn dies bedeutet, dass Sie auch Störsignale verstärken, ändern Sie nicht das Verhältnis von Signal zu In-Band-Störsignalen, sodass Sie Störungen nach der Verstärkung genauso effektiv filtern können wie zuvor. Sie können jedoch nach dem Filtern nicht so effektiv verstärken, da Sie bereits mit dem Rauschen des Filters gemischt sind.

Dann werden Sie nach dem Filtern häufig wieder verstärken , da jetzt der gesamte Dynamikbereich auf die interessierenden Frequenzen angewendet werden kann. Dies erfolgt jedoch zusätzlich zur Vorverstärkung, nicht stattdessen.