نویز و آرتیفکت در سیگنال‌های زیست‌پزشکی

چکیده (Abstract)

سیگنال‌های زیستی معمولاً دامنه‌ای بسیار کوچک دارند و در گستره میکروولت تا میلی‌ولت اندازه‌گیری می‌شوند. همین دامنه کم باعث می‌شود انواع نویزها، آرتیفکت‌ها و تداخل‌های محیطی به‌سادگی شکل واقعی سیگنال را مخدوش کنند. این فصل به بررسی منشأ نویزها و آرتیفکت‌ها در سیستم‌های ثبت سیگنال زیستی مانند ECG، EEG، EMG، EOG و PPG می‌پردازد. ابتدا مفاهیم نویز الکتریکی، نویز فیزیولوژیک و آرتیفکت حرکتی به صورت ساده و مفهومی معرفی می‌شوند. در ادامه مدل فیزیکی شکل‌گیری نویزها شامل مدل الکترود–پوست، منابع محیطی، سیستم زمین، هدایت حجمی و مدار ورودی فرانت‌اند توضیح داده می‌شود. سپس تحلیل‌های ریاضی مانند تخمین نسبت سیگنال به نویز، مدل‌سازی نویز ۵۰/۶۰ هرتز، تحلیل امپدانس تماسی و مدل‌های عمومی آرتیفکت ارائه می‌شود. هدف این فصل ایجاد درک عمیق از عوامل مخدوش‌کننده سیگنال و ارائه روش‌های مهندسی برای کاهش آنهاست.

مقدمه (Introduction)

ثبت سیگنال‌های زیستی یکی از حساس‌ترین و چالش‌برانگیزترین مراحل در مهندسی پزشکی است. دامنه سیگنال‌های قلب، مغز، عضله و چشم اغلب چند ده تا چند صد میکروولت است و در چنین شرایطی کوچک‌ترین تداخل محیطی می‌تواند سیگنال را غیرقابل استفاده کند. حضور منابع نویز مانند برق شهر، میدان‌های الکترومغناطیسی، حرکت الکترود، هدایت حجمی نامناسب، تنفس، حرکت چشم و حتی پلک زدن می‌تواند سیگنال واقعی را تغییر دهد.

درک مفهومی و مهندسی نویز برای طراحی صحیح فرانت‌اند، انتخاب الکترود مناسب، استفاده از فیلترهای کارا، جلوگیری از اشباع سیستم و انجام تحلیل‌های قابل اعتماد ضروری است. این فصل پایه‌ای‌ترین دانش مرتبط با کیفیت سیگنال را به خواننده ارائه می‌دهد و پیش‌نیاز ورود به بخش‌های طراحی سخت‌افزار، پردازش سیگنال و استخراج ویژگی است.

تعریف نویز و آرتیفکت در سیگنال‌های زیستی

توضیح مفهومی نویز و آرتیفکت

نویز به هرگونه سیگنال ناخواسته گفته می‌شود که با سیگنال اصلی تداخل پیدا می‌کند. نویز معمولاً از بیرون سیستم یا از خود تجهیزات ناشی می‌شود و ماهیتی تصادفی یا شبه‌تصادفی دارد.

آرتیفکت‌ها بر خلاف نویز، معمولاً غیرتصادفی و ساختاریافته هستند و منشأ فیزیولوژیک یا مکانیکی دارند. برای مثال:

حرکت الکترود
پلک زدن
انقباض عضله
تغییر امپدانس پوست

بنابراین، نویز یک پدیده آماری است ولی آرتیفکت یک پدیده فیزیولوژیک یا مکانیکی است.

انواع اصلی نویزها

نویز حرارتی
نویز شات
نویز ۵۰/۶۰ هرتز
نویز ناشی از تجهیزات
تداخل الکترومغناطیسی

انواع اصلی آرتیفکت‌ها

آرتیفکت حرکتی (Motion Artifact)
آرتیفکت عضلانی (EMG Artifact)
آرتیفکت چشمی (Blink Artifact)
تغییر امپدانس الکترود–پوست
جابه‌جایی کابل

مدل فیزیکی نویزها و آرتیفکت‌ها

مدل مفهومی الکترود–پوست

یکی از مهم‌ترین منابع آرتیفکت، امپدانس بالای الکترود–پوست است. پوست یک ساختار لایه‌ای است و مقاومت و ظرفیت آن بسته به رطوبت، حرارت و تماس مکانیکی تغییر می‌کند. این تغییر در امپدانس باعث بروز آرتیفکت‌های حرکتی و نویزهای پایین‌فرکانس می‌شود.

مدل الکترود–پوست معمولاً شامل:

مقاومت سری ( R_s )
مقاومت پوستی ( R_p )
ظرفیت پوستی ( C_p )
منبع پتانسیل نیم‌سلول

است. هرگونه تغییر کوچک در این عناصر موجب ایجاد ولتاژهای ناخواسته می‌شود.

مدل فیزیکی نویز ۵۰/۶۰ هرتز

شبکه برق شهری بزرگ‌ترین منبع نویز الکتریکی است. کابل‌ها، بدن انسان و الکترودها مانند آنتن عمل می‌کنند و این نویز را القا می‌کنند. نویز ۵۰/۶۰ هرتز به صورت سینوسی پایدار است و معمولاً شدت زیادی دارد و اگر سیستم CMRR کافی نداشته باشد به‌سادگی سیگنال را اشباع می‌کند.

حرکت کابل‌ها و میدان مغناطیسی

کابل‌های بلند مانند سیم‌پیچ رفتار کرده و نویز القایی را جذب می‌کنند. تکان خوردن کابل باعث تغییر میدان مغناطیسی محلی شده و ولتاژهای کاذب تولید می‌کند.

تحلیل ریاضی نویزها و آرتیفکت‌ها

مدل نویز حرارتی

نویز حرارتی تابع دما و مقاومت است:

$\text{\textdir LTR}V_n = \sqrt{4 k T R \Delta f}$

که در آن:

( k ) ثابت بولتزمن
( T ) دما
( R ) مقاومت
( \Delta f ) پهنای باند

این نویز پایه‌ای‌ترین و اجتناب‌ناپذیرترین نویز در سیستم‌های بیوالکتریکی است.

مدل نویز ۵۰/۶۰ هرتز

فرمول عمومی ولتاژ القایی:

$\text{\textdir LTR}V_{induced} = M \frac{dI}{dt}$

که ( M ) اندوکتانس متقابل بین کابل و منبع تداخل است.

مدل تغییر امپدانس الکترود–پوست

اگر امپدانس پوستی از ( Z_1 ) به ( Z_2 ) تغییر کند:

$\text{\textdir LTR}\Delta V = I \cdot (Z_2 - Z_1)$

این تغییر ولتاژ معمولاً در فرکانس‌های پایین رخ می‌دهد و آرتیفکت حرکتی ایجاد می‌کند.

نسبت سیگنال به نویز (SNR)

برای تحلیل کیفیت سیگنال:

$\text{\textdir LTR}SNR = 20 \log \left(\frac{A_{signal}}{A_{noise}}\right)$

در سیگنال‌های زیستی SNR معمولاً بسیار پایین است و همین امر فیلترینگ دقیق را ضروری می‌کند.

روش آزمایش و تست (Experimental Method)

روش‌های آزمون نویز

اندازه‌گیری نویز سیستم بدون اتصال به بدن
تست تحریک مصنوعی با سیگنال مرجع
اندازه‌گیری امپدانس الکترود–پوست
بررسی اثر حرکت الکترود در دامنه پایین‌فرکانس
تست نویز مشترک (Common Mode)
اندازه‌گیری CMRR عملی سیستم

ابزارهای مورد نیاز

منبع سیگنال کم‌نویز
آزمونگر امپدانس پوست
الکترودهای Ag/AgCl
فرانت‌اند ایزوله پزشکی
سیستم A/D با پهنای باند کافی

مثال عددی (Numerical Example)

فرض کنید نویز ۵۰ هرتز با دامنه 2 mV به ورودی سیستم القا شده است. سیگنال ECG واقعی دامنه‌ای حدود 1 mV دارد.

اگر CMRR تقویت‌کننده برابر 90 dB باشد:

$\text{\textdir LTR}CMRR = 20 \log \left(\frac{A_{diff}}{A_{cm}}\right)$

پس:

$\text{\textdir LTR}\frac{A_{diff}}{A_{cm}} = 10^{(90/20)} = 31622$

بنابراین نویز مشترک در خروجی:

$\text{\textdir LTR}V_{out} = \frac{2 mV}{31622} \approx 0.063 , \mu V$

این مقدار نسبت به دامنه 1 mV قابل چشم‌پوشی است.
این مثال اهمیت CMRR بالا در سیستم‌های ECG و EEG را نشان می‌دهد.

نکته مهندسی (Engineering Tip)

بیشترین اثر مخرب روی سیگنال نه نویز الکترونیکی، بلکه آرتیفکت حرکتی الکترود–پوست است. به همین دلیل کیفیت فیزیکی اتصال الکترود بسیار مهم‌تر از کیفیت تقویت‌کننده است.

نتایج و تحلیل (Results & Discussion)

نتایج بررسی‌ها نشان می‌دهد:

نویز القایی ۵۰/۶۰ هرتز بزرگ‌ترین عامل مخدوش‌کننده سیگنال است
آرتیفکت حرکتی در فرکانس‌های بسیار پایین رخ می‌دهد و به سختی فیلتر می‌شود
EMG به دلیل ماهیت عضلانی، آرتیفکت شبیه‌سازی EEG در فرکانس‌های بالا ایجاد می‌کند
کیفیت پوست و الکترود بیشترین سهم را در کیفیت سیگنال دارند
تغییر رسانایی بافت (مثلاً با تعریق) منجر به دررفتگی امپدانس و خطا می‌شود
طراحی سیستم زمین، شیلدینگ و فیلترینگ برای کاهش نویز ضروری است

توصیه‌های طراحی (Practical Guidelines)

از الکترودهای Ag/AgCl با ژل رسانا استفاده کنید.
امپدانس پوست را به کمتر از ۵ کیلو اهم کاهش دهید.
کابل‌ها را کوتاه نگه دارید و از کابل شیلددار استفاده کنید.
استفاده از فیلتر Notch برای حذف ۵۰/۶۰ هرتز ضروری است.
الکترودها را محکم ولی بدون فشار زیاد نصب کنید.
سیستم باید کاملاً ایزوله پزشکی باشد.
لباس، حرکت عضلات و پلک‌زدن را در EEG کنترل کنید.
چربی زیرپوست را در تحلیل EMG در نظر بگیرید.
لرزش مکانیکی را با ثابت‌کردن کابل‌ها کاهش دهید.
محل الکترودگذاری را براساس هدایت حجمی انتخاب کنید.

منابع (References)

[1] Webster, Medical Instrumentation.
[2] Malmivuo & Plonsey, Bioelectromagnetism.
[3] Rangayyan, Biomedical Signal Analysis.
[4] Nunez & Srinivasan, Electric Fields of the Brain.
[5] Guyton, Medical Physiology.