第二章-生物信息測(cè)量的噪聲和干擾

第二章生物信息測(cè)量中的噪聲和干擾生物電信號(hào)名稱幅值頻率范圍心電0.1

8mv0

100Hz腦電5

50μv0.5

60Hz肌電20μv

30mv10

3000Hz胃電50μv

2mv0.001

20Hz視網(wǎng)膜電50μv

200μvDC

20Hz生物電信號(hào)的測(cè)量特點(diǎn)信號(hào)微弱：0.1μv~5mv；信號(hào)的頻率低：直流~幾百赫茲以下；生物體本身屬于電的良導(dǎo)體，而且目標(biāo)大，難以屏蔽并很容易受到外部的干擾。生物電信號(hào)的測(cè)量特點(diǎn)強(qiáng)噪聲背景（信噪比?。喝?0Hz干擾，其他生物電信號(hào)的干擾和測(cè)量設(shè)備本身的電子元器件噪聲的干擾。50Hz噪聲干擾：電磁場(chǎng)干擾或儀器電源電壓的干擾。其它信號(hào)的干擾：如測(cè)量誘發(fā)腦電時(shí)自發(fā)腦電的干擾，測(cè)量胎兒心電時(shí)的母體心電的干擾等。電子元器件噪聲干擾：熱噪聲和PC結(jié)噪聲干擾?？垢蓴_和低噪聲噪聲和干擾的區(qū)別干擾的形成包括三個(gè)條件：干擾源、耦合通道與敏感電路。能產(chǎn)生一定的電磁能量而影響周圍電路正常工作的物體與設(shè)備稱為干擾源。把測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部由器件、材料、部件的物理因素產(chǎn)生的自然擾動(dòng)稱為噪聲。噪聲是內(nèi)部電路固有的，不能用諸如屏蔽、合理接地等方法予以消除。干擾耦合途徑傳導(dǎo)耦合：經(jīng)導(dǎo)線傳播把干擾引入測(cè)試系統(tǒng)。如：交流電源線、測(cè)試系統(tǒng)中的長(zhǎng)線。經(jīng)公共阻抗耦合：在測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部各單元電路之間，或者兩種測(cè)試系統(tǒng)之間存在公共阻抗。生物電測(cè)量中電場(chǎng)的容性耦合Cd1Cd2電源饋線（1）導(dǎo)聯(lián)線形成容性耦合（2）人體表面形成電容性耦合Cd1Cd2電源饋線Z1Z2ZGZ1Z2ZGIdZinZin人體內(nèi)位移電流通過(guò)右腿接地電阻ZG產(chǎn)生共模干擾，在理想情況下，共模干擾通過(guò)系統(tǒng)的高共模抑制比被克服。二、合理接地與屏蔽合理接地是抑制干擾的主要方法，把接地和屏蔽正確地結(jié)合使用能解決大部分干擾問(wèn)題。另一方面，在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中，從安全的角度考慮，合理的良好接地也是十分重要的。

（一）合理接地系統(tǒng)中的接地分為兩類：一類是安全接地，稱為保護(hù)接地；一類是工作接地，即對(duì)信號(hào)電壓設(shè)立基準(zhǔn)電位。保護(hù)地線必須是大地電位，而工作接地可以設(shè)計(jì)為大地電位，也可以不是大地電位。本節(jié)主要介紹工作接地。安全接地（第八章）1、工作接地接地設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到所有導(dǎo)線都具有一定的阻抗，高頻時(shí)導(dǎo)線表面呈現(xiàn)一定電抗，其值甚至超過(guò)導(dǎo)線電阻；交流電源的地線不能用作信號(hào)地線，一段電源地線兩點(diǎn)間會(huì)達(dá)到數(shù)百毫伏甚至幾伏的電壓，對(duì)電平電路（如生物信號(hào)放大器的前置級(jí)）來(lái)說(shuō)，這已是非常大的干擾。為了安全，電源線接地線一般采用一點(diǎn)接地方式系統(tǒng)中至少要有三個(gè)分開(kāi)的地線：三套地線分別自成系統(tǒng)，最后匯集于接地母線。（二）屏蔽效果屏蔽：泛指在兩個(gè)空間區(qū)域加以金屬隔離，用以控制從一個(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域電場(chǎng)或磁場(chǎng)的傳播。三、其它抑制干擾的措施第二節(jié)測(cè)試系統(tǒng)的噪聲噪聲：系統(tǒng)內(nèi)部噪聲(為與外部干擾相區(qū)分)—測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部由器件、材料、部件的物理因素產(chǎn)生的擾動(dòng)稱為噪聲?？梢?jiàn)噪聲是電路內(nèi)部固有的，不能用諸如屏蔽、接地等方法予以消除。測(cè)量某一生理參量時(shí)，其它生理信號(hào)的干擾也稱為噪聲。測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲不可能完全消除，但通過(guò)對(duì)噪聲過(guò)程的分析，進(jìn)行合理的低噪聲電路設(shè)計(jì)，可使噪聲降低到最低限度。噪聲的一般性質(zhì)噪聲電壓、電流是隨機(jī)的。隨機(jī)過(guò)程：不能用一個(gè)確定的時(shí)間函數(shù)來(lái)描述。服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。噪聲電壓概率密度P(u)：噪聲電壓在某一范圍內(nèi)的概率?！c時(shí)間t無(wú)關(guān)。熱噪聲和散粒噪聲電壓u(t)(或噪聲電流)概率密度服從高斯(正態(tài))分布：

二、生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中的主要噪聲類型

1/f噪聲：低頻、超低頻噪聲，兩種材料不完全接觸，或兩個(gè)導(dǎo)體連接的地方產(chǎn)生。熱噪聲(約翰遜噪聲或乃奎斯特噪聲)：由導(dǎo)體中載流子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)引起的。

散粒噪聲：半導(dǎo)體中載流子產(chǎn)生與消失，引起電流瞬時(shí)漲落引起的噪聲。

三、描述放大器噪聲性能的參數(shù)

Un、In參數(shù)：放大器內(nèi)所有噪聲源貢獻(xiàn)的噪聲，用與輸入端串聯(lián)的阻抗為零的噪聲電壓發(fā)生器Un和與輸入端并聯(lián)的阻抗為無(wú)窮大的噪聲電流In以及二者的相關(guān)系數(shù)C來(lái)表示。噪聲系數(shù)：噪聲系數(shù)是放大器引起的信號(hào)質(zhì)量惡化程度的亮度。噪聲系數(shù)的價(jià)值是用于比較放大器的噪聲。多級(jí)放大器的噪聲通常為了提取放大強(qiáng)噪聲背景下微弱的生物信號(hào)，須采用多級(jí)放大器以滿足增益、頻帶和輸入阻抗等各項(xiàng)要求。四、器件噪聲電阻噪聲電容噪聲場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲雙極晶體管的噪聲運(yùn)算放大器的噪聲第三節(jié)低噪聲放大器的設(shè)計(jì)首先，根據(jù)噪聲要求、源阻抗特性確定輸入級(jí)電路；設(shè)計(jì)內(nèi)容：選擇電路結(jié)構(gòu)形式，選用器件、確定低噪聲工作點(diǎn)和進(jìn)行噪聲匹配。其次，根據(jù)放大器要求的總增益、頻率響應(yīng)、動(dòng)態(tài)范圍、穩(wěn)定性等指標(biāo)進(jìn)行后續(xù)電路的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)內(nèi)容：確定放大級(jí)數(shù)以及電路結(jié)構(gòu)。生物電放大器基本要求不影響所檢測(cè)部位的生理功能；測(cè)得的信號(hào)不能有畸變；必須能將有用信號(hào)和干擾分離開(kāi)來(lái)；必須對(duì)可能的電擊傷害提供有效的防護(hù)；放大器本身應(yīng)能經(jīng)受得起除顫器、電刀等產(chǎn)生的大電流的沖擊。生物電放大器框圖Vout隔離放大器10-1000倍前置放大器10-50倍+-生物電放大器技術(shù)特點(diǎn)采用差分放大器高增益高輸入阻抗合適的通頻帶電氣隔離和保護(hù)采用差分放大器：只能測(cè)得兩個(gè)電極之間的生物電的電位差值，差分放大器僅對(duì)差模信號(hào)作正常放大，對(duì)共模信號(hào)有抑制作用。由于生物電信號(hào)在兩個(gè)電極上是不同的，是差模信號(hào)，工頻干擾信號(hào)在兩個(gè)電極上的幅度和相位基本上是相同的，是共模信號(hào)。差分放大器可以對(duì)差模信號(hào)放大而對(duì)共模信號(hào)抑制。高增益：生物電信號(hào)非常弱?。和ǔ７糯笃鞯脑鲆孢_(dá)500倍至1000000倍左右，針對(duì)不同的信號(hào)應(yīng)選擇不同的增益。高輸入阻抗：生物電信號(hào)的信號(hào)源內(nèi)阻很高，提高放大器的輸入阻抗可以提高信號(hào)拾取的比例。高輸入阻抗也能減少因各電極阻抗不一致造成的共模干擾。因此，提高輸入阻抗也能提高信噪比。合適的通頻帶：通常是利用濾波器來(lái)完成。高通濾波器可以用來(lái)消除電極電位漂移；低通濾波器可以用來(lái)消除各種高頻噪聲，尤其是工頻噪聲及其諧波，也能用于限制信號(hào)的頻寬以防采樣時(shí)造成信號(hào)混疊。不同生物電信號(hào)的頻率范圍不同，放大器的頻率響應(yīng)范圍也是不同的。電氣隔離和保護(hù)：現(xiàn)代生物電放大器都采用隔離放大器，使得連接病人的放大器輸入級(jí)（應(yīng)用部分）與放大器后級(jí)完全電器隔離的。電器隔離的主要目的是防止病人受到電擊，同時(shí)，該技術(shù)對(duì)抑制電源干擾的影響也有一定的作用。生物電放大器框圖Vout隔離放大器10-1000倍前置放大器10-50倍高通濾波器低通濾波器+-前置放大器總的共模增益Gc為D3組成的差模放大器的共模增益，共模抑制比CMRR=Gd/Gc。電路中的R1常被用來(lái)調(diào)節(jié)增益。差分放大器增益：差模增益：Gd1=1+2R2/R1，共模增益：Gc1=1，總增益：Gd=Gd1Gd2，儀器放大器

instrumentationamplifier有很多這樣的集成電路芯片如AD620，INA118等，可以直接用來(lái)作為前置放大器。LowCost,LowPower

InstrumentationAmplifierAD620EASYTOUSEGainSetwithOneExternalResistor(GainRange1to1000)WidePowerSupplyRange(±2.3Vto±18V)HigherPerformancethanThreeOpAmpIADesignsLowPower,1.3mAmaxSupplyCurrent濾波對(duì)于信號(hào)的感興趣頻段都是低頻時(shí)，可以使用低通濾波器將高頻部分濾去。如果有用信號(hào)的頻