1、第二章第二章 生物信息測(cè)量生物信息測(cè)量中的噪聲和干擾中的噪聲和干擾測(cè)量生物電信號(hào)時(shí)的干擾和噪聲測(cè)量生物電信號(hào)時(shí)的干擾和噪聲被測(cè)信號(hào)是微弱信號(hào)，測(cè)試系統(tǒng)具有較高的靈敏度，干擾信號(hào)容易引入。工頻50HZ干擾落在生物電信號(hào)頻帶范圍之內(nèi)。生物體本身屬于電的良導(dǎo)體，難以屏蔽容易接受外部干擾。微弱信號(hào)還常常被深埋在測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲中干擾和噪聲n干擾干擾是用來描述一系統(tǒng)受另一系統(tǒng)的影響而在該系統(tǒng)中產(chǎn)生誤差電壓和電流的現(xiàn)象。外部干擾最嚴(yán)重的是工頻干擾采取消除干擾的措施是合理的電路設(shè)計(jì)和良好的屏蔽接地n噪聲噪聲是指被測(cè)信號(hào)中加入的隨機(jī)擾動(dòng)，其來自測(cè)量系統(tǒng)的內(nèi)部，是由構(gòu)成測(cè)量系統(tǒng)材料及元器件所產(chǎn)生的。不能精確預(yù)

2、測(cè)，不能完全消除，但可適當(dāng)控制生物信號(hào)及干擾源的頻率分布生物信號(hào)及干擾源的頻率分布n生物電信號(hào)低頻、低幅值的信號(hào)，造成生物電信號(hào)提取過程的主要干擾，是近場(chǎng)50HZ干擾，其抑制方法遠(yuǎn)比能量很高的各種電磁輻射干擾的抑制方法難。干擾的耦合引入方式主要包括內(nèi)部相互耦合內(nèi)部相互耦合和外外部電磁場(chǎng)輻射部電磁場(chǎng)輻射兩種。內(nèi)部相互耦合是測(cè)量系統(tǒng)本身不同部分造成相互干擾的電磁環(huán)境，解決辦法是進(jìn)行電磁兼容性 (Electro-Magnetic Compatibility，EMC)設(shè)計(jì)，即在電子系統(tǒng)之間，實(shí)現(xiàn)不互相干擾，協(xié)調(diào)共同工作的設(shè)計(jì)考慮。62022-2-6圖a為實(shí)際心電放大器得到的心電圖；圖b為消除50Hz工

3、頻干擾的心電圖50Hz工頻干擾是人體位移電流通過右腿接地電阻右腿接地電阻Z ZG G產(chǎn)生的共模干擾共模干擾，采用高共模抑制比的放大器可以大大克服共模干擾。72022-2-6抑制電磁場(chǎng)干擾的主要方法抑制電磁場(chǎng)干擾的主要方法n電磁場(chǎng)干擾對(duì)于任何一種生物電測(cè)量都形成危害，完全避免干擾源和防止電磁場(chǎng)耦合是不現(xiàn)實(shí)的，關(guān)鍵的問題是如何抑制干擾如何抑制干擾，減小影響。n抑制電磁場(chǎng)干擾的主要方法是合理接地合理接地與電電磁屏蔽磁屏蔽兩種。實(shí)際就是嚴(yán)格遵守電磁兼容性原則，進(jìn)行各種抗干擾的設(shè)計(jì)。第二節(jié)第二節(jié) 測(cè)試系統(tǒng)的噪聲測(cè)試系統(tǒng)的噪聲 通常為與外部干擾相區(qū)別，把測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部由器件、部件的物理因素產(chǎn)生的自然擾動(dòng)稱為

4、噪聲噪聲（電壓或電流）。n噪聲是電路內(nèi)固有的，不能用諸如屏蔽、合理接地等方法消除。n內(nèi)部噪聲成為測(cè)量精度的限制性因素n各種生物電放大器輸入端短路噪聲限制了放大器能夠檢測(cè)的最小生物電信號(hào)n測(cè)試系統(tǒng)的噪聲雖然不可能完全消除，但是通過對(duì)噪聲過程的分析，進(jìn)行合理的低噪聲電路設(shè)計(jì)，可以使噪聲降到最低限度，從而使信號(hào)在傳輸過程中保持較高的質(zhì)量。一、噪聲的一般性質(zhì)噪聲具有隨機(jī)性，沒有確定的時(shí)間函數(shù)，不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)未來某時(shí)刻噪聲電壓的幅度或波形。但服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律,能通過噪聲過程的概率密度P（u）可知噪聲電壓落在某一范圍的概率；大多數(shù)噪聲為一平穩(wěn)隨機(jī)過程，其噪聲電壓（或噪聲電流）的概率密度服從高斯（正態(tài)）分布。生

5、物醫(yī)學(xué)電子學(xué)中，最常見噪聲源為1/f噪聲、熱噪聲和散粒噪聲，其概率密度服從高斯分布（正態(tài)分布）；22)(2/21)(uueuP102022-2-6 白噪聲：S（f）為常數(shù)；有色噪聲：S（f）不為常數(shù)；粉紅色噪聲：b段，1/f噪聲藍(lán)噪聲：c段噪聲基本特性用統(tǒng)計(jì)平均量描述；均方值表示噪聲的強(qiáng)度；概率密度表示噪聲在幅度域里的分布密度；功率譜表示噪聲在頻率域里的特性；112022-2-6二、生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中的主要噪聲類型主要為：1/f噪聲（低頻噪聲）、熱噪聲、散粒噪聲；（一）1/f 噪聲是造成生物信號(hào)提取過程中的主要障礙凡兩種材料不完全接觸，形成起伏的電導(dǎo)率便產(chǎn)生1/f噪聲；如有源器件、電阻、導(dǎo)體連接處

6、，都存在1/f噪聲；1/f噪聲是低頻噪聲，一般在5002000Hz。由于生物信號(hào)的頻帶范圍大都屬于低頻，超低頻段，所以1/f噪聲會(huì)造成生物信號(hào)提取的困難。功率譜密度服從1/fa規(guī)律，其噪聲電壓隨頻率降低而增加。122022-2-6由導(dǎo)體中載流子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)引起；由導(dǎo)體中載流子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)引起；（二）熱噪聲（二）熱噪聲已經(jīng)證明，電阻R中的熱噪聲電壓均方值Ut2為：U2t = 4kTRfk為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，f為頻帶寬度；熱噪聲的譜密度S（f）為：S（f） = 4kTR其譜密度與工作頻率無關(guān)，屬于白噪聲。由熱噪聲基本計(jì)算公式可知，熱噪聲電壓均方值與溫度、工作頻帶、阻值成正比。溫度越高，導(dǎo)體內(nèi)自由電子的熱運(yùn)動(dòng)越激烈，噪聲電壓就越高，溫度降低，可以消弱熱噪聲。在微弱信號(hào)檢測(cè)的低噪聲電子設(shè)備中，常利用超低溫技術(shù)來減小噪聲。在保證信號(hào)不失真的情況下，應(yīng)盡量減小測(cè)量系統(tǒng)的頻帶寬度，或者選擇傳感器電阻盡可能小，避免增加額外的熱噪聲。142022-2-6在半導(dǎo)體器件中，載流子產(chǎn)生與消失的隨機(jī)性，使得流動(dòng)著的載流子數(shù)目發(fā)生波動(dòng)，時(shí)多時(shí)少而引起電流瞬時(shí)漲落引起的。