第二章生物信息丈量中的噪聲和干擾12/27/20231抗干擾和低噪聲，構(gòu)成生物信號丈量的根本條件被測信號是微弱信號，測試系統(tǒng)具有較高的靈敏度，干擾信號容易引入。工頻50HZ干擾落在生物電信號頻帶范圍之內(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。微弱信號還經(jīng)常被深埋在測試系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲中12/27/20232本章主要討論：人體電子丈量中的電磁干擾測試系統(tǒng)中的噪聲低噪聲放大器設(shè)計12/27/20233人體電子丈量中的電磁干擾干擾構(gòu)成的三個條件干擾源耦合通道敏感電路

12/27/20234干擾源干擾源:能產(chǎn)生一定電磁能量而影響周圍電路正常任務(wù)的物體或設(shè)備。呵斥生物電信號提取過程的主要干擾為50HZ干擾。EMC(Electro-MagneticCompatibility)干擾抑制包括抑制來自外部的干擾和抑制系統(tǒng)本身對外界其他設(shè)備產(chǎn)生的干擾兩方面。12/27/20235生物信號及干擾源的頻率分布生物電信號低頻、低幅值的信號，呵斥生物電信號提取過程的主要干擾，是近場50HZ干擾，其抑制方法遠比能量很高的各種電磁輻射干擾的抑制方法難。12/27/20236干擾耦合通道1〕傳導(dǎo)耦合經(jīng)導(dǎo)線傳播把干擾引入測試系統(tǒng)。2〕經(jīng)公共阻抗耦合在測試系統(tǒng)內(nèi)部各單元電路之間，或兩種測試系統(tǒng)之間存在公共電阻。電流流經(jīng)公共阻抗〔公共接地阻抗Rce、電源內(nèi)阻Rcs、電源線阻抗〕構(gòu)成壓降呵斥干擾。12/27/202373〕電場和磁場耦合場的特性取決于“場源〞的性質(zhì)、場源周圍的介質(zhì)以及察看點和源之間的間隔。在場源附近，場的特性主要決議于場源的性質(zhì)；在遠離場源的地方，場的性質(zhì)主要取決于場傳播時所經(jīng)過的介質(zhì)12/27/202384〕近場感應(yīng)耦合[1]電容性耦合：一個導(dǎo)體上的電壓或干擾成分經(jīng)過分布電容使其他導(dǎo)體上的電位遭到影響。抗干擾措施：增大兩導(dǎo)線間的間隔，盡量防止兩導(dǎo)線并行，以減小分布電容C采用屏蔽導(dǎo)線，盡量縮短信號線伸出屏蔽層的長度，并使屏蔽層可靠接地。12/27/202394〕近場感應(yīng)耦合[2]電感性耦合：干擾電流產(chǎn)生的磁通隨時間而構(gòu)成干擾電壓。在系統(tǒng)內(nèi)部，線圈或變壓器的漏磁是構(gòu)成干擾電壓的主要緣由。在系統(tǒng)外部，多數(shù)是由于兩根導(dǎo)線在長間隔平行架設(shè)中構(gòu)成干擾電壓12/27/202310抗干擾措施為了減小感應(yīng)電壓，可采用如下方法：遠離干擾源，消弱干擾源的影響采用絞合線每個絞合結(jié)的微小面積所引起的感應(yīng)電壓大體相等，由于相鄰的絞合結(jié)方向相反，而使部分的感應(yīng)電壓相互抵消盡量減小耦合通路，即減小面積A和cosθ值可采取諸如盡量使信號回路平面與干擾回路平面垂直，并使信號線貼近地平面布線，以減小回路的閉合面積抑制電感性耦合的關(guān)鍵在于減小回路的面積，單純依托接地并不能抑制磁場的干擾12/27/2023115〕生物電丈量中電場的容性耦合在電磁環(huán)境中，經(jīng)過電場干擾源與人體之間的分布電容，使人體本身攜帶干擾電壓生物電丈量中電場的容性耦合：人體隨時攜帶50HZ干擾電壓，并將完全淹沒本身的生物電信號。抗干擾措施：右腳接地、設(shè)置濾波器等。12/27/202312舉例1：導(dǎo)聯(lián)線構(gòu)成容性耦合圖中：C1和C2表示各導(dǎo)聯(lián)線與電源線之間的分布電容構(gòu)成容性耦合。假設(shè)接觸電阻Z1=Z2且C1=C2位移電流Id1=Id2，完全對稱，不構(gòu)成干擾；假設(shè)不平衡，就將構(gòu)成干擾。但是，實踐上總存在不平衡，即使位移電流是相等的，電極接觸阻抗通常有幾千歐姆的不平衡。12/27/202313舉例2：人體外表構(gòu)成容性耦合人體與50HZ電源線之間存在著分布電容，構(gòu)成容性耦合，測出總的位移電流Id大約為1μA之內(nèi)，構(gòu)成干擾電壓。處理方法：縮短電極之間的間隔、減小體電阻、右腳接地。12/27/2023146〕生物電丈量中磁場的感性耦合在人體和測試系統(tǒng)輸入回路構(gòu)成環(huán)路時，將在環(huán)路中感應(yīng)出干擾電壓。其幅度為ωABcosθ。采用屏蔽以及減小環(huán)路面積的方法來消除干擾。12/27/202315抑制干擾的常用方法1〕合理接地 a平安接地〔維護接地〕電源接地維護接地等電位接地 b任務(wù)接地一點接地〔串聯(lián)/并聯(lián)〕多點接地 c敏感回路接地2〕采用屏蔽12/27/202316合理接地合理接地是抑制干擾的主要方法接地指印制板上的部分電路中和測試系統(tǒng)整機中地線的布置。合理接地系統(tǒng)中的接地線分為兩類，一類是平安接地，稱為維護接地；一類是任務(wù)接地，即對信號電壓設(shè)定基準(zhǔn)電位。維護地線必需是大地電位，而任務(wù)地線的設(shè)計可以是大地電位，也可以不是大地點位。當(dāng)維護地線與任務(wù)地線配合不好時，就會產(chǎn)生干擾。12/27/202317平安接地為了平安起見，普通電子電器設(shè)備的機殼都應(yīng)接地。機殼接地的目的是為了在任何情況下，使人經(jīng)常接觸的機殼堅持零電位。機殼的電位是由于雜散阻抗構(gòu)成漏電通路甚至絕緣擊穿的偶爾情況構(gòu)成的。在生物醫(yī)學(xué)丈量種，平安接地可分為三種：電源接地、維護接地、等電位接地以下圖為發(fā)生宏電擊和微電擊的兩種情況：12/27/202318電擊電擊：是指超越一定數(shù)量的電流經(jīng)過人體而引起的各種電損傷，如心室纖顫、心肌收縮及皮膚燒傷等。電擊可分為兩類：宏電擊是指電流經(jīng)皮膚流入人體引起的電擊微電擊是指電流從體內(nèi)流出體外時所產(chǎn)生的觸電景象12/27/20231912/27/202320電源接地通常由于電源的負載〔即儀器〕接地方式不同，有以下三種供電方式：把中線〔零線〕或一條配電線接地，負載分別另行接地中線和負載的地線合用中線接地，另外再配備一條接地線，負載接地與其相連〔雖添加了一條配線，但更加平安，是醫(yī)療設(shè)備和丈量的合理的接地方法〕電源側(cè)接地的規(guī)范電阻為10Ω以下。接地電阻構(gòu)成的負載儀器外殼電位成為接觸電位。12/27/202321維護接地為了使漏電流和絕緣失效時的事故電流平安地流入大地而附加的接地維護。a)并聯(lián)小電阻b)串聯(lián)大電阻c)再加一層絕緣d)過流維護e)漏電切斷維護12/27/202322等電位接地是指把儀器周圍的一切導(dǎo)電部分〔如水管、暖氣管等各種金屬管、金屬窗框以及水泥地面〕和儀器外殼銜接在一同，構(gòu)成等電位。這時，即使人體觸及儀器外殼，由于不存在電位差，依然可以防止電擊事故發(fā)生。這種為了得到等電位的附加接地稱為等電位地線。平安規(guī)范規(guī)定在離患者2.5m以內(nèi)的范圍要等電位化。規(guī)定的2.5m間隔即患者伸手或借助他人所能接觸的范圍，這一范圍稱為患者環(huán)境。12/27/202323多臺設(shè)備接地方式生物醫(yī)學(xué)丈量中，大多數(shù)情況是數(shù)臺電子設(shè)備同時用于人體，同時任務(wù)，這時應(yīng)特別留意各設(shè)備的接地平安，防止發(fā)生微電擊。數(shù)臺設(shè)備并用，其接地方式能夠有以下三種：分別單獨進展接地公用一條接地線上述兩種方法并用12/27/202324人體電阻區(qū)1kΩ，那么經(jīng)過患者的電流超越10uA的危險性極大，對于直接接觸心臟的丈量，這時不允許的。單獨的接地方式在生物醫(yī)學(xué)丈量中應(yīng)防止多臺設(shè)備分別接地12/27/202325各設(shè)備共用一地線防止電擊的方法是：公公地線不能拉得太長，不能繞圈〔防止電感性耦合〕運用粗地線，減小地線電阻最根本的方法是：與患者相連的各臺設(shè)備的地線接到公共地線的同一點上，稱之為丈量的一點接地方式。這是平安接地的最好方法。12/27/202326多臺設(shè)備的混合接地結(jié)論：在同一室內(nèi)，不允許存在不同系統(tǒng)的接地線，室內(nèi)的接地線采用一點接地為了做到一點接地，在一室內(nèi)，應(yīng)設(shè)置接地母線，實現(xiàn)等電位接地。同室多位患者，也只能設(shè)置一個接地母線12/27/202327任務(wù)接地一切導(dǎo)線都有一定的阻抗，高頻時導(dǎo)線地外表呈現(xiàn)一定電抗，其值甚至超越導(dǎo)線電阻。兩個分開的接地點不是等電位交流電源的地線不能用作信號地線，一段電源地線兩點間會到達數(shù)百毫伏，甚至幾伏的電壓，對于低電平電路〔如生物信號放大器的前置級〕來說，這已是非常大的干擾為了平安，電源線接地普通采用一點接地任務(wù)接地方式有兩種：一點接地和多點接地12/27/202328一點接地串聯(lián)方式簡一方便，在電路電平相差不多時仍可運用，留意低電平電路間隔接地點最近處，使之最接近地電位。從抗干擾角度出發(fā)，該方式不適用并聯(lián)方式最適用，A、B、C各點電位與電路的地點流、地線電阻有關(guān)。并聯(lián)方式的一點接地，由于各電路之間構(gòu)成耦合而不適用于高頻。12/27/202329多點接地如圖電路中運用的地線分別銜接到最近的低阻抗地線排上，地線排用大面積的鍍銀銅皮。在高頻電路中，長電纜多點接地有利于屏蔽層更接近地電位普通說來，1MHz以下可以采用一點接地，頻率高于10MHz是采用多點接地。在1~10MHz范圍，如用一點接地時，其地線長度不得超越波長的1/20，否那么應(yīng)采用多點接地。12/27/202330電子系統(tǒng)的接地一個低頻的電子系統(tǒng)，其接地設(shè)計是采用串聯(lián)和并聯(lián)綜合方式。但是作為系統(tǒng)，應(yīng)首先區(qū)分低電平電路和高電平電路以及功率相差很多、干擾電平相差很大的電路，其地線均應(yīng)分別接地。即系統(tǒng)中至少要有三個分開的地線：低電平信號地線功率地線，包括繼電器、電動機、大電流驅(qū)動電源等大功率電路及干擾源的地，即干擾地機殼地線，包括機架、箱體，又稱為金屬件地線，此地線與交流電源零線相接三套地線分別自成系統(tǒng)，最后聚集于接地母線優(yōu)點：防止了大功率、大電流、高電壓電路經(jīng)過地線回路對小信號回路的影響防止了輸入敏感回路的屏蔽罩、機殼作為屏蔽體而吸收的干擾對信號回路的影響12/27/202331九通道數(shù)字磁帶記錄儀地線系統(tǒng)九個讀出放大器用兩條地線〔最靈敏〕。寫入電路和接口電路、邏輯控制電路共用一條地線。電動機和控制電路、繼電器等都經(jīng)功率地線接地。電源單獨接地。12/27/202332敏感回路的接地設(shè)計對干擾最敏感的是輸入回路。輸入回路以及用屏蔽電纜或屏蔽盒時的接地設(shè)計對系統(tǒng)抗干擾才干起重要作用。源-地之間高阻抗可消除干擾。屏蔽層應(yīng)對地絕緣，僅堅持一點可靠接地。12/27/202333屏蔽方式屏蔽指在兩個空間區(qū)域加以金屬隔離，用以控制從一個區(qū)域到另一區(qū)域電場或磁場的傳播。a)自動屏蔽用屏蔽體把干擾源包圍起來，使電磁場不向外分散b)被動屏蔽屏蔽體用以防止外界電磁輻射12/27/202334屏蔽體吸收損耗通常用金屬板、金屬網(wǎng)作為屏蔽體的屏蔽效果用屏蔽后場強被衰減的程度來描畫。電磁波入射到金屬外表時所產(chǎn)生的損耗有兩種：反射損耗：入射波的一部分從金屬外表反射回吸收損耗：入射波的一部分穿過金屬板并被衰減總屏蔽效果等于吸收損耗、反射損耗和在屏蔽體上多次反射的修正總和。電磁波經(jīng)過介質(zhì)時，其幅度以指數(shù)方式衰減，這是由于介質(zhì)中感應(yīng)的電流呵斥歐姆損耗，變?yōu)闊崮芏纳?2/27/202335抑制干擾的其他幾種措施采用隔離措施使兩部分電路相互獨立，不成回路去耦RC或RL濾波環(huán)節(jié)運用濾波電路低通濾波器在電路設(shè)計時引入內(nèi)部干擾抑制電路12/27/202336常用幾種耗散電磁能電路電路中的感性負載在瞬變過程中，構(gòu)成很大的感性沖擊電壓，成為輻射干擾源。為此，必需為電感性負載提供另外一個回路，釋放它所儲存的電磁能量常用的方法是在電感或接點兩端加一個耗散瞬變過程產(chǎn)生的電磁能的耗能電路〔吸收電路〕運用三極管作為開關(guān)元件的無觸電開關(guān)電路中，為防止三極管瞬時過電壓，必需接入接點維護電路，以防三極管高壓擊穿。12/27/202337耗能電路實例電機接點的開閉時產(chǎn)生瞬時高頻輻射，在接點兩端加電磁能的耗能電路，來消除干擾。多臺設(shè)備之間防止電源開關(guān)開閉時產(chǎn)生放電，在接點兩端并接耗能電路，以防干擾。高頻電刀、激光刀、除顫器等醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)生很強的能量干擾，呵斥對精細丈量儀器的誤差,必需設(shè)計輸入濾波維護線路，來抑制干擾。12/27/202338測試系統(tǒng)的噪聲通常為于外部干擾向區(qū)別，把丈量系統(tǒng)內(nèi)部由器件、部件的物理要素產(chǎn)生的自然擾動稱為噪聲〔電壓或電流〕。噪聲是電路內(nèi)固有的，不能用諸如屏蔽、合理接地等方法予以消除。對于外部干擾，經(jīng)過采取適當(dāng)?shù)拇胧?，常可以減小到次要的程度；而系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲往往成為丈量精度的限制性要素。測試系統(tǒng)的噪聲雖然不能夠完全消除，但是經(jīng)過對噪聲過程的分析，進展合理的低噪聲電路設(shè)計，可以使噪聲降到最低限制，從而使信號在傳輸過程中堅持較高的質(zhì)量。12/27/202339噪聲的普通性質(zhì)噪聲電壓或電流是隨機的，噪聲的隨機過程不能夠用一個確定的時間函數(shù)來描畫，但它服從統(tǒng)計規(guī)律，可以用統(tǒng)計平均量來描畫，能經(jīng)過表示噪聲過程的概率密度而得知噪聲電壓落在某一范圍內(nèi)的概率。δ2均方值表示噪聲的強度概率密度P(u)表示噪聲在幅度域里的分布密度。功率譜密度S(f)表示噪聲在頻域里的特性。兩種噪聲作用于系統(tǒng)時，總噪聲均方電壓U2=U21+U22+2CU1U212/27/202340生物醫(yī)學(xué)丈量系統(tǒng)中的主要噪聲類型1/f噪聲為低頻噪聲，是呵斥生物信號提取過程中的主要妨礙。熱噪聲是由導(dǎo)體中載流子的隨機熱運動引起的。散粒噪聲是在半導(dǎo)體器件中載流子產(chǎn)生與消逝的隨機性，使得流動著的載流子數(shù)目發(fā)生動搖，時多時少而引起電流瞬時漲落引起的12/27/202341描畫放大器噪聲性能的參數(shù)Un、In參數(shù)噪聲系數(shù)F=輸入信噪比Si／Ni輸出信噪比So／No噪聲系數(shù)的對數(shù)方式NF=10㏒F■多級放大器的總噪聲系數(shù)F=F1+(F2-1)／AP1+(F3-1)／AP1AP212/27/202342器件的噪聲電阻的噪聲電容器的噪聲耦合變壓器的噪聲場效應(yīng)管的噪聲雙極晶體管的噪聲運算放大器的噪聲12/27/202343低噪聲放大器的設(shè)計低噪聲設(shè)計的目的是把總輸入噪聲減小到最低程度。通常為了一致，用輸入端對地短路時放大器的固有噪聲Uni作為放大器的噪聲性能目的。以下為各種生理信號丈量用放大器在相應(yīng)帶寬的噪聲目的〔Uni值〕12