第2章生物電測量儀器

2.1生物電放大器阮肖暉高級工程師溫州醫(yī)學(xué)院國有資產(chǎn)與設(shè)備管理處rxh@8/18/20241溫州醫(yī)學(xué)院1/56本節(jié)目錄2.1.1生物電信號特點2.1.2生物電放大器基本要求與特點2.1.3生物電放大器設(shè)計2.1.4生物電放大器技術(shù)指標2.1.5信號采集（信號處理）參考書：《當代醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計》余學(xué)飛8/18/20242溫州醫(yī)學(xué)院2/562.1生物電放大器

2.1.1生物電信號特點幅度?。盒碾?～5mV，腦電誘發(fā)電位0.1μV頻率低：DC～3000Hz背景噪聲強，信噪比?。?0Hz干擾為主受電極影響信號內(nèi)涵豐富：如腦電波8/18/20243溫州醫(yī)學(xué)院3/56信號幅值頻率范圍說明心電0.1~8mVDC~100Hz主要帶寬在0～33Hz自發(fā)腦電5~50μV1~60Hz誘發(fā)電位1％皮層腦電0.01~5mVDC~150Hz電針肌電20μV~30mV10~3000Hz表面電極測得胃電50μV~2mVDC~20Hz表面電極測得視網(wǎng)膜電50~200μVDC~20Hz表面電極測得眼電圖0.05~3.5mVDC~50Hz表面電極測得生物電信號幅值和頻率8/18/20244溫州醫(yī)學(xué)院4/56心電圖electrocardiogram，ECG0.1~8mVDC~100Hz8/18/20245溫州醫(yī)學(xué)院5/56肌電圖electromyography，EMG20μV~30mV10~3000Hz8/18/20246溫州醫(yī)學(xué)院6/56腦電圖electroencephalogram，EEG5~200μV0.5~60Hz8/18/20247溫州醫(yī)學(xué)院7/56胃電圖Electrogastrogram，EGG50μV~2mV0.001~20Hz8/18/20248溫州醫(yī)學(xué)院8/56視網(wǎng)膜電（electroretinogram,ERG）50~200μVDC~20Hz將一電極放置在角膜上，另一電極放置于最靠近眼球后部眶緣部分，當視網(wǎng)膜受到快速改變光刺激時，經(jīng)過放大裝置將視網(wǎng)膜電位改變統(tǒng)計下來，即為視網(wǎng)膜電圖8/18/20249溫州醫(yī)學(xué)院9/56眼電圖electro-oculogram,EOG0.05~3.5mVDC~50Hz于暗、明適應(yīng)條件下在被檢者內(nèi)、外眥角各置一電極所檢測到電流隨眼球轉(zhuǎn)動而改變，統(tǒng)計下來電位就是眼電圖。8/18/202410溫州醫(yī)學(xué)院10/56電極為了測量和統(tǒng)計生物機體生物電位或電流而安置在機體和測量儀器之間導(dǎo)電界面（電極理化反應(yīng)），其作用是把機體內(nèi)離子流（生物電位）轉(zhuǎn)換成電路中電子流（生物電信號）。8/18/202411溫州醫(yī)學(xué)院11/56＋＋＋＋＋＋＋-------生物電檢測電極示意圖機體外機體內(nèi)電極電極在生物體內(nèi)離子導(dǎo)電和金屬電子導(dǎo)電體系之間形成一個電化學(xué)界面，能實現(xiàn)離子流與電子流相互轉(zhuǎn)換，從而使生物體和測量儀器間組成了電流回路。8/18/202412溫州醫(yī)學(xué)院12/56常見醫(yī)用電極種類、特點與作用按用途分類：皮膚表面電極：用以從體表上測量ECG、EEG和EMG電位。體表電極形狀很多，有用于肢體金屬板電極、用橡皮膏粘貼金屬盤電極、吸杯電極、浮動型表面電極、按扣式電極以及特殊形式表面電極等。針型電極：用以刺破皮膚，統(tǒng)計局部肌肉組織EMG電位等。微電極：是用于測量細胞附近和細胞內(nèi)生物電位微型電極。這種電極尖端直徑僅為0.5~5微米。8/18/202413溫州醫(yī)學(xué)院13/56皮膚表面電極浮式電極：導(dǎo)電膏隔離皮膚與電極吸杯電極金屬板電極8/18/202414溫州醫(yī)學(xué)院14/56盤狀電極8/18/202415溫州醫(yī)學(xué)院15/56針形電極（肌電圖）8/18/202416溫州醫(yī)學(xué)院16/56微電極8/18/202417溫州醫(yī)學(xué)院17/56按電極材料分類：Ag/AgCl電極：醫(yī)用Ag/AgCl電極采取燒結(jié)法制成不銹鋼電極導(dǎo)電硅膠電極干電極8/18/202418溫州醫(yī)學(xué)院18/56粘合劑絕緣膜電極板干電極：經(jīng)過人體與金屬電極板電容耦合檢測生物電信號導(dǎo)電硅膠電極外殼電極線8/18/202419溫州醫(yī)學(xué)院19/562.1.2生物電放大器基本要求與特點生物電放大器基本要求(P10)生物電放大器技術(shù)特點：采取差分放大器高增益低噪聲高輸入阻抗適當通頻帶電氣隔離和保護8/18/202420溫州醫(yī)學(xué)院20/561、采取差分放大器：用途：測量兩個電極之間生物電電位差值。所以差分放大器放大差模信號，抑制共模信號因為生物電信號在兩個電極上是不一樣，是差模信號，工頻干擾信號在兩個電極上幅度和相位基本上是相同，是共模信號。8/18/202421溫州醫(yī)學(xué)院21/562、高增益：生物電信號非常弱?。和ǔ７糯笃髟鲆孢_500倍至100萬倍左右，針對不一樣信號應(yīng)選擇不一樣增益。3、低噪聲：因為信號弱小，放大器本身噪聲幅度必須遠低于信號幅度，尤其是放大器前置級噪聲，它會與信號一起經(jīng)后級放大器放大，所以，前置放大器元件必須采取低噪聲。8/18/202422溫州醫(yī)學(xué)院22/564、高輸入阻抗：生物電信號信號源內(nèi)阻很高，提升放大器輸入阻抗能夠提升信號拾取百分比。高輸入阻抗能降低因各電極阻抗不一致造成共模干擾。所以，提升輸入阻抗也能提升信噪比。高輸入阻抗測量示意圖8/18/202423溫州醫(yī)學(xué)院23/565、適當通頻帶：利用濾波器（高通+低通）來完成。高通濾波器用來消除電極電位漂移；低通濾波器能夠用來消除各種高頻噪聲。陷波器：消除工頻噪聲。通頻帶越窄，噪聲越小。低通濾波器高通濾波器50Hz陷波器8/18/202424溫州醫(yī)學(xué)院24/566、電氣隔離和保護：生物電放大器都有隔離放大器一級，使得連接病人放大器輸入級與放大器后級完全電氣隔離。分信號通路隔離和電源通路隔離，前者使用隔離變壓器、光電管隔離器、電容隔離等；后者使用隔離變壓器或DC-DC變換器。電氣隔離主要目標是預(yù)防病人受到電擊，同時抑制電源干擾。醫(yī)療儀器220V交流電8/18/202425溫州醫(yī)學(xué)院25/562.1.3生物電放大器設(shè)計生物電放大器基本結(jié)構(gòu)和原理前置放大器設(shè)計共模抑制消除方法電氣隔離和大電流保護8/18/202426溫州醫(yī)學(xué)院26/56生物電放大器基本結(jié)構(gòu)和原理前置放大器：10~15倍高增益、高輸入阻抗、低噪聲、差模放大高通濾波器隔離放大器：10~1000倍低通濾波器高電壓保護電路高通濾波器低通濾波器前置放大器隔離放大器+－高電壓保護8/18/202427溫州醫(yī)學(xué)院27/56前置放大器生物電放大器前置級均由差分放大器組成最基本理想差分放大器兩個三極管及相對應(yīng)電阻參數(shù)一致。輸出電壓Vo等于兩晶體管集電極輸出電壓之差Vo=Vo1－Vo2。零點漂移抑制差模信號放大：等于三極管增益共模信號輸出：0共模抑制比：無窮大

8/18/202428溫州醫(yī)學(xué)院28/56經(jīng)典前置放大器組成原理：三個差分放大器組成兩級放大電路（也稱三運放結(jié)構(gòu)）差模放大：Gd=Gd1×Gd2共模抑制：GC=GC1×GC2=GC2（GC1=1）8/18/202429溫州醫(yī)學(xué)院29/56前置放大器噪聲抑制噪聲產(chǎn)生①生物體阻抗和引入導(dǎo)線阻抗產(chǎn)生熱噪聲K波爾茲曼常數(shù)，T絕對溫度，RS信號源通路阻抗，B帶寬②放大器元件內(nèi)部電流和電壓噪聲信號通路總噪聲內(nèi)部電壓噪聲內(nèi)部電流噪聲引入熱噪聲8/18/202430溫州醫(yī)學(xué)院30/56噪聲抑制降低生物體接觸阻抗和引入導(dǎo)線阻抗選取低噪聲元器件和放大器限制帶寬高通濾波器RL和CL組成低通濾波器RH和CH組成帶寬公式：帶寬濾波器8/18/202431溫州醫(yī)學(xué)院31/56

共模抑制消除方法共模干擾定義：進行生物電測量時，被測體因受到外界交變電磁場作用，而在人體表各部位上產(chǎn)生幅度、頻率和相位均相同交流感應(yīng)電位。最常見是50Hz工頻干擾心電50Hz工頻干擾8/18/202432溫州醫(yī)學(xué)院32/560.11101001k10k100k1M10M100M1G/Hz50EEGEMGEOGENGERGPCGSEPAEPECGVEP50Hz工頻干擾雷電電刷火花燈管放電無線電宇宙射線醫(yī)用遙測高頻治療/電刀/電療信號及干擾源頻率分布ENGelectronystagmography眼球震顫電流描記PCGphonocardiogram心音圖AEPauditoryevokedpotential聽覺激發(fā)電位SEPsomatosensoryevokedpotential身體感覺激發(fā)電位8/18/202433溫州醫(yī)學(xué)院33/5650Hz工頻干擾引入路徑路徑一：經(jīng)過人體分布電容耦合id。路徑二：經(jīng)過導(dǎo)線分布電容耦合id1、id2。50Hz工頻干擾形成示意圖8/18/202434溫州醫(yī)學(xué)院34/56人體分布電容引入工頻干擾idZ1,Z2為皮膚和放大器間導(dǎo)線電阻及皮膚接觸電阻等效阻抗，ZG為接地電極與皮膚間等效阻抗，id流經(jīng)ZG建立共模電壓Vc：因為id流經(jīng)Z1,Z2，因為Z1,Z2不一樣形成差模干擾電壓：放大器總輸出（差模信號、共模干擾、差模干擾）：8/18/202435溫州醫(yī)學(xué)院35/56id共模干擾消除增加CMRR增加輸入阻抗Zin降低電極阻抗Z1、Z2：皮膚電阻處理：磨去角質(zhì)層，清潔油脂、毛發(fā)使用導(dǎo)電膏：以礦物油、合成脂類油、硅油作基礎(chǔ)油，加入導(dǎo)電、抗氧、抗腐、抑弧等特殊添加劑，經(jīng)研磨、分散、改性精制而成軟狀膏體。使用同牌號、規(guī)格電極和引線，Z1≈Z28/18/202436溫州醫(yī)學(xué)院36/56導(dǎo)線分布電容引入干擾id1、id2。id1、id2流經(jīng)ZG共模干擾電壓Vc’：id1、id2流經(jīng)Z1、Z2，產(chǎn)生差模干擾：這兩部分干擾在放大器輸出端總輸出V’out：8/18/202437溫州醫(yī)學(xué)院37/56id1、id2干擾消除降低Z1、Z2降低id1、id2：降低電極引線引入工頻干擾（屏蔽）屏蔽整體屏蔽：屏蔽室接地引線屏蔽：屏蔽層接地整體屏蔽8/18/202438溫州醫(yī)學(xué)院38/56引線屏蔽及干擾引入缺點：C1、C2存在造成共模干擾Ic引入8/18/202439溫州醫(yī)學(xué)院39/56屏蔽驅(qū)動：屏蔽層干擾信號作為共模信號進入前置放大器后經(jīng)D5變成幅度相同、相位相反信號在反饋至屏蔽層以抵消干擾信號。屏蔽層干擾處理方法：屏蔽驅(qū)動8/18/202440溫州醫(yī)學(xué)院40/56其它共模干擾消除辦法：①右腿驅(qū)動電路：D1和D2組成電路共模增益為1，在a、b處共模信號V’c與被測體上共模信號Vc相等，Vc=V’c。Vc=idbRo+Vo，且：Vc′Vc′直接接地時Vc=idbRO使用右腿驅(qū)動可使共模干擾降低（1+2Rf/Ra）倍。所以：8/18/202441溫州醫(yī)學(xué)院41/56②使用濾波器：限制帶寬。③50Hz陷波器：當生物電信號頻段包含50Hz時，50Hz陷波器去除工頻干擾。采取有源雙T陷波濾波器。有源雙T陷波濾波器8/18/202442溫州醫(yī)學(xué)院42/56④引線絞合處理：絞合方式降低50Hz交變電磁場感應(yīng)干擾引入。8/18/202443溫州醫(yī)學(xué)院43/56電氣隔離和大電流防護一、電氣隔離目標：消除干擾和噪聲、確保電氣安全包含：信號隔離、電源隔離原理：儀器與病人相連部分與儀器使用市電電路部分電氣隔離。醫(yī)療儀器220V交流電8/18/202444溫州醫(yī)學(xué)院44/56電氣隔離示意圖當人體因某種原因與市電接觸，電流i不能與儀器接地組成回路，所以病人相對安全。8/18/202445溫州醫(yī)學(xué)院45/56隔離方法：模擬隔離和數(shù)字隔離模擬隔離：A/D轉(zhuǎn)換之前，可用于電源隔離和信號隔離隔離變壓器：電磁感應(yīng)，調(diào)制-解調(diào)電容隔離：小電容（隔直），調(diào)制-解調(diào)光電隔離數(shù)字隔離：A/D轉(zhuǎn)換之后，用于信號隔離光電隔離模擬信號調(diào)制（500kHz）隔離器件同時解調(diào)8/18/202446溫州醫(yī)學(xué)院46/56隔離變壓器：慣用于電源隔離電容隔離：慣用于信號隔離將信號進行高頻調(diào)制耦合經(jīng)過小電容，隔離直流和低頻電流（50Hz）8/18/202447溫州醫(yī)學(xué)院47/56光電隔離：兩個光電二極管CR1和CR3是配正確，產(chǎn)生相同光電效應(yīng)，i2=i1=ii。A1和A2供電電源不一樣8/18/202448溫州醫(yī)學(xué)院48/56二、大電流防護作用：同時使用除顫器或電刀等設(shè)備時，會在電極之間形成高壓沖擊，造成儀器設(shè)備破壞。所以，生物電放大器還需設(shè)置高壓輸入保護。除顫器8/18/202449溫州醫(yī)學(xué)院49/56保護電路/元件V-I特征曲線限壓元件二極管穩(wěn)壓二極管氣體放電管（氖泡）8/18/202450溫州醫(yī)學(xué)院50/562.1.4生物電放大器技術(shù)指標共模抑制比：差模增益/共模增益＞100dB頻率響應(yīng)：儀器保持線性輸出時允許其輸入頻率改變范圍反應(yīng)放大器對不一樣頻率信號不一樣靈敏度截止頻率：靈敏度下降到70.