Chapter6生理类仪器设计基础

第六章生理类仪器设计基础,6.1 概述,生理类测量仪器发展两大不同趋向：大型化、复杂化、多功能化（图6.1，表6.1）微型化、便携化、智能化通信或网络交互功能,NONIN指夹式脉搏血氧仪,蓝牙脉搏血氧计,系统设计,传感器安全性、可靠性，生物相容性，不影响生理过程放大与滤波输入阻抗、偏置电流、共模抑制比、信噪比处理、分析与监控A/D转换、数字信号处理、生理信号分析整机管理、通信,6.2 生理信号测量前置级设计,生理信号基本特征电磁干扰与系统噪声前置放大电路滤波,生物电,膜电位静息电位无冲动发生时的电位动作电位随着神经、肌肉和其它细胞上冲动的传导而存在体表电位EEG、ECG、EMG,心电 (cardiac electric activity),心脏电活动,窦房结结间束房室结希氏束束支浦氏纤维网,心电图的生理分析,心电图的生理分析,P波，心房去极化，0.08-0.11s，0.25mV，代表左右两心房的激动过程。QRS波群，心室去极化，0.06-0.10s，代表两个心室的激动过程PR段，代表自心房开始受激动至心室受到激动的时间。PR间期， 0.12-0.2s。ST段，代表心室肌已全部受激动到开始复原的时间。T波，心室复极化，0.05-0.25s，代表心室肌激动后复原时电流影响。QT间期，代表整个心室肌从开始激动到完全恢复原状的时间。U波，0.1-0.3s，代表心肌激动的后继电位。,P波增宽，大于0.12s，双峰心房肥大QRS波，大于0.1s心室肥大若U波明显增高血钾过低；U波倒置高血钾、心肌缺血ST-T异常心肌缺血存在局限性，需结合临床，心脏超声诊断,心电图(ElectroCardioGraph),由于人体体液是良导体，心脏每个心动周期所伴随的生物电变化可传达到身体表面各部位。用引导电极把身体特定部位的电位变化通过心电图机描记出来。这种在心动周期内由心脏电位变化而引起的体表；两个部位之间电位差随时间而变化的图形就是心电图(ECG)。,通常在肢体上可以放置2个以上的电极，他们两两组成一对进行测量 每对电极的输出信号称为一组导联。导联简单的说就是从不同的角度去看心脏电流的变化。心电图的种类可以以导联来区分，如3导联心电图，5导联心电图与12导联心电图，等等。12导联心电图是临床最常见的一种，可以同时记录体表12组导联的电位变化，并在心电图纸上描绘出12组导联信号，常用于一次性的心电图诊断。,双极导联（标准导联）,标准导联为最早使用的双极肢体导联，反映两个肢体之间的电位差。,单极导联（胸导联）,双极导联无法判断每个电极的电位绝对值。,加压单极肢导联,利用双极导联时，由于电极位置离心脏较远，而测得的电压较小。,12导心电图,心电图主要频带,T波09HzP波017HzR波033Hz心电波形的主要带宽集中在33Hz以下,脑电波ElectroEncephaloGraphy,大脑皮层细胞存在着频繁的电活动。这种电位的波动叫做脑电波。来自于神经元。EEG主要是由皮层内大量神经元突触后电位同步总和所形成的，是许多神经元共同活动的结果。一部分是有节律，一部分是无节律的。EEG与脑区域、脑状态有着密切的关系，成为人们研究脑活动和诊断脑疾患的重要手段。,大脑皮层是大脑信息处理的中枢，它由神经元细胞组成 。神经元神经系统的功能单位。哺乳动物的皮层主要由4个叶组成：枕叶、顶叶、颞叶和额叶。前3个叶分别接受视觉、躯体感觉和听觉的传入，额叶则是许多运动通路的起点。,大脑的结构,在头皮表面记录到的电位变化叫做脑电图EEG ElectroEncephaloGraph按照频率的不同，脑电波可以分成下面的几种：,脑电图,（1） 波 学习与思考的最佳脑波状态 在头颅的枕部记录下来的一种有节率性的脑电波，频率 813Hz，幅度 1050V，注意的是波在整个大脑皮层中都有出现，而在枕部最为明显。当人们的大脑频率处于波时，人的意识清醒，但身体却是放松的，它提供意识与潜意识的“桥梁”。在这种状态下，身心能量耗费最少，相对的脑部获得的能量较高，运作就会更加快速、顺畅、敏锐。,脑电图,（2） 波 紧张、压力、脑疲劳时的脑波状态 在额部和颞部最为明显，频率 1830Hz，幅度 530V。人们清醒时，大部分时间大脑频率处于波状态。随着波的增加，身体逐渐呈紧张状态， 因而削减了体内免疫系统能力，此时人的能量消耗加剧，容易疲倦，若不充分休息，容易堆积压力（这是现代人的通病）。适当的波对注意力提升以及认知行为的发展有积极作用。,（3）、波深度睡眠脑波状态，频率 13Hz，幅度 1020V。当人们的大脑频率处于波时，为深度睡眠、无意识状态。人的睡眠品质好坏与波有非常直接的关系。波睡眠是一种很深沉的睡眠状态，如果在辗转难眠时自己召唤出近似波状态，就能很快地摆脱失眠而进入深沉睡眠。 波深度放松、无压力的潜意识状态，频率 47Hz，幅度 2040V。当人们的大脑频率处于波时，人的意识中断，身体深沉放松，对于外界的信息呈现高度的受暗示状态，即被催眠状态。波对于触发深沉记忆、强化长期记忆等帮助极大，所以波被称为通往记忆与学习的闸门。 通常人在清醒，思睡，睡眠时的脑电波是不一样的。脑受损或精神病患及癫痫病人的脑电图均有异常情况出现。,通常人在清醒闭眼时， 波极为明显。在最初欲睡时，一般由频率较低的波所代替。在较深睡眠时期，则由大幅度稍带节律的波代替，波长常达1s，散布在14-16次/s频率的较快波中。,用于昏迷：为明确昏迷的原因提供线索。 用于痉挛性或非痉挛性癫痈。 用于颅内压增高的监测：有报告持续颅内压增高超过28mmHg ( 380mmHZO ）时EEG 表现为爆发一抑制，提示大脑严重缺氧。 用于脑功能判断与预测预后。 用于脑血管疾病。 用于病房管理：EEG 监测在病房管理中起重要作用，尤其是在决定患者能否转出N 一ICU 或能否离开N 一ICU 做其他检查时格外重要。,诱发电位 (evoked poteintial),大脑神经受到刺激后，在脑部相应部位可被激发出电位的变化，这种变化成为诱发电位。是一种定量检测神经传导功能的方法。诱发电位通常都淹没于自发的脑电波当中，必须通过检测器抑制自发脑电波（相对诱发电位而言是噪声），从而检测出诱发电位。视觉诱发电位、听觉诱发电位、体感诱发电位,肌电和肌电图(ElectroMyoGraphy),正常情况下，肌肉静息时不产生电位变化。但当受外界刺激时可记录到电压波动。肌电图是肌肉细胞产生的复合动作电位。是数毫米范围内一个运动单位的数十根肌纤维电活动的总和。人体肌肉组织是浸在导电性能良好的组织液中，肌纤维本身也是良导体。因此 所记录的运动单位电压波形受到许多因素的影响。,肌电图正常情况之下：时程 0.5 2 ms，幅度 100 V左右肌电图对骨骼肌及其神经支配的生理状况可提供重要的信息，例如肌肉麻痹可通过肌电图来检查，根据神经肌肉电活动可以确定病损来自哪个系统或部位。,肌电图,肌电图,皮肤电活动（ElectroDermal Activity ）,人体皮肤的两点间存在着电位差，称为皮肤电位。这个电位可随视、听、痛刺激以及情绪的波动而变化，这一过程称为皮肤电反应。汗腺的分布和反应的强度有密切关系。汗腺活动直接受植物神经系统控制。因此常把皮肤电活动当成植物神经系统机能状态的重要指标。,皮肤电,皮肤电测试仪测定皮肤电反应的仪器最早亦称心理电反射其机理是：在情绪状态变化时皮肤内血管的舒张和收缩，以及汗腺的分泌等变化，所引起皮肤电阻的变化，皮肤电测试仪就是用于测定植物性系统的情绪反应,皮肤电,在手掌和脚掌处的皮肤电位变化最为突出，在前臂和耳垂内恻最小。因此常用前臂和耳垂内恻作为参考点安置参考电极。另一电极放在手掌等活动区。当给予刺激后，记录活动的电位变化。,信息提取过程中的干扰与噪声,由于生物医学信号一般很微弱，因此测试系统必须有较高的灵敏度。而灵敏度越高，也更容易把干扰引入测试系统。除了与信号同时存在的干扰以外，测试系统本身也有噪声。干扰和噪声是电子设计开始时就必须考虑的环节。,电磁干扰,1.干扰的引入干扰的形成包括：干扰源、耦合通道（即引入方式）、敏感电路（即接受电路）。,干扰源,能产生一定的电磁能量而影响周围电路正常工作的物体或设备叫干扰源。自然界的宇宙射线、太阳辐射、太阳黑子产生的周期电扰动。周围电气、电子设备的各种放电现象电容电感过渡过程的瞬变电压.最主要的是220v交流电源的50Hz干扰源。因为生物电大都包含50Hz频率成分。,干扰源,生物医学设备本身就是强的电磁干扰源。 如：高能量的治疗机和精密的测量仪器并用时，治疗机产生强的干扰可造成精密测量仪器的误动作、误输出。如电刀、激光刀、除颤器等。,干扰源,干扰耦合途径,1.传导耦合 经导线传播把干扰引入测试系统，称为传导耦合 。交流电源线、测试系统中的长线都能引起传导耦合。它们都具有天线的效果，能够广泛拾取空间的干扰引入测试系统。,干扰耦合途径,2. 经公共阻抗耦合 在测试系统内部各单元间，或两种测试系统之间存在公共阻抗。当两个电路共用一段地线时，由于地线的阻抗，一个电路的地电位会受另一个电路工作电流的调制。这样一个电路中的信号会耦合进另一个电路，这种耦合称为公共阻抗耦合。,干扰耦合途径,由接地公共阻抗以及传输导线或金属机壳的天线效应等因素在地回路中形成共模干扰电压，该电压通过各种地回路感应到受害电路的输入端，而形成地回路干扰。两个不同的接地点之间有一定的电位差，称为地电压，这是由于两接地点间总有一定的阻抗，地电流在该公共阻抗上产生了地电压，该电压直接加到电路上则为共模干扰电压。,干扰耦合途径,图中所示的干扰回路和被干扰回路之间存在一个共有阻抗 Z i ，在该阻抗上所产生的电压 Ui=Z i I 1 +Z i I 2 ，对回路 2 而言 Z i I 1 是干扰压降,干扰耦合途径,消除公共阻抗耦合的途径有两个一个是减小公共地线部分的阻抗，这样公共地线上的电压也随之减小，从而控制公共阻抗耦合。另一个是使干扰源和被干扰对象间没有公共阻抗。通过适当的接地方式避免容易相互干扰的电路共用地线。,电场和磁场耦合,在场源附近，场的特性主要取决于场源的性质；在远离场源的地方，场的性质主要取决于场传播时所经过的介质。 设为波长，当距离大于/2，称为远场，小于此称为近场。,电场和磁场耦合,近场感应耦合 由于电荷运动产生电磁场，所以凡带电的元件、导线都能形成电磁场。 近场内电磁场耦合形成干扰时，分成以电场为主和以磁场为主，前者通过电容性耦合引入干扰，后者以电感性耦合引入干扰。,电容性耦合,在电子系统内部元件和元件之间，导线 和导线之间、导线和元件之间都存在分布电容。一个导体上电压或干扰成分通过分布电容使其他导体电位受到影响，这种现象叫做电容性耦合。,电容性耦合,电磁环境中，通过电场干扰源与人体之间的分布电容，使人体本身携带干扰电压。主要为工频50Hz电磁场：测试系统所用市电，病房和手术照明等。减少电容性耦合的常用的方法是采用屏蔽导线。,分布电容,共模电压,右腿驱动电路(a)及其等效电路(b),通过电阻网络取出平均交流共模电压,反相放大后,经限流电阻Rz加到右腿电极,以抵消共模干扰，得名右腿驱动。 右腿驱动电路实际上可以看成以人体为相加点的共模电压并联负反馈电路。 右腿驱动能使50Hz共模干扰电压降低到1%以下。而且与滤波比不损失心电图频率成分,电感性耦合,当电流I在一个闭合回路中流动时，将产生与电流成正比的磁通 。L= /I，L为电感。L的大小取决于回路的几何形状及周围介质的导磁系数。,电感性耦合,当一个回路的电流产生的磁通穿过另一个电路回路时，产生互感。即回路1的电流在回路2中产生磁通。如果这个磁通随时间变化，那么电路中变感应出电压。两个回路的电感性耦合又叫磁耦合。,电感性耦合,感应电压大小与闭合回路面积Acos 成正比，为磁通与面积法线的夹角。为了减小感应电压，采用绞合线的走线方式，每个绞合结构的微小面积所引起的感应电压大体相等，由于绞合结构方向相反，而使局部的感应电压相互抵消尽量减小面积A和cos。尽量使回路平面与干扰回路平面垂直。并使信号线贴近地平面布线，以减小回路的闭合面积。,抑制电感性耦合,抑制干扰：合理接地与屏蔽,合理接地与屏蔽是抑制干扰的主要方法接地指印刷板上的局部电路中和测试系统整机中地线的布置。从安全的角度考虑，合理接地也是十分重要的。,接地线,系统中的接地线分为两类。安全接地称为保护接地；保护地线必须是大地地位工作接地即对信号电压设立基准电位。工作地线可以是大地地位也可以不是。,接地线,一般电子仪器设备，为了安全，机壳都应接地。目的是使人经常接触的机壳保持零电位。机壳的电位是由于杂散阻抗形成漏电通路甚至产生绝缘击穿的偶然情况形成的。,接地线,生物医学测量中，大多情况是数台电子设备用于人体同时工作。数台同时并用，接地可能是：分别单独接地，或者共用一条接地线。,接地方式,浮地,浮地是指设备地线系统在电气上与壳体构件的接大地系统相互绝缘，一种情况是使接地系统上的电磁干扰就不会传导到设备。另一种情况是在有些电子设备中，为了防止机箱上的干扰电流直接耦合到信号电路，有意使电路单元的信号线与设备机箱绝缘。采用浮地的设备、单元容易受空间耦合干扰，注意采用电磁屏蔽技术。,共用地线串联一点接地,电路1、电路2、电路3各自到接地面的接地线长短不同（接地阻抗不同），各电路的接地点的电位均不为零且各不相同，且受其他电路电流影响。最不适用。但由于该电路比较简单，用的场合仍然较多，当各电路的电平相差不大时可以使用。若各电路的电平相差很大，则不能使用，因为高电平电路将产生很大的地电流，形成大的地电位差并干扰到低电平电路。使用该接地方式时，要把低电平电路放在距接地点最近的地方。,独立地线并联一点接地,优点是各电路的地电位只与本电路的地电流及地线阻抗有关，不受其它电路的影响。缺点： 第一，需要多根地线，比较麻烦。由于分别接地，势必会增加地线长度，从而增加了地线阻抗。会造成各地线相互间的耦合，且随着频率增加，地线阻抗、地线间的电感及电容耦合都会增大；,独立地线并联一点接地,第二，只适用于低频，不适用于高频。如果系统的工作频率很高，以致工作波长 =c/f 缩小到可与系统的接地平面的尺寸或接地引线的长度比拟时，就不能再用这种接地方式了。因为：当地线的长度接近于 /4 时，它就象一根终端短路的传输线，此时不仅起不到接地作用，而且地线将有很强的天线效应向外辐射干扰信号，所以一般要求地线长度不应超过信号波长的 1/20 。,多点接地,这种接地方式的优点是接地线较短，适用于高频情况，其缺点是形成各种地线回路，造成地环路干扰，这对设备内同时使用的具有较低频率的电路会产生不良影响。,混合接地方式,在地线系统内使用电感、电容连接，利用电感、电容器件在不同频率下有不同阻抗的特性，使地线系统在不同的频率具有不同的接地结构。 如果电路的工作频带很宽，在低频情况需采用单点接地，而在高频时又需采用多点接地，此时，可采用混合接地方式。在低频时，电容的阻抗较大，故电路为单点接地方式，但在高频时，电容阻抗较低，故电路成为两点接地方式，因此这种接地方式适用于工作于宽频带的电路。,接地方式,总的来说，单点接地适用于低频，多点接地适用于高频。一般情况，频率在 1MHz 以下采用单点接地方式；频率高于 10MHz 采用多点接地方式；频率在 1MHz10MHz 之间，采用混合接地，如采用单点接地，其地线长度不得超过 0.05 (波长)。,电磁兼容的接地要求,a接地面应是零电位，它作为设备 / 系统中各电路任何位置所有电信号的公共电位参考点。b接地线、接地面应采用低阻抗材料制成，并且有足够的宽度和厚度，接地线应短而粗、接地面的面积应尽可能大，以保证在所有频率（尤其是高频部分）上它的两边之间均呈现低阻抗。,电磁兼容的接地要求,c良好的接地要求尽量减低多电路公共接地阻抗上所产生的干扰电压，同时还要尽量避免形成不必要的地回路。d数字信号地与模拟信号地分开设计，大电流信号地与逻辑小信号地分开设计。,屏蔽,屏蔽可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽3种。屏蔽有两个目的：a、限制设备内辐射的电磁能量泄露到外部；b防止外来的辐射干扰进入设备，干扰设备的正常工作。,屏蔽,电场屏蔽法最简单的措施是在感应源与受感器之间用金属隔板接地，以抑制寄生电容耦合，实现电场屏蔽。对电场干扰较强的，则用高导电率金属罩接地效果更好。磁场屏蔽法对磁场可用高导磁材料做屏蔽体来实现磁场屏蔽。,屏蔽,当要屏蔽的磁场很强时，屏蔽材料会发生饱和，一旦发生饱和，就将丧失屏蔽效能。遇到这种情况，可采用双层屏蔽，第一层采用低导磁率材料，不易饱和；第二层采用高导磁率材料，但易饱和。第一层屏蔽先将磁场衰减到适当强度，使第二层屏蔽不会饱和，而使高导磁率材料能充分发挥屏蔽效果。,其他抑制干扰的措施,隔离电源：浮地隔离信号：光电耦合、变压器耦合,抑制干扰,去耦,抑制干扰,耗能抑制,信号提取中的噪声,把系统内部由器件、材料、不见的物理因素产生的自然扰动叫噪声。是电路内固有的，不能用屏蔽、接地等方法消除。通过对噪声过程的分析，进行合理的低噪声电路设计，可使噪声降到最低限度。,主要噪声类型,1. 1/f噪声（低频噪声）接触噪声 凡两种材料之间不完全接触，形成起伏的导电率便产生1/f噪声。,主要噪声类型,2 热噪声 热噪声是由导体中载流子的随机热运动引起的。任何处于绝对零度以上的导体中，电子都在做