生物信息测量中的噪声和干扰

1、第二章第二章 生物信息测量生物信息测量中的噪声和干扰中的噪声和干扰测量生物电信号时的干扰和噪声测量生物电信号时的干扰和噪声被测信号是微弱信号，测试系统具有较高的灵敏度，干扰信号容易引入。工频50HZ干扰落在生物电信号频带范围之内。生物体本身属于电的良导体，难以屏蔽容易接受外部干扰。微弱信号还常常被深埋在测试系统内部的噪声中干扰和噪声n干扰干扰是用来描述一系统受另一系统的影响而在该系统中产生误差电压和电流的现象。外部干扰最严重的是工频干扰采取消除干扰的措施是合理的电路设计和良好的屏蔽接地n噪声噪声是指被测信号中加入的随机扰动，其来自测量系统的内部，是由构成测量系统材料及元器件所产生的。不能精确预

2、测，不能完全消除，但可适当控制生物信号及干扰源的频率分布生物信号及干扰源的频率分布n生物电信号低频、低幅值的信号，造成生物电信号提取过程的主要干扰，是近场50HZ干扰，其抑制方法远比能量很高的各种电磁辐射干扰的抑制方法难。干扰的耦合引入方式主要包括内部相互耦合内部相互耦合和外外部电磁场辐射部电磁场辐射两种。内部相互耦合是测量系统本身不同部分造成相互干扰的电磁环境，解决办法是进行电磁兼容性 (Electro-Magnetic Compatibility，EMC)设计，即在电子系统之间，实现不互相干扰，协调共同工作的设计考虑。62022-7-3图a为实际心电放大器得到的心电图；图b为消除50Hz工

3、频干扰的心电图50Hz工频干扰是人体位移电流通过右腿接地电阻右腿接地电阻Z ZG G产生的共模干扰共模干扰，采用高共模抑制比的放大器可以大大克服共模干扰。72022-7-3抑制电磁场干扰的主要方法抑制电磁场干扰的主要方法n电磁场干扰对于任何一种生物电测量都形成危害，完全避免干扰源和防止电磁场耦合是不现实的，关键的问题是如何抑制干扰如何抑制干扰，减小影响。n抑制电磁场干扰的主要方法是合理接地合理接地与电电磁屏蔽磁屏蔽两种。实际就是严格遵守电磁兼容性原则，进行各种抗干扰的设计。第二节第二节 测试系统的噪声测试系统的噪声 通常为与外部干扰相区别，把测量系统内部由器件、部件的物理因素产生的自然扰动称为

4、噪声噪声（电压或电流）。n噪声是电路内固有的，不能用诸如屏蔽、合理接地等方法消除。n内部噪声成为测量精度的限制性因素n各种生物电放大器输入端短路噪声限制了放大器能够检测的最小生物电信号n测试系统的噪声虽然不可能完全消除，但是通过对噪声过程的分析，进行合理的低噪声电路设计，可以使噪声降到最低限度，从而使信号在传输过程中保持较高的质量。一、噪声的一般性质噪声具有随机性，没有确定的时间函数，不能准确地预测未来某时刻噪声电压的幅度或波形。但服从统计规律,能通过噪声过程的概率密度P（u）可知噪声电压落在某一范围的概率；大多数噪声为一平稳随机过程，其噪声电压（或噪声电流）的概率密度服从高斯（正态）分布。生

5、物医学电子学中，最常见噪声源为1/f噪声、热噪声和散粒噪声，其概率密度服从高斯分布（正态分布）；22)(2/21)(uueuP102022-7-3 白噪声：S（f）为常数；有色噪声：S（f）不为常数；粉红色噪声：b段，1/f噪声蓝噪声：c段噪声基本特性用统计平均量描述；均方值表示噪声的强度；概率密度表示噪声在幅度域里的分布密度；功率谱表示噪声在频率域里的特性；112022-7-3二、生物医学测量中的主要噪声类型主要为：1/f噪声（低频噪声）、热噪声、散粒噪声；（一）1/f 噪声是造成生物信号提取过程中的主要障碍凡两种材料不完全接触，形成起伏的电导率便产生1/f噪声；如有源器件、电阻、导体连接处

6、，都存在1/f噪声；1/f噪声是低频噪声，一般在5002000Hz。由于生物信号的频带范围大都属于低频，超低频段，所以1/f噪声会造成生物信号提取的困难。功率谱密度服从1/fa规律，其噪声电压随频率降低而增加。122022-7-3由导体中载流子的随机热运动引起；由导体中载流子的随机热运动引起；（二）热噪声（二）热噪声已经证明，电阻R中的热噪声电压均方值Ut2为：U2t = 4kTRfk为波尔兹曼常数，T为绝对温度，f为频带宽度；热噪声的谱密度S（f）为：S（f） = 4kTR其谱密度与工作频率无关，属于白噪声。由热噪声基本计算公式可知，热噪声电压均方值与温度、工作频带、阻值成正比。温度越高，导体内自由电子的热运动越激烈，噪声电压就越高，温度降低，可以消弱热噪声。在微弱信号检测的低噪声电子设备中，常利用超低温技术来减小噪声。在保证信号不失真的情况下，应尽量减小测量系统的频带宽度，或者选择传感器电阻尽可能小，避免增加额外的热噪声。142022-7-3在半导体器件中，载流子产生与消失的随机性，使得流动着的载流子数目发生波动，时多时少而引起电流瞬时涨落引起的。