第二章 生物信息测量中的噪声和干扰

第二章生物信息丈量中的噪声和干扰12/27/20231抗干扰和低噪声，构成生物信号丈量的根本条件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。微弱信号还经常被深埋在测试系统内部的噪声中12/27/20232本章主要讨论：人体电子丈量中的电磁干扰测试系统中的噪声低噪声放大器设计12/27/20233人体电子丈量中的电磁干扰干扰构成的三个条件干扰源耦合通道敏感电路

12/27/20234干扰源干扰源:能产生一定电磁能量而影响周围电路正常任务的物体或设备。呵斥生物电信号提取过程的主要干扰为50HZ干扰。EMC(Electro-MagneticCompatibility)干扰抑制包括抑制来自外部的干扰和抑制系统本身对外界其他设备产生的干扰两方面。12/27/20235生物信号及干扰源的频率分布生物电信号低频、低幅值的信号，呵斥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。12/27/20236干扰耦合通道1〕传导耦合经导线传播把干扰引入测试系统。2〕经公共阻抗耦合在测试系统内部各单元电路之间，或两种测试系统之间存在公共电阻。电流流经公共阻抗〔公共接地阻抗Rce、电源内阻Rcs、电源线阻抗〕构成压降呵斥干扰。12/27/202373〕电场和磁场耦合场的特性取决于“场源〞的性质、场源周围的介质以及察看点和源之间的间隔。在场源附近，场的特性主要决议于场源的性质；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12/27/202384〕近场感应耦合[1]电容性耦合：一个导体上的电压或干扰成分经过分布电容使其他导体上的电位遭到影响。抗干扰措施：增大两导线间的间隔，尽量防止两导线并行，以减小分布电容C采用屏蔽导线，尽量缩短信号线伸出屏蔽层的长度，并使屏蔽层可靠接地。12/27/202394〕近场感应耦合[2]电感性耦合：干扰电流产生的磁通随时间而构成干扰电压。在系统内部，线圈或变压器的漏磁是构成干扰电压的主要缘由。在系统外部，多数是由于两根导线在长间隔平行架设中构成干扰电压12/27/202310抗干扰措施为了减小感应电压，可采用如下方法：远离干扰源，消弱干扰源的影响采用绞合线每个绞合结的微小面积所引起的感应电压大体相等，由于相邻的绞合结方向相反，而使部分的感应电压相互抵消尽量减小耦合通路，即减小面积A和cosθ值可采取诸如尽量使信号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的关键在于减小回路的面积，单纯依托接地并不能抑制磁场的干扰12/27/2023115〕生物电丈量中电场的容性耦合在电磁环境中，经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生物电丈量中电场的容性耦合：人体随时携带50HZ干扰电压，并将完全淹没本身的生物电信号。抗干扰措施：右脚接地、设置滤波器等。12/27/202312举例1：导联线构成容性耦合图中：C1和C2表示各导联线与电源线之间的分布电容构成容性耦合。假设接触电阻Z1=Z2且C1=C2位移电流Id1=Id2，完全对称，不构成干扰；假设不平衡，就将构成干扰。但是，实践上总存在不平衡，即使位移电流是相等的，电极接触阻抗通常有几千欧姆的不平衡。12/27/202313举例2：人体外表构成容性耦合人体与50HZ电源线之间存在着分布电容，构成容性耦合，测出总的位移电流Id大约为1μA之内，构成干扰电压。处理方法：缩短电极之间的间隔、减小体电阻、右脚接地。12/27/2023146〕生物电丈量中磁场的感性耦合在人体和测试系统输入回路构成环路时，将在环路中感应出干扰电压。其幅度为ωABcosθ。采用屏蔽以及减小环路面积的方法来消除干扰。12/27/202315抑制干扰的常用方法1〕合理接地 a平安接地〔维护接地〕电源接地维护接地等电位接地 b任务接地一点接地〔串联/并联〕多点接地 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扰的主要方法接地指印制板上的部分电路中和测试系统整机中地线的布置。合理接地系统中的接地线分为两类，一类是平安接地，称为维护接地；一类是任务接地，即对信号电压设定基准电位。维护地线必需是大地电位，而任务地线的设计可以是大地电位，也可以不是大地点位。当维护地线与任务地线配合不好时，就会产生干扰。12/27/202317平安接地为了平安起见，普通电子电器设备的机壳都应接地。机壳接地的目的是为了在任何情况下，使人经常接触的机壳坚持零电位。机壳的电位是由于杂散阻抗构成漏电通路甚至绝缘击穿的偶尔情况构成的。在生物医学丈量种，平安接地可分为三种：电源接地、维护接地、等电位接地以下图为发生宏电击和微电击的两种情况：12/27/202318电击电击：是指超越一定数量的电流经过人体而引起的各种电损伤，如心室纤颤、心肌收缩及皮肤烧伤等。电击可分为两类：宏电击是指电流经皮肤流入人体引起的电击微电击是指电流从体内流出体外时所产生的触电景象12/27/20231912/27/202320电源接地通常由于电源的负载〔即仪器〕接地方式不同，有以下三种供电方式：把中线〔零线〕或一条配电线接地，负载分别另行接地中线和负载的地线合用中线接地，另外再配备一条接地线，负载接地与其相连〔虽添加了一条配线，但更加平安，是医疗设备和丈量的合理的接地方法〕电源侧接地的规范电阻为10Ω以下。接地电阻构成的负载仪器外壳电位成为接触电位。12/27/202321维护接地为了使漏电流和绝缘失效时的事故电流平安地流入大地而附加的接地维护。a)并联小电阻b)串联大电阻c)再加一层绝缘d)过流维护e)漏电切断维护12/27/202322等电位接地是指把仪器周围的一切导电部分〔如水管、暖气管等各种金属管、金属窗框以及水泥地面〕和仪器外壳衔接在一同，构成等电位。这时，即使人体触及仪器外壳，由于不存在电位差，依然可以防止电击事故发生。这种为了得到等电位的附加接地称为等电位地线。平安规范规定在离患者2.5m以内的范围要等电位化。规定的2.5m间隔即患者伸手或借助他人所能接触的范围，这一范围称为患者环境。12/27/202323多台设备接地方式生物医学丈量中，大多数情况是数台电子设备同时用于人体，同时任务，这时应特别留意各设备的接地平安，防止发生微电击。数台设备并用，其接地方式能够有以下三种：分别单独进展接地公用一条接地线上述两种方法并用12/27/202324人体电阻区1kΩ，那么经过患者的电流超越10uA的危险性极大，对于直接接触心脏的丈量，这时不允许的。单独的接地方式在生物医学丈量中应防止多台设备分别接地12/27/202325各设备共用一地线防止电击的方法是：公公地线不能拉得太长，不能绕圈〔防止电感性耦合〕运用粗地线，减小地线电阻最根本的方法是：与患者相连的各台设备的地线接到公共地线的同一点上，称之为丈量的一点接地方式。这是平安接地的最好方法。12/27/202326多台设备的混合接地结论：在同一室内，不允许存在不同系统的接地线，室内的接地线采用一点接地为了做到一点接地，在一室内，应设置接地母线，实现等电位接地。同室多位患者，也只能设置一个接地母线12/27/202327任务接地一切导线都有一定的阻抗，高频时导线地外表呈现一定电抗，其值甚至超越导线电阻。两个分开的接地点不是等电位交流电源的地线不能用作信号地线，一段电源地线两点间会到达数百毫伏，甚至几伏的电压，对于低电平电路〔如生物信号放大器的前置级〕来说，这已是非常大的干扰为了平安，电源线接地普通采用一点接地任务接地方式有两种：一点接地和多点接地12/27/202328一点接地串联方式简一方便，在电路电平相差不多时仍可运用，留意低电平电路间隔接地点最近处，使之最接近地电位。从抗干扰角度出发，该方式不适用并联方式最适用，A、B、C各点电位与电路的地点流、地线电阻有关。并联方式的一点接地，由于各电路之间构成耦合而不适用于高频。12/27/202329多点接地如图电路中运用的地线分别衔接到最近的低阻抗地线排上，地线排用大面积的镀银铜皮。在高频电路中，长电缆多点接地有利于屏蔽层更接近地电位普通说来，1MHz以下可以采用一点接地，频率高于10MHz是采用多点接地。在1~10MHz范围，如用一点接地时，其地线长度不得超越波长的1/20，否那么应采用多点接地。12/27/202330电子系统的接地一个低频的电子系统，其接地设计是采用串联和并联综合方式。但是作为系统，应首先区分低电平电路和高电平电路以及功率相差很多、干扰电平相差很大的电路，其地线均应分别接地。即系统中至少要有三个分开的地线：低电平信号地线功率地线，包括继电器、电动机、大电流驱动电源等大功率电路及干扰源的地，即干扰地机壳地线，包括机架、箱体，又称为金属件地线，此地线与交流电源零线相接三套地线分别自成系统，最后聚集于接地母线优点：防止了大功率、大电流、高电压电路经过地线回路对小信号回路的影响防止了输入敏感回路的屏蔽罩、机壳作为屏蔽体而吸收的干扰对信号回路的影响12/27/202331九通道数字磁带记录仪地线系统九个读出放大器用两条地线〔最灵敏〕。写入电路和接口电路、逻辑控制电路共用一条地线。电动机和控制电路、继电器等都经功率地线接地。电源单独接地。12/27/202332敏感回路的接地设计对干扰最敏感的是输入回路。输入回路以及用屏蔽电缆或屏蔽盒时的接地设计对系统抗干扰才干起重要作用。源-地之间高阻抗可消除干扰。屏蔽层应对地绝缘，仅坚持一点可靠接地。12/27/202333屏蔽方式屏蔽指在两个空间区域加以金属隔离，用以控制从一个区域到另一区域电场或磁场的传播。a)自动屏蔽用屏蔽体把干扰源包围起来，使电磁场不向外分散b)被动屏蔽屏蔽体用以防止外界电磁辐射12/27/202334屏蔽体吸收损耗通常用金属板、金属网作为屏蔽体的屏蔽效果用屏蔽后场强被衰减的程度来描画。电磁波入射到金属外表时所产生的损耗有两种：反射损耗：入射波的一部分从金属外表反射回吸收损耗：入射波的一部分穿过金属板并被衰减总屏蔽效果等于吸收损耗、反射损耗和在屏蔽体上多次反射的修正总和。电磁波经过介质时，其幅度以指数方式衰减，这是由于介质中感应的电流呵斥欧姆损耗，变为热能而耗散12/27/202335抑制干扰的其他几种措施采用隔离措施使两部分电路相互独立，不成回路去耦RC或RL滤波环节运用滤波电路低通滤波器在电路设计时引入内部干扰抑制电路12/27/202336常用几种耗散电磁能电路电路中的感性负载在瞬变过程中，构成很大的感性冲击电压，成为辐射干扰源。为此，必需为电感性负载提供另外一个回路，释放它所储存的电磁能量常用的方法是在电感或接点两端加一个耗散瞬变过程产生的电磁能的耗能电路〔吸收电路〕运用三极管作为开关元件的无触电开关电路中，为防止三极管瞬时过电压，必需接入接点维护电路，以防三极管高压击穿。12/27/202337耗能电路实例电机接点的开闭时产生瞬时高频辐射，在接点两端加电磁能的耗能电路，来消除干扰。多台设备之间防止电源开关开闭时产生放电，在接点两端并接耗能电路，以防干扰。高频电刀、激光刀、除颤器等医疗设备产生很强的能量干扰，呵斥对精细丈量仪器的误差,必需设计输入滤波维护线路，来抑制干扰。12/27/202338测试系统的噪声通常为于外部干扰向区别，把丈量系统内部由器件、部件的物理要素产生的自然扰动称为噪声〔电压或电流〕。噪声是电路内固有的，不能用诸如屏蔽、合理接地等方法予以消除。对于外部干扰，经过采取适当的措施，常可以减小到次要的程度；而系统内部的噪声往往成为丈量精度的限制性要素。测试系统的噪声虽然不能够完全消除，但是经过对噪声过程的分析，进展合理的低噪声电路设计，可以使噪声降到最低限制，从而使信号在传输过程中坚持较高的质量。12/27/202339噪声的普通性质噪声电压或电流是随机的，噪声的随机过程不能够用一个确定的时间函数来描画，但它服从统计规律，可以用统计平均量来描画，能经过表示噪声过程的概率密度而得知噪声电压落在某一范围内的概率。δ2均方值表示噪声的强度概率密度P(u)表示噪声在幅度域里的分布密度。功率谱密度S(f)表示噪声在频域里的特性。两种噪声作用于系统时，总噪声均方电压U2=U21+U22+2CU1U212/27/202340生物医学丈量系统中的主要噪声类型1/f噪声为低频噪声，是呵斥生物信号提取过程中的主要妨碍。热噪声是由导体中载流子的随机热运动引起的。散粒噪声是在半导体器件中载流子产生与消逝的随机性，使得流动着的载流子数目发生动摇，时多时少而引起电流瞬时涨落引起的12/27/202341描画放大器噪声性能的参数Un、In参数噪声系数F=输入信噪比Si／Ni输出信噪比So／No噪声系数的对数方式NF=10㏒F■多级放大器的总噪声系数F=F1+(F2-1)／AP1+(F3-1)／AP1AP212/27/202342器件的噪声电阻的噪声电容器的噪声耦合变压器的噪声场效应管的噪声双极晶体管的噪声运算放大器的噪声12/27/202343低噪声放大器的设计低噪声设计的目的是把总输入噪声减小到最低程度。通常为了一致，用输入端对地短路时放大器的固有噪声Uni作为放大器的噪声性能目的。以下为各种生理信号丈量用放大器在相应带宽的噪声目的〔Uni值〕12