《医学仪器设计》课件2 生物信息测量中的噪声和干扰

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1、第二章生物信息测量中的噪声和干扰§2.1生理信号的基本特征§2.2电磁干扰与系统噪声§2.3低噪声放大器设计§2.1生理信号的基本特征频率特性低频段(DC-10kHz)频带宽(PCG:20Hz-1kHzEMG:DC-10kHz)幅值特性幅值微弱AEP:最大0.3µVEEG:几微伏-几百微伏EMG:几微伏-几千微伏各类生理信号常常复合交织在一起采集心电(ECG)信号时，常常混杂有频带复用（或部分复用）而强度更大的肌电(EMG)信号以及其他无规律的运动干扰信号等。§2.1生理信号的基本特征图2-1在心电测量中的工频干扰(a)及肌电干扰(b)§2.2电

2、磁干扰与系统噪声在测量某一种生理参数的同时，存在着其他生理信号的噪声背景；此外，生物信号对来自测量系统（包括人体）之外的干扰还十分敏感，这是因为：（1）被测信号是微弱信号，测试系统具有较高的灵敏度。灵敏度越高，对干扰也就越敏感，即极易把干扰引入测试系统。（2）工频50Hz干扰几乎落在所有生物电信号的频带范围之内，而50Hz干扰又是普遍存在的。（3）生物体本身属于电的良导体，而且“目标”大，难以屏蔽并很容易接受外部干扰。§2.2电磁干扰与系统噪声电磁干扰的形成有三个条件：干扰源、耦合通道（即引入方式）与敏感电路（即接受电路）。抑制干扰就可以从这三个

3、方面找到相应的措施。图2-2干扰的引入§2.2电磁干扰与系统噪声——I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称为干扰源。干扰形成危害的严重程度，主要取决于抑制方法的难易。EMC——Electro-MagneticCompatibility图2-3信号及干扰源的频率分布§2.2电磁干扰与系统噪声——I干扰源§2.2电磁干扰与系统噪声——II耦合通道与抑制耦合通道与抑制传导耦合经公共阻抗耦合电场和磁场耦合电容性耦合电感性耦合图2-4经公共阻抗耦合§2.2电磁干扰与系统噪声——II耦合通道与抑制场源场的特性场源的性质场传播时所通过

4、的介质λ/2π近场远场波阻抗＝电场E磁场H磁场(E/H<377Ω)电场(E/H>377Ω)(E/H=377Ω)§2.2电磁干扰与系统噪声——II耦合通道与抑制（1）电容性耦合在电子系统内部元件和元件之间，导线和导线之间以及导线与元件，导线、元件与结构件之间都存在着分布电容。一个导体上的电压或干扰成分通过分布电容使导体上的电位受到影响，这种现象成为电容性耦合。§2.2电磁干扰与系统噪声——II耦合通道与抑制图2-6平行导线容性耦合若导线2为信号端，与放大器输入端相连，那么便构成敏感电路。由容性耦合形成的对敏感电路的干扰，在不考虑C1时为：公式(2-

5、1)§2.2电磁干扰与系统噪声——II耦合通道与抑制（1）电容性耦合抑制容性耦合常用的方法：采用屏蔽导线；在印制电路板内破坏电容耦合最关键的部位，是处在前置级的第一个运放；减小共模干扰。§2.2电磁干扰与系统噪声——II耦合通道与抑制（1）电容性耦合在印制板布线时，应在运放的两输入管脚处，布一圈地线，以达到屏蔽的目的。§2.2电磁干扰与系统噪声——II耦合通道与抑制（1）电容性耦合图电源系统与人体之间的分布电容产生共模电压VcmVcm=idb×ZG§2.2电磁干扰与系统噪声——II耦合通道与抑制（1）电容性耦合（2）电感性耦合（磁耦合）干扰电流产

6、生的磁通能随时间变化而形成的干扰电压。在系统内部，线圈或变压器的漏磁是形成干扰的主要原因；在系统外部，多数是由于两个导线在长距离平行架设中形成干扰电压。§2.2电磁干扰与系统噪声——II耦合通道与抑制抑制电感耦合的常用方法：远离干扰源，减小干扰源的影响；采用绞合线的走线方式；尽量减小耦合通道。§2.2电磁干扰与系统噪声——II耦合通道与抑制（2）电感性耦合（磁耦合）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，而使局部的感应电压相互抵消。§2.2电磁干扰与系统噪声——II耦合通道与抑制（2）电感性耦合（磁耦合）减小耦合通

7、道——减小面积A和cosθ值可采取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等。多导心电图、脑电图等测量时，要求将导线收紧为一束的原因。§2.2电磁干扰与系统噪声——II耦合通道与抑制（2）电感性耦合（磁耦合）§2.2电磁干扰与系统噪声——III合理接地与屏蔽合理接地是抑制干扰的主要方法，把接地和屏蔽正确地结合使用能解决大部分干扰问题。接地指印刷板上的局部电路中和测量系统中地线的布置。另一方面，在生物医学测量中，从安全的角度考虑，合理的良好接地更是十分重要的。系统中的接地线分为两类：一类是安全接地，称为保

8、护接地（必须是大地电位）；另一类是工作接地，即对信号电压设立基准电压。§2.2电磁干扰与系统噪声——III合理接地与屏蔽（1）安全接地为