2--医学信号测量的干扰噪声
生物医学传感与检测 第一章 绪论2
ห้องสมุดไป่ตู้
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绪论
本课程的历史沿革
本课程主要内容
生物医学检测技术的发展趋势
本课程特点
学习目的要求、方法 考
核 参考书目
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1. 在本校的历史沿革与发展
本课程从我校生物医学工程专业开设始就设立了，当时设立的 课程名称为《生物电子测量》，距今已经有13年历史。本课程的 发展大致分三个发展阶段： 第一阶段1997～1999年：课程创立探索阶段。“生物电子测量” 选用了英文版教材《Biomedical Electronic Measurements》,参 考教材为林家瑞根据该教材编译的《生物电子测量》,学时数72学 时。97到99届生物医学工程专业专科生每届学生约20人。
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6. 作业与考核
作业（报告）
课后作业以教材上习题为主，辅以调研小论文。 课程考核 闭卷考试（70%）、平时学习（30%，包括作业、 小论文、小设计…等）
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7. 教材及学习参考书目：
1 .《生物医学传感器与检测技术》化学工业出版社 杨玉星 2005 2 .《生物电子测量》 华中科技大学出版社 林家瑞译，1990。 3. 《医学电子学》 北京大学出版社 张唯真等 1998。 4. 《生物医学测量》 人民卫生出版社 陈延航等 1986。 5．《生物医学电子学高级教程》东南大学出版社 王保华等， 2001。 6. 《生物医学测量与仪器》 复旦大学出版社 王葆华 2003。 7．《现代医学仪器设计原理》科学出版社 邓亲恺 2004。 8. 《生物医学传感器原理及应用》高等教育出版社 彭承林2000。
第一章 生物医学信号测量的特殊性-1讲解
例如超声波可给予生物体加热、振荡、空化、
氧化、还原、调节渗透压等物理和化学作用。大 量使用的超声波断层诊断装置和多普勒装置，其 输出强度应小于10mw／cm2左右，一般超声波能 量对生物体给以影响的最小值，大致定为100mw ／cm2。按这个限度，用于生物体测量的超声装 置是安全的。但是对于胎儿、脑、眼球等，即使 用低能量也容易受到影响。关于超声波的安全问 题，胚胎和胎儿受超声波的影响和安全阈值是现 在仍然受到重视的问题。
(三)安全性限制
为了用电子仪器获取人体信息或施加于人体某种 物理作用，必须把仪器与人体紧密地连接在一起。
例如，把生物换能器贴紧到躯体上。
再如，进行心脏导管检查时，要在一定时间内
把仪器放入人体，甚至长期放置在人体体内(如植入
型心脏起搏器)，以替代人体的器官，维持生命，这
Baidu Nhomakorabea
是其他仪器测量领域中所没有的。
和肌体的运动也无时不成为测量系统的机械性的外
部干扰。
在各生理系统之间的反馈环路和内部关系还都
未知的情况，要控制被测量的生理参数，或抵消别 的系统的影响是很难的。与工程系统不同，人体在 测量过程中不能随意停止运转，也不能暂时拆除某 些部分，所以某些器官或组织的参数难以直接测量 出来。另外，人体个体的差异相当大，每一个体的 外部形态不同，它们的内部组织也有许多差别，参 数值的分布范围很广，而且多数参数是随时间变化 的，许多医学测量即使条件一样，正常值的变化也 很大。总之，人体测量同时处理多方面复杂因素的 影响，精密设计测量方案，进行繁复的数据处理。
生物医学信号检测实验二报告
Lab 2 连续动态血压测量
2。1 实验目的
1、了解动态血压测量的意义
2、掌握FINAPRES仪器测量动态血压的原理
3、熟悉FINAPRES 操作方法
4、熟悉BeatScope easy软件的使用
2。2 实验仪器
FINAPRES仪器，装有BeatScope easy软件的电脑
2。3 实验原理
荷兰Finapres医疗系统早在1970S研发了世界上第一台无创血压监测仪。目前Finapres统拥有世界上最先进的无创血压检测专利技术，有Portapres、finometer MIDI和Finometer PRO3款无创血压连续监测产品，记录每次心跳的血流动力学变化，其检测结果均可与血管内插管直接测得血压值相吻合，是无创血压测量技术发展史上的一个里程碑式的跨越。
Finometer不但能获取连续的血压波形，还能自动计算出15个重要的逐跳血流动力学参数，包括：心输出量（CO），每搏输出（SV），总外围阻力（TPR），脉搏频率变异（PRV），Baroreflex Sensitivity，它适合于各种临床或者科学研究。
Finometer MIDI 直观易用的，提供相对的精确性，非常适合观察趋势变化。系统控制和数字参数的观察是通过键盘和LCD完成的。图形的观察需要连接电脑才可以完成。Finometer PRO通过使用可充气的袖套进行校准，因而只有Finometer PRO可以提供绝对的测量精度。同时finometer PRO可以直接的通过主机上的屏幕显示图形参数。
图2-1 Finapres Portapres
检测信号的干扰及其抑制技术
第3章 检测信号的干扰及其抑制技术 图3-2 电磁耦合等效电路
第3章 检测信号的干扰及其抑制技术
根据图3-2，若干扰源的电流为I，频率为ω，而两电路的 互感系数为M，则该干扰在电路负载Rz上产生的干扰为（设Rz
远远大于电感的阻抗）
U R jMI
(3-6)
可见，干扰电压的大小正比于干扰电流I、互感系数M和干扰
第3章 检测信号的干扰及其抑制技术
3.1 电子测量系统的干扰与抑制
3.1.1
电子测量系统在工作过程中，可能会出现某些不正常现象， 例如输出不稳定、零点漂移、严重失真或超差等。产生这些现 象的原因，可能是电子测量系统本身电路结构、器件质量、制 造工艺等存在问题，也可能是电子测量系统受外部的工作环境， 如电源电压波动、环境温度变化或其他电气设备的影响等。这 些来自内部和外部、影响电子测量装置正常工作的各种因素， 统称为“干扰”。
第3章 检测信号的干扰及其抑制技术 3） 放电管噪声
放电管属于辉光或弧光放电。通常放电管具有负阻特性， 所以，当它与外电路连接时，很容易引起振荡。交流供电的 荧光灯，在半个周期内，由于其起始和终了时放电电流变小， 也会产生再点火振荡和灭火振荡。近年来大量使用的霓虹灯， 也成为一种较为严重的噪声源。
第3章 检测信号的干扰及其抑制技术
3.1.2
1.
机械的干扰是指由于机械振动或冲击，使电子测量系统中 的电气或电子元件发生振动、变形，从而改变了系统的电气参 数， 造成了可逆或不可逆的影响。对于机械的干扰主要采取 减振措施来解决， 例如使用减振弹簧或减振橡皮垫等。
生物医学信号是从被干扰和噪声淹没的信号中提取有用的生物医学信息特征
生物医学信号是从被干扰和噪声淹没的信号中提取有用的生物医学信息特征，它涉及生物体各层次的生理，生化和生物信号，受到人体诸多因素的影响，因而有着一般信号所没有的特点：1）信号弱, 例如从母体腹部取到的胎儿心电信号（ FECG) 仅10～50 微伏。脑干听觉诱发响应信号小于1 微伏。2)噪声强, 由于人体自身信号弱,加之人体又是一个复杂的整体, 因此信号易受噪声的干扰。3)频率范围一般较低, 除心音信号频谱成份稍高外, 其他电生理信号频谱一般较低。4)随机性强, 生物医学信号不但是随机的, 而且是非平稳的。因此若要把掺杂在噪声和干扰信号中的有用的生物医学信号检测出来, 除要求用于检测的传感器系统具有灵敏度高, 噪声小，抗干扰能力强, 分辨力强, 动态特性好之外, 对信号提取和分析的手段亦有较高的要求。
生物医学信号处理就是研究从被干扰和噪声淹没的信号中提取有用的生物医学信息的 特征并作模式分类的方法。生物医学信号处理的目的是要区分正常信号与异常信号,在此基 础上诊断疾病的存在。
近年来随着计算机信息技术的飞速发展,对生物医学信号的处理广泛地采用了数字信号分析处理方法：如对信号时域分析的相干平均算法；对信号频域分析的快速傅立叶变换算法和各种数字滤波算法;对平稳随机信号分析的功率谱估计算法和参数模型方法;对非平稳随机信号分析的短时傅立叶变换、时频分布(维格纳分布)、小波变换、时变参数模型和自适应处理等算法;对信号的非线性处理方法如混沌与分形、人工神经网络算法等
绝大部分生物医学信号都是信噪比很低的微弱信号，且一般都是伴随着噪声和干扰的信号，而对于此类信号必须采用抑制噪声的处理技术，对于生物医学信号检测来说，经常需要考虑的噪声有：工频干扰、电极接触噪声、运动轨迹、呼吸引起的基线漂移和不同信号之间的相互干扰，由于生物系统十分复杂，生物体内的信息丰富，生物信号检测技术十分重要。
医学信号复习资料
填空，判断，简答，分析计算，设计题
医学信号的特点，制约因素；
特点：生物医学信号属于强噪音背景下的低频微弱信号，由复杂的生命体发出的不稳定的自然信息。
制约因素：安全性制约、强噪音背景制约。
宏电击微电击；
宏电击：电流经皮肤而流过人体所产生的触电现象，称为体外电击或宏电击。
微电击：是指电流从体内流出体外时所产生的触电现象.
标准12导心电图测量；
心电图机测量；
脑电图测量；
信号提取中的噪声和干扰类型与特点；
噪声：把系统内部由器件、材料、部件的物理因素产生的自然扰动称为噪声（电压或电流）。干扰类型：干扰源、耦合通道、敏感电路。
电气隔离方式。
低噪声放大器设计；
如何提高电路共模抑制比？
1、采用电路完全对称的差动运算放大电路
2、提高差动运算放大器的输入阻抗
3、适当提高共模抑制级闭环增益
4、用共模干扰电压驱动引线屏蔽层
生物放大器前置级设计要求。
心电放大前置应用电路；
差动放大电路、滤波电路、功率放大电路
心电放大器设计；
二阶低通滤波电路图，设计与分析计算；
二阶带通滤波电路图，设计与分析计算；
双T陷波器图，设计与分析计算；
半波检波电路与全波检波电路，及其输入输出信号波形；
VFC电路；
峰值检测电路图，输入输出信号波形；
调制的分类？各自特点
调幅、调频、调相
常用的信号检波电路有哪些？
生物遥测系统中，射频载波选择特点？
多路传输，时分制；
多路传输：把多路信号合并成一个传递信息
时分制：是按照采样定理吧采样的各个信号点在时间上错开，按顺序排列之后的传输。
电刺激三参数；
1、刺激的强度
2、刺激的持续时间3刺激强度对时间的变化率。
第二章生物信息测量中的噪声和干扰
8
问题
噪声和干扰有什么区别？
温附二 . 临床工程科
9
措施与成本
温附二 . 临床工程科
10
人体电子测量中的电磁干扰
干扰的引入 合理接地与屏蔽 其他抑制干扰的措施
温附二 . 临床工程科
11
干扰的引入
三个条件：
干扰源
耦合途径
接受电路
温附二 . 临床工程科
12
干扰源
飞机失事：2009年6月1日14时，一架载有 228人的法航空客A330在飞越大西洋上空 与地面失去联系。机上228人全部遇难，其 中包括9名中国人。 原因不明：高空雷雨天气，在飞行高度有 可能存在强烈的电子活动 。 飞机上禁止使用手机、游戏机等电子设备。
温附二 . 临床工程科
20
电场和磁场耦合
设d为观察点到场源的距离，λ为电磁波波长 λ 近场： d ＜ 2π 远场： d ＞ λ 2π 波阻抗： Zc＝
D/
温附二 . 临床工程科
21
问题
已知电磁波频率为1MHz，近场可以延展多 远？ λ＝V/f＝299,792,458/1000000≈300m λ/6=50m 频率越低，近场越远。一般由附近设备造 成的干扰可视为由近场耦合形成。
温附二 . 临床工程科
53
屏蔽效果
主动屏蔽：防止电磁场向外扩散； 被动屏蔽：防止外界电磁辐射。 屏蔽体：金属板、金属网。
【生物医学课件】6生物医学测量的干扰和噪声
噪声和低噪声放大器
一、噪声的特性
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 地等方法消除； ✓ 内部噪声成为测量精度的限制性因素； ✓ 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；
C1和C2表示各导联线与电源 线之间的分布电容； Z1和Z2 为电极与皮肤的接触阻抗； ZG为人体与大地的接触阻抗；
由于人体电阻及接触阻抗远小于放大器的输入阻抗 （10MΩ），因而导联线分布电容中的位移电流不会流入 放大器，而是经过Z1和Z2进入人体。
若接触阻抗Z1=Z2且C1=C2，位移电流Id1= Id2，完全对称， 不形成干扰。
四、抑制电磁场干扰的措施
1. 合理接地 2. 电磁场屏蔽 3. 其他抑制干扰的措施
1. 合理接地
（1）安全接地
为了安全起见，一般电子电器设备的外壳都应 接地，从而使机壳保持零电位，防止偶然情况下 产生绝缘击穿或者漏电对人体产生电击伤害。
生物医学测量时，应使数台设备一点并联接地， 应避免各设备单独接地或串联接地。为了做到一点 接地，在一个室内应设置接地母线，实现等电位接 地。对于大系统，各个单元建立一点接地，然后整 个系统一点接地。
_4生物医学测量的干扰和噪声
“地”是电子技术中一个很重要的概念。由于“地”的分类与作用有 多种，容易混淆,故总结一下“地”的概念。 “接地”有设备内部的信号接地和设备接大地，两者概念不同，目 的也不同。“地”的经典定义是“作为电路或系统基准的等电位点或 平面”。
一：信号“地”又称参考“地”，就是零电位的参考点，也是构成电 信号回路的公共端 。 (1) 直流地：直流电路“地”，零电位参考点。 (2) 交流地：交流电的零线。应与地线区别开。 (3) 功率地：大电流网络器件、功放器件的零电位参考点。 (4) 模拟地：放大器、采样保持器、A/D转换器和比较器的零电位 参考点。 (5) 数字地：也叫逻辑地，是数字电路的零电位参考点。
三种耦合途径
传导耦合：通过导体（导线）将干扰噪声耦合进
电路中。 最典型的例子是通过电源线传入电路。
公共阻抗耦合：来自不同电路的电流流经一个公
共阻抗时，就会产生公共阻抗干扰耦合。
电磁场耦合：只要电荷发生移动，所有的电路元
件、导线都会辐射电磁场，存在来自发射源的辐射。
近场时，分别考虑电场和磁场；远场时，电磁联合 辐射。
电场耦合干扰
如果将一个带电荷 的物体靠近另一个不带 电荷的物体，不带电荷 的物体靠近带电荷物体 的一端会出现相反的电 荷，这就是静电感应现 象。在一个放大器的输 入端引线A的附近，如 果有一根带着交变电势 的导线B，那么，这个 交变电势将使引线A感 应起一个变动的电势。
生物医学信息提取过程中的干扰与噪声
场，小于此称为近场。
➢ 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。
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。
➢ 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 是电 磁干扰压降
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。
➢ 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。
接地公共阻抗产生的干扰
➢ 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 加到电路上在为共模干扰电压。
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
医学信号处理实验报告——两路信号关系衡量
电子科技大学生命科学与技术学院标准实验报告
（实验）课程名称生物医学信号处理
2018-2019-第2学期
电子科技大学教务处制表
一、实验室名称：品学楼B302
二、实验名称：两路信号间的关系衡量
三、实验学时：2
四、实验原理：
1.信噪比(signal-to-noise ratio):是描述信号中有效成分与噪声成分的比例关系参数，单位为dB。假设不含噪声的信号为s n，s n外加噪声w n 以后的信号为x n=s n+a·w n，则信号的信噪比定义为
snr=10log10(var(x n) var(y n)
)
其中var(x n)代表信号x n的方差
在给定信噪比snr的情形下，要求解系数a，则其计算公式为
a=√
var(x n) var(w n)·10
snr
10
2.皮尔逊相关系数
在统计学中，皮尔逊相关系数(Pearson correlation coefficient)，通常用R或ρ表示，是用来度量两个变量X和Y之间的相互关系(线性相关)的，取值范围在[-1,+1] 之间。它在学术研究中被广泛应用来度量两个变量线性相关性的强弱。在作为衡量线性回归效果时，常使用R2对于随机变量X和Y，皮尔森相关系数的求解公式为：
ρ=cor(X,Y)=
cov(X,Y)
√var(X)·var(Y)
其中cov(X,Y)代表X与Y的协方差，var(X)和var(Y)分别代表X和Y的方差。当相关性为1 时，X与Y的关系可以表示为Y= aX+b，其中a>0；当相关性为-1 时，X与Y的关系可以表示为Y= aX+b，其中a<0。如果X与Y相互独立，那么相关性为0。两个变量为正相关，则皮尔逊相关系数在0与1之间，两个变量为负相关，则皮尔逊相关系数在-1与0之间。
生物医学信号的特点和提取-生物医学电子与仪器-01
生物医学测量的特殊性和生理参数范围
• 测量条件：
– 测量条件全性限制： • 施加于人体的各种能量。（正常工作） – 超声 小于 100 毫瓦/平方厘米 – 漏电流：心脏 体外（脑） 体外 – 放射线：X线、γ线 • 非正常工作状态时的精度、可靠性 – 操作错误 仪器损坏：电器安全/植入型参数范围选择：考 虑噪声 和 信号 • 外界环境异常 – 电源不稳 冬天干燥 麻醉 – 电流：因身体部位、幅值、频率有变化 » 100 μA 体内 室颤 I » 1 mA 体外 有激感 » 10 mA 体外 发生不随意运动 » 100 mA 体外 心室颤动
生物医学信号的提取
• Ag/AgCl 电极 – Ex: 一个很好的非极化电极（极化电压很小） – AgCl溶解度非常小：(aAg+ x aCl- = ~ 10-10)
Ag ⇔ Ag+ + e- (oxidation) Ag+ + Cl- ⇔ AgCl (reduction) – [Cl-] 在生物体中大量存在 (aCl- ~1) – 特点:
测量信号 = 信号 + 噪声（干扰） 基本条件： 抗干扰 +低噪声 ----〉 合理解（成本 + 措施 ） 图1。39
人体电子测量中的电磁干扰 一、干扰的引入： 干扰的生成条件：干扰源-〉耦合通道-〉敏感电路 1、 干扰源： 能产生一定的电磁能量而影响周围电路的物体或设备。 主要有： 自然源：太阳黑子、太阳辐射。 放电脉冲源：发动机点火。 稳态电磁场：50Hz工频（主要干扰）。 电磁兼容性设计EMC： 抑制外部干扰。 抑制本身对外部的干扰。
医学仪器设计2生物信息测量中噪声和干扰
测试系统的噪声不可能完全被消除，但是通过对噪声 过程的分析，进行合理的低噪声设计，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。
§ 2.2 电磁干扰与系统噪声
噪声电压或电流是随机的，服从于一定的统计规律。 噪声的基本特性可以用统计平均量来描述： 均方值——噪声的强度 概率密度——噪声在幅度域里的分布密度 功率谱密度——噪声在频域里的特性
（5）其他抑制干扰的措施
a、隔离
用隔离的方法使两部分电路互相独立，不成回 路，从而切断从一个电路进入另一个电路的干扰的 通路。
通常在生物信号测量中，电源采用浮地，信号 采用光电耦合或变压器耦合实现隔离。
§ 2.2 电磁干扰与系统噪声——III 合理接地与屏蔽 （5）其他抑制干扰的措施
c、耗能抑制
场
传
场
播
源
时
场源
的
性
质
所 通 过 的
介
质Baidu Nhomakorabea
磁场(E/H<377Ω)
近场
远场 (E/H=377Ω)
电场(E/H>377Ω)
λ/2π
波阻抗＝ 电场E 磁场H
§ 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。
第二章 生物信息测量中的噪声和干扰
3） 屏蔽体上的开口影响屏蔽体对于干扰场 感应电流的流动而降低屏蔽效果。
第二节 测量系统的噪声
什么是噪声？ 把测量系统内部有器件、材料、部件的
生物信息测量中的噪声和干扰
几个基本概念： 干扰： 能够采取防护措施消除或控制的无用信号称 为干扰。 噪声： 把电子元件中带电质子杂乱波动所引起的难 以完全控制或消除的无用信号称为噪声。 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。
第一节 人体电子测量中的电磁干扰
生物医学测量系统中的主要噪声类型
4. 器件的噪声： （1）电阻的噪声
a） 电阻中都存在热噪声 b） 不同材料的电阻，其噪声大小不同，生
物电信号提取电路里多采用金属膜电阻 （2）电容器的噪声
a） 电容器的漏电，使电容中存在热噪声。 b） 电容器在工作时，存在1/f 噪声，其影
响远比热噪声大。 c） 生物电信号提取电路的大容量电容应选
串联
RS
Un
Uns In
A Uno
Zi
US
并联
生物医学测量系统中的主要噪声类型
（2）噪声系数
噪声系数是放大器引起的信号质量（信 噪比）恶化程度的量度。
干扰与噪声
(2)外部干扰。来自检测系统外部的 干扰称为外部干扰。如电网电压波动、 电磁辐射、高压电源漏电等，都属于 外部干扰。
4 从干扰对电路作用的形式分类
差模干扰：差模干扰又称串模干扰、串 联干扰、正态干扰、常模干扰及横向干扰等。
差模干扰进入电路后，使检测系统的一 个信号输入端子相对于另一个信号输入端子 的电位发生变化，即干扰信号与有用信号按 电势源串联起来作一起进入输入端。因为这 种干扰和有用信号迭加起来直接作用于输入 端，所以它直接影响到测量结果。
串连电压源 形式
并连电流源
形式
4 从干扰对电路作用的形式分类 （续）
共模干扰：共模干扰又称共态干扰、同 相干扰、对地干扰及纵向干扰。
它是相对于公共的电位基准点(通常为接 地点)，在检测系统的两个输入端子上同时出 现干扰。它虽不直接对测量结果造成影响， 但当信号输入电路不对称时，它会转化为差 模干扰，进而对测量产生影响。
接触噪声
电子开关
自然噪声：主要来自于各种自然放电现象。
2 从干扰的表现形式分类
规则干扰：干扰的出现形式有一定的规律， 如电源的纹波、放大器的自激振荡等形成的干 扰．都是有一定规律的。 随机干扰：干扰的出现具有随机性质、如 接触不良、空间电磁隅合等引起的干扰都是随 机的。
3 从干扰出现的区域分类
(1) 内部干扰：来自检测系统内部的干 扰称为内部干扰。如电路的过渡过程、 寄生反馈、内部电磁场等引起的干扰， 都属于内部干扰。
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电源与人体表面容性耦合
位移电流通过人体产生电压 Vab=0.2*400*2=160uv
（与前面共模电压的区别？如何消除）
减小电极距离，如胸部导联
Power line 220 V Cb idb
ucm Z2 ucm ZG
Z1 ucm
心电机 A
Zin B
Zin
G
idb
磁场干扰 干扰电流产生的磁通随时间变换在闭合回路产生干扰电压
电源
Z1 Z2
ZG
A
B 心电机 G
为什么生理信号测量要考虑干扰问题
• 被测信号微弱 • 人体是良导体，目标大,易受电磁干扰 • 人体系统的复杂性，易受其他系统干扰 • 仪器内部干扰和噪声
第一节、人体电子测量中的干扰
一、干扰引入
干扰形成条件 干扰源耦合通道敏感电路 干扰源 能产生一定电磁能量影响周围电路正常工作的物体或设备
解决方法： 绞合方法
减小环路面积
二、合理接地与屏蔽
保护接地 工作接地
一、合理接地
1、工作接地
电源地 接地是指：各种信号地与电源地的连接
高频信号导致阻抗增加，要多点接地，线要短， 地线大面积铜皮
高频电路特点
• 分布参数明显，导线成为电感，导线间分 布电容明显
• 元件的分布参数也明显 • 晶体管的放大倍数下降，要用的固定中频
磁场耦合的抑制技术
抑制磁场耦合干扰的好办法应该是屏蔽干扰源 大电机、电抗器、大电流载流导线等等都是很强的磁场干扰源
屏蔽体材料选择
高频电磁波频率或电场，高电导率金属材料反射损耗及涡流损耗 低频磁场，采用高导磁率的材料，磁力线限制在屏蔽体内部， 高电导率材料，铜、铝、钢 高导磁率材料，磁钢、铁、锰合金
二、生物信息测量中的噪声和干扰
医疗仪器设计
• 原理设计 • 测量方案 • 样机设计 • 试验
考虑信号因素、环境的因素、医学因素
生理信号测量中问题
• 为什么生理信号测量要考虑干扰问题 • 实例： • 心电测量有哪些干扰？ • 分析并估算这些干扰大小(5条以上) • 如何这些消除这些干扰？
心电测量中有哪些干扰？ 形成原因？ 如何消除?
断开时R小些,减小电压.
• 电源接通瞬间，电感上+，下-，低效+Ec 保持电流不变
• 电源断开瞬间，电感上-，下+，保持电 流不变，因此，断开瞬间问题大，高压 全加载三极管上，容易击穿
电机绕组为电感 RC为能量吸收 断开部分为触点
高压造成火花 短路开关能量吸收 平时合适的RC使电路不开
J为继电器
电磁开关，有线圈 防止烧坏触点，保护VT
干扰的消除
电场耦合干扰：加屏蔽层 磁场感应干扰：减小环路面积 电磁波干扰：滤波电路，屏蔽，能量释放回路 其他生理电干扰,加滤波电路 电源内阻干扰,地线阻抗干扰，加去耦电容，
减小地电阻，布局合理，如并联形式
本仪器内其他电路模块干扰，隔离电路，光耦 电极接触不好，人体运动，加滤波电路
三、其他抗干扰措施
前级的地悬浮,与电源地不通
系统内部干扰抑制
防止电压过高的辐射；导致电路击穿，引起电流冲击
吸收电路的作用
二极管保证电流减小时正向导通 断开后电感产生高压，接通与E抵消
• 三级管为控制电路,提供电感电流 • 2-26中,根据感应定律,接通和断开时电动势方向
不同, 在(e),(d)中要保证断开时二极管正向导通 • (f),(g)导通时R大一些,减小导通时间
= (6 nA) (5 K W) = 30 µV（差模电压）
Z2 ZG
Z1
Id1
A
Id2
B
心电机 G
Id1+ Id2
问题
（1）Z1,Z2意义
（2）Id1,Id2为什么不流入放大器
流入人体 解决方法： 引线屏蔽,将屏蔽罩接地
接触电阻 RAB>>接触电阻
减小长度、避免平行
电源线与人体耦合
人体很高的共模电压 Ucm=220.Cb/(Cb1+Cb)
干扰源
① 电场干扰：
工频（50Hz）电场的干扰（周围电源）。
② 磁场干扰：
变压器、电动机和荧光灯的镇流器周围产生的交流磁场（线圈）
③ 高频电磁场干扰：
空中的电磁波, 通过测量系统与人体连接的导线引入。
人体内部信号干扰
EMG等
(a)50Hz工频电场干 扰
(b)磁场干扰
胎儿心电（uv级）
二、干扰途径
第二节 噪 声(了解)
1、噪声一般性质 2、主要噪声类型 3：描述放大器的噪声性能 4：低噪声放大器设计
220 V Cb
Cb1>>Cb Cb1=10Cb
Cb1
Ucm=20v
如何消除干扰电压? 右腿接地消除共模电压，但问题？ 不安全,接地电间形成干扰电压,加接地电阻限流
由接地电阻产生共模电压 Vcm= iabZG= (0.2 µA) (50 K W) = 10 mV 如何消除?
通过高共模抑制比运算放大器消除
us BAcos 克服方法：
远离干扰源，绞线，减小回路面积及角度
假设感应侧与被感应侧位置水平对应 假设感应侧产生的磁场变大，反之右手定则电流反向
• 图1为假设每个环路的感生电动势方向， 则相邻的抵消
• 图2为假设的每个小段的感生电动势方向， 则相邻的抵消。
磁场感性干扰
无twisting
有 twisting 绞线
电源地
Baidu Nhomakorabea
2、输入敏感回路接地
2、输入敏感回路接地
•信号小，对干扰敏感 •输入存在回路，易有电磁干扰 •输入端导联线长，易有电场干扰 •导联线较长，信号端接地线(人)与仪器电路地有较大电阻，
地电位不等，形成干扰电压，直接作用在输入级
(二)合理屏蔽
电场耦合的屏蔽和抑制技术
克服电场耦合干扰最有效的方法是屏蔽物体 (放置在空心导体或者金属网内的物体不受外电场的影响)
传导耦合
公共阻抗干扰
电场、磁场、电磁场耦合
◆ 远场辐射电磁场耦合
大功率的高频电气设备，广播、电视、通 信发射台等，不断地向外发射电磁波。智能仪 器若置于这种发射场中就会感应到与发射电磁 场成正比的感应电势，这种感应电势进入电路 就形成干扰
电场耦合（容性）
当R很大
U 2s
C
C
C2
U 1s
C C2
当R很小 U2s | jRC | U1s
克服方法
-减小分布电容,增大距离，避免平行，减小长度 -加静电屏蔽层,接地
露出来的短, C很小，则U2s小
导联线及电源线 形成容性耦合
电源线的电场干扰
电源线 220 V
C2 C1
C3
vA-vB = id1Z1- id2Z2 = id1(Z1 - Z2)