第二章 生物信息测量中的噪声和干扰

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多台设备分别接地
人体电阻区1kΩ，则 通过患者的电流超过 10uA的危险性极大， 对于直接接触心脏的 测量，这时不允许的。
单独的接地方式在生 物医学测量中应避免
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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（避免电感性耦 合）
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5）生物电测量中电场的容性耦合
在电磁环境中，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
生物电测量中电场的容性 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。
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举例1：导联线形成容性耦合
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多点接地
如图电路中使用的地线分别连接 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
一般说来，1MHz以下可以采用 一点接地，频率高于10 MHz是 采用多点接地。在1~10MHz范 围，如用一点接地时，其地线长 度不得超过波长的1/20，否则应 采用多点接地。
在远离场源的地方，场的性质主要取决 于场传播时所通过的介质
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4）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通 过分布电容使其他导体上
的电位受到影响。
抗干扰措施：
增大两导线间的距离，尽量 避免两导线并行，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。
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工作接地
所有导线都有一定的阻抗，高频时导线地表面 呈现一定电抗，其值甚至超过导线电阻。
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
地线两点间会达到数百毫伏，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 为了安全，电源线接地一般采用一点接地 工作接地方式有两种：一点接地和多点接地
屏蔽体用以防止外 界电磁辐射
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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 被衰减的程度来描述。
电磁波入射到金属表面时所产 生的损耗有两种：
反射损耗：入射波的一部分从 金属表面反射回
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。
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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，形成很大的感性 冲击电压，成为辐射干扰 源。为此，必须为电感性 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）
使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， 必须接入接点保护电路， 以防三极管高压击穿。
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）形成压降造成干扰。
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3）电场和磁场耦合
场的特性取决于“场源”的性质、场 源周围的介质以及观察点和源之间的 距离。
在场源附近，场的特性主要决定于场源 的性质；
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一点接地
串联方式
简单方便，在电路电平相 差不多时仍可使用，注意 低电平电路距离接地点最 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 于各电路之间形成耦合而 不适用于高频。
图中：C1和C2表示各 导联线与电源线之间 的分布电容形成容性 耦合。若接触电阻 Z1=Z2且C1=C2位移 电流Id1= Id2，完全 对称，不形成干扰； 若不平衡，就将形成 干扰。
但是，实际上总存在 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。
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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。
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噪声的一般性质
噪声电压或电流是随机的，噪声的随机过程不 可能用一个确定的时间函数来描述，但它服从 统计规律，可以用统计平均量来描述，能通过 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。
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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，造 成对精密测量仪器的误差,必须 设计输入滤波保护线路，来抑制 干扰。
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测试系统的噪声
通常为于外部干扰向区别，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，通过采取适当的措施，常可以减小到次要 的程度；而系统内部的噪声往往成为测量精度的限制性因 素。
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等电位接地
是指把仪器周围的所有导电部分（如水管 、 暖气管等各种金属管、金属窗框以及水泥地面） 和仪器外壳连接在一起，形成等电位。这时， 即使人体触及仪器外壳，由于不存在电位差， 仍然能够防止电击事故发生。这种为了得到等 电位的附加接地称为等电位地线。
安全标准规定在离患者2.5m以内的范围要等电 位化。
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
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，单纯依靠接 地并不能抑制磁场的干扰
接地设计对系统抗干扰能力起重要作用。 源-地之间高阻抗可消除干扰。 屏蔽层应对地绝缘，仅保持一点可靠接
地。
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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)主动屏蔽
用屏蔽体把干扰源 包围起来，使电磁 场不向外扩散
b)被动屏蔽
采用屏蔽以及减小 环路面积的方法来 消除干扰。
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抑制干扰的常用方法
1）合理接地 a安全接地（保护接地）
电源接地 保护接地 等电位接地 b工作接地
一点接地（串联/并联） 多点接地 c敏感回路接地
2）采用屏蔽
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合理接地
合理接地是抑制干扰的主要方法
接地指印制板上的局部电路中和测试系统整机中地线的 布置。
规定的2.5m距离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。
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多台设备接地方式
生物医学测量中，大多数情况是数台电子设备 同时用于人体，同时工作，这时应特别注意各 设备的接地安全，防止发生微电击。
数台设备并用，其接地方式可能有以下三种：
分别单独进行接地 公用一条接地线 上述两种方法并用
相连（虽增加了一条配线，但更加安全，是医疗设 备和测量的合理的接地方法）
电源侧接地的标准电阻为10Ω以下。接地电阻 形成的负载仪器外壳电位成为接触电位。
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保护接地
为了使漏电流和 绝缘失效时的事 故电流安全地流 入大地而附加的 接地保护。
a)并联小电阻 b)串联大电阻 c)再加一层绝缘 d)过流保护 e)漏电切断保护
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4）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形 成干扰电压。
在系统内部，线圈或变压 器的漏磁是形成干扰电压 的主要原因。
在系统外部，多数是由于 两根导线在长距离平行架 设中形成干扰电压
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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
使用粗地线，减小地线电 阻
最根本的办法是：
与患者相连的各台设备的 地线接到公共地线的同一 点上，称之为测量的一点 接地方式。这是安全接地 的最好方法。
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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
第二章 生物信息测量中的噪声和干 扰
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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， 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。
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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。
合理接地
系统中的接地线分为两类，一类是安全接地，称为保护 接地；一类是工作接地，即对信号电压设定基准电位。
保护地线必须是大地电位，而工作地线的设计可以是大 地电位，也可以不是大地点位。
当保护地线与工作地线配合不好时，就会产生干扰。
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安全接地
为了安全起见，一般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 的机壳保持零电位。
电磁波通过介质时，其幅度以 指数方式衰减，这是因为介质 中感应的电流造成欧姆损耗， 变为热能而耗散
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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
使用滤波电路
低通滤波器
在电路设计时引入内 部干扰抑制电路
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举例2：人体表面形成容性耦合
人体与50HZ电源 线之间存在着分 布电容，形成容 性耦合，测出总 的位移电流Id大约 为1μA之内，形成 干扰电压。
解决办法：缩短 电极之间的距离、 减小体电阻、右 脚接地。
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6）生物电测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。
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，最后汇集于接地母线 优点：
避免了大功率、大电流、高电压电路通过地线回路对小信号回路的影 响
避免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
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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
机壳的电位是由于杂散阻抗形成漏电通路甚至绝缘击 穿的偶然情况形成的。
在生物医学测量种，安全接地可分为三种： 电源接地、保护接地、等电位接地
下图为发生宏电击和微电击的两种情况：
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电击
电击：是指超过一定数量的电流通过人体而引起 的各种电伤害，如心室纤颤、心肌收缩及皮肤烧 伤等。
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九通道数字磁带记录仪地线系统
九个逻辑控制电路 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。
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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
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现象
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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