《课程讲解》-2.1生物电放大器

高通滤 波器
低通滤 波器
50Hz 陷波器
6、电气隔离和保护：
生物电放大器都有隔离放大器一级，使得连接病人 的放大器输入级与放大器后级完全电气隔离的。
分信号通路隔离和电源通路隔离，前者使用隔离变 压器、光电管隔离器、电容隔离等；后者使用隔离 变压器或DC-DC变换器。
电气隔离的主要目的是防止病人受到电击，同时抑 制电源干扰。
针型电极：用以刺破皮肤，记录局部肌肉组织的EMG电 位等。
微电极：是用于测量细胞附近和细胞内生物电位的微型 电极。这种电极的尖端直径仅为0.5~5微米。
皮肤表面电极
金属板电极
浮式电极：导电膏隔离皮肤与电极
吸杯电极
盘状电极
针形电极（肌电图）
微电极
金属电极 绝缘层
A B
+ 膜电位
+ 细胞质
5~50μV 0.01~5mV 20 μV ~30mV 50 μV ~2mV 50~200 μV 0.05~3.5mV
1~60Hz DC~150Hz 10~3000Hz DC~20Hz DC~20Hz DC~50Hz
说明
主要带宽在0～ 33Hz 诱发电位1％ 电针 表面电极测得 表面电极测得 表面电极测得 表面电极测得
生物电信号的信号源内阻很高，提高放大器的输入 阻抗可以提高信号拾取的比例。
高输入阻抗能减少因各电极阻抗不一致造成的共模 干扰。因此，提高输入阻抗也能提高信噪比。
高输入阻抗测量示意图
5、合适的通频带：
利用滤波器（高通+低通）来完成。 高通滤波器用来消除电极电位漂移； 低通滤波器可以用来消除各种高频噪声。 陷波器：消除工频噪声。 通频带越窄，噪声越小。
前置放大器
隔离放大器
+
高 通
低 通
滤
滤
－
波
波
器
器
高电压保护
2.1.3.1 前置放大器
生物电放大器的前置级均由差分放大器构成
最基本的理想差分放大器
两个三极管及相对应的电阻参数一致。输出电压Vo等
于两晶体管集电极输出电压之差Vo=Vo1－Vo2。
零点漂移抑制 差模信号放大 ：等于三极管增益 共模信号输出：0 共模抑制比：无穷大
2.1 生物电放大器
2.1.1 生物电信号的特点
幅度小：心电1～5mV，脑电诱发电位0.1 μV 频率低：DC～3000Hz 背景噪声强，信噪比小：50Hz干扰为主 受电极影响 信号内涵丰富：如脑电波
生物电信号的幅值和频率
信号
心电
幅值
0.1~8mV
频率范围
DC~100Hz
自发脑电 皮层脑电 肌电 胃电 视网膜电 眼电图
采用差分放大器 高增益 低噪声 高输入阻抗 合适的通频带 电气隔离和保护
1、采用差分放大器：
用途：测量两个电极之间的生物电的电位差值。因 此差分放大器放大差模信号，抑制共模信号
由于生物电信号在两个电极上是不同的，是差模信 号，工频干扰信号在两个电极上的幅度和相位基本 上是相同的，是共模信号。
+ +
参比电极
+
+
+
组织液
按电极材料分类：
Ag/AgCl电极：医用Ag/AgCl电极采用烧结法制成 不锈钢电极 导电硅胶电极 干电极
粘合剂 绝缘膜
电极板
导电硅胶电极
外壳
电极线
干电极：
通过人体与金属电极板的电 容耦合检测生物电信号
2.1.2 生物电放大器的基本要求与特点
生物电放大器基本要求(P10) 生物电放大器技术特点：
50 μV ~2mV 0.001~20Hz
视网膜电（electroretinogram, ERG）
50~200 μV DC~20Hz
将一电极放置在角膜上，另一电极放置于最靠近眼球后部的眶缘部分，当视网膜 受到快速变化的光刺激时，通过放大装置将视网膜电位变化记录下来，即为视网 膜电图
眼电图electro-oculogram,EOG
第2章 生物电测量仪器 2.1 生物电放大器
阮肖晖 高级工程师 rxh@
本节目录
2.1.1生物电信号的特点 2.1.2生物电放大器的基本要求与特点 2.1.3生物电放大器设计 2.1.4生物电放大器的技术指标 2.1.5信号的采集（信号处理）
参考书：《现代医学电子仪器原理与设计》余学飞
2、高增益：
生物电信号非常弱小：通常放大器的增益达500倍 至100万倍左右，针对不同的信号应选择不同的增 益。
3、低噪声：
由于信号弱小，放大器本身的噪声幅度必须远低于 信号幅度，尤其是放大器的前置级噪声，它会与信 号一起经后级放大器放大，因此，前置放大器的元 件必须采用低噪声的。
4、高输入阻抗：
医疗仪器
220V交流电
2.1.3 生物电放大器设计
生物电放大器的基本结构和原理 前置放大器的设计 共模抑制的消除方法 电气隔离和大电流保护
生物电放大器的基本结构和原理入阻抗、低噪声、差模放大
高通滤波器
隔离放大器：10~1000倍
低通滤波器
高电压保护电路
0.05~3.5mV DC~50Hz
于暗、明适应条件下在被检者内、外眦角各置一电极所检测到的电流随眼球的转动 而变化，记录下来的电位就是眼电图。
电极
为了测量和记录生物机体的生物电位或电流而安置 在机体和测量仪器之间的导电界面（电极理化反 应），其作用是把机体内的离子流（生物电位）转 换成电路中的电子流（生物电信号）。
心电图electrocardiogram，ECG
0.1~8mV DC~100Hz
肌电图electromyography，EMG
20 μV ~30mV 10~3000Hz
脑电图electroencephalogram，EEG
5~200μV 0.5~60Hz
胃电图Electrogastrogram，EGG
电极 机体外 机体内
＋
-
-
＋ ＋
＋＋
＋
电极在生物体内离子导 电和金属的电子导电体 系之间形成一个电化学 界面，能实现离子流与 电子流的互相转换，从 而使生物体和测量仪器 间构成了电流回路。
-
-
-
＋
-
生物电检测电极示意图
常见医用电极的种类、特点与作用
按用途分类：
皮肤表面电极：用以从体表上测量ECG、EEG和EMG电 位。体表电极的形状很多，有用于肢体的金属板电极、 用橡皮膏粘贴的金属盘电极、吸杯电极、浮动型表面电 极、按扣式电极以及特殊形式的表面电极等。