第二章 生物信息测量中的噪声和干扰

2019/8/141第二章生物信息测量中的噪声和干扰2019/8/142抗干扰和低噪声，构成生物信号测量的基本条件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。微弱信号还常常被深埋在测试系统内部的噪声中2019/8/143本章主要讨论：人体电子测量中的电磁干扰测试系统中的噪声低噪声放大器设计2019/8/144人体电子测量中的电磁干扰干扰形成的三个条件干扰源耦合通道敏感电路2019/8/145干扰源干扰源:能产生一定电磁能量而影响周围电路正常工作的物体或设备。造成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。2019/8/146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。2019/8/147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）形成压降造成干扰。2019/8/1483）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；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2019/8/1494）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。2019/8/14104）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2019/8/1411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2019/8/14125）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。2019/8/1413举例1：导联线形成容性耦合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。2019/8/1414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。2019/8/14156）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。采用屏蔽以及减小环路面积的方法来消除干扰。2019/8/1416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2019/8/1417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。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。2019/8/1418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。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：2019/8/1419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。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2019/8/14202019/8/1421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。2019/8/1422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2019/8/1423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。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。2019/8/1424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2019/8/1425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多台设备分别接地2019/8/1426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）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。2019/8/1427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2019/8/1428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2019/8/1429一点接地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。2019/8/1430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，其地线长度不得超过波长的1/20，否则应采用多点接地。2019/8/1431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2019/8/1432九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。2019/8/1433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。2019/8/1434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)被动屏蔽屏蔽体用以防止外界电磁辐射2019/8/1435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。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2019/8/1436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2019/8/1437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。2019/8/1438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。2019/8/1439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。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