第一章 生物医学信号的特点和提取 第一节 生物医学信号的特点 第二节 生物医学信号的提取 第三节 提取过程中的干扰和噪声 生物医学信号的特点和提取 概述 ? 人体的电子测量:用电子学方法对人体结构、机能 的各种探测. ? 测量信号 = 信号 + 噪声(干扰) ? 人体信号:干扰大 + 噪声大 ? 不稳定:时间、个体 信号+噪声 电子 系统 界面1.1 生物医学信号的特点 ? 生物医学测量的特殊性和生理参数范围 ? 生物电信号特征 ? 非电量生理信号 生物医学测量的特殊性和生理参数范围 人体系统的特征: 1. 生命 + 环境 :两者缺一不可 2. 无创优先 + 对人体影响小 3. 适应性或反馈性:生物反馈 生物医学测量的特殊性和生理参数范围 ? 测量条件: – 参数范围选择:考虑噪声 和 信号 ? 心电:10 uV ~ 4 mV 0.05 Hz ~ 250 Hz ? 脑电:1 uV ~ 300 uV 0.5 Hz ~ 300 Hz ? 电源:220 V 人体感应电压为10~30V – 强噪声: ? 人体各部分互相干扰 :胎儿心电 ? 外界噪声:50 Hz ? 测量引入:放大器本身噪声 ? 自身环境变化:如紧张血压 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 ? 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 f I 生物电信号特征 ? 细胞和组织的电学特征: 生物体的基本单元是细胞: 可兴奋细胞(神经、肌肉)有电活动 不可兴奋细胞:大量 生物电信号特征 ? 细胞和组织的电学特征: ? 生物电位 静息电位:-50 ~ -100 mv 未受刺激时 动作电位:20 ~ 40 mv 受刺激时 产生原因是膜对钠、钾离子通透性随时间的变化. ? 一般电学特征: 电导率σ,相对介电常数ε,总集参数:电阻率ρ 阻抗法: 循环系统 血液ρ << 其他组织ρ,可以测量血流/心输出量. 呼吸系统 肺ρ >> 其他组织ρ,可以测量换气量. ρ f 肺血骨骼 生物电信号特征 ? 体表电位: 人体表面的任意点相对于参考点的确定电位,针对不 同器官,表现为心电(ECG)、脑电(EEG)和肌电 (EMG). – 体表心电图( Electrocardiogram ): ? P波、 QRS波、 T波?导联系统 – 脑电 EEG(Electroencephalogram): ? δ波、θ波、α波、β波 自发脑电、诱发脑电 – 肌电图 EMG – 皮肤电反射(GSR ):测谎仪 ECG 理论 ? 心脏电活动近似为一个随时间变化的向量 – 心脏是一个电偶极子 – 电场随心跳周期变化,从心房到心室或从起 搏点到心肌 爱因托芬(W.Einthoven) 1860~1927 荷兰人 发现心电图的机理 ECG 理论 ECG 理论 ? Einthoven三角 – 向量的构成: 至少需要两个已知向量才能组成心偶极子向量 – 3-肢体导联: VI: RA -> LA VII: RA -> LL VIII: LA -> LL ECG 理论--Einthoven三角 ? 加压肢体导联: 单极导联 Wilson中心端 = VR + VL + VF aVL: (LA - Wilson中心端)*3/2 aVR: (RA - Wilson中心端)*3/2 aVF: (LL - Wilson中心端) *3/2 ? 胸导: V1-V6 Vi = Ci - Wilson中心端 ? 12 标准导联: 3-肢导 + 3-加压导联 + 6-胸导 EEG 理论--Einthoven三角 ? P波:反映左右心房的 电激动过程电位和时 间的变化. ? P-R间期:代表心房开 始除极至心室开始除 极的时间. ? P-R段:代表心房激动 通过房室交界区下传 至心室的时间. ? QRS波群:反映左右 心室除极过程电位和 时间的变化. ? S-T段:从QRS波群终点到T波起点的线段,反映心室早期复极过程电位和时间的变化. ? T波反映晚期心室复极过程电位的变化. ? U波:代表心肌活动的"激后电位"(after potential). ? Q-T 间期:从QRS波群起点到T波终点的时间;反映心室除极和复极的总时间. 频率范围 Beta: 13 – 30 Hz Alpha: 8 – 13Hz Theta: 4 – 8 Hz Delta: 0.5 – 4 Hz EEG 理论 EEG 理论 ? Alpha 节律 – 频率: 8 – 13 Hz 幅度: 5 – 100 microVolt – 位置: 枕后 脑状态: 清醒闭眼 – Alpha节律被一个新的刺激终止 – 源: 丘脑振荡起搏神经元 EEG 理论 ? Beta 节律 – 频率: 13 – 30 Hz 幅度:2 – 20 microVolt – 位置: 前额 脑状态: 智力思维 – 反映皮层和丘脑信息处理 EEG 理论 ? Theta 节律 – 频率: 4– 8 Hz 幅度:5 – 100 microVolt – 位置: 前颞部脑状态: 想睡 – 丘脑慢振荡神经元活动,降低感觉信号进入大脑 皮层 EEG 理论 ? Delta 节律 – 频率: 0.5 – 4 Hz 幅度:20 – 200 microVolt – 位置: 不定 脑状态: 深睡 – 丘脑和深部皮层振荡,一般可被脑网状系统终断 EEG 理论 ? 10/20 导联系统 – 鼻根 枕骨隆突 – 位置: 前额(F), 颞区(T), 顶区(P), 枕区(O), 中央区(C), z为中线 – 编号: 右(2,4,6) , 左(1,3,5) EEG 理论 ? 通道: 从一对电极记录到的信号 (图中公共电 极: A1 左耳)多通道EEG记录: 目前最多256同 步记录 EEG 理论 研究EEG用电极 临床EEG电极 EEG 理论 ? 事件相关电位 – 平均每一次刺激后 的脑电信号 – 噪声减少 – 一般要 100~1000 次–假定没有适应性反 映EEG 理论 ? EEG谱分析-FFT谱分析自发脑电功率谱 EEG 理论 地形图 ? 用颜色表示强度 来反映脑电与电 极和脑区的关系, 如: ? ERP maps – 电位分布 ? Spectral maps – 频率分布 ? Statistical maps – 统计差异 非电量生理信号 ? 血压 脉搏 心音 ? 心输出量 搏出量 心指数 – 60-80mL 4.5-6.0L/s 3.1-3.5L/(s ? m2) ? 血流量 – 流速 – 轴向集中 1.2 生物医学信号的提取 1. 生物电位电极 2. 生物医学传感器 生物医学信号的提取 ? 电极种类 – 按安放位置分:体表、皮下、体内植入 – 按电极形状分:板、针、螺旋、环、球–按电极大小分:宏电极、微电极 – 体表电极:湿电极、干电极 生物医学信号的提取 ? 生物电位电极 – 人体和测量仪器的界面. – "换能器" 将离子电流转化为测量仪器的电 子电流 生物医学信号的提取 ? 电极-电解液理论 – 电极-电解液界面: 净电流从极板流 向电解液 ? 电子移动与电极中电流方向相 反?阳离子 (C+) 在电解液中移动与 电流方向相同 ? 阴离子 (A-)在电解液中移动与 电流方向相反 C ? Cn+ + ne - (氧化) Am- ? A + me- (还原) 电极 电解液 电流 C C C ← me- ← me- ← me- ← A- ← A- ← A- → C+ → C+ → C+ A A A → ne- → ne- → ne- 生物医学信号的提取 ? 电极-电解液理论 – 没有电流时达到平衡(氧化 = 还原) – 电流从电极到电解液时, 氧化占主导 – 电流从电解液到电极时, 还原占主导 – 氧化还原平衡时半电池形成 ? 没有电子流存在 生物医学信号的提取 ? 极化 – 半电池出现,没有电流通过电极-电解液界 面. – 极化导致极化电压 – 极化电压 : 测量电极间的极化半电池电位差 生物医学信号的提取 ? 极化电压 – 电极电位: ? 符合 Nernst 公式: E = -( RT/nF) ln (C/K) R 气体常数,为8.314J/mol·K F 法拉第常数,为96487库仑 T 绝对温度 N 金属离子价数 C 金属离子有效浓度 (mol/L) K 与金属有关常数 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) – [Cl-] 在生物体中大量存在 (aCl- ~1) – 特点: ? Ag/AgCl 电极生物体中非常稳定. ? 电阻与频率有关 Ag ? Ag+ + e- (oxidation) Ag+ + Cl- ? AgCl (reduction) 生物医学信号的提取 ? 电极模型 极化电极: Rj = ∞ (金电极) 非极化电极: Rj = 0 (Ag/AgCl电极) 生物医学信号的提取 信号拾取 生理信号:自发信号、诱发信号 ? 自发信号:不对人体施加任何刺激,拾 取到的信号,如ECG、EMG、EEG ? 诱发信号:对人体施加一定刺激,而得 到的信号,如视觉诱发电位(VEP) 生物医学信号的提取 ? 人体信号拾取 – 信号采集:得到电信号 电信号:用电极; 非电信号:用传感器 – 预处理:通过放大、滤波去掉原始噪声,得 到初级信号 – 处理:经过各种运算,得到反映器官功能的 特征信号 生物医学信号的提取 人体信号拾取 人体 信号 采集 处理 预处理 显示 刺激 信号拾取要求 ? 变换灵敏度高 线性的动态范围 ? 良好的信噪比 最小的对人体干扰性 生物医学信号的提取 ? 生物放大器 – 将微弱的生物电增强 – 增强后的信号可以进行: ? 处理 ? 记录 ? 显示 生物医学信号的提取 ? 生物电放大器: 最小要求 – 高输入阻抗 (最小 5 MΩ):对生物体干扰小 – 低输出电阻: 高输出驱动(i.e. display, printer, filters, etc) – 高增益 (G > 1000) – 隔离、接地、人体保护电路 – 快速校准 生物医学信号的提取 ? 生物电测量误差 – 高频失真: 边缘变光滑 (I.e. QRS peak) – 低频失真 – 饱和失真 – 地回路失真 – 电源干扰 1.3 提取过程中的干扰与噪声 1. 电磁干扰 2. 信号提取系统的噪声 电磁干扰生物测量系统是不能离开外部环境 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 微弱信号 + 噪声 干扰 信号+噪声 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. 2、干扰耦合途径: . 传导耦合:长导线. 解决方法:绞线、屏蔽线. .公共阻抗耦合:共用电源电阻、地电阻. 解决方法:分别接地. 图1.42 .电场和电磁耦合: 电场:电容性耦合. 磁场:电感性耦合. 3、耦合元件: 所有带电的元件、导线、 结构件等均可形成干扰. 二、生物测量中的电磁干扰 1.电场的容性干扰: 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.通常称为50Hz干扰. 共模电压:图1.48 一般放大器电源为+/-12V,所以采用差动 放大器.这样这个电压就为差动放大器的 共模电压. 如共模抑制比为60dB(衰减1000倍)共模 电压的干扰为20mV,80dB时为2mV. 1 2 2 1 1 10 20 220 d d d d d cm C C V V C C C U = = * + = 取 导联线形成的容性耦合:图1.49 从肢体或胸部提取体表信号所用的导线,通常约1米. 在强磁场中,通过长的导联线与其他带电体之间的分布电 容,足以引入周围环境中的各种干扰. ECG uV Z Z I U k Z Z nA I I I Z Z I K Z Z M Z d AB d d d d % 3 30 ) ( 5 6 500 100 10 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 = = ? = = ? = = = ≠ Ω Ω Ω 则,,如导线位移电流 手指到地阻抗小于 小于 、 电极与皮肤接触阻抗 , 大于 放大器输入阻抗 条件: 人体表面的容性耦合:图1.50 人体体表与电源线之间的分布电容(体表各部分的分 布电容的总和)也引入干扰. ECG uV I U uA I I d d d % 16 160 2 400 2 . 0 , 500 = = * Ω * = = Ω 则如体表位移电流 手指到地间阻抗小于 2.磁场的感性干扰: 电磁环境中,通过电场干扰源在人体的测量回路中感 应出的干扰电压.图1.51 ECG uV m Hz m Wb B AB % 1 10 1 . 0 50 , / 10 2 . 3 cos cos 2 2 7 = * ? 时,干扰为 , 则为一般 感应电压为 ? θ ω 三、合理接地和屏蔽 合理接地是抑制干扰的主要方法,把接地和屏蔽正确结合 可以解决多数干扰问题. 1.合理接地:图1.52,图1.55,图1.57 (1)安全接地:机壳接地.电阻小于10Ω. 宏电击:绝缘击穿. 微电击:分布参数造成漏电流. 保护接地:漏电流和事故电流安全流入大地. 并联小电阻 串联大电阻 双层绝缘 过流保护 漏电断路 接地方式:一点接地 (2)工 作接地: 所有 导线都有 阻抗,单 点并联接 地. 2.屏蔽:图1.67 用金属板/网将两 个区域隔离,防止干扰 传播 3.隔离: 将两个电路独立, 不构成回路,光耦是常 用的方法. 4.去耦 用RC/LC去除电源 干扰. 5.滤波 电源中的滤波器. 1.3.2 信号提取系统的噪声 通常为与外界干扰相区别,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.对于医学信号 要求信噪比(SNR)大于40dB. 生物电测量与环境同在,因此噪声的引入是必然的. ∫ = dt t x ) ( μ ∫ ? = dt t x 2 2 ) ) ( ( μ σ ) ( f S 1、噪声的一般性质 (1)概率密度 (2)均值: (3)方差: (3)功率谱: 2 2 2 / ) ( 2 1 ) ( σ π σ μ ρ u u e ? ? = (1)1/f噪声(低频噪声):两种材料不完全接触. 其功率谱密度:S(f) = K/f (2)热噪声(白噪声):热电子运动引起. 其功率谱密度:S(f) = 4kTR. k 波尔兹曼常数. T 绝对温度. R 电阻值. (3)散粒噪声:半导体中载流子波动. 其功率谱密度: S(f) = 2eIDC 2、噪声提取系统中的主要噪声类型: 信号提取系统的噪声 信号提取系统的噪声 3 描述放大器噪声性能的参数 (1)电压噪声 (2)电流噪声 (3)放大器引入噪声: 2 2 2 2 2 ns s n n ni U R I U U + + = 2 2 2 2 2 / ) ( ns ns s n n U U R I U F + + = 4 多级放大器: .... ) /( / 2 1 3 1 2 1 + + + = A A P A P P P n n n i n U n I (4)噪声系数:总的输出噪声与源电阻热噪声的比 信号提取系统的噪声 5、噪声匹配: 图1.88 (1)变压器耦合:<100Ω (2)双极性:1kΩ到1MΩ (3)结型场效应管: 10kΩ到1000MΩ (4)金属氧化型场效应管: 100kΩ到10GΩ 2 2 2 s n n R I U ≈ 生物电放大系统的噪声及干扰 1、电极: 极化电位:<300mV,直流噪声. 极化电位的漂移:极低频. 2、差动放大: 共模电压转差模电压:50Hz 电流噪声+电压噪声:白噪 单位增益带宽:失真 3、带通及主放: 相移失真 一致性失真 人体 电极 带通 差动前放 主放
下载该文档
文档格式：PDF
更新时间：2014-08-11
下载次数：0
点击次数：1
第一章 生物医学信号的特点和提取 第一节 生物医学信号的特点 第二节 生物医学信号的提取 第三节 提取过程中的干扰和噪声 生物医学信号的特点和提取 概述 ? 人体的电子测量:用电子学方法对人体结构、机能 的各种探测. ? 测量信号 = 信号 + 噪声(干扰) ? 人体信号:干扰大 + 噪声大 ? 不稳定:时间、个体 信号+噪声 电子 系统 界面1.1 生物医学信号的特点 ? 生物医学测量的特殊性和生理参数范围 ? 生物电信号特征 ? 非电量生理信号 生物医学测量的特殊性和生理参数范围 人体系统的特征: 1. 生命 + 环境 :两者缺一不可 2. 无创优先 + 对人体影响小 3. 适应性或反馈性:生物反馈 生物医学测量的特殊性和生理参数范围 ? 测量条件: – 参数范围选择:考虑噪声 和 信号 ? 心电:10 uV ~ 4 mV 0.05 Hz ~ 250 Hz ? 脑电:1 uV ~ 300 uV 0.5 Hz ~ 300 Hz ? 电源:220 V 人体感应电压为10~30V – 强噪声: ? 人体各部分互相干扰 :胎儿心电 ? 外界噪声:50 Hz ? 测量引入:放大器本身噪声 ? 自身环境变化:如紧张血压 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 ? 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 f I 生物电信号特征 ? 细胞和组织的电学特征: 生物体的基本单元是细胞: 可兴奋细胞(神经、肌肉)有电活动 不可兴奋细胞:大量 生物电信号特征 ? 细胞和组织的电学特征: ? 生物电位 静息电位:-50 ~ -100 mv 未受刺激时 动作电位:20 ~ 40 mv 受刺激时 产生原因是膜对钠、钾离子通透性随时间的变化. ? 一般电学特征: 电导率σ,相对介电常数ε,总集参数:电阻率ρ 阻抗法: 循环系统 血液ρ << 其他组织ρ,可以测量血流/心输出量. 呼吸系统 肺ρ >> 其他组织ρ,可以测量换气量. ρ f 肺血骨骼 生物电信号特征 ? 体表电位: 人体表面的任意点相对于参考点的确定电位,针对不 同器官,表现为心电(ECG)、脑电(EEG)和肌电 (EMG). – 体表心电图( Electrocardiogram ): ? P波、 QRS波、 T波?导联系统 – 脑电 EEG(Electroencephalogram): ? δ波、θ波、α波、β波 自发脑电、诱发脑电 – 肌电图 EMG – 皮肤电反射(GSR ):测谎仪 ECG 理论 ? 心脏电活动近似为一个随时间变化的向量 – 心脏是一个电偶极子 – 电场随心跳周期变化,从心房到心室或从起 搏点到心肌 爱因托芬(W.Einthoven) 1860~1927 荷兰人 发现心电图的机理 ECG 理论 ECG 理论 ? Einthoven三角 – 向量的构成: 至少需要两个已知向量才能组成心偶极子向量 – 3-肢体导联: VI: RA -> LA VII: RA -> LL VIII: LA -> LL ECG 理论--Einthoven三角 ? 加压肢体导联: 单极导联 Wilson中心端 = VR + VL + VF aVL: (LA - Wilson中心端)*3/2 aVR: (RA - Wilson中心端)*3/2 aVF: (LL - Wilson中心端) *3/2 ? 胸导: V1-V6 Vi = Ci - Wilson中心端 ? 12 标准导联: 3-肢导 + 3-加压导联 + 6-胸导 EEG 理论--Einthoven三角 ? P波:反映左右心房的 电激动过程电位和时 间的变化. ? P-R间期:代表心房开 始除极至心室开始除 极的时间. ? P-R段:代表心房激动 通过房室交界区下传 至心室的时间. ? QRS波群:反映左右 心室除极过程电位和 时间的变化. ? S-T段:从QRS波群终点到T波起点的线段,反映心室早期复极过程电位和时间的变化. ? T波反映晚期心室复极过程电位的变化. ? U波:代表心肌活动的"激后电位"(after potential). ? Q-T 间期:从QRS波群起点到T波终点的时间;反映心室除极和复极的总时间. 频率范围 Beta: 13 – 30 Hz Alpha: 8 – 13Hz Theta: 4 – 8 Hz Delta: 0.5 – 4 Hz EEG 理论 EEG 理论 ? Alpha 节律 – 频率: 8 – 13 Hz 幅度: 5 – 100 microVolt – 位置: 枕后 脑状态: 清醒闭眼 – Alpha节律被一个新的刺激终止 – 源: 丘脑振荡起搏神经元 EEG 理论 ? Beta 节律 – 频率: 13 – 30 Hz 幅度:2 – 20 microVolt – 位置: 前额 脑状态: 智力思维 – 反映皮层和丘脑信息处理 EEG 理论 ? Theta 节律 – 频率: 4– 8 Hz 幅度:5 – 100 microVolt – 位置: 前颞部脑状态: 想睡 – 丘脑慢振荡神经元活动,降低感觉信号进入大脑 皮层 EEG 理论 ? Delta 节律 – 频率: 0.5 – 4 Hz 幅度:20 – 200 microVolt – 位置: 不定 脑状态: 深睡 – 丘脑和深部皮层振荡,一般可被脑网状系统终断 EEG 理论 ? 10/20 导联系统 – 鼻根 枕骨隆突 – 位置: 前额(F), 颞区(T), 顶区(P), 枕区(O), 中央区(C), z为中线 – 编号: 右(2,4,6) , 左(1,3,5) EEG 理论 ? 通道: 从一对电极记录到的信号 (图中公共电 极: A1 左耳)多通道EEG记录: 目前最多256同 步记录 EEG 理论 研究EEG用电极 临床EEG电极 EEG 理论 ? 事件相关电位 – 平均每一次刺激后 的脑电信号 – 噪声减少 – 一般要 100~1000 次–假定没有适应性反 映EEG 理论 ? EEG谱分析-FFT谱分析自发脑电功率谱 EEG 理论 地形图 ? 用颜色表示强度 来反映脑电与电 极和脑区的关系, 如: ? ERP maps – 电位分布 ? Spectral maps – 频率分布 ? Statistical maps – 统计差异 非电量生理信号 ? 血压 脉搏 心音 ? 心输出量 搏出量 心指数 – 60-80mL 4.5-6.0L/s 3.1-3.5L/(s ? m2) ? 血流量 – 流速 – 轴向集中 1.2 生物医学信号的提取 1. 生物电位电极 2. 生物医学传感器 生物医学信号的提取 ? 电极种类 – 按安放位置分:体表、皮下、体内植入 – 按电极形状分:板、针、螺旋、环、球–按电极大小分:宏电极、微电极 – 体表电极:湿电极、干电极 生物医学信号的提取 ? 生物电位电极 – 人体和测量仪器的界面. – "换能器" 将离子电流转化为测量仪器的电 子电流 生物医学信号的提取 ? 电极-电解液理论 – 电极-电解液界面: 净电流从极板流 向电解液 ? 电子移动与电极中电流方向相 反?阳离子 (C+) 在电解液中移动与 电流方向相同 ? 阴离子 (A-)在电解液中移动与 电流方向相反 C ? Cn+ + ne - (氧化) Am- ? A + me- (还原) 电极 电解液 电流 C C C ← me- ← me- ← me- ← A- ← A- ← A- → C+ → C+ → C+ A A A → ne- → ne- → ne- 生物医学信号的提取 ? 电极-电解液理论 – 没有电流时达到平衡(氧化 = 还原) – 电流从电极到电解液时, 氧化占主导 – 电流从电解液到电极时, 还原占主导 – 氧化还原平衡时半电池形成 ? 没有电子流存在 生物医学信号的提取 ? 极化 – 半电池出现,没有电流通过电极-电解液界 面. – 极化导致极化电压 – 极化电压 : 测量电极间的极化半电池电位差 生物医学信号的提取 ? 极化电压 – 电极电位: ? 符合 Nernst 公式: E = -( RT/nF) ln (C/K) R 气体常数,为8.314J/mol·K F 法拉第常数,为96487库仑 T 绝对温度 N 金属离子价数 C 金属离子有效浓度 (mol/L) K 与金属有关常数 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) – [Cl-] 在生物体中大量存在 (aCl- ~1) – 特点: ? Ag/AgCl 电极生物体中非常稳定. ? 电阻与频率有关 Ag ? Ag+ + e- (oxidation) Ag+ + Cl- ? AgCl (reduction) 生物医学信号的提取 ? 电极模型 极化电极: Rj = ∞ (金电极) 非极化电极: Rj = 0 (Ag/AgCl电极) 生物医学信号的提取 信号拾取 生理信号:自发信号、诱发信号 ? 自发信号:不对人体施加任何刺激,拾 取到的信号,如ECG、EMG、EEG ? 诱发信号:对人体施加一定刺激,而得 到的信号,如视觉诱发电位(VEP) 生物医学信号的提取 ? 人体信号拾取 – 信号采集:得到电信号 电信号:用电极; 非电信号:用传感器 – 预处理:通过放大、滤波去掉原始噪声,得 到初级信号 – 处理:经过各种运算,得到反映器官功能的 特征信号 生物医学信号的提取 人体信号拾取 人体 信号 采集 处理 预处理 显示 刺激 信号拾取要求 ? 变换灵敏度高 线性的动态范围 ? 良好的信噪比 最小的对人体干扰性 生物医学信号的提取 ? 生物放大器 – 将微弱的生物电增强 – 增强后的信号可以进行: ? 处理 ? 记录 ? 显示 生物医学信号的提取 ? 生物电放大器: 最小要求 – 高输入阻抗 (最小 5 MΩ):对生物体干扰小 – 低输出电阻: 高输出驱动(i.e. display, printer, filters, etc) – 高增益 (G > 1000) – 隔离、接地、人体保护电路 – 快速校准 生物医学信号的提取 ? 生物电测量误差 – 高频失真: 边缘变光滑 (I.e. QRS peak) – 低频失真 – 饱和失真 – 地回路失真 – 电源干扰 1.3 提取过程中的干扰与噪声 1. 电磁干扰 2. 信号提取系统的噪声 电磁干扰生物测量系统是不能离开外部环境 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 微弱信号 + 噪声 干扰 信号+噪声 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. 2、干扰耦合途径: . 传导耦合:长导线. 解决方法:绞线、屏蔽线. .公共阻抗耦合:共用电源电阻、地电阻. 解决方法:分别接地. 图1.42 .电场和电磁耦合: 电场:电容性耦合. 磁场:电感性耦合. 3、耦合元件: 所有带电的元件、导线、 结构件等均可形成干扰. 二、生物测量中的电磁干扰 1.电场的容性干扰: 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.通常称为50Hz干扰. 共模电压:图1.48 一般放大器电源为+/-12V,所以采用差动 放大器.这样这个电压就为差动放大器的 共模电压. 如共模抑制比为60dB(衰减1000倍)共模 电压的干扰为20mV,80dB时为2mV. 1 2 2 1 1 10 20 220 d d d d d cm C C V V C C C U = = * + = 取 导联线形成的容性耦合:图1.49 从肢体或胸部提取体表信号所用的导线,通常约1米. 在强磁场中,通过长的导联线与其他带电体之间的分布电 容,足以引入周围环境中的各种干扰. ECG uV Z Z I U k Z Z nA I I I Z Z I K Z Z M Z d AB d d d d % 3 30 ) ( 5 6 500 100 10 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 = = ? = = ? = = = ≠ Ω Ω Ω 则,,如导线位移电流 手指到地阻抗小于 小于 、 电极与皮肤接触阻抗 , 大于 放大器输入阻抗 条件: 人体表面的容性耦合:图1.50 人体体表与电源线之间的分布电容(体表各部分的分 布电容的总和)也引入干扰. ECG uV I U uA I I d d d % 16 160 2 400 2 . 0 , 500 = = * Ω * = = Ω 则如体表位移电流 手指到地间阻抗小于 2.磁场的感性干扰: 电磁环境中,通过电场干扰源在人体的测量回路中感 应出的干扰电压.图1.51 ECG uV m Hz m Wb B AB % 1 10 1 . 0 50 , / 10 2 . 3 cos cos 2 2 7 = * ? 时,干扰为 , 则为一般 感应电压为 ? θ ω 三、合理接地和屏蔽 合理接地是抑制干扰的主要方法,把接地和屏蔽正确结合 可以解决多数干扰问题. 1.合理接地:图1.52,图1.55,图1.57 (1)安全接地:机壳接地.电阻小于10Ω. 宏电击:绝缘击穿. 微电击:分布参数造成漏电流. 保护接地:漏电流和事故电流安全流入大地. 并联小电阻 串联大电阻 双层绝缘 过流保护 漏电断路 接地方式:一点接地 (2)工 作接地: 所有 导线都有 阻抗,单 点并联接 地. 2.屏蔽:图1.67 用金属板/网将两 个区域隔离,防止干扰 传播 3.隔离: 将两个电路独立, 不构成回路,光耦是常 用的方法. 4.去耦 用RC/LC去除电源 干扰. 5.滤波 电源中的滤波器. 1.3.2 信号提取系统的噪声 通常为与外界干扰相区别,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.对于医学信号 要求信噪比(SNR)大于40dB. 生物电测量与环境同在,因此噪声的引入是必然的. ∫ = dt t x ) ( μ ∫ ? = dt t x 2 2 ) ) ( ( μ σ ) ( f S 1、噪声的一般性质 (1)概率密度 (2)均值: (3)方差: (3)功率谱: 2 2 2 / ) ( 2 1 ) ( σ π σ μ ρ u u e ? ? = (1)1/f噪声(低频噪声):两种材料不完全接触. 其功率谱密度:S(f) = K/f (2)热噪声(白噪声):热电子运动引起. 其功率谱密度:S(f) = 4kTR. k 波尔兹曼常数. T 绝对温度. R 电阻值. (3)散粒噪声:半导体中载流子波动. 其功率谱密度: S(f) = 2eIDC 2、噪声提取系统中的主要噪声类型: 信号提取系统的噪声 信号提取系统的噪声 3 描述放大器噪声性能的参数 (1)电压噪声 (2)电流噪声 (3)放大器引入噪声: 2 2 2 2 2 ns s n n ni U R I U U + + = 2 2 2 2 2 / ) ( ns ns s n n U U R I U F + + = 4 多级放大器: .... ) /( / 2 1 3 1 2 1 + + + = A A P A P P P n n n i n U n I (4)噪声系数:总的输出噪声与源电阻热噪声的比 信号提取系统的噪声 5、噪声匹配: 图1.88 (1)变压器耦合:<100Ω (2)双极性:1kΩ到1MΩ (3)结型场效应管: 10kΩ到1000MΩ (4)金属氧化型场效应管: 100kΩ到10GΩ 2 2 2 s n n R I U ≈ 生物电放大系统的噪声及干扰 1、电极: 极化电位:<300mV,直流噪声. 极化电位的漂移:极低频. 2、差动放大: 共模电压转差模电压:50Hz 电流噪声+电压噪声:白噪 单位增益带宽:失真 3、带通及主放: 相移失真 一致性失真 人体 电极 带通 差动前放 主放