第七章生物醫學測量的干擾和噪聲張麒上海大學通信與信息工程學院§7.1生理信號的基本特征§7.2人體電子測量的干擾§7.3抑制電磁場干擾的主要方法§7.4噪聲與低噪聲放大器§7.1生理信號的基本特征頻率特性頻帶寬(EMG:DC-10kHz)

幅值特性幅值微弱

EEG:幾微伏-幾百微伏

EMG:幾微伏-幾千微伏

各類生理信號常常復合交織在一起

采集心電(ECG)信號時，常常混雜有頻帶復用（或部分復用）而強度更大的肌電(EMG)信號以及其他無規律的運動干擾信號等。在心電測量中的工頻干擾(a)及肌電干擾(b)

生物醫學測量的干擾和噪聲問題：（1）被測信號是微弱信號，測試系統具有較高的靈敏度。靈敏度越高，對干擾和噪聲也就越敏感，即極易把干擾引入測試系統或者放大噪聲。（2）工頻50Hz干擾幾乎落在所有生物電信號的頻帶范圍之內，而50Hz干擾又是普遍存在的。（3）生物體本身屬于電的良導體，而且“目標”大，難以屏蔽并很容易接受外部干擾。干擾和噪聲的區別干擾：描述一系統受另一系統的影響而在該系統中產生誤差電壓和電流的現象噪聲：被測信號中加入的隨機振動，來自于測量系統的內部，由構成測量系統的材料與元器件產生生物醫學信號測量

強干擾和噪聲背景下的微弱信號測量電磁干擾的形成有三個條件：干擾源、耦合通道（即引入方式）與敏感電路（即接受電路）。§7.2人體電子測量的干擾§7.2.1干擾源能產生一定的電磁能量而影響周圍電路正常工作的物體或設備稱為干擾源。包括自然界宇宙射線、太陽輻射產生的周期電振動；

周圍普通電氣電子設備產生的放電現象，如發動機點火繼電器觸電引起電弧照明電燈的輝光放電電容電感瞬變過程各種變壓器、廣播、電視、雷達等傳播的電磁能信號及干擾源的頻率分布§7.2.2干擾耦合的途徑耦合通道傳導耦合經公共阻抗耦合電場和磁場耦合電容性耦合電感性耦合經公共阻抗耦合電源內阻及電源線的公共阻抗公共接地電阻一個電路的干擾電流經公共阻抗形成干擾壓降，立刻引入其它電路干擾耦合路徑：電場和磁場耦合場的性質取決于場源的性質場源周圍的介質觀察點與源之間的距離以為界區分近/遠場用波阻抗描述場源的性質遠場時，Rc等于介質特性阻抗，空氣Rc為377Ω近場時場源為大電流低電壓，則Rc<377Ω；磁場性質場源為小電流高電壓，則Rc>377Ω；電場性質場源場的特性場源的性質場傳播時所通過的介質λ/2π近場遠場波阻抗＝電場E磁場H磁場(E/H<377Ω)電場(E/H>377Ω)(E/H=377Ω)在研究電磁場耦合形成干擾時，應把以電場為主的干擾與以磁場為主的干擾區分開電場通過電容性耦合引入干擾磁場通過電感性耦合引入干擾（1）電容性耦合在電子系統內部元件和元件之間，導線和導線之間以及導線與元件，導線、元件與結構件之間都存在著分布電容。一個導體上的電壓或干擾成分通過分布電容使導體上的電位受到影響，這種現象稱為電容性耦合。平行導線容性耦合若導線2為信號端，與放大器輸入端相連，那么便構成敏感電路。由容性耦合形成的對敏感電路的干擾，在不考慮C1時為：（1）電容性耦合增大R，并減小C干擾電場干擾簡單估算Cd1為人體與50Hz、220V電源饋電線之間的分布電容Cd2為人體與大地間的分布電容Cd1<<Cd2若取100Cd1=Cd2則耦合到人體的50Hz工頻電壓)

UCM=Cd1*220/(Cd1+Cd2)=2V足以完全淹沒微弱的生物電信號抑制容性耦合常用的方法：提高輸入阻抗R采用屏蔽導線(需減小干擾源導線和屏蔽伸出導線間耦合電容C)在印制電路板內破壞電容耦合最關鍵的部位，是處在前置級的第一個運放；減小共模干擾在印制板布線時，應在運放的兩輸入管腳處，布一圈地線，以達到屏蔽的目的。針對50Hz工頻干擾的抑制方法心電圖測量右腿驅動電路腦電、肌電測量屏蔽、合理接地、濾波器（2）電感性耦合（磁耦合）干擾電流產生的磁通隨時間變化而形成干擾電壓。在系統內部，線圈或變壓器的漏磁是形成干擾的主要原因；在系統外部，多數是由于兩個導線在長距離平行架設中形成干擾電壓。電路2中的感應電壓：抑制電感耦合的常用方法：遠離干擾源，減小干擾源的影響；采用絞合線的走線方式；盡量減小耦合通道(回路閉合面積A和cosθ值)（2）電感性耦合（磁耦合）每個絞合結的微小面積所引起的感應電壓大體相等，由于相鄰的絞合結方向相反，而使局部的感應電壓相互抵消。（2）電感性耦合（磁耦合）減小耦合通道——減小面積A和cosθ值可采取盡量使信號回路平面與干擾回路平面垂直，并使信號線貼近地平面布線，以減小回路的閉合面積等。多導心電圖、腦電圖等測量時，要求將導線收緊為一束（2）電感性耦合（磁耦合）敏感電路：電極連接導線和輸入放大器(1)電極導聯線造成電容性耦合干擾§7.2.3接受干擾的敏感電路(2)人體表面形成電容性耦合干擾§7.3抑制電磁場干擾的主要方法7.3.1合理接地7.3.2電磁屏蔽7.3.3其它措施即嚴格遵守電磁兼容性(electro-magneticcompatibility,EMC)原則，實現不互相干擾、協調共同工作的設計考慮7.3.1合理接地合理接地是抑制電場干擾的最好方法原則：正確的一點接地三方面考慮儀器供電系統的安全接地，即保護接地所設計的電路系統的工作接地輸入回路或敏感回路的接地(1)安全接地220V、50Hz交流電供電必須有接大地的引線端將機器外殼和電源地都接入大地數臺設備情況一點并聯接地，避免各設備單獨接地或串聯接地(2)工作接地指電子設備系統的各個電路部分其接地也應遵循一點接地原則保持各電路同參考零電位

(否則將引起工頻干擾的加劇)對于高頻電路由于輻射性強，要求各引線盡可能短優先考慮引線短，再考慮一點接地對于低頻電路（常見情況）首先考慮一點接地(3)敏感回路的接地兩點接地帶來干擾從電極到前置放大器一般有大于1m的屏蔽電纜信號源一側的地與后面放大器的地電位不可能完全相等造成兩點接地不滿足一點接地將造成很大干擾干擾電位差信號源與放大器的地隔離原則屏蔽線、屏蔽罩的一點接地屏蔽線和屏蔽罩如果不接地或接地不良，

特別是內部裝有前置放大器的屏蔽罩不接地，

可能根本無法工作電容與放大器形成反饋電路，可能引起放大器振蕩無法工作7.3.2電磁場屏蔽在測量系統工作區域加以金屬封閉隔離層，以屏蔽從其它區域傳播來的電場或磁場輻射干擾各單元部件或整個系統都可進行屏蔽全屏蔽、局部屏蔽高頻電磁場屏蔽原理：渦流反磁場作用材料：高電導率材料厚度：沒有要求，滿足機械強度接地：需要接地，防止靜電積累低頻電磁場屏蔽原理：將干擾磁通限制在低磁阻屏蔽層內，使其不進入工作區內材料：高磁導率材料厚度：應具有足夠的厚度以減小磁阻，可采用兩層或多層結構接地：良好接地7.3.3抑制干擾的其它措施§7.4噪聲和低噪聲放大器噪聲——測量系統內部由器件、材料、部件的物理因素產生的固有的自然不穩定擾動稱為噪聲（電壓或電流）。系統內部噪聲往往成為測量精度的限制性因素。測試系統的噪聲不可能完全被消除，但是通過對噪聲過程的分析，進行合理的低噪聲設計，可以使噪聲降到最低限度，從而使信號在傳輸過程中保持較高的質量。對于生物體而言，所測量生物體信號以外的其它生物信號也可視為噪聲。但本章只討論測量系統內部固有的自然擾動這類噪聲。噪聲電壓或電流是隨機的，服從于一定的統計規律。噪聲的基本特性可以用統計量來描述：均方值σ2——噪聲的強度概率密度p(U)——噪聲在幅度域里的分布密度一般服從高斯（正態）分布功率譜密度S(f)——噪聲在頻域里的特性白噪聲：在很寬的頻率范圍內，噪聲具有恒定的S(f)，為常數1/f噪聲：S(f)隨f升高而下降7.4.1噪聲的統計量

噪聲帶寬噪聲帶寬Δf：噪聲功率增益KP曲線對頻率f的積分除以最大功率增益KP0功率增益正比于電壓增益

Ku的平方，所以例：求一階RC低通電路的噪聲帶寬

fC為高頻截止頻率(即3dB帶寬)7.4.2生物醫學測量系統主要噪聲類型1/f噪聲（閃爍噪聲）熱噪聲散粒噪聲1/f噪聲凡兩個材料之間不完全接觸，形成起伏的

電導率便產生1/f噪聲發生在兩個導體連接的地方，如開關、繼電器或

晶體管、二極管的不良接觸……低頻噪聲，500-2kHz功率譜密度噪聲電壓均方值

例：若K=5*10-10V2/Hz,則在100-200Hz范圍，1/f噪聲電壓均方根值為18.6uV熱噪聲由導體中載流子的隨機熱運動引起譜密度在各個頻率幾乎相等，屬于白噪聲電壓均方值削弱熱噪聲方法：降低溫度（如超低溫技術）減小頻帶寬度減小傳感器電阻散粒噪聲半導體器件中載流子擴散到基區不一致，使流過的載流子數目發生起伏，從而引起電流的無規則變化屬于白噪聲與流過半導體PN結位壘的電流有關，所以二極管、晶體管、集成運算放大器都存在散粒噪聲，一般導體無此噪聲帶噪聲的運算放大器理想運算放大器+等效噪聲參數放大器內所有噪聲源產生的噪聲，用UN、IN參數表示UN:與輸入端串聯的阻抗為零的噪聲電壓發生器IN:與輸入端并聯的阻抗為無窮大的噪聲電流發生器7.4.3運算放大器噪聲性能參數UNS為信號源內阻Rs熱噪聲電壓均方根值運放的等效輸入噪聲UNI為信噪比和噪聲系數信噪比噪聲系數放大器輸入的信噪比與輸出的信噪比的比值理想放大器本身無噪聲，源電阻的熱噪聲經放大器后不會增加，因此NF=0dB，但實際由于放大器有噪聲源存在，因此NF>0dB例：放大器NF=6dB，輸出信噪比為10，通頻帶為10kHz，求輸入源的信號功率最小是多少（按室溫25度源電阻熱噪聲計算）答：噪聲匹配F經過推導F最小值時對應Rs

此時最小噪聲系數調整源電阻，使其等于最佳源電阻，從而使噪聲系數最小，這一過程為電路的噪聲匹配多級放大器的噪聲系數多級放大器解釋：第一級放大器的噪聲系數對總噪聲系數的貢獻最大，第二級以后的噪聲系數都要除以功率增益，其影響逐級減小對設計放大器的指導意義：降低第一級噪聲系數是實現低噪聲多級放大器的原則；增加第一級的功率增益，可減弱后續級的噪聲影響三級放大器7.4.4低噪聲放大器的設計低噪聲放大器的設計特點：以低噪聲為