2018生物医学电子学1-概论.ppt

q医学电子学医学电子学q 本课程是在模拟电子技术和数字电子技术的基础上阐述生物医学领域的信号提取、信号提取、检测检测和医学和医学仪仪器器设计设计等方面的问题。q主要研究内容包括生物医学信号的特点与提取方法、生物医学信号放大电路设计、预处理电路设计、生物遥测系统以及信号分析与处理知识和现代生物医学中常用的设备。q为学生奠定有关医学电子仪器的设计与开发，维修等基础知识，培养学生用理论解决实际问题的能力。q要求学生通过课堂和实验教学后，掌握多种医学电子电路及设备的原理，设计及应用，并具有简单的电子及影像设备的初步分析设计与实际应用能力。n绪论n心电信号及检测n肌电信号原理及应用n脑电、红外、光电、血氧检测n压力传感生物信号检测第一章 概论 内容提要n1.1 生物电子学发展简史n1.2 研究医学电子学的意义n1.3 常用医学电子仪器n1.4 学习方法n1.5 医学测量仪器中的噪声和干扰1.1 生物电子学发展简史 18世纪，意大利神经生理学家伽尔伐尼由观察蛙的神经肌肉收缩现象，建立了生物电（bioelectricity）的理论。1786年有一天，伽伐尼在实验室解剖青蛙，把剥了皮的蛙腿，用刀尖碰蛙腿上外露的神经时，蛙腿剧烈地痉挛，同时出现电火花。经过反复实验，他认为痉挛起因于动物体上本来就存在的电，他还把这种电叫做动物电。生物体内不同的生命活动，能产生不同形式的生物电，如人体心脏的跳动、肌肉的收缩、大脑的思维等等。q1733年，英国牧师S.Hales作了第一个血压测量的实验。生物电子学发展简史n1819年，法国医生laennaec发明听诊器。n1875年，发现了脑的生物电现象。n1889年，A.C.Waller首先提出了心脏的电偶极子模型。n1895年，德国物理学家W.C.伦琴在实验室研究阴极射线时，偶然发现了x射线。1895年11月8日发现了X射线，为开创医疗影像技术铺平了道路，1901年被授予首次诺贝尔物理学奖。这一发现不仅对医学诊断有重大影响，还直接影响了20世纪许多重大科学发现。例如安东尼亨利贝克勒尔就因发现天然放射性，与居里夫妇共同获得1903年的诺贝尔物理学奖。威廉康拉德伦琴，1845年3月27日-1923年2月10日)，德国物理学家生物电子学发展简史n1903年，著名的心电图之父William Einthoven根据前人的许多研究成果，制成了第一部用于记录心脏电位的心电图机。n1929年，德国医生Hans Berger用检流计在开颅的情况下记录了人的脑电图，从此揭开了人类认识大脑的新纪元。n1952年Zoll将体外心脏起搏器引入至医学临床。q Maekay和Jaeobson于1957年制做的一个体积小于1 cm3的无线电丸药用于最早的生物遥测。使患者处于无拘束的自然状态下连续测定消化道器官各部分的pH值、温度、出血部位、压力、消化酶活性等 美国联邦通信委员会(FCC)已将用于植入用途(MICS和MEDS频带)的频带分配在400 MHz范围内，以便在体内时达到最佳性能。植入的无线电还需要极低的功耗、泄漏电流和有效的唤醒机制来启动通讯。生物电子学发展简史n生理信号类：脑电图（EEG）、心电图（ECG）、肌电图（EMG）、心音、血流、血压、体温等n生化分析类：生化仪，三、五分类血球仪，血气分析仪、电解质分析仪 n影像类：X光机、CT、MRI、超声等n 从简单的生物电的发现和测量历史表明：电子学与生命科学的结合已有150年的历史。现代科学研究表明：生命的最小单位是细胞，而存在电活动是细胞表现生命活性的基本特征。换言之，生命的本质在于“电”。因此通过检测细胞或生物组织的电活动，可以了解细胞或生物组织的生理状态或病理状态。通过各种各样的传感器也可以将检测生物“电”延伸到测量温度、压力、流量、成份、成像，通过这些测量，人们可以研究各种生命现象，诊断各种疾病。1.2 研究医学电子学的意义常见的生物电信号或生理参数生物医学测量的各种参量1.3 常用医学电子仪器从临床应用功能来分：诊断仪器，治疗仪器，辅助仪器（或设备）掌握医学电子类仪器的基本原理、基本结构、基本电路；培养基本应用能力（仪器分析、仪器设计、仪器维护）n生生理理信信息息监监测测仪仪器器：心电图机、脑电图机、床边监护系统、胎儿监护仪、血氧饱和度监护仪n医医用用成成像像仪仪器器：X射线诊断仪器（普通、数字化）、计算机断层扫描仪(CT)、超声诊断仪器(B超,彩超)、磁共振成像仪器、热成像仪器(红外)、核医学成像装置(PET)n医医用用检检验验仪仪器器：生化分析仪、血液分类仪、血气分析仪、电解质分析仪 n医用光学仪器：医用光学仪器：内窥镜、光学显微镜等诊断仪器q利用机械能的设备：呼吸机、麻醉机、透析机q超声治疗设备：体外冲击波碎石机q除颤仪q高频治疗设备：电刀、射频消融 q利用磁场治疗的设备：低频磁场治疗仪（脉冲磁场治疗仪）q微波治疗仪 q放射治疗装置：直线加速器、X刀、刀、钴60治疗仪器 一部分与医疗有关的仪器或软件,既不直接用于作疾病诊断，也不直接用于疾病的治疗，但在现代医疗中占有极其重要的作用，这些是医学辅助设备。q医学信息系统：包括计算机网络系统及与此相应的医院信息系统、地区医疗网络与远程医疗设备、面向家庭的医疗技术、以及近年来迅速发展的PACS系统（图像存储于传输系统），电子病例等。q其它辅助设备：包括消毒灭菌设备、中心供氧和制氧设备、废物处理设备、手术台、电源系统和电安全监护器、制冷设备和空调设备、血库设备、制药机械设备等。辅助仪器医学电子仪器的一般结构1.4 学习方法n理论，n实践，n本课程与其他课程的结合1.5 医学测量仪器中的噪声和干扰 对于信号来说，噪声和干扰是有害的扰动，严重的影响了信号的检测。为了区别，一般把外界因素对放大电路中各部分的影响称为干扰，而把由于材料或器件的物理原因所产生的扰动称为噪声。生物医学信号一般都是伴随着噪声和干扰信号，如心电、肌电信号总是伴随着因肢体动作和精神紧张等带来的假象，且常有较强的工频干扰；诱发脑电信号总是伴随着较强的自发脑电信号；超声回波信号中往往伴随其他反射杂波。此外，信号中的无用成分亦视为检测中的干扰。1.5.1 干扰n磁场干扰n电场干扰n电磁场干扰干扰源：能产生一定的电磁能量而影响周围电路的物体或设备1、磁场干扰 磁场的干扰来源于变压器、电动机和荧光灯的镇流器等设备，这些设备中的线圈通以交流电时，就会产生一个交变的磁场，在交变磁场中的其他导线环路或其他线圈都会感应出电动势。改变设备或电路的放置方向（但不改变空间位置），检测电路的输出，如果输出信号的幅值发生变化，即可初步判定存在磁场干扰。磁场干扰通过电感性耦合进入放大电路。n电感性耦合又称磁耦合；n起因：干扰电流产生的磁通随时间变化从而形成干扰电压。q在系统内部，线圈和变压器的漏磁是形成干扰电压的主要原因。q在系统外部，多数是由于两条导线在长距离架设中形成干扰电压。电感性耦合(a)耦合示意图,(b)等效电路,(c)用互感表示的等效电路A为闭合回路所包围的面积(m2),B为正弦变化磁通密度的均方根值(wb/m2),w为角频率(rad/s)，为B与面积A法线的夹角。q感应电压：n根据法拉第电磁感应定律，这种干扰的强度与电路或线圈的环路面积成正比。n磁场干扰直接影响医学测量仪器，必须采取措施予以抑制。n一般说来，磁场干扰的频率较低，当作用距离较近时，作用较强。2、电场干扰 电场的干扰主要来源于交流电源，其中50 Hz的工频干扰最普遍。一般放大电路的直流电源是用50 Hz的交流电源经整流、滤波、稳压后得到的，如果滤波不齐，整流电源输出的电压就有50 Hz的纹波电压，使电路的电流产生波动而形成干扰电压，特别是第一级，由于电源所产生的干扰电压将被后续各级放大而使输出端产生较大的干扰电压。50 Hz的工频干扰除了通过传感器及其引线引入放大电路意外，还通过电容性耦合形成进入放大电路形成电场干扰。（交流信号）电容性耦合n起因：分布电容，由两电路间的电场相互作用引起。q在电子系统内部元件和元件之间，导线与导线以及导线与元件之间等等都存在着分布电容，q一个导体上的电压或干扰成分通过分布电容使导体上电位受到影响电容性耦合。一、平行导线容性耦合假设电路1为骚扰源电路，电路2为敏感电路，两电路间的耦合电容为C。根据等效电路图（b），可以计算出骚扰源电路在电路2上耦合的骚扰电压为:n电容性耦合引起的感应电压正比于骚扰源的工作频率、敏感电路对地的电阻R2（一般情况下为阻抗）、耦合电容C、骚扰源电压U1；n电容性耦合主要在射频频率形成骚扰，频率越高，电容性耦合越明显；n电容性耦合的骚扰作用相当于在电路2与地之间连接了一个幅度为 的电流源。n一般情况下，骚扰源的工作频率、敏感电路对地的电阻R2（一般情况下为阻抗）、骚扰源电压U1是预先给定的，所以，抑制电容性耦合的有效方法是减小耦合电容C。3、电磁场干扰 电磁场干扰的主要来源是各类无线电发射装置、各种工业干扰、无线电台和设备内部的高频电磁场干扰。电磁场干扰的特点是频率高，作用距离远，幅值不稳定。交流电源线、测试系统中的长线都能引起传导耦合，它们都具有天线的效果，能够拾取空间的干扰引入测试系统。4、干扰的抑制1、屏蔽2、合理接地n屏蔽或去除干扰源。n输入引线可以采用屏蔽线。q尽量缩短导线伸出屏蔽层的长度q使屏蔽层可靠接地n要求较高时，可采用电池供电。n前置级第一个运放两输入管脚布一圈地线。（1）屏蔽n所谓屏蔽，泛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个区域电场或磁场的传播。n屏蔽分主动屏蔽和被动屏蔽。主动屏蔽n用屏蔽体把干扰源包围起来，使电磁场不向外扩散，称为主动屏蔽。被动屏蔽n屏蔽体用于防止外界电磁辐射，称为被动屏蔽。干扰的损耗n电磁波入射到金属表面时产生的损耗有两种：一部分从金属表面反射回，称之为反射损耗；另一部分穿过金属板并被衰减，称为吸收损耗。q电磁波通过介质时，其幅度以指数方式衰减，产生这种衰减的原因是由于介质中感应的电流造成欧姆损耗，变为热能而耗散。吸收损耗对远场、近场、电场磁场都是一样的，衰减表示为：q吸收损耗随屏蔽体厚度和电磁场频率的增加而增加q钢比铜吸收损耗优越。q反射损耗取决于介质的阻特性和场的具体形式。q钢比铜的反射损耗小。n对于电场屏蔽，通常采用铜、铝等金属薄板导电率高的材料制成，n对于磁场屏蔽，通常采用玻莫合金、锰合金、磁钢等高导磁率材料，n无论是电场屏蔽还是磁场屏蔽，都要有合理的接地，n几乎所有生物电放大器的前置级都加装屏蔽罩。n但在实际中，导线孔，通风孔，开关等都形成孔洞和缝隙，所以实际的屏蔽效果可能主要取决于缝隙和孔洞的泄漏，而不是材料本身。电场屏蔽和磁场屏蔽（2）合理接地n安全接地（保护接地）n工作接地安全接地n安全接地又称保护接地；n一般电子仪器设备，为了安全起见，机壳都应接地（对地电阻小于10），尤其在生物医学测量中，这一点更加重要，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。n必须是大地电位。等电位地线n如果产生漏电，但是只要接地电位和人体电位相等，那么电流也就不会通过人体。为此目的，可以把仪器周围的导电部分（如水管，暖气等各种金属管，金属窗框以及水泥地面）和仪器外壳连在一起，形成等电位。n即使人体接触仪器外壳，由于不存在电位差，仍然能防止电击事故。n安全标准中，规定要求离患者2.5m以内的范围要等电位化，规定的2.5m距离意味着在患者伸手或借助其他人所能接触的范围，把这一范围称为患者环境。工作接地n对信号电压设立基准电位，可以是大地电位，也可以不是大地电位。n高频时导线的表面呈现一定电抗，一段电源地线两点间的电压会达到数百毫伏、甚至几伏的电压，这对低电平电路（如生物信号放大器的前置级）来说，这已是非常大的干扰，因此交流电源的地线不能作为信号地线。系统接地原则n作为系统，应该区分低电平信号地线，功率地线和机壳地线。n功率地线，包括继电器，电动机，接触器等大功率电路及干扰源的地，又称干扰地。n机壳电线，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连。n三套地线分别自称系统，最后汇集于接地母线3、其他抑制干扰的方法n隔离n滤波n系统内部干扰的抑制隔离n用隔离的方法使两部分电路互相独立，不成回路，从而切断从一个电路进入另一个电路的干扰的通路。n通常在生物信号测量中，用光电耦合器实现隔离。滤波n当交流电网的负载突变时（如电机的启动和制动），在负载突变处交流电源线与地线之间将 产生高频干扰电压。n这种干扰构成对放大电路的高频干扰，而且这个高频电流不仅沿导线流动，凡有电容的地方都有良好的通道。n这种干扰要在稳压电源交流进线处加滤波电路滤去干扰信号。系统内部干扰的抑制n医学诊疗设备内部的各种继电器、接触器、电动机等有接点的开启和闭合，产生瞬时击穿，造成高频辐射和引起电源电压、电流的冲击，如不加以抑制则形成系统内部的严重干扰，并成为外部设备的干扰源。n这种干扰的抑制是电磁兼容性设计的一个重要任务。EMCn电磁兼容性EMC（Electro Magnetic Compatibility），是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。n因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度。q1、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。（方差2为u的均方值，表示噪声的强度；q 为标准差等于均方根值，概率密度 表示噪声在幅度域里的分布密度。1.5.2 噪 声 平均功率：q噪声的基本特性用统计平均量来描述：均方值表示噪声的强度；概率密度表示噪声在幅度域里的分布密度；功率谱密度S(f)表示单位频带内噪声功率随频率在频域里的特性，表示噪声在频域里的特性；平均功率是各频率分量功率之和。qS(f)为常数为白噪声-a段；q不是常数为有色噪声-b、c段q低频噪声（1/f噪声）q（粉红色噪声）-b段q蓝色噪声-c段qC=0，表示两噪声源完全不相关，噪声电压瞬时值之间没有关系；qC=1，表示完全相关，两相关噪声线性相加；C=-1，两相关噪声线性相减；qC取某一值表示两种噪声电压之间部分相关，都包含一部分独立产生的噪声；q一般假设C为0，因为大量的噪声源是不相关的.两种噪声作用于系统时，总噪声均方电压：n1、电阻热噪声n2、晶体管噪声电路噪声的来源1、电阻热噪声n任何电阻（导体）即使不与电源接通，它的两端仍有电压，这是由于导体中构成传导电路的自由电子随机的热运动引起的。n这种由电子无规则热运动而产生的随时间变化的电压称为热噪声电压。2、晶体管噪声n分配噪声n散粒噪声n闪烁噪声分配噪声n在晶体管中，由于发射极注入基区的载流子在与基区本身的载流子复合时，载流子的数量时多时少；因而引起基区载流子复合率有起伏，导致集电极电流与基极电流的分配有起伏，最后造成集电极电流的起伏，这种噪声称为分配噪声。n分配噪声不是白噪声，它与频率有关；频率越高，噪声也越大。闪烁噪声n晶体管的闪烁噪声主要是由半导体材料本身和表面处理等因素引起的。n其噪声功率与工作频率f近似成反比关系，故称1/f噪声，频率越低，1/f噪声越大，故1/f噪声，亦称为“低频噪声”。散粒噪声散粒噪声n在晶体管中，载流子的迁移速度不会相同，致使在单位时间内通过PN结空间电荷区的载流子数目有起伏，因而引起通过PN结的电流在某一电平上有一个微小的起伏，这种起伏就是所谓散粒噪声。n散粒噪声与流过PN结的直流电流成正比。散粒噪声是白噪声，它的频谱范围很宽，但在低频段占主要地位。噪声总结n热噪声和散粒噪声是白噪声。n具有均匀功率频谱的噪声称为白噪声。n白噪声是指在较宽的频率范围内，各等带宽的频带所含的噪声能量相等的噪声。主要干扰q电极极化,工频干扰,肌电干扰,基线漂移q患者突然动作对心电的干扰、电话铃对心电的干扰、周围环境的信号(如强的电、磁场等)对心电的干扰等；q在这些干扰中，工频干扰、基线漂移是最普遍的，也是心电信号处理中必须考虑对其消除或抑制的主要噪声信号。心电信号中的干扰n人体的心电信号非常微弱,其幅度范围是0.0015 mV,频率范围是0.005100 Hz。而在检测过程中,遇到的噪声与干扰信号一般都比该数值高出几个数量级。去除方法n对于磁场，电场和电磁场，常用方法是屏蔽和接地；n对于其他干扰，采用高通，带通，陷波（带阻）等一系列滤波方法去除。q电极极化干扰会产生几百毫伏的极化电压，前置电路可能产生的基线漂移也会使信号中出现一部分直流分量，这对后续的信号放大是十分不利的。因为后续放大会连同直流分量一同放大，可能会超出电源。人身体的移动也会产生一定的低频分量，影响观测，所以需要通过高通滤波将低频以及直流分量滤除。而仪器的使用过程中常会产生高频干扰，会导致无法观测清晰波形，也需要滤除。q在采集到的心电信号中最大的干扰分别为50 Hz工频干扰和35 Hz肌电干扰。这两种干扰都集中在一个频率上，其所在频率的附近包含着有用的心电信号，所以不能整体通过高通或低通滤除，这就需要使用陷波器将单一频率滤除。