生物电测量技术一等奖公开课.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2.1 生物电信号,第二章 生物电测量技术,生物电信号,名称,幅值,频率范围,心电,0.1,8mv,0,100Hz,脑电,5,50v,0.5,60Hz,肌电,20v,30mv,10,3000Hz,胃电,50v,2mv,0.001,20Hz,视网膜电,50v,200v,DC,20Hz,生物电信号的测量特点,信号微弱：0.1v5mv；,信号的频率低：直流几百赫兹以下,强噪声背景（信噪比小）：如50HZ干扰，其他生物电信号的干扰和测量设备本身的电子元器件噪声的干扰。,50Hz噪声干扰：电磁场干扰或仪器电源电压的干扰。,其它信号的干扰：如测量诱发脑电时自发脑电的干扰，测量胎儿心电时的母体心电的干扰等。,电子元器件噪声干扰：热噪声和PC结噪声干扰。,电极电位影响：电极之间的电位差可达,300mv，不稳定，会形成基线漂移。（电极电位与电极材料有关，也与电极安放、电极面积、电流密度等有关系）,2.2 生物电放大器,第二章 生物电测量技术,生物电放大器基本要求,不影响所检测部位的生理功能；,测得的信号不能有畸变；,必须能将有用信号和干扰分离开来；,必须对可能的电击伤害提供有效的防护；,放大器本身应能经受得起除颤器、电刀等产生的大电流的冲击。,高增益,生物电信号非常弱小：通常放大器的增益达500倍至1000000倍左右，针对不同的信号应选择不同的增益。,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。,高输入阻抗,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。,高输入阻抗也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。,合适的通频带,通常是利用滤波器来完成。,高通滤波器可以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，尤其是工频噪声及其谐波，也能用于限制信号的频宽以防采样时造成信号混叠。,不同生物电信号的频率范围不同，放大器的频率响应范围也是不同的。,电气隔离和保护,现代生物电放大器都采用隔离放大器，使得连接病人的放大器输入级（应用部分）与放大器后级完全电器隔离的。,电器隔离的主要目的是防止病人受到电击，同时，该技术对抑制电源干扰的影响也有一定的作用。,生物电放大器框图,Vout,隔离放大器,10-1000,倍,前置放大器,10-15,倍,高通滤波器,低通滤波器,+,-,前置放大器,总的共模增益G,c,为D3组成的差模放大器的共模增益，共模抑制比CMRR=G,d,/G,c,。,电路中的R,1,常被用来调节增益,差模增益：G,d1,=1+2R,2,/R,1,G,d2,=R,4,/R,3,共模增益：G,c1,=1,总增益：G,d,=G,d1,G,d2,EASY TO USE,Gain Set with One External Resistor(Gain Range 1 to 1000),Wide Power Supply Range(,2.3 V to,18 V),Higher Performance than Three Op Amp IA Designs,Low Power,1.3 mA max Supply Current,有很多这样的集成电路芯片如AD620，INA118等，可以直接用来作为前置放大器。,仪器放大器噪声,噪声能量与温度、频带宽度、放大器的电流和电压噪声有关,采用低噪声的前置放大器芯片，已有芯片可以做到噪声电压小于 和噪声电流小于 。通常场效应管的运放的电压噪声较双极型晶体管的运放大，但电流噪声远远小于双极型晶体管的运放。,有限的频带宽度：使用滤波器限制频带宽度。,前级电路的噪声会被后级放大，这样就要求前级输出噪声小于后级的输入噪声，所以第一级元器件的噪声必须很低，而且增益足够大。,电极电位,前置放大器的增益实际上受到电极电位的限制，一般允许两个电极之间的电位差达到300mV，如果放大器电源采用6V，那么放大20倍基线就处在饱和位置了。通常是采用隔直电容来解决这个问题,由于生物电信号中的一些成分接近直流或本身就是直流，如心电图的s-t段，所以这个高通滤波器的截止频率很低，如心电图机的低频端截止频率为0.05Hz。,电极极化电压问题,生物电放大器的滤波电路,高通滤波器：低频截止频率为f,L,=1/（2R,L,C,L,）。,D,4,为R,L,C,L,电路提供了所需要的高输入阻抗，也有增益G,d4,=1+R,H,/R,5,，而且还组成了一阶有源低通滤波器，高频截止频率为f,H,=1/（2R,H,C,H,）。,共模干扰的消除方法,在进行生物电测量时，被测体（通常是人体）受到电网形成的交流电场的作用，会在人体上产生交流电位，这个电位在体表各部分是相同的，是一个共模干扰,共模干扰形成原因位移电流,除了提高共模抑制比以外，提高放大器的输入阻抗对减小共模干扰很有帮助。另外，尽可能的减少电极阻抗，减小各电极阻抗之间的差别也对减少共模干扰有好处。,位移电流,i,db,会造成共模电位Vc=,i,db,Z,G,电极引线中也会感应工频干扰,降低电极阻抗,Z,2,和,Z,1,降低,i,d,，将各引线屏蔽接地。,假定：,引线1中的电流是,i,d1,，,引线2中的电流是,i,d2,，,接地回路的电流=,i,d1,+,i,d2,因Z1和Z2的不一致而转变为差模电位：,V,+,V,-,=,i,d1,Z,2,i,d2,Z,1,=,i,d,(Z,2,Z,1,),屏蔽线驱动,对于共模信号而言，分布电容两端等电位，流过电容的电流Ic=0，相当于阻抗为无穷大，从而消除了屏蔽线分布电容的影响。这种方法称为屏蔽驱动。,右腿驱动电路,，D1和D2组成的电路的共模增益为1，在a、b处的共模信号Vc与被测体上的共模信号Vc相等，Vc=Vc。Vc=,i,dbRo+Vo，那么就有：,思考题,生物电信号有哪些，他们的信号特征是什么？,生物电放大器的基本要求和技术特点是什么？,生物电放大器应有哪些部分组成？,请考虑设计一个用于心电放大的生物电放大器。（先写出设计要求和技术指标）,